近年电弧炉炼钢智能化技术的发展

二哥2014a 发表于 2019-09-07 16:35:43 | 打印

纵观近年来电弧炉炼钢技术的进展,可以发现,电弧炉炼钢在原有高效节能冶炼技术的基础上,以智能化炼钢和节能环保为中心,在超高功率供电、强化供能、智能化控制、节能降耗、绿色环保等方面取得了长足的进步,特别是在智能化控制领域开发了一系列先进的监测技术和控制模型,大大提高了电弧炉炼钢过程的自动化水平,促进了钢铁工业的发展。

本文是基于电弧炉炼钢各环节智能冶炼技术,介绍并分析了近年来电弧炉智能化炼钢技术的发展情况。

1电弧炉智能化供电

供电操作是电弧炉炼钢过程主要的环节之一,同时,优化供电的关键在于电极的自动调节。自动判定废钢熔清技术的开发进一步提高了电弧炉供电的智能化水平。

1.1电极智能调节

随着智能控制原理的快速发展,研究人员广泛应用智能控制算法控制电弧炉电极的调节,针对电弧炉冶炼两个时期的复杂非线性、时变性等特征,分别采用神经网络和模糊控制与传统PID相结合的控制方法,使冶炼的各时期都能达到满意的控制效果。美国NorthStar钢厂利用智能控制算法改善80t电弧炉的电极控制系统,使得生产率提高10%~20%,电极消耗降低0.4~0.6kg/t,电能消耗减少18~20kW•h/t。国内舞阳钢铁公司100t电弧炉电极系统采用恒阻抗神经网络调节后,每炉供电时间缩短8min,电能消耗减少60kW•h/t。

1.2自动判定废钢熔清技术

现代电弧炉炼钢一般按照预先设定的通电图表进行电力调整,冶炼过程须多次装入废钢,当熔清期判断不准确,就会增加冶炼时间,降低生产效率。

此背景下,DaidoSteel开发了电弧炉自动判定废钢熔化的E-adjust系统,主要是利用电弧炉冶炼过程中发生的高次谐波电流(或高次谐波电压)和电弧炉发声两个要素判定炉内废钢熔化状态,进而进行自动化控制。DaidoSteel收集大量E-adjust实际生产数据,并与传统人工判断熔清的生产模式作对比,发现引入E-adjust系统后因操作稳定而消除了用电的无效化,节省了电能并提高了电弧炉的生产效率。

2电弧炉炼钢炉况实时监控技术

2.1测温取样新技术

电弧炉炼钢过程中钢液的温度测量和取样一直是制约电弧炉电能消耗和生产效率的关键环节之一,针对该问题,一系列自动化测温取样新技术得以开发并推广应用。

2.1.1自动测温取样

SIEMENSVAI公司设计的SimetalLiquiRob自动测温取样机器人,具有6个自由度的运动、自动更换取样器和测温探头、检测无效测温探头等功能,可通过人机界面全自动控制,既改善了工作环境,又提高了测温取样的精度。

美国PTI公司开发的PTITempBoxTM自动测温取样系统穿过炉壁进入熔池测温取样,且不受系统供电的限制,冶炼过程中炉门能够保持闭合,增加了炉膛内泡沫渣的停留时间和厚度,改善了炉内传热效率,降低了冶炼过程的能量消耗。

2.1.2非接触式连续测温

电弧炉炼钢要求必须在任何规定的时间准确掌握温度——不仅是熔池表面温度,而且包括熔池内部温度。传统电弧炉炼钢采用人工测温的方式,一直以来难以实现对钢液温度的连续性监测。

SIEMENSVAI开发了一套创新型方案——基于组合式超音速喷枪的非接触式连续钢液温度测量系统SimetalRCBTemp。区别于传统的测温方法,SimetalRCBTemp能够在短时间内准确地测出钢液温度,准确地确定出钢时间,使电弧炉炼钢过程的通电时间和断电时间均为最佳,大大提高了电弧炉炼钢的生产能力。但该系统测温的可靠性和使用寿命须进一步验证和完善。

2.2泡沫渣监测控制技术

电弧炉炼钢过程中造泡沫渣并保持是低消耗和高生产率电炉炼钢的关键。

SIEMENS开发了SimeltFSM(FoamingSlagManager)泡沫渣监控系统。针对泡沫渣的高度和分布对炉内声音传播的影响,SimeltFSM能够定性地测定炉内泡沫渣的存在状态,从而能够自动调节电力供应和炉内各区域炭粉的输入,调节泡沫渣操作和稳定电弧以改善电弧炉能量供应,提高生产效率。

美国PTI公司开发的电弧炉炉门清扫和泡沫渣控制系统PTISwingDoorTM减少了外界空气的进入,提高了炼钢过程的密封性,减少能源等额外消耗,提高电弧传热效率和能量利用效率。

2.3烟气连续分析系统

现代电弧炉烟气分析系统能够准确地测量烟气的温度、流量以及烟气中CO、CO2、H2、O2、H2O和CH4等成分。

意大利TENOVA公司开发的EFSOP烟气分析系统包括耐高温的废气采样系统、带有专用仿真和控制软件及数据采样的控制计算机。基于实时检测的排除烟气的成分和温度,该系统能够确定化学能源在炉内的利用率、碳氧间的不平衡程度、排除烟气系统有无爆炸危险和通风系统是否过分抽气等状况,同时可以实现氧气和燃气的动态输入控制,以便保证气体的充分燃烧。SIEMENS开发的SimetalLomas烟气连续分析系统对气体采样探测器进行了特殊设计,安装有水冷装置和自动清洁装置,能保证冶炼过程烟气的连续测量分析。

烟气分析系统在国内外电弧炉上已有广泛应用,效果良好。就目前实际应用情况而言,耐高温和粉尘的气体探测传感器需继续研究开发,以进一步降低使用成本、提高气体分析的准确性。

3电弧炉冶炼过程优化控制

3.1成本控制优化系统

北京科技大学研发的电弧炉冶炼过程控制成本优化系统,通过对电弧炉冶炼工艺历史数据的记录,建立数据库;根据成本、能耗最低或冶炼时间最短原则,选择与当前冶炼炉次炉料结构、冶炼环境等相近的最优历史数据,然后根据最优炉次的冶炼工艺进行冶炼,以达到最优的冶炼效果。该系统已经在国内外电炉试运行。

近来,北京科技大学基于时空多尺度结构理论对电弧炉炼钢过程的研究,开发了一套包括电弧炉、精炼与连铸,能实现成本监控、过程优化指导于一体的在线电弧炉炼钢流程模型的多尺度模型,并已成功应用于国内外企业的电炉生产过程,经济及社会效益显着。

3.2电弧炉炼钢终点控制

近年来,随着智能算法的发展,研究人员将人工神经网络、支持向量机、遗传算法等智能算法引入电弧炉炼钢,开发了一系列终点预报模型,并在实际应用中取得了良好效果。

由于基于智能算法的“黑箱模型”过分依赖数据,缺乏生产工艺的指导,结合反应机理和智能算法的混合终点预报模型近年来逐渐被开发。可预见,在电弧炉炼钢终点控制领域,更有效的监测技术和高可靠性智能模型的研发及两者的有机结合将成为研究的热点。

3.3冶炼过程整体智能控制

随着监测手段和计算机技术的发展,电弧炉炼钢智能化控制不再仅仅局限于某一环节的监测与控制,应从整体过程出发,将冶炼过程采集的信息与过程基本机理结合进行分析、决策及控制,追求电弧炉炼钢过程的整体最优化。

SIEMENSVAI开发了SimentalEAFHeatopt(HolisticProcessControl)整体控制方案,对电弧炉炼钢过程实时整体控制,极大地改善了能源利用率、生产效率和生产过程的安全性。该系统在美国Virginia州SDIRoanok钢厂的实际应用中取得良好的效果:燃气和氧气消耗降低约15%,碳粉消耗降低约15%,生产效率提高3.6%,生产成本显着降低。

电弧炉炼钢过程的整体智能控制依赖于各环节的智能化控制水平,其研究仍处于起步阶段。冶炼过程各监测手段和控制模型的不断优化将促进电弧炉炼钢整体智能控制的进一步发展。

4结论与展望

日益突出的能源环境问题和人类不断提高的节能环保意识将促进电弧炉炼钢流程的进一步发展,日益上涨的人力成本和不断加快的冶炼节奏将对电弧炉智能化炼钢提出了更高的要求。可以预见,智能化技术在电弧炉炼钢领域的重要性将日益突出,更先进的监测手段和可靠的整体优化控制方案及两者的有机结合将成为今后电弧炉智能化炼钢的发展趋势。



     

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