LF造渣工藝模型化實踐

王金輝，吳丙恒，吳世龍，崔國亮，蘭紹朋

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

為了響應(yīng)《中國制造2025》產(chǎn)業(yè)政策的發(fā)展戰(zhàn)略，當前國內(nèi)各大鋼鐵廠均在推進裝備的智能化改造工作。鋼水精煉工序作為鋼水連鑄前的最后一道工序，對鋼水質(zhì)量控制和生產(chǎn)穩(wěn)定順行起到關(guān)鍵的作用，但是鋼水精煉工藝相對來講要復(fù)雜一些，而且受全生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)奏影響較大，開發(fā)工藝模型的困難也最大。隨著信息通信技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，為鋼水精煉工藝模型開發(fā)提供了有力支撐。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠三分廠（以下簡稱“三分廠”）原有LF造渣工藝需人工操作，結(jié)果差異性較大，為了提高生產(chǎn)效率，進行了LF造渣工藝模型化改造，圍繞智能制造的自感知、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)、自學(xué)習的五個主要特征，把操作者的經(jīng)驗和工藝技術(shù)規(guī)程相結(jié)合，并通過模型程序融入到過程控制中，實現(xiàn)了機器部分代替人，探索了人和機器共同進行生產(chǎn)操作的新的生產(chǎn)制造方式，為全工序工藝操作一鍵化做好儲備。本文對此做一介紹。

1 原有造渣工藝存在的問題

LF工序進行造渣操作的目的主要有三個方面：一是造高堿度、低氧化性的白渣，進行鋼水深脫硫，生產(chǎn)超低硫鋼；二是去除鋼水中的夾雜物，凈化鋼水，同時提高鋼水可澆性；三是有利于電極埋弧，提高電極通電升溫過程的鋼水升溫效率[1]。造渣操作包括料倉設(shè)備、電極設(shè)備、氬氣設(shè)備三個設(shè)備系統(tǒng)，需要分別操作這三個設(shè)備系統(tǒng)才能完成造渣工序。另外，還需要人工獲取相關(guān)生產(chǎn)信息，并依據(jù)工藝技術(shù)規(guī)程等指導(dǎo)文件的要求，進行人工判斷，決定三個設(shè)備系統(tǒng)的運行工藝參數(shù)。

（1）造渣過程中的生產(chǎn)信息需要人工獲得，包括作業(yè)指導(dǎo)文件信息，如鋼種目標成分范圍、目標溫度值等；上工序生產(chǎn)信息，如氬站鋼水溫度、鋼水氧含量等；本工序產(chǎn)生的信息，如鋼水樣品化驗值、鋼水溫度值等。這些生產(chǎn)信息來源多、數(shù)量大，獲得這些信息將增加操作人員的工作強度，同時也存在發(fā)生人為錯誤的可能性。

（2）造渣過程中需要人工計算工藝參數(shù)，如造渣用料的數(shù)量、氬氣流量、吹氬時長等，均需要人工依據(jù)規(guī)程和工藝原理，結(jié)合生產(chǎn)實績計算得到。由于計算量較大、要考慮的因素較多，人工計算結(jié)果差異性較大。

（3）造渣過程中的設(shè)備運行需要人工操作，如造渣用料的稱量和投入、電極通電化渣、底吹氬氣攪拌等，這些操作涉及多個設(shè)備系統(tǒng)，致使操作人員工作強度增加，也會存在操作差異性。

上述分析可以看出，造渣操作有三個特點：一是操作者勞動強度大；二是人工干預(yù)多；三是多名操作者間必然存在一定的操作差異。

2 造渣工藝模型的設(shè)計思想

建立LF造渣工藝模型就是要解決原有造渣工藝人工操作存在的問題，通過模型的智能控制，整合造渣工藝相關(guān)操作，實現(xiàn)造渣工藝一鍵化操作，實現(xiàn)生產(chǎn)信息的自動采集，解決人工獲取不同生產(chǎn)系統(tǒng)信息的難題；實現(xiàn)工藝參數(shù)的自動計算，解決操作者重復(fù)人工計算的難題；實現(xiàn)料倉、電極、氬氣設(shè)備的自動執(zhí)行，解決操作者對不同設(shè)備系統(tǒng)進行操作的難題。

3 造渣工藝模型的組成

造渣工藝模型由信息采集模塊、參數(shù)計算模塊、設(shè)備執(zhí)行模塊三個模塊組成，可實現(xiàn)生產(chǎn)信息的自動采集、工藝參數(shù)的自動計算、一級設(shè)備的自動執(zhí)行等功能。造渣工藝模型的組成見圖1。

圖1 造渣工藝模型的組成Fig.1 Construction of Slagging Process Model

3.1 信息采集模塊

在貫通各管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)生產(chǎn)信息的跨系統(tǒng)傳遞和共享，及時采集到模型工藝參數(shù)計算所需要的生產(chǎn)信息，并提供給參數(shù)計算模塊。主要包括作業(yè)指導(dǎo)信息、調(diào)度指令信息及上下工序信息，后者包括煉鋼工序生產(chǎn)信息、化驗工序化驗信息、連鑄工序生產(chǎn)信息等[2]。

另外，在本工序應(yīng)用智能裝備對生產(chǎn)過程信息自動采集，實現(xiàn)自感知，如應(yīng)用雷達測距設(shè)備實現(xiàn)鋼包內(nèi)渣面凈空的自動測量；應(yīng)用工業(yè)機器人實現(xiàn)鋼包內(nèi)渣厚的自動測量；應(yīng)用圖像識別技術(shù)實現(xiàn)鋼水攪拌效果的自動判斷等。

這些生產(chǎn)信息的自動采集，不僅減少了人工采集、人工錄入的操作，減輕了操作人員的勞動強度，還為鋼水精煉過程的智能控制提供了有利條件，使自決策的實現(xiàn)成為可能。

3.2 參數(shù)計算模塊

應(yīng)用信息采集模塊采集到的生產(chǎn)信息，結(jié)合工藝機理和操作者的操作經(jīng)驗，建立工藝參數(shù)計算公式，計算生成每次造渣操作時的各設(shè)備系統(tǒng)的運行參數(shù)，并下達給設(shè)備執(zhí)行模塊，實現(xiàn)自決策。

（1）依據(jù)實際鋼水硫元素含量以及作業(yè)指導(dǎo)中要求的鋼水硫元素控制范圍，應(yīng)用式（1）計算精煉過程中的鋼水預(yù)測脫硫率。

式中，η預(yù)測為預(yù)測的鋼水脫硫率，%；a實際為實際鋼水硫元素含量，%；a上限為規(guī)程要求的鋼水硫元素上限，%。

（2）依據(jù)鋼水脫硫率確定造渣類別[3]，分別為不脫硫、淺脫硫、深脫硫。

（3）依據(jù)確定的造渣類別及渣厚等信息，計算造渣用料方案，并確定電極通電時長、氬氣流量等造渣工藝參數(shù)。以白灰用量計算為例介紹造渣用料方案的形成過程。

依據(jù)計算得到的造渣類別，通過對脫硫理論及歷史數(shù)據(jù)的分析，確定一個白灰的基礎(chǔ)使用量W基礎(chǔ)，再通過預(yù)測脫硫率、渣厚值、渣成分等數(shù)據(jù)，計算得到修正系數(shù)β修正，按式（2）計算得到白灰使用量方案。

式中，W方案為白灰試驗方案使用量；W基礎(chǔ)為白灰基礎(chǔ)使用量；β修正為白灰修正系數(shù)。

3.3 設(shè)備執(zhí)行模塊

設(shè)備執(zhí)行順序見圖2。

圖2 設(shè)備執(zhí)行順序Fig.2 Sequence of Execution for Equipment

設(shè)備執(zhí)行模塊的主要功能是實現(xiàn)各設(shè)備系統(tǒng)的聯(lián)動，首先是接收參數(shù)計算模塊產(chǎn)生的工藝參數(shù)方案，然后當操作者判斷需要進行造渣操作時，在模型控制畫面點擊“一鍵造渣開始”按鈕，開始造渣模型的啟動。上述工藝參數(shù)方案自動下達給相應(yīng)設(shè)備的PLC執(zhí)行，實現(xiàn)自執(zhí)行。

4 應(yīng)用效果

鞍鋼自動化公司依據(jù)造渣工藝模型完成了工業(yè)軟件開發(fā)和調(diào)試工作，目前該模型作為LF智能精煉模型的一個子模型已在三分廠LF工位上線試運行。該模型實現(xiàn)了造渣工藝相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集，并能依據(jù)工藝模型自動計算白灰、螢石等造渣用料的數(shù)量，可以替代操作人員的人工計算；還實現(xiàn)了下料系統(tǒng)、氬氣系統(tǒng)、電極系統(tǒng)等設(shè)備的聯(lián)動功能，可以一鍵完成一次造渣操作。目前，造渣模型的使用率達到90%以上，縮短造渣周期1 min以上，未發(fā)生因造渣不良導(dǎo)致的硫元素不合格等質(zhì)量事故。造渣工藝模型的應(yīng)用大幅度減輕了操作者的勞動強度，避免了人為操作失誤，提高了生產(chǎn)效率。

5 幾點思考

5.1 基礎(chǔ)自動化水平的提升

控制模型應(yīng)用的前提是高水平的基礎(chǔ)設(shè)備自動化。如前文所述，模型自執(zhí)行的基礎(chǔ)是工藝參數(shù)方案的自動計算，即自決策（狹義的自決策）；而自決策的基礎(chǔ)是計算所需信息的自動采集，即自感知。而要實現(xiàn)自感知，就需要設(shè)備基礎(chǔ)自動化水平的提升，比如凈空的測量、渣厚的測量以及鋼水精煉過程中的鋼水溫度測量、鋼水取樣等，都應(yīng)實現(xiàn)自動作業(yè)，相應(yīng)的測量結(jié)果自動采集到模型中，這樣才能支持控制模型的運行，保證參數(shù)的自動計算和設(shè)備的自動執(zhí)行功能的實現(xiàn)。

5.2 模型控制和人工控制的差別

模型控制和人工控制的差別很大。在造渣工藝模型的開發(fā)過程中，面對復(fù)雜情況、異常情況，人工控制的靈活性體現(xiàn)了重要性，人可以依據(jù)工藝原理、操作規(guī)程、自身經(jīng)驗做出判斷，并進行決策。而在模型控制方式下，需要提前考慮各種情況，在控制程序上做好應(yīng)對，才能夠?qū)崿F(xiàn)控制程序的有效運行。

5.3 工藝參數(shù)的自學(xué)習

造渣模型參數(shù)計算模塊中，計算的基礎(chǔ)是工藝機理和操作者的操作經(jīng)驗，可以說是靜態(tài)模型，雖然程序設(shè)計時考慮了不同的生產(chǎn)情況，有一定的適應(yīng)性，但是計算的結(jié)果并不一定是最優(yōu)的、最適合的，需要引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，對生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)進行采集、清洗、分析，通過建立動態(tài)模型對歷史數(shù)據(jù)進行自學(xué)習，得出更加符合生產(chǎn)實際需要的工藝參數(shù)，實現(xiàn)工藝參數(shù)的最優(yōu)化。當然，這需要靜態(tài)模型穩(wěn)定運行一段時間之后才能夠?qū)崿F(xiàn)。

6 結(jié)語

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠針對原有LF造渣工藝由于人工操作導(dǎo)致結(jié)果差異性較大的問題，建立了LF造渣工藝模型，實現(xiàn)了工藝參數(shù)自動計算和自動執(zhí)行，減少了人為操作的波動。該模型的使用率達到90%以上，縮短了造渣周期1 min以上，未發(fā)生因造渣不良造成的硫元素不合格等質(zhì)量事故，大幅度減輕了操作者的勞動強度，為實現(xiàn)全工序工藝一鍵化打下了堅實的基礎(chǔ)。