在我國重工業體系中，鋼鐵行業是重要的構成部分，是有著悠久發展歷史的行業。長時間的發展，讓鋼鐵行業積累了比較深厚的資本。當前，信息化技術被應用到了各行各業。在傳統鋼鐵行業發展當中積極引入信息化技術也成為了現階段發展的重要需求[1]。為了更好地應用自動化煉鋼技術，不僅要開展相關的理論指導，而且還要加強實踐力度，促進應用范圍的不斷拓寬。同時，開展自動化煉鋼技術的相關研究，還可以在煉鋼技術的智能化發展、工程實施流程的進一步規范和質量檢測水平的提升等方面起到積極有效的作用。

　　1 、自動化煉鋼技術基本內容

　　1.1、 技術要點概述

　　在鋼鐵行業發展歷程中，最核心的業務便是傳統工業冶煉。在自動化技術應用之后，開始出現了一些新的業務，比如電力轉動控制系統、爐外精煉技術、預處理自動化技術等，涉及鋼鐵行業發展的各個不同環節。現階段，我國鋼鐵技術的發展是以傳統鋼鐵冶煉技術為基礎，并且加強普及信息化技術，還在推廣信息化技術應用中，加強了生產過程的控制。

　　自動化煉鋼技術發展的基礎是構建數學模型，若構建起的模型科學合理，對于生產效率的提升也會起到明顯的推動作用。生產過程的執行系統也是整個自動化煉鋼系統的關鍵構成部分，對于整個流程作用的發揮起到決定性作用[2]。當前，我國的鋼鐵冶煉過程中對于簡單機械的依賴程度仍然比較高，需要強化基礎和加大生產自動化建設力度。這樣才可以盡早實現鋼鐵企業信息化管理的目標。

　　1.2、 自動化煉鋼技術控制要點

　　新時期鋼鐵行業在發展當中更加強調將傳統冶煉技術和信息技術融合發展，通過引入更加先進的技術裝備、理念，優化和改進冶煉行業的自動化條件。自動化技術可以在冶煉工廠的整體工藝提升和變量控制方面進行應用。比如在轉爐煉鋼過程當中采用自動化煉鋼技術，就可以對出鋼的溫度有更加準確地掌握[3]，而且煉鋼時還能實時監測冶煉當中的各項數據，或者是采用電子信息系統記錄冶煉中的數據。由此也能看出，信息化技術在鋼鐵冶煉行業中的應用，可以促進檢測效率的提升，讓生產者及時得到反饋信息，盡早采取應對和防范措施，最大限度降低損失。在整體處理工藝方面，自動化技術的應用還能對產品質量的提升起到促進作用，實現產業結構的完善與優化，也能讓生產模式、產業鏈等得到完善。

　　1.3、 自動化煉鋼技術主要工藝流程

　　自動化煉鋼本質上是需要通過轉爐方式煉鋼。用這一方式煉鋼時，基本原料為鐵水，由煉鐵廠供應。煉鋼當中使用到的鐵水對于化學成分、溫度等都有著比較高的要求[4]。以鞍鋼為例，所使用的鐵礦石當中含有的硫成分比較高，需要先采取脫硫扒渣的預處理，在經過處理之后，對吹煉過程中噴濺情況減少，加快化渣有顯著的作用。

　　轉爐冶煉過程的功能就是需要將原材料的鐵水，在加工之后讓其成為鋼。基本工藝流程包含幾個方面，分別是：

　　(1)原料。包括鐵水、鐵合金、造渣材料、廢鋼等。其中鐵水是基本原料，化學成分、溫度都要求很高;造渣材料主要有白云石、螢石和石灰、鐵皮、鐵礦石等。

　　(2)裝入制度。一般考慮的因素有三點，分別是：爐容比要確保合適，一般值會介于0.8到1.0之間;熔池深度也要合適，要比氧流穿透深度更大;鐵水比例，通常會在70%到90%之間。

　　(3)供氧壓力。首先，需要確保氧流速度在出噴孔時屬于超音速，吹煉時的工作壓力設定值一般在0.2MPa到1.2MPa之間。其次，注意供氧強度。供氧強度指的是在單位時間內，每一噸金屬所需要的供氧量。再次，槍位。針對沖擊速度不同的情況，需要設置沖擊面積最大情況下的最佳槍位。我國絕大多數情況下選擇的槍位屬于恒壓變槍位。最后，氧槍噴頭。多孔型是選擇率比較高的一種，讓其和熔池之間的接觸面積變得更大，也讓整個吹煉過程變得更加平穩，成渣速度也更快。

　　(4)造渣情況。首先，從原則層面上看，鋼對于爐渣的要求需要有合適的堿度和氧化性、流動性。然后，進行造渣。加入石灰造渣是常見方式，至于需要加多少的石灰，這需要按照堿化程度來確定。這同時也意味著石灰加入量與鐵水的含磷量、含硅量等關系密切。石灰加入情況還可以按照造渣方式的區別進行劃分，在實際加入石灰時，大多會采用分批加入模式。因此，最好能夠借助計算機技術，實現自動加料的目的[5]。

　　(5)溫度控制。首先，出鋼溫度。這一溫度結果的計算比較復雜，需要考慮到出鋼溫度、從出鋼時到澆筑當中鋼水的降溫。其次，冷卻劑情況。冷卻劑種類多，但十分重要的一種是廢鋼。因此一般在開吹之前，需要將冷卻器和鐵水都加入到爐子當中。在到終點前，可以選擇氧化鐵皮、礦石等當作冷卻劑。

　　(6)控制重點及出鋼的合金化流程。首先，在碳溫雙命中率中，引入計算機終點控制技術，能夠得到更加理想的效果，雙命中率也極高。其次，關注脫氧與合金化流程。讓鋼在冶煉當中脫氧脫到某種程度，以確保澆筑過程能夠更順利進行，為質量提升提供保障。真空與沉淀脫氧都是很常見的脫氧方式。合金化則是為了讓鋼水成本的相關需求得到滿足，向其中添加合金的系列操作。實際上合金化和脫氧這兩個環節并不是先后進行，而是同時開展。所以在選擇加入合金時，需要結合合金的熔點、親和力等，選擇更加合適的冶煉方法。

　　2、 自動化煉鋼過程主要自動控制技術分析

　　2.1、 檢測技術分析

　　近些年來，人們對于鋼產品的質量和種類要求變得越來越高。而轉爐煉鋼方式又是很復雜的環節，若只憑借著人工操作和積累的冶煉經驗，很難達到更高標準的控制精度。隨著計算機技術、自動化技術以及檢測技術的不斷發展，轉爐煉鋼自動化控制技術水平也得到了顯著提升。

　　自動化煉鋼檢測技術應用的前提是選擇合適的檢測儀表。所選擇的儀表必須能夠及時全面測量，這樣才能為后期實施各種控制方法和技術奠定基礎。轉爐煉鋼技術實施當中涉及到的參數包含液面高度、溶鋼成分和溫度等。檢測技術方法可以分為以下三種類型。

　　(1)副槍檢測。現在我國的首鋼、鞍鋼和寶鋼等都采用了副槍技術，也得到了很顯著的成效。

　　(2)廢氣檢測和分析技術。在自動化煉鋼技術應用期間，需要考慮得比較全面，即轉爐冶煉過程中從爐口排出的不同廢氣成分的含量，特別是通過使用流量分析法，對爐內瞬間鋼液殘碳的含量進行相應測算，并兼顧裝料的成分、廢氣成分等，該方法屬于相對核算法。通過流量測量法，最大程度上控制誤差情況的發生，并加入副槍技術與爐氣定碳技術，實施當前最新的檢測技術，通過爐氣定碳提供信息，以副槍測定為根本，結合廢氣研究連續計算脫碳速度，然后明確熔池中的含碳量，促進測量精確度的提升。爐氣定碳法的本質是在轉爐冶煉當中，將廢氣成分與流量等從爐口排除，對爐內瞬時鋼液殘碳含量進行計算。此種檢測方式是在上世紀60年代出現的，但是在實際應用時會受到廢氣成分、裝料的成分和稱量、數學模型和流量測量誤差等影響，研究得出的結果精確度比較低。

　　(3)特殊檢測方法。實時檢測技術包含雙色高溫計、光譜儀和光纖、計算機在內的方法，這些技術結合并融入了一些新技術，讓檢測轉錄爐渣信息方法變得更多樣化，如氧槍振動法、吹煉噪聲法以及直接觀察放大等[6]。

　　(4)整體技術分析。基于自動化煉鋼技術分析，多數是從不同方面入手，其中轉爐自動化技術的控制方法，主要為靜動態控制等。在構建控制模型的同時，將動態控制作為重中之重，同時融入動態控制、反饋計算機模型的控制技術，融入人工智能技術。不僅如此，還需要將一體化的轉爐自動化技術用于兩級控制，即直接控制級和監控級，通過計算機動態控制系統，達到對數據整體交換及具體操作的目標，進而促進整體技術的有效提高。

　　2.2 、自動化技術分析

　　(1)與模型相關的研究。不管是動態還是靜態控制，都是基于控制模型開展。動態控制方法的使用范圍更廣泛，實際上是以化學平衡與熱平衡為基礎實現的靜態模型，對初始的氧槍高度、裝料量和氧流量等進行計算。在后期的吹煉過程中，結合副槍檢測方法所得到的結果，對控制策略信息進行修改，實現控制轉爐煉鋼環節的目標。

　　(2)控制技術研究。吹煉終點的含碳量和熔鋼溫度都可以通過控制系統開展準確且詳細的估計和計算，包含了反饋計算與動態控制模型。其中前者是對后者模型估計中得出的誤差進行調整;后者是對副槍檢測方法所得到的吹煉終點所需的冷卻劑數量和氧氣需求量進行計算，還可以得到含碳量和鋼水溫度的實時數據。反饋模型在對誤差調整時，可以引入專家系統，完成靜態補償。或者是在修正計算當中引入自學習模型，從而實現動態控制轉爐煉鋼整個過程的目標。

　　(3)人工智能技術。由于轉爐煉鋼的過程涉及的物理和化學過程比較復雜，最終的命中率提升也會受到比較大的限制。隨著人工智能技術的快速發展，轉爐煉鋼技術也開始逐漸適應新技術，成為了主要產鋼國家和地區的關注重點。

　　2.3 、控制系統技術分析

　　美國的鋼鐵公司設計了兩級控制系統，第一級為直接控制級，是以PC/AT為基礎的彩色圖像實現的。主要用于對吹入氣體順序、水冷卻和凈化廢氣、加入助溶劑等過程進行轉化。采用PID閉環控制，對水流量、氣體流量以及其他位置變動的需求進行調節。第二級則屬于監控級，利用計算機系統和HP2UX操作系統，讓監控系統中的過程模型發揮作用，接收計算機其他系統中傳遞的一些信息和計劃。在不同數據傳輸器的相互作用下實現信息傳遞。

　　3 、自動化煉鋼技術系統的設計和應用流程

　　3.1、 確定設計目標

　　為了讓自動化煉鋼系統的運行更優，在設計系統時所設定的目標：第一，成分、金屬收得率以及重點溫度都要達到工藝標準值;第二，在上述指標滿足的情況下，最大限度降低副原料的消耗，減少冶煉時間，以此來提升冶煉的產量、質量，促進生產成本的降低，做好資源的回收以及環保工作的開展。

　　3.2 、確定整體設計方案

　　按照煉鋼過程控制目標及自身的復雜性特點，設計的計算機控制方案為二級，即包含基礎自動化和過程自動化。需要進一步明確自動化煉鋼系統的硬件包含的內容：監控站計算機、UPS電源、可編程控制器以及網絡。

　　系統軟件包含：第一，PLC軟件系統。開發的是STEP7組態軟件包，結合軟件功能的具體特點，采用的編程語言為LAD，還有流程圖和語句表。系統當中CPU所執行的是掃描用戶程序。用戶和系統之間使用到的程序接口屬于OB塊。第二，組態畫面。使用的開發軟件為WINCC。所得到的監控畫面，能夠對生產工藝流程進行準確、豐富和形象的反映。選擇的工藝參數、設備狀態變量檢測指標等較為適度，與實際生產需求符合，也能讓生產要求得到更好滿足。

　　3.3、 控制流程分析

　　首先，要結合生產計劃制定好的目標，確定目標鋼水的量、成分、出鋼溫度以及傳來的數據鐵水成分和鐵水的溫度等。在選擇第一次預計算模型時，需要結合鋼種。第二次預計算模型的選擇則需要考慮到目標鋼種、實際廢鋼的重量、種類以及鋼包的狀態和溶劑等。

　　其次，在裝入主原料過程中，需要按照具體加入的廢鋼類型和重量、鐵水的重量以及目標鋼種來對噴吹計算模型完成啟動。結合模型來對本次冶煉當中所需要的副原料重量、氧氣流量以及吹煉當中的腹腔測溫時間、底吹方案和吹氧方案等進行選擇。按照最后測量計算出的液面高度完成后續計算。

　　然后，若實際吹氧量超過了總吹氧量的90%，需要先將爐氣連續分析動態模型啟動，對鋼水的碳含量開展連續檢測，另外要采用副槍測量鋼水溫度。以測量結果為標準，作出最終的結果調整。若準備出鋼過程當中，鋼水的碳含量以及溫度都達到了標準，那么就可以立刻出鋼，若未達到標準就需要將補吹模型啟動。

　　最后，在結束出鋼流程后，結合吹煉終點鋼水的溫度和成分實際得到的結果與理論值之間的差異，重新開始計算。所得到的差值還可以為下一步的冶煉參數設置提供相應的指導。

　　3.4、 監測環節分析

　　監測環節的設置是為了對自動化煉鋼過程開展全面有效的實時監測。監測系統主界面上設置了供氧設備、氧槍、供水和供氮設備的相關命令按鈕。設置氧槍可以對轉爐、供氧供氮設備仿真顯示，而且不同部分之間設置的顏色不同，便于區分。還能對鍋爐水、氧氣相關的壓力流量溫度值進行實時顯示;設置鍋爐、煤氣回收畫面，能夠對除塵管道、風機和閥門等設備進行仿真顯示，還可以對風機、凈環、廢氣等過程值顯示，有報警提示功能。

　　3.5、 具體應用分析

　　為了驗證設計的自動化煉鋼系統應用效果，需要開展仿真測試。結合現場采集到并且已經經過處理的鞍鋼煉鋼廠的轉爐煉鋼生產數據，選擇的仿真軟件為MATLAB，另外也選擇了專門的數據，分別用于網絡訓練和網絡測試。

　　第一，選擇極差標準化方法對生產數據歸一化進行處理。讓其分布在(-1,1)范圍當中，讓網絡訓練需求能夠得到有效滿足。第二，結合設計得到的網絡模型，選擇12列64行的矩陣，確定造渣材料以及吹氧量的隱含層節點數量都為64。研究當中選擇應用遞推最小二乘方法完成網絡權值的優化。第三，研究結果顯示：采用RBF神經網絡所設計的自動化煉鋼系統，有很快的學習速度，而且得到的網絡誤差很小。經過了50次訓練，需求得到滿足，由此印證了RBF神經網絡的優勢。

　　4 、自動化煉鋼技術的應用價值

　　4.1、 自動化與計算機技術的結合

　　數學模型建設、人工智能及控制計算機技術的應用，為當前煉鋼技術帶來了巨大的便利。對于新興計算機技術來講，數據管理涉及范圍比較廣，如鋼鐵行業等，能夠增加數據庫資料及應用使用面積，使得鋼鐵行業數據使用非常方便;對于煉鋼行業來講，在系統工藝控制、精準數據處理等方面效率尤其高，形成管理和控制一體化的煉鋼流程，使得煉鋼速度、質量可以得到充分保證，也可以最大程度上降低誤差發生的可能性，成為比較完善、切實可行的自動化煉鋼產業鏈。

　　4.2 、提升環保效果

　　既往煉鋼技術原料價格昂貴，而且在煉制期間極易出現材料資源毫無節制使用的情況，易忽略低耗環保的重要性。而現如今計算機自動化精準控制，能夠充分使用現有的資源，從人工選材、計算機資源利用、冶煉時對溫度、占比數據的掌握，均充分地展現了自動化技術在節能方面所發揮的重要性，對資源循環利用有著積極的促進作用。不但如此，相較于以往廢氣、排水等也明顯下降，可以及時獲取并檢測污染數據，與現如今我國生態文明建設發展的理念相符合，能夠提升環保的效果。

　　5 、結束語

　　本次研究中采用理論與實證分析的方式研究了自動化煉鋼技術的應用情況，先分析自動化煉鋼技術的技術要點、控制要點和類型，然后又開展具體的設計和仿真驗證。結果認為：自動化煉鋼技術在當前煉鋼企業中的應用整體優勢較明顯。

　　參考文獻

　　[1]于萬松自動化煉鋼技術的應用與研究[J]河北農機, 2019,248(2):46-47.

　　[2]景琳琳,周詳轉爐自動化煉鋼技術應用分析[J].冶金與材料, 2019,39(3):74-75.

　　[3]李振異，宋波冶金轉爐煉鋼自動化控制的技術研究[J].冶金管理, 2020,393(7)-8-9.

　　《自動化煉鋼技術的應用與研究》來源：《科技創新與應用》，作者：蔣星亮,敖翔