炼铁_炼钢和连铸电气自动化技术及创新

1、第45卷第3期2 0 1 0年3月钢 铁Iron and SteelVol. 45 , No. 3March 2010炼铁、炼钢和连铸电气自动化技术及创新Peter Scha nza, Barbara An germayr , Peter J uza（西门子奥钢联，奥地利林茨4031）摘要：西门子奥钢联能够为炼铁和炼钢厂提供包括连铸机在内的全面的自动化解决方案，可靠的供电、驱动解决方案连同创新技术、过程控制和过程优化系统确保了生产的顺利进行以及对能源和原材料的合理利用。炼铁和炼钢工艺中达到成本效益最大化和最优控制的关键因素是技术专业知识在以往的解决方案获得了验证，确保为小规模的更新改造以及整套

2、新建生产设备提供最优化解决方案。介绍了西门子奥钢联经验证的，具有成本效益的全面的电气自动化解决方案，它能够根据钢铁生产者的需求量身定做。关键词：过程优化；过程控制；专家系统；能源管理；制造执行系统中图分类号：TF325 , TF345文献标志码：A文章编号：0449 2749X （2010 ） 0320095206Compete nee a nd Inno vati on in Electrics and Autom atio n forIronm aking , Steelmaking and Continuous CastingPeter Scha nza, Barbara An germ

3、ayr , Peter J uza（Siemens VA I , Linz 4031 , Austria ） 1992010 China Academic Jouina Ekctronic Publishing Huusc, A1 rights reserved, httpWwww-cnkimtn第45卷第3期2 0 1 0年3月 1992010 China Academic Jouina Ekctronic Publishing Huusc, A1 rights reserved, httpWwww-cnkimtn第45卷第3期2 0 1 0年3月Abstract : Siemens VAI

4、 is able to offer a comprehensive suite of automation packages for iron 2 and steelmaking plants including continuous casting machines. Reliable solutions for power supply and drives as well as innovative logical packages , process control and process optimization systems enable smooth production an

5、d the intelligentof energy and raw materials. The decisive factor for cost2efficient and optimized control of the iron 2 and steelmaking process is our technological knowledge in the provided packages that have proven to ensure an optimum small revamps as well as entirely new production units. The c

6、omprehensiveemens VA I electrics and automation solutions , customized to the requirements of the individual presented.Key words : process optimization ; process control ; expert system作者简介:Peter Schanza,男；EE?mail : peter. schanza siemens. com ;收稿日期:2009210229西门子奥钢联能够为炼铁和炼钢设备（包括连铸机）提供全面的自动化方案包。可靠的供电

7、和传动方案、创新性工艺包以及工艺控制和工艺优化系 统保证了稳定的生产及能源和原料的合理使用。在方案包中集成的工艺知识，是炼铁和炼钢工 艺达到高效率和优化控制的决定性因素。无论对于小规模改造，还是对于全新生产设备，这些工艺包都 已被证实是最佳方案。高炉和烧结厂专家系统一再证明了自己的优 势，即降低能耗和让工艺能够使用低品位原料（如粉矿和粉焦）。炼钢优化方案包能够优化废钢和合金 原料的加入成本，显著缩短投资回报期。在连铸生 产中，各种成熟的创新工艺包以及工艺模型立刻能 产生改善质量和增加产能的收益。SIM ETAL CIS部件的模块化设计使其既可以作为独立系统而安装,也可以集成到现有自动化环境中。

8、techno 2usesolution for spectrum of proven and cost2effective Si2steel producers aresystem ; energy management ; manufacturing execution对于下面将要介绍的多种工艺，可以提供全集成式自动化系统和模块化方案包，比如：过程控制,即顺序控制和闭环控制基础自动化系统；工艺控制包；工艺优化方案包；生产计划系统 MES;能源管理 系统EMS ;计算机辅助质量控制系统。1炼焦西门子奥钢联在炼焦工艺和自动化方面的丰富 经验和诀窍涵盖了整个炼焦技术领域，从煤炭运输和炼焦炉组直到熄

9、焦和炼焦副产品处理。西门子奥钢联与合作伙伴一起执行了许多大型项目，从现有设备的重建和改造直到整个工厂的建设。在炼焦厂的控制方面,SIM ETAL CIS Coke产品 能够保证炼焦工艺的稳定性，并且生产出满足高炉 生产需要的优质焦炭。在实现上述目标的同时，特别关注了降低能源成本、减轻环境污染以及扩大产 1992010 China Academic Jouina Ekctronic Publishing Huusc, A1 rights reserved, httpWwww-cnkimtn第3期Peter Schanza等：炼铁、炼钢和连铸电气自动化技术及创新97能和延长设备寿命等问题。SIM

10、ETAL CIS Coke产品包括了炼焦工艺管理系统（CPMS，包括无线电数字定位系统 RaDiPosi）、干熄焦设备（CDQ）和焦炉 煤气处理技术以及电气、仪表和自动化。在2004年10月28日,西门子奥钢联从土耳其 ISDEMIR公司获得一项合同，为其改造炼焦副产品 处理厂。项目内容包括了基本设计和详细设计以及 机械设备、仪表、电气和自动化采购和供货，还包括安装和调试技术指导。ISDEM IR原有的副产品处理厂分成2条单独的生产线，每条线都包括一整套气体处理设备。处理厂的设计能力满足 2套各包括69台炼焦炉的炉 组产生的煤气处理要求，即5. 6万m3/ h左右（工厂 共有4个炉组）。在改造

11、完成之后，副产品处理厂的 能力增大到14万m3/h，满足新增炉组的要求。改造为工厂带来了以下变化：工厂运行变得非常容易，所有工艺信息都可在中央控制室获得；现在，维护人员能够更迅速地检测和排除现场装置产 生的问题；处理能力从 5. 6万m3/ h增大到14万 m3/ h ;能够在多方面承诺质量保证，包括焦炉煤气（出口温度和流量）、焦油析出（在沉淀器中）、硫酸氨 盐质量、最终冷却效率、氨萃取效率、轻油产品等。2烧结SIM ETAL CIS Sin ter VAiro n 烧结厂改造自动 化方案保证了从原材料处理到烧结和定量给料的可 靠工艺控制和优化。依靠工艺技术和设计经验的独 特结合，西门子奥钢联

12、专家成功地为烧结工艺开发 和实施了重要功能，达到了优化烧结质量、提高生产 经济性的目的。材料成分模型、点火控制、烧透点预报、选择性 废气循环等模块保证了在降低焦比的同时提高产 能。为达到降低焦比和提高产能的目标，有多项工艺模块可以采用，比如原料成分模型 、点火控制、烧 透点预测和选择性废气循环等。为了进一步改善烧 结矿质量，烧结配料二级专家系统将是最合适的工 具,能够保证针对设备的具体情况进行精调。在中国的南京钢铁公司,360 m2的第二烧结厂将应用SIM ETAL CIS Sin ter VAiron烧结优化系统。 所有重要的控制包和模型都包括在内。尤其是功能强大的混料和烧结计算模型，将保证

13、最佳的原料条 件。VAiron模型的应用，比如透气性计算、含水量 计算、烧透点计算和烧结工艺模型本身，实现了焦炭的优化使用和工艺的稳定。VAiron Sinter专家系统将在更高层级上执行整个烧结工艺的离线乃至在 线优化，包括工艺诊断、碱度模型、质量控制模型、返 回粉料加入控制模型等，计算出需采取的修正措施。3高炉成熟的高炉技术方案包括：顺序控制和闭环控制，粉料的无料钟炉顶控制装料技术，热风炉控制和 优化，质量平衡和热平衡模型，炉料控制和布料模 型，炉膛损耗计算，闭环专家系统。灵活的Gimbal Top或现有的无料钟炉顶装料 系统，加上准确的螺线形装料和优化的布料精调，确保了粉料的准确分布。结

14、果：粉料对外墙起到了保护作用，从而延长了炉衬的使用寿命；廉价焦炭/铁矿石的使用降低了生产成本；提高了烧结矿产能。3. 1粉料装炉粉料由于粒度小而可能会对气体分布、压力损失和高炉总体性能造成严重影响。过去的做法都是将采购的粉料送到烧结厂作为烧结原料，以生产出成块的高炉炉料。因此，在高炉中直接使用粉料，相当于增加了烧结厂的有效产能。而且，块状炉料和烧结原料之间的价差也是又一项 经济优势。改变操作理念，可以实现在高炉内使用 粉料而不产生不利影响。SIM ETAL CIS BF VAiron 在线布料模型，加上基于实际炉料下降行为以控制料层透气性的专家系统，能够实现准确的布料控制。为了在高炉内充分使用

15、粉料，必须在传送带上和炉内都保证将粉料与块料有效分开。为了在炉内准确加入炉料，工艺控制系统将确定正确的装料计 划。为了达到高粉料率，炉料应当采用“螺线形方 式”加入。通过采用定制型自动化方案包和模型，燃料消耗可以大幅降低，同时可以使用质量低、波动大的原 料。另外，由于增大了产能、减小了铁水硅含量的波 动以及降低了热风炉能耗，还可以达到进一步降低成本的效果。3.2高炉改造项目实例在俄罗斯下塔吉尔钢铁厂（N TM K） 2号高炉（炉膛直径9. 2m）的电气自动化改造项目中，西门子奥钢联提供了电气、仪表、工艺控制、VAiron工艺 优化和专家系统以稳定铁水质量。项目完成后，该炉产能增大，而燃料消耗降

16、低了 5 kg/1 （铁水）以上。4炼钢cis4. 1 SIMETAL DynaconDynacon工艺优化系统，主要特点是：包括加料计算在内的工艺优化系 统,吹炼过程的在线监控，基于废气分析的动态吹炼 终点确定，自动停吹以避免过吹。Steel Expert工艺模型组优化了不同的炼钢设 备。模型以准确描述了复杂的冶金热力学反应的计 算公式为基础。Steel Expert预测模型在开始冶炼 前模拟生产设备的完整工艺，确定最佳的操作制度 （如吹氧、底吹、加料）。Dynacon与转炉废气测量 （如LOMAS ）相结 合，充分考虑废气的成分（CO、CO2、02以及有时N2、H2、Ar）和流量。Stee

17、l Expert监控模型循环计 算钢水和渣的实际成分和温度。在吹炼过程中，模 型自动确定钢水中的实际碳含量和脱碳率 。在精炼 期接近结束时，废气成分会出现急剧变化，可以据此 准确预测吹炼终点，从而自动停止吹氧操作 。采用 该系统可以显著减少耗时且高成本的取样操作 。4. 2 SIMETAL CIS LF 优化系统为了在处理过程中控制钢水的冶金和热力学行为,并且优化转炉或电弧炉与连铸机之间的匹配，应当采用钢包炉 Steel Expert系统。在每次加料前，相应的工艺模型开始计算需要 加入的材料种类和数量。这些模型的功能可以统称 为“设定点计算”，分别针对如下处理环节之一：合金 化、脱氧、脱硫、夹

18、杂物形状控制、温度修正。设定点模型根据处理工艺而自动启动，或者在操作人员认为需要时人工启动。如果有不同的材料 （如合金）可以选择，将计算确定成本最优化的加料 配比。另外,Steel Expert预测模型提前对炉次进 行全面的预计算，即计算出处理后将达到的钢水和 渣的温度、质量和成分。在钢包炉的整个处理期间，在线模型连续确定炉次的当前状态。热模型和冶金模型对能量需求进 行平衡，并且计算氧化物在渣中的还原、钢水的氧化 以及其他影响因素造成的渣和钢水成分的变化,从而在整个处理期间掌握钢水的实际温度和成分。4. 3炼钢改造业绩Salzgitter Flachstahl公司相继为转炉炼钢厂 和二次冶金设

19、备订购了新的信息系统。项目内容包括废钢管理和工艺优化方案包，涵盖3座转炉、2座双工位钢包炉、1座普通钢包炉和3套真空脱气设备，并且集成到原有自动化环境中。按照客户的说法，新的SIM ETAL CIS BOF二级 系统采用了新的废钢管理模式，优化了加料操作，在极短的时间内就获得了赢利。安装二次冶金工艺氧化系统的目的是稳定钢包炉和真空脱气设备的运 行，保证生产的质量。阿赛洛米塔尔 Dofasco对现有炼钢厂的自动化 系统进行了分阶段改造。在为2台板坯连铸机安装 了先进的工艺优化方案包后，又对钢厂的物流和工 艺优化系统进行了全面升级,1台3001 K2OBM转炉、台钢包炉和VOD设备安装了二级方案包

20、 。另 外，现有连铸机的 VA IQ系统也得到了扩展以利于 保证炼钢质量。冶炼节奏功能提供了炼钢物流的精 调，保证了与高炉和连铸之间的有效协调，消除了工艺瓶颈。以下将对这部分内容作进一步介绍。5连铸5. 1 SIMETAL CIS LevCon结晶器液面控制LevCon结晶器液面控制系统，加上一整套先进 的控制算法，比如自适应比例积分微分（PID），以及应对表面波动、流量变化、堵塞和反冲等问题的模 型，实现了结晶器液面的精确控制，能够对浇铸条件 的变化即刻作出响应（图1）。动态应对坯壳鼓肚引 起的结晶器液面振荡，是LevCon最重要的特点之。板坯定尺优化定制方案和炉次节奏匹配功能保 证了生产率

21、的提高。SMA RT智能结晶器和 Dyna2 Widt h结晶器液压动态调宽为下游轧制设备的生产 计划提供了方便。5. 2 SIMETAL CIS DynaWidth 动态调宽DynaWidt h以其先进的工艺设定实现了平稳 的宽度调节，确保了在不同的实际拉速下都把对坯 壳的影响降到最低程度。在鞍钢的一台中厚板坯连 铸机上，这一性能已经在高达3. 5 m/ min的拉速下得到充分的验证 。DynaWidt h在当前的市场条件 下具有特殊的重要性，能够灵活地满足小批量订单 浇铸宽度多变的要求。调宽时无需降低拉速，这一事实大大有利于产 能的提高。在德国的一家钢厂，DynaWidt h系统的安装使收

22、得率提高了大约4 %。5. 3 SIMETAL CIS CC 优化方案CC优化方案包已经在世界各地拥有超过200套的业绩，它的稳定性和对于优化设备性能的出色 作用已经得到了充分的体现。其中，仅仅在中国，就© 1992010 China Academic Joumal LJkctronic Publishing Huusc, A1 rights reserved,wwta；. enki第3期Peter Schanza等：炼铁、炼钢和连铸电气自动化技术及创新101*JX结貼器浹面结禰衆液曲控制条统版車1.0抄制系统版本工口-IU纺肚器秋血常斛器我血控制累统拒扣卫拧副乗址战栏（舸20台双流

23、板坯连铸机采用结晶器液面控制的质量结果Fig. 1 Comparison of mold level control口汽:咎卜I迪;通I稔- 已经成功地安装了 50多套。CC优化系统以JAVA 为平台，采用最先进的软件技术，可以增加定制型软quality on a two strandslab caster件组，准确地满足具体铸机和生产条件的要求2）。图2 CC优化系统的典型配置Fig. 2 Typical conf iguration of CC OptimizationVA IQ质量保证系统确定最佳操作制度，并指导操作人员完成整个生产过程。与最佳生产条件的 偏离被自动检测出来以提醒操作人员

24、注意，同时在质量报告中加以记录。In termix模块计算铸流中关键的钢水混和限制,以确保在连浇生产中优化钢水的分配。再加上YieldExpert方案包，通过优化降级钢水或废钢的分 配而避免了收得率损失。二次冷却模型 Dynacs以及最近的 Dynacs 3D 的开发，还有SMAR T智能扇形段铸流锥度 /厚度自动控制方案包（Dyna Gap）,都对板坯质量的改善 起着重要的作用。前者避免了铸坯表面温度低于临 界值而导致的特定类型的表面裂纹，而后者则计算对铸坯厚度实施液压"轻压下”的最佳位置，从而改 善中心偏析。5. 4 SIMETAL CIS MoldExpert 结晶器专家系统M

25、oldExpert是透视连铸机结晶器的一种工具 但其功能远不止此，包括了成熟的粘钢型漏钢方案 包、热通量信息包和基于Dyna Flex液压振动装置数据的FrictionExpert摩擦力控制方案包。一项最新成果 evel Expert 给出了关于连铸辊状态、结晶器液面情况和结晶器液面振荡的可能原因 等方面的信息。5. 5连铸改造业绩澳大利亚BlueScope钢铁有限公司改造了现有3台连铸机（2台单流板坯铸机和1台双流板坯铸机）的自动化系统，分阶段安装了 SIM ETAL CIS CC 优化系统和LevCon系统。每台铸机仅仅停产 25 天即完成改造，恢复生产后第1炉就实现了全部功 能。降低维护

26、成本也是该项目的一个重要优点，它的投资回报指标十分出色。这也在客户的评价中得到体现：“我要向西门子奥钢联项目团队表示由衷的 感谢，他们的努力让我们获得了超出预期的满意结 果。”近期执行的项目还包括韩国埔项钢铁公司光阳|厂的机械设备改造。1台LiquiRob浇铸平台机器 人自动进行取样、钢水测温和加中间包保护渣等操 作;Dynacs 3D热方案包控制的“3D”可更换式喷嘴 保证了二次冷却的高度灵活性，在众多应用中优化了板坯质量。6能源管理系统在钢铁行业中，将原材料转化成最终钢产品所 支出的能源费用往往占到总生产成本的四分之一左 右。西门子奥钢联帮助生产商挖掘节能潜力，而且提高环保效益，缩短投资回

27、报期。西门子奥钢联的能源管理系统将能源管理模块 灵活地组合成不同的自动化级别，以满足不同客户的具体要求（图3）。它根据客户的具体情况而提供 透明化的能量平衡、C02排放监测、能源负荷管理、 能源消耗计划和能源优化。其他还有更多节省成本 的重要方面，比如降低峰值负荷、减少放散损失、充 分利用低费率期安排生产。能源曲輾利优化层级能餘数据琶理层级监祗和融挥爲樂层级能酿和过程数据':T（给左值h动化和现场陆篇是级图3西门子奥钢联能源管理系统的层次结构Fig. 3 Hierarchical structure of the Siemens VAIenergy management system6

28、. 1监控和数据采集级别（SCADA）在这一自动化级别，对所有介质（如燃料、工艺 气体、水、蒸气、电力）进行集中控制。数据采集、记录、报警、趋势显示、所有相关负荷 或负荷组的能耗记录和控制等功能无一不备。与能源供应商的合同减少，主要目的是避免峰值负荷 ，这 样可以降低能源费用。根据先进的负荷切换策略而 实施“负荷削减”。6.2能源数据管理级别该模块通过灵活配置的接口而从相关的计算和 测量系统（或者SCADA ）获取并存储数据。它将能 量输入和相应费用显示出来，从而使能源管理透明化。能源成本的控制、能源成本向不同成本中心的 分配、CO2负荷减排和环境改善的措施等，都由于连续的记录而变得方便，并且

29、具有了可追溯性。系 统采用现代的客户机 2服务器结构。可任意配置的 先进的用户和 WEB界面保证了能够高度灵活地根 据客户的要求而调整系统。所有必要的工厂组成（包括设备、装置、成本中心、数据点、能源价格、计算 公式、报告、关键性能指标/ KPI等）都在用户界面上 通过拖放功能而复制到Windows Explorer中。利用这种方式，可以在能源管理系统中轻松地创建和 相应修改新的工厂组成元素。6.3能源预测和优化级别在对整个能源供应网络进行优化时，考虑了介质（电力、燃气、蒸气、水、散装料）之间的相互关联 性、供应/储存/消耗能源的有关设施以及需求管理 的理念。预测和优化功能的集成让它能够在实际需

30、 要发生前及时预报出能源需求。这为能源供应商优 化安排生产计划和向用户提供必要数量的能源运输 奠定了基础。能源供应合同、最大输出、高费率、燃 料量、能源局限、甚至燃料价格随时间的差别等，都得到了考虑。能源预测和优化中采用了多种模型,包括离散事件模型、经验模型和神经网络模型 。7 M ESU造执行系统如今，成功的钢铁企业都在努力缩短交付周期 和减少库存，同时稳定保持按期交付的准确度，另外快速应对动态变化的形势，比如客户的喜好、生产的波动、质量的问题等，也要求大幅度提高生产能 力。依靠SIM ETAL CIS M ES，西门子奥钢联能够提 供众多灵活的模块：供应链规划，生产计划和节奏匹 配，产品规

31、格管理，性能分析，停产时间管理质量管 理,运输仓储管理及优化，主数据管理等。再加上功能强大的西门子奥钢联工艺优化系 统，为客户实现了信息系统横向和纵向的全面覆盖增加产能、改善性能、减少库存、缩短交付周期 提升客户服务水平、改进质量措施、透明化生产条 件、降低信息技术成本等，都有助于加快投资回报。根据需要，SIM ETAL CIS MES将辅之以先进的 离散事件模拟技术，以分别确定不同客户的具体要 求，制定出针对性方案，使投资效益最大化。在前述现代化改造项目的执行过程中，阿赛洛米塔尔Dofasco安装了西门子奥钢联的炼钢计划器 和炉次节奏匹配器以实现实时优化。作为一家拥有 多种不同炼铁和炼钢生产

32、及运输设施的钢厂 ，它面 临着协调各个炉次、优化产能和交货进度的挑战 工艺要求、可能的生产流程、资源和生产设备的可使 用性、实际工艺数据等，都在一个持续的计划更新和优化过程中得到充分考虑。依靠专门的计划优化算 法、精心设计的人机界面（如Gantt图）、回放和全局 模式以及关键性能指标的评估，SIM TETAL CIS炉次节奏匹配器成为了钢厂改进和完善冶炼计划的强有 力工具。提高产能、缩短交付周期和降低生产成本是最 直接的收益。8结论西门子奥钢联在工艺技术和自动化的结合方面 拥有长期丰富的经验，在此基础上开发了一整套先 进而成熟的模型和工艺包，以实现炼铁和炼钢工艺 的高效优化控制。无论对于小规模改造，还是对于 全新生产设备，这些工艺包都能有效发挥作用。它们的优势已经在世界各