90 t電弧爐煉鋼流程一鍵合金加料優化系統分析

蘆 莎，朱和平，王 巍，戴伶俐，周海燕

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214429)

0 引 言

電弧爐煉鋼是一項重要冶煉工藝，關鍵點在于合金加料控制，將物料控制在指定范圍內，解決合金元素不足或超標問題，使加料系統具有穩定的運行狀態。一鍵合金加料應得到系統支持，采用智能化的控制手段，將規劃算法應用在投料控制中，構建精準的投料控制模型，滿足投料精度的控制要求，實現電弧煉鋼的工業化生產，保證指定鋼種得到有效冶煉。

1 電弧爐煉鋼流程一鍵合金加料優化系統概況

電弧爐煉鋼對系統具有較高要求，需要對系統的基本概況進行分析，使煉鋼技術可以流程化，保證煉鋼過程具有一定的穩定性。文章以某煉鋼企業作為研究對象，針對一鍵合金加料系統分析，通過加料過程對鋼液成分進行調整，使煉鋼過程處于最佳狀態，進而滿足90 t電弧爐煉鋼需求。電弧爐是實現煉鋼的重要設施，需要采用合理化的加料形式，做好鋼液成分的調整工作，構建良好的鋼液供應條件。電弧爐由10個料倉組成，包括石灰料倉、鋁線料倉、精煉渣料倉等，將煉鋼原料進行充分準備，通過料倉實現一鍵合金快速加料。電弧爐煉鋼一鍵合金加料工藝流程見圖1。加料工藝大體上分為3個步驟：①在電弧爐內部加入合金料，保障電弧爐能夠順利出鋼，為后續煉鋼過程進行準備；②對鋼包進行運輸，同時對鋼水成分進行檢測，為精煉加料控制提供依據；③通過精煉爐對合金進行精煉，形成質量穩定的鋼成品[1]。

圖1 電弧爐煉鋼一鍵合金加料工藝流程Fig.1 Process diagram of one-key alloy feeding in EAF steelmaking

該煉鋼企業采用鋼包預備合金及精煉爐合金加料工藝路線，應保證加料系統的控制精度，不斷對煉鋼技術進行推進，使合金元素得到有效配比。不同鋼種合金元素應滿足收得率要求，在加料種類、次數等方面均要進行控制，提高加料控制的先進性，確保系統優化控制的合理性。文章基于實際煉鋼特性展開研究，并且結合企業煉鋼情況，采用SQL數據庫與Visual Studio 2013軟件進行數據保存與軟件研發，以此來對煉鋼過程進行監測，保證一鍵加料過程能夠順利進行。該系統還運用到組態技術，由Wincc進行界面編程，形成一鍵合金加料的可交互界面，使煉鋼加料操作更加方便。一鍵合金加料的核心在于減少現場操作，由煉鋼系統控制加料過程進行，并且在操作上進行簡化，提高對鋼水成分的控制效果。

2 電弧爐煉鋼流程一鍵合金加料優化系統實現

2.1 合金元素收得率控制

電弧爐煉鋼過程中，需要進行投料操作，對合金元素的收得率進行分析，掌握鋼液的具體成分，便于對元素比例進行調節，滿足不同鋼種的冶煉條件。鋼種合金元素包括C、Si、Mn等，結合實際情況進行添加，對鋼水成分進行改變，同時采用動態化的分析方式，消除合金元素的不利影響，對合金元素收得率情況進行統計。合金元素收得率一般存儲在數據庫中，便于對收得率歷史進行回顧，根據過去的物料配比展開分析，提高加料控制的數據自學習效果，使系統在控制層面上能夠動態加料，實現加料過程的有效調整。合金元素收得率評估過程中，需要從本地數據庫中調用鋼種的目標成分，獲得鋼水的成分及質量，進而對元素含量進行分析，并且確定加入合金元素后的鋼水總量變化，為合金元素收得率控制提供依據[2]。

合金元素收得率控制應建立動態庫，對收得率情況進行比較，判斷收得率是否滿足動態庫的要求，將加料過程控制在穩定參數內，實現良好的加料控制精度。鋼種合金元素X收得率計算公式如下：

式中：

K--修正系數，取值范圍0.05～0.20。

動態庫算法核心在于學習和修正過程，以歷史數據作為分析依據，對合金元素收得率進行解析，得到合金加料的具體含量，保障一鍵合金加料能夠順利進行。

2.2 合金加料優化模型

電弧爐煉鋼一鍵合金加料系統需要具有優化模型的支持，使加料系統處于可控制的狀態，以模型方式實現加料過程，并且實現加料控制的動態規劃。一鍵合金加料需要注重精度控制，實現加料控制的有效決策。通過優化模型可滿足元素指標的要求，注重規劃算法的掌控，實現優化模型與加料系統的有效結合。

2.2.1 決策變量

合金加料過程中，根據鋼種及元素的不同，對鋼液元素進行調整，通過決策變量提高加料系統的決策效果，采用正確的加料控制形式，保障決策控制能夠有序進行。電弧爐煉鋼過程中，需要加入多種合金成分，借助系統決策作用進行調整，使加料控制能夠滿足元素指標。以某種鋼材冶煉為例，鋼液由n種元素組成，每種元素質量為xi，作為決策變量進行使用，并且決策變量滿足以下條件：

xi≥0，i=0,1,2,…,n

決策變量xi需要事先進行設定，規定何種情況采用何種條件，對決策變量的指標效果進行檢驗，防止系統對加料控制作出錯誤決策。而且，決策變量應滿足一定的精度要求，一般為非負數條件，保障物料能夠進行持續投入，使鋼液元素成分達到標準范圍。

2.2.2 目標函數

為了滿足一鍵合金加料要求，需要對目標函數進行構建，采用合理化的目標控制形式，提高對物料含量的限制作用，使物料控制能夠趨于合理化。目標函數是物料控制的重要條件，需要對化學成分進行分析，得到鋼液元素的含量，將元素含量作為目標函數的衡量依據。鋼液元素含量計算公式如下：

式中：

Ci--鋼液元素含量(kg)；

Zi--元素加料總量(kg)；

Si--元素燒損量(kg)；

Hi--化學反應元素消耗量(kg)；

MB--目標出鋼量(kg)。

通過上述公式，可得到元素的具體含量，實現合金元素的定量添加，在物料添加上進行量化?；谀繕撕瘮档囊?，還需要考慮到成本控制，注重對投料成本的把控，采用最小成本投料形式，借助投料成本函數進行分析。投料成本函數如下：

式中：

min(P)--最小投料成本(元)；

ci--合金元素單價(元/kg)；

mi--合金元素投量(kg)。

加料系統應考慮到成本控制，構建有效的加料形式，將投料成本控制在較低水平，避免合金元素的投量超標，使成本控制能夠發揮作用[3]。

2.2.3 約束條件

鋼液成分控制需要具有約束條件，注重合金元素總量的把控，將投料控制在制定范圍內，防止出現元素超標或不足的情況，使元素成分在范圍內變化。同時，約束條件也是保證投料精度控制的關鍵，避免精度控制上偏離指標，使約束條件得到有效應用。合金元素投料約束條件如下：

式中：

Emin，Emax--合金元素投料下限和上限(%)；

RA--合金元素的收得率(%)；

xi--合金投入質量(kg)；

PiA--合金元素質量分數(%)；

mst--鋼液質量(kg)。

通常情況下，約束條件是一個范圍值，需要具備上限或下限條件之一，由約束條件對目標函數進行限定，借此縮小目標函數的求解范圍，避免產生過大的求解偏差。約束條件有不等式構成，用于對線性規劃問題進行分析，在目標函數中引入合金投料的人工變量，提高目標函數控制的可靠性，通過約束條件對優化模型進行求解，實現約束條件的控制目標。

2.3 一鍵合金加料控制

2.3.1 數據存儲

電弧爐煉鋼需要具備數據上的支持，做好煉鋼數據的存儲工作，構建動態庫數據的有利條件，保證加料系統的運行狀態。煉鋼合金投料具有配比條件的要求，相關參數存儲在MySQL數據中，通過SQL語句來操作數據庫，便于對數據進行調用，提高一鍵合金加料系統對數據的運用能力。電弧爐煉鋼過程中，將會產生大量的數據信息，需要將數據存儲在數據庫內，方便下次對數據進行調用，并且可以實時獲得冶煉數據，對煉鋼加料情況進行確定，由模型參數實現一鍵合金加料過程，在系統模型上提供數據服務。煉鋼過程需要做好數據的采集工作，通過傳感器實現對數據的采集，如合金元素含量檢測等，均采用相應的傳感器進行，使冶煉參數得到自動化采集，保障一鍵合金加料能夠精準控制。

數據庫中包含眾多加料控制參數，如合金元素含量、約束條件上下限等，使合金加料參數得到統一管理，通過數據庫中的字段來控制相應的參數。當控制參數需要修改時，僅需找到相應的字段即可，通過字段來修改相應參數，保障加料參數得到有效調整。以含碳量參數的上下限調整為例，CONTENT_C字段進行表示，用于對含碳量上下限參數進行標識，通常情況下，鋼鐵的含碳量在0.02 %～2.11 %之間，在數據庫中可標識為(0.000 2，0.021 1)。當含碳量無法滿足上述條件時，將無法滿足鋼的生產條件，甚至生產出不合格的鋼產品。對含碳量參數調用時，采用SQL語句檢索CONTENT_C字段，可得到碳含量約束條件下限Emin為0.02 %，下限Emax為2.11 %，進而實現加料參數的有效查詢與運用。

2.3.2 運行控制

電弧爐煉鋼采用流程化運行控制形式，需要保證系統加料過程中的控制能力，使系統能夠滿足合金加料要求。一鍵合金加料優化系統采用PLC作為控制器，具有精準的控制效果，而且控制器具有可編程能力，將合金加料優化模型融入其中，確保在算法上具有可實現性，保障加料過程能夠順利進行。通過PLC可對現場監測數據進行處理，對數據來源進行歸類整理，提高系統的實際生產能力，實現對數據的有效調控。運行控制關鍵點為生產數據的處理，為了使數據處理更加方便，采用第三方OPC服務器構建數據采集平臺，實現加料數據的集中處理，將數據處理進行平臺化。運行控制是實現一鍵合金加料的關鍵環節，使系統具有穩定的控制形態，通過一鍵加料提高系統可操作性[4]。

PLC是實現自動加料的關鍵控制器，可與操作界面建立連接，讀取冶煉鋼種數據及質量信息，保證加料控制的流程狀態。在煉鋼流程啟動后，PLC將自動從服務器中獲取加料控制信息，如鋼種成分、合金質量等，將鋼液成分與具體指標進行對比，判斷鋼液成分是否滿足要求。若存在無法滿足要求的情況，由PLC控制進行一鍵加料，保障合金加料控制的流程化。經過合金加料模型處理后，PLC將得到具體的投料情況，需要對投料進行準確稱量，一般由臺車完成稱量工作，對電弧爐進行一鍵加料。

2.3.3 指標分析

電弧爐煉鋼加料過程中，需要不斷對加料指標進行分析，避免加料指標上出現偏差，提高指標分析的有效性。鋼液材料中具有多種成分，需要避免指標上的相互影響，保證優化模型求解的準確性，消除投料指標上的不利因素。合金投料完成后，需要對目標進行二次計算，用于對投料的實際效果進行判斷，確定目標成分的實際含量，使鋼液成分具備合理性。投料指標控制具有一定的難度，必要時需要增加投料檢測的次數，確保鋼液中元素組成的匹配性。指標對比是實現系統優化的關鍵，應注重加料指標上的掌控，避免出現無法控制的情況，確保加料指標的實現效果，使加料系統能夠切實得到優化。

2.3.4 操作界面

為了提高一鍵加料的可操作性，需要對操作界面進行優化設計，將投料情況顯示在界面上，便于對投料狀態進行觀察。操作界面采用Wincc展開設計，需要保證界面的簡潔性，各個分界面或按鈕進行操作，使操作界面能夠有效運作。操作界面是實現人機交互的關鍵，操作界面與數據庫進行連接，便于對煉鋼數據進行展示，保障數據得到快速調用。通過操作界面可對歷史數據進行查詢，對加料后煉鋼情況進行掌控。煉鋼數據可通過表格、圖形等方式進行顯示，需要采用完善化的設計形式，保障操作界面的展示效果。操作界面與PLC控制器連接，可對PLC下達控制制定，通過一鍵加料按鈕實現加料控制，由PLC對加料過程進行運算，提高操作界面對投料的控制能力，使操作界面能夠最大化發揮作用。

3 電弧爐煉鋼流程一鍵合金加料優化系統評估

3.1 合金元素收得率

合金元素收得率是一鍵合金加料系統評估的重要依據，需要加料過程進行統計，對合金收得率進行精準檢測，確保合金加入后能夠滿足指標要求。需要注意的是，冶煉不同鋼種時，元素的收得率具有差異性，不能采取固定的分析方式，否則將會對投料配比造成影響，無法得到穩定的元素投入量。同時，合金元素收得率是構建動態庫的關鍵，對于合金配比指導具有重要意義，需要構建有效的精度控制方法，使系統具有良好的優化狀態。通過一鍵合金系統，可得到表1所示的合金收得率信息，將不同鋼種的收得率情況進行匯總，實現合金收得率的統一分析[5]。

表1 不同鋼種的合金元素收得率(%)Tab.1 Yield of alloying elements in different grades of steel(%)

3.2 合金元素投料量

一鍵合金加料系統需要具有精準的投料量，需要明確投料比例變化的影響，保障投料控制的分析效果，保障投料條件的控制水平。投料比例控制具有必要性，需要避免出現不穩定的投料情況，對鋼液內部的組分含量進行控制。以34CrMo4鋼種為例，Si元素配比需要進行調節，由原來的82.00 %調整到95.00 %，使Si元素比例得到增加，避免Si元素損失導致組分含量的不足，保障投料控制得到精準把控。合金元素投料量控制是保證鋼液成本比例的關鍵，系統優化后應避免元素損失，根據鋼種對元素比例進行調節，保障合金元素投入量能夠達到指定要求，提高元素比例控制的合理性，使加料系統的運行狀態能夠過關，確保系統得到有效優化，提高合金加料的一鍵操作水平。

3.3 合金投料成本分析

合金投料伴隨著成本的消耗，需要對投料成本進行控制，對加料系統優化前后的成本進行評估，圍繞不同鋼種的成本展開分析，得出具體的優化效果。電弧爐煉鋼流程合金加料成本見表2，通過不同鋼材成本分析發現，加料系統優化具有顯著的成本控制效果，使成本控制更加具有效率。以45鋼種為例，優化前合金加入硅鐵48 kg，高碳錳鐵480 kg；優化后合金加入硅鐵82 kg，高碳錳鐵451 kg。由于硅錳合金的單價較低，在總成本上價格要低一些，能夠起到降低成本的作用，避免造成成本的額外消耗，保障合金投料具有穩定的成本。

表2 電弧爐煉鋼流程合金加料成本統計Tab.2 Cost analysis of alloy feeding in the EAF steelmaking process

4 結 語

綜上所述，電弧爐煉鋼過程中，需要合理對加料系統進行設計，保證加料系統具有可實現性，完善加料系統的指標要求，避免出現不可控的情況。加料系統具有一鍵加料操作，使鋼液具有合理的配比條件。加料系統需要具有良好的在線運行條件，注重系統運行狀態的把控，通過一鍵加料對鋼液成分進行指導，保障合金元素具有良好的收得率，使投料過程具有精準的控制條件。