林安川 杜順林 向艷霞 朱永華 趙紅全 劉林剛 王 萍

（昆鋼技術(shù)中心）

1 概述

20世紀(jì)60年代后期至90年代末，美、英、德、日等國高爐—轉(zhuǎn)爐流程鋼鐵工業(yè)都經(jīng)歷了發(fā)展—快速發(fā)展—過?！D(zhuǎn)型—化解產(chǎn)能等各個時期。進入新世紀(jì)以來，中國鋼鐵工業(yè)經(jīng)過近20年快速發(fā)展后進入了轉(zhuǎn)型升級發(fā)展時期，面臨著化解過剩產(chǎn)能的巨大壓力。2016年2月，國務(wù)院“關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能實現(xiàn)脫困發(fā)展的意見”明確指出，從2016年開始，用5年時間壓減粗鋼產(chǎn)能1.0～1.5億t，中遠(yuǎn)期規(guī)劃為：至2025年降至6.24億t，2030年至5.60億t。即，中國鋼鐵工業(yè)在今后5～10年間要大幅縮減過剩產(chǎn)能。屆時，競爭力落后鋼廠將逐步被淘汰，低開工率、低負(fù)荷生產(chǎn)有可能成為多數(shù)鋼廠“常態(tài)”。鋼鐵工業(yè)從粗放式快速增長到精益生產(chǎn)階段，有必要對不適用的鋼鐵傳統(tǒng)工藝技術(shù)進行改進、完善或開發(fā)新的工藝技術(shù)。如國外Siemens VAI（西門子-奧鋼聯(lián)）公司、加拿大Dofasco公司等開發(fā)出轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)爐全自動出鋼控制系統(tǒng)，從吹煉結(jié)束→出鋼指令→轉(zhuǎn)爐傾動至設(shè)定角度（防溢渣爐內(nèi)液面攝像檢測）→鋼包車運行到位→出鋼加入合金→氣動擋渣裝置擋渣→出鋼結(jié)束→轉(zhuǎn)爐回位鋼包車開出→渣罐車就位→倒渣等全流程步驟均實現(xiàn)計算機系統(tǒng)自動控制。從而率先將轉(zhuǎn)爐煉鋼自動化、智能化控制提升到更高階段。

近年來，伴隨著我國計算機控制、信息技術(shù)的飛躍發(fā)展，國內(nèi)各鋼鐵企業(yè)圍繞煉鋼系統(tǒng)生產(chǎn)效率提升和指標(biāo)改善目標(biāo)，結(jié)合生產(chǎn)實際操作在煉鋼大工序鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、精煉、連鑄、調(diào)度界面優(yōu)化系統(tǒng)等各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)廣泛開展模型化、智能化的煉鋼系統(tǒng)相關(guān)控制技術(shù)和系統(tǒng)的研究、建設(shè)及應(yīng)用。部分先進鋼廠已經(jīng)自主研發(fā)、集成了包括轉(zhuǎn)爐模型技術(shù)、L2（過程控制）與Ll（自動化）通訊技術(shù)、氧氣流量自動控制、氧槍槍位自動控制、輔料自動稱量和投入、副槍自動測定、底吹流量自動控制、自動停吹控制及鋼包智能調(diào)度系統(tǒng)、連鑄智能化等內(nèi)容的多項自動煉鋼的配套技術(shù)并得到成功應(yīng)用。如，以一鍵式煉鋼為代表的智能煉鋼技術(shù)，其實現(xiàn)邏輯、控制步驟為：靜態(tài)模型計算→料批的加入量、氧槍槍位及副槍測量時機確定→冶煉爐次開始→自動下裝至L1→吹煉（轉(zhuǎn)爐狀態(tài)和吹氧量）→觸發(fā)模型指令（輔料投入、氧槍槍位及氧氣流量調(diào)整、副槍測量/爐氣分析）→到達(dá)停吹區(qū)間提槍指令（動態(tài)模型，停吹判定計算）→本次全自動煉鋼結(jié)束[1]?？傮w應(yīng)用成效趨勢為：轉(zhuǎn)爐冶煉控制精度得到提升，尤其是轉(zhuǎn)爐全自動吹煉的實現(xiàn)可有效提高鐵元素的收得率、終點控制精度及縮短冶煉周期、降低補吹率和減少各類消耗。本文主要綜述內(nèi)容為我國煉鋼系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐冶煉、精煉、連鑄、鋼包運轉(zhuǎn)、調(diào)度系統(tǒng)及軋鋼智能制造相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況。

2 煉鋼系統(tǒng)

2.1 鐵水預(yù)處理系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐煉鋼依然是目前國內(nèi)最主要的工業(yè)煉鋼方法，穩(wěn)定而低硫的鐵水是提高轉(zhuǎn)爐冶煉效率、促進品種開發(fā)及降低煉鋼生產(chǎn)成本的前提條件。多數(shù)鋼廠采用爐外脫硫預(yù)處理工藝獲取超低硫含量鐵水，有效減輕高爐脫硫負(fù)擔(dān)及降低轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)爐脫硫費用。一鍵脫硫控制系統(tǒng)因其很好地克服傳統(tǒng)鐵水預(yù)處理系統(tǒng)脫硫效率不穩(wěn)定的缺點而得到越來越廣泛的應(yīng)用。陳帥等[2]利用KR脫硫過程全智能化控制技術(shù)開發(fā)了在線動態(tài)脫硫控制模型，并運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)連接脫硫各個環(huán)節(jié)，能夠自動采集鐵水質(zhì)量成分、前溫等原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)大量的數(shù)據(jù)計算對前期的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)自動進行進行訓(xùn)練，形成數(shù)據(jù)樣本。應(yīng)用后脫硫比達(dá)99 %，一次脫硫命中率達(dá)99.5 %，噸鐵消耗脫硫劑降低20 %，顯著提升脫硫效果。

2.2 轉(zhuǎn)爐冶煉系統(tǒng)的特點及其控制系統(tǒng)的發(fā)展

轉(zhuǎn)爐冶煉是將高爐鐵水進行脫碳升溫、去除夾雜得到鋼水的復(fù)雜高溫物理化學(xué)反應(yīng)過程，涉及氣、固、液三相的熔化、傳熱、傳質(zhì)等復(fù)雜現(xiàn)象。從轉(zhuǎn)爐自動化控制技術(shù)（系統(tǒng)）發(fā)展歷程看，經(jīng)歷了靜態(tài)、動態(tài)和全自動控制3個階段。即：基于理論計算模型的靜態(tài)控制；基于靜態(tài)控制開發(fā)的副槍/爐氣分析等動態(tài)控制技術(shù)；基于自學(xué)習(xí)、自修正閉環(huán)轉(zhuǎn)爐吹煉模型的全過程自動控制。全自動煉鋼（一鍵式煉鋼）只需通過一個按鈕就能實現(xiàn)從降氧槍、加料、槍位、攪拌、副槍測量、提槍拉碳、終點目標(biāo)命中等整個轉(zhuǎn)爐冶煉過程的全程自動控制，已成為當(dāng)今煉鋼技術(shù)發(fā)展方向和鋼鐵行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)之一[3]。

2.2.1 全自動煉鋼技術(shù)發(fā)展歷程

2.2.1.1 轉(zhuǎn)爐靜態(tài)控制模型的相關(guān)研究及進展

基于理論計算的靜態(tài)控制模型揭示了轉(zhuǎn)爐冶煉的本質(zhì)，是進行轉(zhuǎn)爐冶煉動態(tài)控制的基礎(chǔ)。靜態(tài)模型（Converter Static Blowing Mode）包括熱、氧及堿度黏度平衡、合金計算等子模塊。模型以達(dá)到所要求質(zhì)量成分為目標(biāo)，實現(xiàn)入爐物料量、氧氣消耗量自動計算并預(yù)測終點溫度及成分。楊曉龍等[3]以轉(zhuǎn)爐冶煉物料、熱平衡為基礎(chǔ)，建立了靜態(tài)控制數(shù)學(xué)模型，并進一步用Visual Basic開發(fā)出控制軟件，快速準(zhǔn)確計算出轉(zhuǎn)爐冶煉相關(guān)參數(shù)量，有效指導(dǎo)和優(yōu)化轉(zhuǎn)爐實際生產(chǎn)冶煉過程。張進忠[4]利用轉(zhuǎn)爐靜態(tài)、動態(tài)數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)及分析技術(shù)在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中完成爐料加入、吹氧量等主要參數(shù)的計算，并通過自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)了工藝設(shè)備的自動煉鋼控制，顯著提高了生產(chǎn)的控制精度和勞動生產(chǎn)率。孫江波等[5]在某廠100 t轉(zhuǎn)爐構(gòu)建了優(yōu)化配料數(shù)學(xué)模型，利用Visual Basic及SQL Server數(shù)據(jù)庫開發(fā)出模型控制軟件系統(tǒng)，對該爐歷史實際冶煉過程參數(shù)進行優(yōu)選、更新后進行系統(tǒng)離線運行，效果良好：供氧量、石灰、白云石、礦石等預(yù)測值偏差小于300 m3（kg）的爐次分別達(dá)到84.8 %、78.3 %、87.0 %、78.3 %。李朝陽等[6]構(gòu)建了將鋼水留渣量、鐵水帶渣量計入爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配料+靜態(tài)預(yù)測、過程控制、脫氧及合金化+成本計算等模塊構(gòu)成的新型靜態(tài)控制模型結(jié)構(gòu)，并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建終點C-T預(yù)測模塊，進一步提高靜態(tài)模型預(yù)報命中率及為實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉全過程控制奠定基礎(chǔ)；葉瑞海[7]研發(fā)了包含廢鋼加入的優(yōu)化配料計算模型，實施后廢鋼自動傳輸準(zhǔn)確率達(dá)到95 %以上，轉(zhuǎn)爐C-T雙命中率提高了20 %以上。

2.2.1.2 轉(zhuǎn)爐動態(tài)控制模型的相關(guān)研究及進展

轉(zhuǎn)爐動態(tài)控制模型在靜態(tài)控制模型基礎(chǔ)上通過實時監(jiān)測并實現(xiàn)冶煉需要的氧氣量、冷卻劑量和冶煉終點碳含量、爐溫值的準(zhǔn)確判斷，從而達(dá)到進一步提高生產(chǎn)效率、改善指標(biāo)目的。轉(zhuǎn)爐副槍、爐氣分析吹煉控制的應(yīng)用是實現(xiàn)動態(tài)控制的典型技術(shù)。

(1) 轉(zhuǎn)爐副槍系統(tǒng)及工藝模型

轉(zhuǎn)爐副槍系統(tǒng)是實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐計算機動態(tài)控制最主要的設(shè)備，承擔(dān)著在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中連續(xù)獲得準(zhǔn)確鋼液溫度、碳氧含量及液面高度、成分等信息并將信息傳送至主控室的任務(wù)并與轉(zhuǎn)爐本體自動化系統(tǒng)可聯(lián)網(wǎng)運行。加強對轉(zhuǎn)爐副槍煉鋼工藝的研究及應(yīng)用，形成穩(wěn)定的吹煉和加料（廢鋼）模式、動態(tài)跟蹤優(yōu)化及校正煉鋼過程，是提高煉鋼生產(chǎn)綜合管理水平、節(jié)能降耗、增產(chǎn)增效、降低噸鋼成本有效手段之一[8]。

副槍工藝模型計算原理是基于熔池鋼液內(nèi)各元素的化學(xué)反應(yīng)、冶煉參數(shù)建立的包含原料計算、靜態(tài)模型和動態(tài)計算等轉(zhuǎn)爐全部工藝過程模型。模型過程包括工程師、吹煉模式、及熔劑數(shù)據(jù)、鋼種成份、自學(xué)習(xí)、轉(zhuǎn)爐主操等十余類畫面。其工作流程簡述為：數(shù)學(xué)模型→確定所需渣料、冷卻劑、氧氣用量→吹煉臨終“TSC”測定（測定熔池溫度、碳含量并提取鋼水試樣）→必要調(diào)整→吹煉終點→吹煉結(jié)束→再次“TSC”測定。殷志輝等[8]開發(fā)出計算機模型基礎(chǔ)級L1～過程級L2兩級控制聯(lián)網(wǎng)運行的轉(zhuǎn)爐副槍自動化系統(tǒng)，形成了ERP+MES+PCS管控一體化平臺，各工序模型運行數(shù)據(jù)接收、傳輸準(zhǔn)確度高，達(dá)到縮短冶煉周期、減少補吹次數(shù)、降低渣中鐵含量、延長爐襯壽命目的。

(2) 轉(zhuǎn)爐爐氣分析吹煉控制技術(shù)

副槍動態(tài)控制技術(shù)使轉(zhuǎn)爐冶煉終點命中率得到顯著提高（92～96 %）。但由其工作特點實踐中仍存在一些不足：“TSC”測定前并不能反映爐內(nèi)熔池成分、溫度、脫碳速度等狀況；爐料（尤其廢鋼）質(zhì)量、成分等方面的誤差易導(dǎo)致測定結(jié)果偏離目標(biāo)；生產(chǎn)中采取“過吹”去碳保終點溫度的手段往往造成鋼水w（[O]）、爐渣w（FeO）提高；副槍的應(yīng)用增加了生產(chǎn)成本；測定時供氧強度的波動以及時間、化驗的滯后性增加轉(zhuǎn)爐冶煉周期等。爐氣分析吹煉控制技術(shù)的出現(xiàn)使其輔助甚至取代副槍動態(tài)控制系統(tǒng)進一步降低誤差成為可能。目前，國內(nèi)爐氣分析控制系統(tǒng)應(yīng)用情況為：中小轉(zhuǎn)爐由于不適合安裝副槍而采用了爐氣分析控制技術(shù)；大中型轉(zhuǎn)爐采用爐氣分析系統(tǒng)主要是將其計算結(jié)果用于與副槍動態(tài)控制系統(tǒng)進行比較或作為參考的輔助控制手段。亦即，實踐中副槍“TSC”測定主要用于終點溫度控制，爐氣分析控制系統(tǒng)承擔(dān)終點w（[C]）控制。部分具備條件的鋼廠開始取消副槍的“TSO”測定的嘗試，葉飛[9]對奧鋼聯(lián)煙氣分析動態(tài)煉鋼技術(shù)進行了較為詳細(xì)介紹，通過在轉(zhuǎn)爐煙道安裝在線氣體分析儀進行轉(zhuǎn)爐煙氣成分實時分析，對轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)動態(tài)變化進行連續(xù)動態(tài)控制，實現(xiàn)終點碳、溫預(yù)測及噴濺預(yù)警等功能；加拿大Dofasco公司針對轉(zhuǎn)爐爐料帶入碳含量誤差大、轉(zhuǎn)爐爐口—煙罩間吸入空氣等導(dǎo)致爐氣分析吹煉控制精度低的原因，通過穩(wěn)定鐵水w（[O]）及在爐氣分析控制模型中設(shè)置專門模塊計算吸入的空氣量及其對爐氣CO、CO2含量的影響，顯著提高了系統(tǒng)控制精度，副槍已完全停用，全部爐次實現(xiàn)終點不取樣直接出鋼[7]。

(3) 碳含量和鋼水溫度終點判斷的深入研究及新方法應(yīng)用進展

轉(zhuǎn)爐煉鋼冶煉過程終點碳含量、鋼水溫度的準(zhǔn)確預(yù)判是過程控制核心操作之一，也是決定鋼水質(zhì)量的關(guān)鍵主因。依據(jù)操作者經(jīng)驗、副槍和爐氣分析檢測及基于爐口光輻射能量變化等方法能夠進行作為轉(zhuǎn)爐吹煉末期終點判斷和控制，但均存在不足，如操作者對轉(zhuǎn)爐火焰特征進行目測做出的終點判斷，必然導(dǎo)致因人員經(jīng)驗水平差異、實際復(fù)雜工況條件等因素影響使得煉鋼生產(chǎn)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性難以提升；副槍技術(shù)的應(yīng)用存在難以進行實時連續(xù)測量、探頭使用壽命不高的不足；爐氣成分連續(xù)分析檢測時惡劣的工作環(huán)境造成使用和維護成本較高；基于不同吹煉時期爐口光輻射能量變化的特點進行終點判斷易受到現(xiàn)場干擾輻射源對輻射采集儀器的影響，以及轉(zhuǎn)爐煉鋼計算機服務(wù)器采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)非線性、多變量、高噪音的特點，均會對操作者在吹煉過程中對轉(zhuǎn)爐終點的實時判斷造成影響。部分學(xué)者針對上述難點，對在具體轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程引入粗糙集理論、進行煉鋼知識數(shù)據(jù)預(yù)處理、建立基于粗糙集的轉(zhuǎn)爐煉鋼知識發(fā)現(xiàn)模型以及基于火焰圖像的吹煉終點判斷等提升煉鋼終點溫度預(yù)測及判斷精度的有效方法展開研究及應(yīng)用，以得到從大量的歷史數(shù)據(jù)中找出實用有效的知識替代人的經(jīng)驗實現(xiàn)實時、精確判斷和控制煉鋼終點溫度的新方法、新手段。

胡燕等[10]分別以轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)的主要影響因素、冶煉終點控制目標(biāo)作為知識發(fā)現(xiàn)的條件屬性與決策屬性，應(yīng)用數(shù)據(jù)清洗、標(biāo)準(zhǔn)化及離散等方式對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，建立了基于粗糙集方法的轉(zhuǎn)爐煉鋼知識發(fā)現(xiàn)模型。對210 t轉(zhuǎn)爐鋼水終點溫度影響較大因素測試結(jié)果分析為氧氣消耗量、鐵水硅含量、鐵礦石質(zhì)量等。進一步的應(yīng)用實踐表明，基于粗糙集方法的知識發(fā)現(xiàn)模型提取出的鋼水終點溫度知識規(guī)則與現(xiàn)場變化規(guī)律一致，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)知識的自動發(fā)現(xiàn)和規(guī)則提取。為進一步提升終點判斷的準(zhǔn)確率，江帆等[11]提出一種基于火焰圖像卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolution Neural Network）識別建模的轉(zhuǎn)爐吹煉終點判斷方法，利用卷積運算提取不同冶煉時期火焰的輪廓、角點、線條等紋理特征并采用平均池化降低特征維數(shù)，同時利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）自行從樣本圖像中分層遞階地學(xué)習(xí)相應(yīng)特征，最終提取到涵蓋轉(zhuǎn)爐冶煉不同階段的火焰信息。試驗結(jié)果表明，該方法更有利于進行火焰分類及可視化處理，所建模型可以對冶煉前、中、末期不同狀態(tài)的火焰圖像進行精確區(qū)分，識別率分別較采用灰度共生矩陣、灰度差分統(tǒng)計等人工提取特征方法分別提升29.0 %、4.0 %。并且有效減少人工干預(yù)以及耗時更少，這更易于滿足實際冶煉中對轉(zhuǎn)爐終點判斷的高實時性要求。此外，嚴(yán)良濤等[12]建立了基于核獨立元回歸（KICR）方法的終點溫度預(yù)測模型，并利用工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行仿真，在預(yù)測精度、跟蹤性能等方面得到了優(yōu)于PCR、PLSR和ICR等預(yù)測模型的結(jié)果，有效為提升實際生產(chǎn)終點控制精度提供參考，提高生產(chǎn)效益。

2.2.1.3 轉(zhuǎn)爐自動化煉鋼控制、模型綜合應(yīng)用研究及進展

自動化煉鋼控制包括實現(xiàn)從降氧槍、加料、槍位過程控制、測量、自動提槍拉碳的計算機全程控制。控制系統(tǒng)包括PLC、結(jié)晶分析技術(shù)等基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)和使用靜態(tài)、動態(tài)數(shù)學(xué)模型的二級計算機控制系統(tǒng)兩部分。二級計算機控制系統(tǒng)工藝模型完成入爐原料、吹氧量的計算及吹煉過程控制模式的選擇和吹煉過程控制優(yōu)化。一級自動化控制系統(tǒng)根據(jù)二級工藝模型的計算設(shè)定值和控制模式來具體實現(xiàn)相關(guān)工藝設(shè)備的控制。

劉建[13]論述了實現(xiàn)計算機自動控制轉(zhuǎn)爐煉鋼的軟硬件及其基礎(chǔ)自動化要求，以及主輔原材料標(biāo)準(zhǔn)及冶煉參數(shù)設(shè)定等必要條件，并通過完善上述條件相繼實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐煉鋼全自動控制中的轉(zhuǎn)爐濺渣、吹煉、合金化、雙渣冶煉、留渣操作及轉(zhuǎn)爐出鋼的自動控制。李衛(wèi)東等[14]開展了包含提升全自動煉鋼率、C-T雙命中率的一鍵煉鋼技術(shù)的研究與應(yīng)用。所研發(fā)的一鍵煉鋼系統(tǒng)很好地反映了動態(tài)控制模型運行的狀況，系統(tǒng)投用2個月后轉(zhuǎn)爐全自動煉鋼率達(dá)到20 %，C-T雙命中率也穩(wěn)步提升至60 %。隨著工作的持續(xù)優(yōu)化，各項指標(biāo)不斷攀升。自動煉鋼系統(tǒng)不僅要對冶煉全過程進行動態(tài)跟蹤、計算，并使冶煉過程按照預(yù)設(shè)方案進行。門志剛[15]認(rèn)為，實現(xiàn)該目標(biāo)的工藝過程控制模型的核心是“鋼水-爐渣-爐氣”熱力學(xué)模型系統(tǒng)，以此為基利用計算機軟件計算功能結(jié)合完善的二級網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建立了動態(tài)模型，實時監(jiān)測冶煉全程鋼水、爐渣和溫度的變化。在120 t轉(zhuǎn)爐上實現(xiàn)了無煙氣監(jiān)測裝置和副槍的自動化煉鋼，顯著改善技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)：鋼鐵料、氧氣及石灰消耗分別降低2.2 kg/t、2.0 m3/t、2.3 kg/t；轉(zhuǎn)爐脫磷率、終點碳溫命中率均>80 %。同時，提高了崗位操作標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化水平。費鵬等[16]從具體冶煉條件出發(fā)，自主開發(fā)了包括氧槍、靜態(tài)、動態(tài)和自學(xué)習(xí)模型（Converter Self-Adaptive Model）等4個子模型的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝流程及自動化煉鋼模型（ACSAS）。自學(xué)習(xí)模型（CSAM）通過對歷史冶煉數(shù)據(jù)進行過濾和分析，單獨存儲自動化控制較好的爐次數(shù)據(jù)，以此計算出相關(guān)控制參數(shù)供下一爐次使用。此外，結(jié)合提高設(shè)備的可靠性、冶煉條件的穩(wěn)定性、采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等技術(shù)措施，延長了自動化煉鋼系統(tǒng)的穩(wěn)定運行周期，終點碳、終點溫度的命中率分別提高了2.5 %、10.9 %，終點碳溫雙命中率提高了11.8 %。

2.3 轉(zhuǎn)爐冶煉的工藝、參數(shù)及精煉爐模型優(yōu)化

轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹作為一種高強度長壽命冶煉技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。馮帥等[17]采用冷態(tài)模擬方法，研究了某鋼廠100 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐頂吹和底吹氣體流量、槍位、熔池深度等工藝參數(shù)對冶煉效果的影響規(guī)律，得到了合適的熔池深度、搶位和頂吹流量范圍，有效提高了攪拌強度，確保了適當(dāng)?shù)娜鄢貨_擊深度和最小的爐口噴濺量，顯著延長爐底壽命。王新華等[18]認(rèn)為：生產(chǎn)低碳、超低碳鋼的鋼廠應(yīng)采取底吹元件“動態(tài)維護”等措施，將底攪強度增加至0.1～0.15 m3／（t?min），提高熔池實際攪拌效果；可利用增大底吹攪拌強度，采用“脫磷轉(zhuǎn)爐+脫碳轉(zhuǎn)爐”煉鋼工藝進行鐵水脫磷預(yù)處理，解決脫碳轉(zhuǎn)爐熱量不足問題。

轉(zhuǎn)爐在煉鋼過程中依靠鐵水物理熱及鐵水組分間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量而將鐵水、廢鋼等原料轉(zhuǎn)化為鋼水，轉(zhuǎn)爐下渣的精準(zhǔn)有效檢測，對提升煉鋼效率與質(zhì)量有積極意義。董新龍等[19]提出一種基于自動化技術(shù)的新型機器視覺的轉(zhuǎn)爐下渣檢測系統(tǒng)，模擬人工下渣檢測行為進行檢測，對多達(dá)8個鋼種的多次檢測成功率達(dá)到94.74 %，顯著提升擋渣效果。精煉爐實現(xiàn)包括合金投入量計算、綜合成分預(yù)測、合金最小成本及溫度實時損失計算等部分模型的自動控制，降低了合金使用總成本和提高鋼水成分控制精度[20]。此外，針對LF精煉爐電極控制具有影響因素多、非線性等特點，王喆等[21]采用基于神經(jīng)元理論的控制方法改進精煉爐電極自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，顯著提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度，同時減少水冷電纜更換數(shù)量和中壓短路器的故障率，提升了LF爐的設(shè)備運行效率及連續(xù)生產(chǎn)能力。

2.4 連鑄系統(tǒng)智能化

連鑄工序鋼包、中間包、連鑄區(qū)域工藝控制非穩(wěn)態(tài)因素及涉及人工操作工位較多。從連鑄工藝出發(fā)，連鑄物理意義上的智能化應(yīng)包括上述幾個區(qū)域的自動化、無人化及物流控制，如，鋼包區(qū)域：鋼包下渣檢測自動判斷、鋼包余鋼自動控板、中間包自動吹氬系統(tǒng)及在線連續(xù)自動連續(xù)測溫等技術(shù)的實現(xiàn)；中間包區(qū)域：中間包自動開澆、連鑄自動語音播報、結(jié)晶器自動吹氧、結(jié)晶器液面異常自動處置等系統(tǒng)；連鑄的物流控制：連鑄拉速全過程自動控制及連鑄混澆模型上線應(yīng)用；連鑄自動澆鋼綜合技術(shù)應(yīng)用：澆鋼工從以前的流旁操作轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注鑄機狀態(tài)。其他：加渣機投用率超過90 %，完全代替人工加渣；自動語音播報、異常自動處理系統(tǒng)確保在澆鋼現(xiàn)場無人情況下發(fā)生異常時的事故自動處置，杜絕生產(chǎn)隱患[22]。

結(jié)晶器液位控制對避免漏鋼溢鋼、防止夾雜卷入鑄坯或保護渣不均勻流入產(chǎn)生缺陷及穩(wěn)定鑄坯凝固、降低勞動強度具有決定性作用。江杰等[22]通過完善的串級控制算法、精密的執(zhí)行機構(gòu)、精確的液位檢測等技術(shù)措施，對某廠寬厚板連鑄機的結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，包括實際液位與目標(biāo)液位比較、運算等過程均由基于PLC的閉路控制器完成，確保了整個過程的結(jié)晶器鋼水液位、鑄坯質(zhì)量及連續(xù)澆鑄作業(yè)的生產(chǎn)穩(wěn)定，正常狀態(tài)下液位調(diào)節(jié)精度可達(dá)到±0.2 mm。在連鑄生產(chǎn)中，結(jié)晶器振動控制決定連鑄坯質(zhì)量及結(jié)晶器脫模效果，徐祉娟等[23]介紹了某鋼廠2 300 mm雙流板坯連鑄機的液壓振動裝置的控制原理、系統(tǒng)架構(gòu)及其相關(guān)控制技術(shù)，實踐中通過建立振動工藝模型及應(yīng)用波形生成、位置控制等算法并輔以壓力補償?shù)姆绞?，實現(xiàn)了結(jié)晶器運動過程中的平穩(wěn)高精度正弦和非正弦振動，明顯改善了結(jié)晶器保護渣的潤滑，達(dá)到減少鑄坯振痕、提高鑄坯質(zhì)量和金屬收得率的效果。

二冷配水控制水平是決定連鑄鑄坯質(zhì)量、產(chǎn)量的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接關(guān)系到鑄坯的熱裂紋（表面、中間及角部）、中心偏析等質(zhì)量缺陷。單一控制配水方式及數(shù)據(jù)模型不利于連鑄機的整體提速和新鋼種的開發(fā)研究。劉文勇[24]基于實際區(qū)域工藝、配水要求分析，建立一種包括區(qū)域配水、普通鋼種的初次配水、品種鋼的二冷配水的模型及準(zhǔn)確性校驗系統(tǒng)的鑄機二冷配水控制數(shù)據(jù)模型，在某鋼廠五機五流的高速生產(chǎn)模式中對所建模型和控制算法進行驗證，該模型能夠做到配水量的實時動態(tài)控制，具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。趙明琨等[25]采用動態(tài)控制板坯連鑄機輥縫使僻板坯有效避免中心偏析。冉蓮玉等[26]對二次冷卻系統(tǒng)進行了改造，采用CISDI三維模型進行二冷動態(tài)控制和CISDI動態(tài)輕壓下技術(shù)，鑄坯表面、中間裂紋及中心偏析等質(zhì)量指標(biāo)以及頭尾坯收得率明顯改善，有效地提高了板坯質(zhì)量。

2.5 鋼包應(yīng)用、管理及煉鋼大工序調(diào)度系統(tǒng)

2.5.1 鋼包及鋼包應(yīng)用、管理

鋼包承擔(dān)著轉(zhuǎn)爐-精煉爐-連鑄工序間運輸鋼水的工作任務(wù)并作為進行二次冶金反應(yīng)的重要容器，其狀態(tài)與鋼水溫度、廠內(nèi)物流控制及生產(chǎn)節(jié)奏關(guān)系密切。鋼包的實時物流信息必將對鋼廠系統(tǒng)運行、節(jié)能降耗產(chǎn)生重要影響。廠內(nèi)鋼包包括計劃排定、臺賬記錄等日常運轉(zhuǎn)信息依靠人工、經(jīng)驗的傳統(tǒng)模式，使鋼包在運行中存在不能及時掌握裝包、砌包等過程相關(guān)參數(shù)及包本體耐材材質(zhì)、應(yīng)用次數(shù)等有關(guān)信息。尤其是在鋼廠冶煉鋼種多樣、精煉工藝復(fù)雜條件下，鋼包信息掌握的精確度高低，對鋼廠生產(chǎn)影響加劇。近年來，包括鋼包定位跟蹤、選配模型、鋼水溫度精確預(yù)定等技術(shù)在內(nèi)的信息化鋼包管理系統(tǒng)得到了廣泛研究及應(yīng)用，眾多學(xué)者利用實時跟蹤技術(shù)對鋼包位置、熱狀態(tài)等進行在線監(jiān)控及建立共享數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)鋼包信息在鋼廠內(nèi)的有效傳遞和鋼包的系統(tǒng)化管理，提高生產(chǎn)效率、降低冶煉成本[27]。

朱祥等[28]開發(fā)了包括計算機跟蹤、行車定位、車載作業(yè)在內(nèi)的鋼包智能跟蹤管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程鋼包全程自動控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全程監(jiān)視。并通過對鋼包相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，提高了對鋼包配號、包齡、維修、烘烤、材質(zhì)應(yīng)用管理的實時調(diào)度和精細(xì)化管控水平，解決了鋼包信息差錯、信息傳輸延遲、現(xiàn)場管理難等問題。實現(xiàn)鋼包安排計劃、周轉(zhuǎn)模式優(yōu)化，顯著減少操作工的工作量、降低誤差。劉在春等[29]基于包括電子標(biāo)簽、閱讀器及應(yīng)用軟件的RFID 射頻識別技術(shù)設(shè)計了鋼包跟蹤定位系統(tǒng)，實現(xiàn)鋼包狀態(tài)實時監(jiān)控，鋼包物流信息得到及時記錄和傳輸，為鋼廠生產(chǎn)管理提供重要數(shù)據(jù)，穩(wěn)定了鋼廠生產(chǎn)節(jié)奏。蔡峻等[30]對鋼包周轉(zhuǎn)過程、管理中常見問題進行了研究，開發(fā)了包括跟蹤、配包和鋼水溫度補償?shù)裙δ苣K并配置了相應(yīng)系統(tǒng)所需的硬、軟件支持的鋼包一體化管理系統(tǒng)，很好地取代了手工記錄鋼包數(shù)據(jù)信息和人工調(diào)度的傳統(tǒng)方式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的收集、共享以及按鋼包位置、溫度及冶煉鋼種等信息進行的調(diào)度優(yōu)化，有效提高周轉(zhuǎn)率、降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度和節(jié)約能源。

鋼水溫度均衡充足與否是現(xiàn)代化高效連續(xù)煉鋼的關(guān)鍵。鋼包周轉(zhuǎn)過程中的鋼水溫降是鋼包熱狀態(tài)的重要影響因素。針對傳統(tǒng)實測法尚無法實現(xiàn)對包襯內(nèi)部進行接觸式實時測溫特點。陳桂彬等[31]根據(jù)鋼廠具體烘烤制度和鋼包數(shù)據(jù)，采用有限差分正向求解鋼包包襯溫度場，利用順序函數(shù)法對包襯溫度分布進行數(shù)學(xué)反演并進行精度修正的方式，即：通過建立非穩(wěn)態(tài)鋼包傳熱數(shù)學(xué)模型，采用Fluent軟件模擬火焰溫度場，再以測溫電子槍測得的包殼溫度為已知條件，對包襯溫度分布進行數(shù)學(xué)反演。實踐中通過計算機C 語言編寫烘烤過程的溫度場實時監(jiān)控軟件對210 t鋼包烘烤過程進行智能化模擬追蹤，得到修正的包襯溫度場隨時間的變化圖。為鋼廠的鋼包調(diào)度、烘烤制度合理編制提供了一個切實可行的新方法。

2.5.2 煉鋼-精煉-連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)

煉鋼-精煉-連鑄作為煉鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其生產(chǎn)調(diào)度質(zhì)量是提升生產(chǎn)效率、設(shè)備利用率及降低成本的核心所在，但其具有復(fù)雜離散/連續(xù)混合型動態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)物流特征使得調(diào)度界面優(yōu)化成為困難。MES系統(tǒng)的出現(xiàn)有效克服過程自動化與管理信息系統(tǒng)之間存在的數(shù)字障礙，應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)成為揭示煉鋼-精煉-連鑄生產(chǎn)物流運行內(nèi)在規(guī)律，克服系統(tǒng)預(yù)測與診斷難點，優(yōu)化生產(chǎn)計劃、調(diào)度方案的有效手段。段立娜等[32]根據(jù)煉鋼-精煉-連鑄工序生產(chǎn)物流特點，采用面向?qū)ο蟮姆抡娼＜夹g(shù)建立層次化仿真對象模型，開發(fā)了煉鋼-精煉-連鑄物流仿真系統(tǒng)，克服了以往形式化數(shù)學(xué)描述調(diào)度系統(tǒng)的的不足，在企業(yè)信息化系統(tǒng)架構(gòu)下系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流運行正常，實現(xiàn)煉鋼生產(chǎn)方針和調(diào)度方案優(yōu)化。劉青等[33]闡述了高品質(zhì)鋼冶煉-連鑄過程的精益制造系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)方法與內(nèi)容，將冶煉高品質(zhì)鋼轉(zhuǎn)爐終點的精準(zhǔn)控制技術(shù)、連鑄凝固冷卻過程的精益控制技術(shù)、煉鋼-連鑄過程工序運行的協(xié)調(diào)與控制技術(shù)、精細(xì)生產(chǎn)計劃與調(diào)度技術(shù)和生產(chǎn)調(diào)度模型與工序工藝模型的協(xié)同，以及諸項技術(shù)與MES的接口技術(shù)進行綜合集成，形成以生產(chǎn)工序工藝控制、流程運行協(xié)調(diào)控制及生產(chǎn)計劃與調(diào)度協(xié)同優(yōu)化為支撐的系統(tǒng)技術(shù)體系與集成解決方案，取得良好的經(jīng)濟效益與社會效益。

3 軋鋼技術(shù)發(fā)展概況及方向

近年來，我國軋鋼技術(shù)、鋼材品種結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化取得明顯進步，主要包括：棒線材免加熱直接軋制和軋制復(fù)合技術(shù)發(fā)展迅速；難加工鋼材品種如不銹鋼、硅鋼等實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)；雙輥薄帶連鑄技術(shù)進入示范生產(chǎn)階段；ESP生產(chǎn)技術(shù)（無頭帶鋼生產(chǎn)線）投產(chǎn)后單線月產(chǎn)突破15萬t；新一代TMCP控軋控冷技術(shù)投入實踐應(yīng)用；重大裝備用鋼和重點品種開發(fā)不斷取得新成果[34]，與此密切關(guān)聯(lián)的是，為軋鋼生產(chǎn)新產(chǎn)品開發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新、低成本生產(chǎn)提供堅實支撐的是軋鋼裝備自動化程度、智能化水平的不斷提升。軋鋼系統(tǒng)裝備技術(shù)發(fā)展特征為：持續(xù)向連續(xù)化、自動化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、新一代信息技術(shù)在軋鋼智能制造方面取得了實質(zhì)性進展和應(yīng)用：寶鋼股份冷軋廠2 030 mm新建熱鍍鋅機組全線配置了拆捆、撈渣、取樣、貼標(biāo)簽等機器人，實現(xiàn)了全自動無人操作；寶鋼1580熱軋線“黑燈工廠”、太鋼智能化棒材生產(chǎn)線率先實現(xiàn)智能工廠示范。

劉文仲[35]概述了我國軋鋼自動化的現(xiàn)狀。認(rèn)為在熱連軋、冷連軋、中寬厚板生產(chǎn)領(lǐng)域，從國外著名廠商西門子、西馬克、VAI、ABB、達(dá)涅利等引進的計算機系統(tǒng)、軋鋼數(shù)學(xué)模型占據(jù)主導(dǎo)地位，但同時存在不同企業(yè)重復(fù)引進，不能有效對軋鋼數(shù)學(xué)模型進行維護和二次開發(fā)深度及廣度不夠，數(shù)學(xué)模型的調(diào)試和參數(shù)確定過多依賴個人經(jīng)驗而缺乏理論化、標(biāo)準(zhǔn)化等主要問題，制約了國內(nèi)對引進數(shù)學(xué)模型的消化、吸收和創(chuàng)新。經(jīng)過國內(nèi)各鋼廠、科研機構(gòu)對國外計算機自動化系統(tǒng)、軋鋼數(shù)學(xué)模型數(shù)十年的引進、消化、吸收之后，已經(jīng)有能力自主設(shè)計、集成軋鋼自動化系統(tǒng)。其發(fā)展過程概括為：從簡單到復(fù)雜，從L1級到L2級；應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)從局部修改到新功能添加；軋鋼數(shù)學(xué)模型從參數(shù)修改優(yōu)化到模型結(jié)構(gòu)的完善與改進；熱連軋計算機自動控制系統(tǒng)在智能化方向取得突破。劉文仲[36]指出，探索實用、好用的工業(yè)大數(shù)據(jù)分析方法（并非完全套用商務(wù)大數(shù)據(jù)的分析方法），是實現(xiàn)軋鋼系統(tǒng)智能化的一個方向。目前，我國多數(shù)軋鋼生產(chǎn)線所用系統(tǒng)軟件、數(shù)學(xué)模型概況為：在原料及生產(chǎn)條件正常條件下能夠進行較為準(zhǔn)確的設(shè)定、預(yù)報和計算，滿足生產(chǎn)過程控制的需要。但當(dāng)生產(chǎn)條件出現(xiàn)異常時，模型應(yīng)用易出現(xiàn)較大偏差，通常必須通過工藝、模型維護人員修改模型的參數(shù)、計算條件、計算邏輯等方可保證正常應(yīng)用?；诖?，在軋鋼行業(yè)完成自動化的基礎(chǔ)上強化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的建設(shè)、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和組織，數(shù)據(jù)采集完整、可靠并具真實性、完整性及良好的對應(yīng)性（數(shù)據(jù)與產(chǎn)品、數(shù)據(jù)與生產(chǎn)過程的時間），實現(xiàn)工藝制度模型化、自動化，模型維護自動化，實現(xiàn)模型自學(xué)習(xí)的智能化。即把工藝技術(shù)、模型維護人員的技術(shù)方法融化到軟件中，使軟件能夠模擬專業(yè)人員的智能活動，從而提高數(shù)學(xué)模型的適應(yīng)性和外延性，不再需要人為干預(yù)。這成為在軋鋼過程控制中從軋鋼軟件和數(shù)學(xué)模型方面實現(xiàn)智能化的一個突破口。

4 結(jié)語

由于轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的復(fù)雜性，隨著市場競爭壓力的加劇、生產(chǎn)節(jié)奏的加快和對冶煉終點控制精確度的不斷提高的要求，利用先進的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)開發(fā)適宜的轉(zhuǎn)爐靜態(tài)控制和轉(zhuǎn)爐動態(tài)控制、全自動控制模型及生產(chǎn)調(diào)度等相關(guān)系統(tǒng)，以及開展提升碳含量和鋼水溫度終點判斷精度控制的深入研究及新方法應(yīng)用，對煉鋼工序內(nèi)轉(zhuǎn)爐、連鑄機及煉鋼-精煉-連鑄調(diào)度界面等多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行全過程智能化控制、管理，達(dá)到局部、全部取代完全依靠經(jīng)驗來控制煉鋼過程的目的，是系統(tǒng)提升煉鋼安全生產(chǎn)、工作效率、提質(zhì)降耗的重要途徑之一。研究及實踐證明，智能化煉鋼技術(shù)具有突出的優(yōu)越性，轉(zhuǎn)爐能夠顯著提高生產(chǎn)能力，獲得穩(wěn)定的吹煉操作和提高鋼水成分和溫度的命中率，縮短冶煉周期，降低鋼鐵料、輔料消耗和工人勞動強度，從根本上實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作，獲得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟效益。我國軋鋼自動化程度從硬件、軟件和數(shù)學(xué)模型的配置方面來說已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平，智能化發(fā)展成為有效利用高水平設(shè)備實現(xiàn)軋鋼系統(tǒng)高效降本、提質(zhì)增效等目標(biāo)的一種有效解決方案。