縱觀近年來(lái)電弧爐煉鋼技術(shù)的進(jìn)展，可以發(fā)現(xiàn)，電弧爐煉鋼在原有高效節(jié)能冶煉技術(shù)的基礎(chǔ)上，以智能化煉鋼和節(jié)能環(huán)保為中心，在超高功率供電、強(qiáng)化供能、智能化控制、節(jié)能降耗、綠色環(huán)保等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是在智能化控制領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了一系列先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和控制模型，大大提高了電弧爐煉鋼過(guò)程的自動(dòng)化水平，促進(jìn)了鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展。
1、電弧爐智能化供電
供電操作是電弧爐煉鋼過(guò)程的主要環(huán)節(jié)之一，同時(shí)，優(yōu)化供電的關(guān)鍵在于電極的自動(dòng)調(diào)節(jié)。為改善電極調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度和控制精度，確保電弧爐三相電流的平衡及電極連續(xù)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，需要不斷改進(jìn)電弧爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)量和質(zhì)量的目標(biāo)。自動(dòng)判定廢鋼熔清技術(shù)的開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步提高了電弧爐供電的智能化水平。
1.1電極智能調(diào)節(jié)
目前，國(guó)內(nèi)外大部分關(guān)于電弧爐電極調(diào)節(jié)自適應(yīng)控制的研究主要是將電弧爐主電路作為線性系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)和控制，然后采用線性系統(tǒng)的自適應(yīng)方法進(jìn)行研究。分段線性化自適應(yīng)控制的方法便是其中的一種，分段線性化自適應(yīng)控制策略是將電弧爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由對(duì)非線性系統(tǒng)的控制轉(zhuǎn)變成對(duì)分段線性化系統(tǒng)的控制，解決了三相電弧爐系統(tǒng)的自適應(yīng)控制問(wèn)題。
隨著智能控制原理的快速發(fā)展，研究人員廣泛應(yīng)用智能控制算法，控制電弧爐電極的調(diào)節(jié)。針對(duì)電弧爐冶煉兩個(gè)時(shí)期的復(fù)雜非線性、時(shí)變性等特征，研究人員分別采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制與傳統(tǒng)PID相結(jié)合的控制方法，使冶煉的各時(shí)期都能達(dá)到滿意的控制效果。美國(guó)北極星鋼公司利用智能控制算法，改善了80t電弧爐的電極控制系統(tǒng)，使得生產(chǎn)率提高了10%-20%，電極消耗降低了0.4-0.6kg/t，電能消耗減少18-20kWh/t。國(guó)內(nèi)舞陽(yáng)鋼鐵公司100t電弧爐電極系統(tǒng)采用恒阻抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)后，每爐供電時(shí)間縮短8min，電能消耗減少了60kWh/t。
1.2自動(dòng)判定廢鋼熔清技術(shù)
現(xiàn)代電弧爐煉鋼一般按照預(yù)先設(shè)定的通電圖表進(jìn)行電力調(diào)整，冶煉過(guò)程須多次（如3次）裝入廢鋼。然而因裝入廢鋼的性狀（如尺寸、體積、重量、形狀等）和熔化狀況經(jīng)常變化，按照預(yù)設(shè)通電圖表操作，并不能取得最佳供電熔化效果。特別在廢鋼追加時(shí)期和由熔化轉(zhuǎn)向升溫的熔清時(shí)期，多由操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)操作。因此，熔清期判斷不準(zhǔn)確，都會(huì)增加冶煉時(shí)間，降低生產(chǎn)效率。廢鋼在電弧爐內(nèi)熔化狀態(tài)的準(zhǔn)確把握，對(duì)煉鋼操作會(huì)產(chǎn)生較大影響。在此背景下，日本大同特鋼公司開(kāi)發(fā)了電弧爐自動(dòng)判定廢鋼熔化的E-adjust系統(tǒng)。主要利用電弧爐冶煉過(guò)程中發(fā)生的高次諧波電流（或高次諧波電壓）和電弧爐發(fā)聲兩個(gè)要素，判定爐內(nèi)廢鋼熔化狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行自動(dòng)化控制。大同特鋼收集了大量E-adjust實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并與傳統(tǒng)人工判斷化清的生產(chǎn)模式作對(duì)比，操作參數(shù)對(duì)比結(jié)果表明，電弧爐平均電耗降低了7.1kWh/爐，操作時(shí)間減少了0.4min，引入E-adjust系統(tǒng)后，因操作穩(wěn)定而節(jié)省了電能，并提高了電弧爐生產(chǎn)效率。
近年來(lái)，基于自適應(yīng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制的電極自動(dòng)調(diào)節(jié)模型逐漸引入國(guó)內(nèi)電弧爐控制系統(tǒng)，實(shí)際生產(chǎn)效果顯著。由于國(guó)內(nèi)電弧爐煉鋼廣泛采用鐵水熱裝技術(shù)，自動(dòng)判定廢鋼熔清技術(shù)須進(jìn)一步完善，以適應(yīng)不同廢鋼比的電弧爐煉鋼過(guò)程，提高其可靠性。
2、電弧爐煉鋼爐況實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)
2.1測(cè)溫取樣新技術(shù)
電弧爐煉鋼過(guò)程中，鋼液的溫度測(cè)量和取樣一直是制約電弧爐電能消耗和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。針對(duì)傳統(tǒng)人工測(cè)溫取樣安全性差、成本高等問(wèn)題，一系列自動(dòng)化測(cè)溫取樣新技術(shù)得以開(kāi)發(fā)并推廣應(yīng)用。
2.1.1自動(dòng)測(cè)溫取樣
目前，普遍使用的取樣和測(cè)溫方式是通過(guò)人工將取樣器或熱電偶，從爐門插入鋼水中來(lái)完成的。SIEMENSVAI公司設(shè)計(jì)的SimetalLiquiRob自動(dòng)測(cè)溫取樣機(jī)器人，外層涂有特殊防塵隔熱纖維，具有6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)更換取樣器和測(cè)溫探頭、檢測(cè)無(wú)效測(cè)溫探頭等功能，可以通過(guò)人機(jī)界面全自動(dòng)控制。美國(guó)PTI公司開(kāi)發(fā)的PTITempBoxTM自動(dòng)測(cè)溫取樣系統(tǒng)，穿過(guò)爐壁進(jìn)入熔池測(cè)溫取樣。該裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)特殊的設(shè)計(jì)，滿足電弧爐冶煉的惡劣環(huán)境和工藝要求，改善了爐內(nèi)傳熱效率，從而降低了冶煉過(guò)程的能量消耗。
目前，國(guó)內(nèi)大部分電弧爐煉鋼企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的人工取樣測(cè)溫方式，先進(jìn)的自動(dòng)測(cè)溫取樣裝置，近年來(lái)開(kāi)始引入到國(guó)內(nèi)電弧爐實(shí)際生產(chǎn)。
2.1.2非接觸式連續(xù)測(cè)溫
鋼液溫度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)能夠?qū)υ炫菽?、鋼液脫磷、?yōu)化供電等相關(guān)工藝的優(yōu)化操作起指導(dǎo)性作用。鑒于電弧爐煉鋼過(guò)程高溫惡劣的冶煉環(huán)境，一直以來(lái)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼液溫度的連續(xù)性監(jiān)測(cè)。SIEMENSVAI開(kāi)發(fā)了一套創(chuàng)新型方案——基于組合式超音速噴槍的非接觸式連續(xù)鋼液溫度測(cè)量系統(tǒng)（SimetalRCBTemp）。區(qū)別于傳統(tǒng)的測(cè)溫方法，該系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)，準(zhǔn)確地測(cè)出鋼液溫度及出鋼時(shí)間，使電弧爐煉鋼過(guò)程的通電時(shí)間和斷電時(shí)間均為最佳。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非接觸鋼液的連續(xù)測(cè)溫，提高了電弧爐煉鋼的生產(chǎn)能力。但該系統(tǒng)溫測(cè)的可靠性和使用壽命須進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。
2.2泡沫渣監(jiān)測(cè)控制技術(shù)
電弧爐煉鋼過(guò)程的泡沫渣操作，能夠?qū)撘和諝飧綦x，覆蓋電弧，減少輻射到爐壁、爐蓋的熱損失，高效地將電能轉(zhuǎn)換為熱能向熔池輸送，提高加熱效率，縮短冶煉周期。冶煉過(guò)程中造泡沫渣是低消耗和高生產(chǎn)率電爐煉鋼的關(guān)鍵。近年來(lái)，泡沫渣操作的相關(guān)監(jiān)測(cè)控制技術(shù)得到研究和應(yīng)用。
SIEMENS開(kāi)發(fā)了SimeltFSM泡沫渣監(jiān)控系統(tǒng)。針對(duì)泡沫渣的高度和分布對(duì)爐內(nèi)聲音傳播的影響，能夠定性地測(cè)定爐內(nèi)泡沫渣的存在狀態(tài)，調(diào)節(jié)泡沫渣操作和穩(wěn)定電弧，以改善電弧爐能量供應(yīng)，提高生產(chǎn)效率。
美國(guó)PTI公司開(kāi)發(fā)的電弧爐爐門清掃和泡沫渣控制系統(tǒng)PTISwingDoorTM減少了外界空氣的進(jìn)入，提高了煉鋼過(guò)程的密封性。從而保證冶煉過(guò)程中爐膛內(nèi)渣層的厚度，減少了能源消耗，提高電弧傳熱效率，改善能量利用效率。
目前，國(guó)內(nèi)大部分鋼廠仍采用人工方式控制泡沫渣的制作，部分鋼廠采用了電弧爐爐門系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，能量利用效率明顯提高。而由于電弧爐煉鋼爐況的復(fù)雜性，基于爐內(nèi)發(fā)聲的泡沫渣監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性有待驗(yàn)證。
2.3煙氣連續(xù)分析系統(tǒng)
現(xiàn)代電弧爐煉鋼集高效、安全和環(huán)保于一體，對(duì)于煉鋼過(guò)程煙氣檢測(cè)、控制和工藝優(yōu)化的要求越來(lái)越高。現(xiàn)代電弧爐煙氣分析系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量煙氣的溫度、流量以及煙氣中CO、CO2、H2、O2、H2O和CH4等成分。煙氣分析系統(tǒng)利用采集的信息和自身的控制模型，對(duì)冶煉過(guò)程分析、判斷并控制。煙氣的在線探測(cè)傳感器一般安裝在電弧爐第四孔處，須進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)以適應(yīng)第四孔苛刻的高溫和煙塵環(huán)境，增加其可靠性和使用壽命。
國(guó)內(nèi)江蘇淮鋼采用美國(guó)Praxair公司開(kāi)發(fā)的基于爐氣分析的二次燃燒系統(tǒng)進(jìn)行二次燃燒用氧控制，取得了明顯的節(jié)能效果，噸鋼電耗下降28kWh，冶煉時(shí)間縮短7.5min。
煙氣分析系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外電弧爐上已有廣泛應(yīng)用，效果良好。就目前實(shí)際應(yīng)用情況而言，耐高溫和粉塵的氣體探測(cè)傳感器需繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)，以進(jìn)一步降低使用成本，提高氣體分析的準(zhǔn)確性。
3、電爐冶煉過(guò)程優(yōu)化控制
3.1成本控制優(yōu)化系統(tǒng)
近年來(lái)，北京科技大學(xué)采用時(shí)空多尺度結(jié)構(gòu)理論，對(duì)電弧爐煉鋼過(guò)程進(jìn)行研究，指出其物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中存在著微觀尺度、介觀尺度、單元操作尺度和工位尺度等多個(gè)時(shí)空尺度的結(jié)構(gòu)。在充分吸收國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有過(guò)程控制模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合電弧爐成本控制模型與電弧爐煉鋼流程專家指導(dǎo)模型，構(gòu)建了一套包括電弧爐、精煉與連鑄，實(shí)現(xiàn)成本監(jiān)控、過(guò)程優(yōu)化指導(dǎo)于一體的在線電弧爐煉鋼流程模型的多尺度模型。該模型已成功應(yīng)用于新余新良特鋼、衡陽(yáng)鋼管、馬來(lái)西亞安裕鋼鐵、臺(tái)灣易昇鋼鐵、西寧特鋼、天津鋼管等企業(yè)的電爐生產(chǎn)過(guò)程。平均噸鋼氧氣消耗降低2Nm3，電耗降低2kWh，金屬料消耗下降10kg，噸鋼成本降低30元以上，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著。
3.2電弧爐煉鋼終點(diǎn)控制
近年來(lái)，隨著智能算法的發(fā)展，研究人員將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、遺傳算法等智能算法引入電弧爐煉鋼，開(kāi)發(fā)了一系列終點(diǎn)預(yù)報(bào)模型并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果。由于基于智能算法的“黑箱模型”過(guò)分依賴數(shù)據(jù)，缺乏生產(chǎn)工藝的指導(dǎo)，結(jié)合反應(yīng)機(jī)理和智能算法的混合終點(diǎn)預(yù)報(bào)模型近年來(lái)逐漸被開(kāi)發(fā)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在電爐煉鋼終點(diǎn)控制領(lǐng)域，更有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)和高可靠性智能模型的研發(fā)及兩者的有機(jī)結(jié)合將成為研究的熱點(diǎn)。
3.3冶煉過(guò)程整體智能控制
隨著監(jiān)測(cè)手段和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電弧爐煉鋼智能化控制不再僅僅局限于某一環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)與控制，應(yīng)從整體過(guò)程出發(fā)，將冶煉過(guò)程采集的信息與過(guò)程基本機(jī)理結(jié)合進(jìn)行分析、決策及控制，追求電弧爐煉鋼過(guò)程的整體最優(yōu)化。
SIEMENSVAI開(kāi)發(fā)了SimentalEAFHeatopt整體控制方案（如圖１），對(duì)電弧爐煉鋼過(guò)程實(shí)時(shí)整體控制，極大地改善了能源利用率、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)過(guò)程的安全性。該系統(tǒng)利用最新的檢測(cè)技術(shù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)控制方案，對(duì)電弧爐煉鋼過(guò)程進(jìn)行最優(yōu)化控制，能夠確保最大的生產(chǎn)效率、最佳的能量轉(zhuǎn)換率以及最小的生產(chǎn)成本。電弧爐煉鋼過(guò)程的整體智能控制，依賴于各環(huán)節(jié)的智能化控制水平，其研究仍處于起步階段。冶煉過(guò)程各監(jiān)測(cè)手段和控制模型的不斷優(yōu)化，將促進(jìn)電弧爐煉鋼整體智能控制的進(jìn)一步發(fā)展。
4
結(jié)論與展望
日益突出的能源環(huán)境問(wèn)題和人類不斷提高的節(jié)能環(huán)保意識(shí)，將促進(jìn)電弧爐煉鋼流程的進(jìn)一步發(fā)展，日益上漲的人力成本和不斷加快的冶煉節(jié)奏，將對(duì)電弧爐智能化煉鋼提出更高的要求。可以預(yù)見(jiàn)，智能化技術(shù)在電弧爐煉鋼領(lǐng)域的重要性將日益突出，更先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段和可靠的整體優(yōu)化控制方案及兩者的有機(jī)結(jié)合，將成為今后電弧爐智能化煉鋼的發(fā)展趨勢(shì)。
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