一、研究的背景與問題
馬鋼配置2座300tRH爐，主要冶煉硅鋼、汽車板、電池殼鋼等鋼種，冶金功能包括：脫碳、合金化、調(diào)溫、脫硫、增氮等。
本項目建設(shè)前，RH采用人工根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書操作，成分及溫度控制參數(shù)如：吹氧量、合金種類及加入量、脫硫劑量、吹氮時間等需人工計算、監(jiān)控、確認、執(zhí)行。此種操作模式對操作者的技能、體力等綜合素質(zhì)要求很高，稍有疏忽就會造成成分及溫度超標。這種操作模式下，吹氧量、廢鋼量等計算不精準，合金漏加、未根據(jù)工藝要求將氮氣切換為氬氣以及未切換真空度導(dǎo)致氮超標等事件時有發(fā)生；此外操作者難以根據(jù)多變的鋼種及鋼水條件快捷計算合金種類、調(diào)整RH處理模式，需要頻繁通過鍵盤及鼠標輸發(fā)出操作指令，需要頻繁的切換計算機畫面監(jiān)控參數(shù)。人工操作的弊端集中表現(xiàn)為：成分及溫度控制不精準、RH效率低、操作強度大。
項目開展前，國內(nèi)外RH模型處于“幻滅低谷”階段，RH模型在煉鋼廠的應(yīng)用存在模型投用率低、適用鋼種少、智能化程度低、功能單薄等不足，主要表現(xiàn)為：
①溫度及氧相關(guān)模型多側(cè)重于溫度及氧預(yù)報，且預(yù)報及控制準確性不高；
②沒有增氮模型、脫硫模型等模塊，不能滿足（無）取向硅鋼等品種鋼的生產(chǎn)需求；
③僅考慮單個功能模塊的一鍵式操作，沒有將多功能模塊進行有效串聯(lián)，“人找模型”現(xiàn)象嚴重，根據(jù)RH冶煉進程需由人工選擇、調(diào)取子模型，各個功能模塊畫面由操作人員根據(jù)自身需要進行切換，沒有大幅降低勞動強度；
④定氧取樣時機依賴人工經(jīng)驗，標準化程度不高，影響溫度控制和時間節(jié)點控制準確性；
⑤沒有深入研究操作人員的關(guān)注點，現(xiàn)場操作人員使用模型的積極性不高，模型投用率低。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
本項目的研究內(nèi)容，主要如下：1）構(gòu)建RH工藝模型矩陣；2）研發(fā)RH全流程智能冶煉的控制方法；3）開發(fā)RH智能高效生產(chǎn)技術(shù)；4）研發(fā)RH智能精煉實用功能及監(jiān)督機制。技術(shù)路線如圖1。
圖1 技術(shù)路線圖
1、研發(fā)了RH鋼水溫度、超低碳鋼脫碳結(jié)束氧智能控制技術(shù)和模型
（1）RH吹氧量精準計算技術(shù)
RH吹氧量的精確計算是行業(yè)難題之一。項目組研究出一種“兩步法”確定RH爐冶煉IF鋼吹氧量的方法，能適應(yīng)鋼包狀態(tài)、包底冷鋼、真空槽的差異等因素的變化，可以精確計算RH吹氧量，提高溫度控制的準確性。
（2）無取向硅鋼鋼水溫度分段控制技術(shù)
無取向硅鋼由于硅鐵加入量大，在硅鐵加入前后溫降變化大且規(guī)律性不強，因此對于硅鋼采用分段控制的方法。
（3）數(shù)據(jù)深度分析，挖掘鋼水自然溫降規(guī)律
進行自然溫降測定試驗，結(jié)合實驗結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)，對爐次的進站條件、溫度變化進行KNN分類器分類，對每一個類別分別進行回歸算法學(xué)習(xí)，最終采用驗證集最契合的梯度提升算法計算不同條件下的鋼水溫降。
（4）確定合金溫降及脫氧劑脫氧升溫效果
將熱力學(xué)計算結(jié)果及現(xiàn)場試驗深度融合，確定合金溫降，結(jié)果如表1所示。
表1 合金廢鋼對鋼水溫度的影響
2、研發(fā)了基于RH環(huán)流氣氮/氬切換的氮含量智能精確控制技術(shù)及模型
（1）要解決的技術(shù)難題
RH冶煉取向硅鋼、搪瓷鋼等含氮鋼種時，不僅需控制氮，還需調(diào)整化學(xué)成分、溫度。采用環(huán)流氣增氮工藝，RH處理過程[N]達到目標值時，化學(xué)成分及溫度可能還未調(diào)整到位，若繼續(xù)增氮，則[N]勢必超上限，在此情況下，需將環(huán)流氣由氮氣切換為氬氣進行脫氮，另外真空槽狀態(tài)的差異對增氮速度影響也非常大。本創(chuàng)新點要解決以取向硅鋼為代表的含氮鋼種氮含量控制不穩(wěn)定、易超標的技術(shù)難題。
（2）工業(yè)測試結(jié)果
RH環(huán)流氣吹氬氣脫氮速度如圖2所示。
圖2 RH環(huán)流氣吹氬氣脫氮速度
3、研發(fā)了RH智能高效生產(chǎn)技術(shù)
（1）低碳鋼RH處理模式智能控制模型
鋼水碳含量要求介于0.015%-0.08%之間的低碳鋼RH傳統(tǒng)采用輕處理模式，即：脫碳至0.0050%左右，再根據(jù)碳含量要求加入增碳劑調(diào)整碳至目標值。此種模式RH處理周期較長。根據(jù)RH進站[C]、[O]、溫度之間的匹配關(guān)系確定RH的操作模式是其難點。
（2）三種RH處理模式類型的界定
依據(jù)RH是否脫碳、脫碳程度及需降低溫度的幅度，將RH處理模式分為：完全脫碳、不脫碳、保碳等三種模式：完全脫碳：RH在4～27kPa真空度下處理鋼水。RH脫碳目標為0.0030%-0.010%，在碳符合目標時加鋁脫氧及合金化。不脫碳：RH開抽后真空槽內(nèi)真空度逐步下降，當真空度降低至20-40kPa時加鋁脫氧合金化。保碳：在4～27kPa真空度下處理鋼水。在碳含量符合[目標值-0.005%,目標值+0.005%]時加鋁脫氧合金化。
（3）RH處理模式選定規(guī)則
收集RH進站溫度、碳等元素含量、破空目標溫度、[C]目標值及范圍、RH加入合金溫降等參數(shù)；預(yù)算廢鋼量=（RH進站溫度+RH氧含量/25-RH破空目標溫度-RH加入合金的溫降-不脫碳模式條件下RH鋼水自然溫降）/1.80×鋼水量（噸）；
本模型投用后，低碳鋼三種處理模式比例、RH處理時間如圖3、4所示。
圖3 用前后低碳鋼RH處理時間對比
圖4 投用前后低碳鋼RH處理時間對比
4、研發(fā)了RH全流程智能冶煉控制技術(shù)
解決RH人工操作模式及現(xiàn)有RH模型存在的人工頻繁干預(yù)模型運行、操作強度大的行業(yè)技術(shù)難題。
（1）RH定氧取樣智能提示模型
定氧取樣是RH獲取鋼水實時信息的操作手段，諸多關(guān)鍵操作基于定氧取樣所獲取的氧、溫度、成分信息后進行。通過對真空時間、真空度、合金化及吹氧后循環(huán)時間，結(jié)合脫碳模型、成分預(yù)測模型的輸出結(jié)果，當預(yù)定條件滿足時提示定氧、取樣。
模型判定定氧取樣時機出現(xiàn)時，自動在主控室內(nèi)及室外播報語音，語音內(nèi)容如表2所示，投用后達到的技術(shù)指標如表3所示。
表2 RH定氧取樣智能提示模型輸出語音
（2）達到的技術(shù)指標
表3 技術(shù)指標
三、主要創(chuàng)新性成果
1．針對RH鋼水溫度及IF鋼脫碳結(jié)束氧影響因素復(fù)雜，特別是出現(xiàn)鋼包、真空槽熱狀態(tài)存在波動或者真空槽吹氧化冷鋼、轉(zhuǎn)爐下渣量大等煉鋼廠常見的異常情景時，RH精準控制鋼水溫度及氧含量難度大的技術(shù)難題，首次研發(fā)了RH“兩步法”精確控制鋼水溫度及氧含量的方法和模型，中包溫度±7.5℃范圍內(nèi)的合格率達到97.4%。本創(chuàng)新點形成發(fā)明專利7項，軟著2項，論文1篇。
2．針對RH冶煉取向硅鋼時選擇氮氣作為環(huán)流氣增氮存在的的吹氮持續(xù)時機難以精確確定、真空槽狀態(tài)對增氮速度影響大，從而造成氮含量控制不穩(wěn)定、易超標的技術(shù)難題，開發(fā)了氮控制模型，實現(xiàn)了氮含量精確控制，取向硅鋼破空預(yù)測氮含量偏差±5ppm比例達到99%以上，氮含量合格率達到100%。本創(chuàng)新點形成發(fā)明專利3項，論文1篇。
3．針對低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼RH操作標準化程度不足、冶煉周期偏長的問題，首次構(gòu)建了獨有的基于鋼水條件、RH關(guān)鍵參數(shù)、歷史爐次數(shù)據(jù)的信息物理融合系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程、成分檢測等進行大數(shù)據(jù)的深度處理分析，挖掘提高RH生產(chǎn)效率的策略，實現(xiàn)低碳鋼高效冶煉。本創(chuàng)新點形成發(fā)明專利3項。
4．針對RH人工操作模式及現(xiàn)有其它RH模型存在的人工頻繁干預(yù)模型運行、鼠標+鍵盤操作次數(shù)多、操作者勞動量大的行業(yè)技術(shù)難題，開發(fā)了RH全流程自適應(yīng)智能控制技術(shù)，人工干預(yù)率為2.8%。得益于本智能控制系統(tǒng)極高的智能化水平，應(yīng)用本系統(tǒng)，創(chuàng)造了“一名操作人員同步冶煉兩座RH爐的兩爐鋼”的行業(yè)記錄。本創(chuàng)新點形成發(fā)明專利3項，軟著1項，技術(shù)秘密2項，論文1篇。
四、應(yīng)用情況與效果
本成果于2021年底開始在寶武馬鋼四鋼軋總廠1#RH爐及2#RH爐上投用，截止2024年11月，利用本RH智能控制系統(tǒng)累計冶煉鋼水49000爐（1500萬噸），本系統(tǒng)全部功能投用率高達99.7%，適用鋼種包括汽車板、無取向硅鋼、取向硅鋼、管線鋼、原料純鐵、電池殼鋼、搪瓷鋼等高端品種，鋼種覆蓋率達到100%。經(jīng)測算，近三年創(chuàng)效達8000萬元。本項目已推廣至國內(nèi)其它5家煉鋼廠。
信息來源：馬鋼有限鋼軋廠
