炼钢厂生产工序的选择

炼钢厂生产工序的选择

近年来，随着中国航天、汽车、造船、装备制造等行业的发展，金属材料尤其是钢铁材料发挥着重要作用。中国《“十二五”钢铁工业发展规划》明确提出在新形势下对钢铁工业发展的要求:加强技术改造,加快技术进步,降低生产成本,提高产品质量,优化品种结构。钢铁产品性能向着综合使用性能、高尺寸精度、高表面质量的高端化方向发展,冶金生产技术应向着节能减排、高效低耗、改善环境方向推进,冶金生产流程向着精细化、集成化、绿色化和循环化的方向演进。如今,中国与日、德、美等钢铁强国在冶金工业的差距主要体现在单体工序生产工艺的精细控制和整体流程的协调运行等方面,炼钢厂的精细制造不仅是对单体工序生产工艺进行精细控制,还要对工序装备进行精细配置与运行,对生产流程运行进行精细管控。炼钢厂的精细制造是根据用户终端产品的质量要求,合理提出对各工序生产原料、设备、工艺、管理等方面的控制要求,通过单体工序生产工艺的精细控制,工序装备的精细配置与运行,生产流程的精细管控来实现产品的高效率、低成本、稳定生产。对于洁净度要求比较高的钢种,钢厂并不是追求纯净度越高越好,而是在满足用户质量要求的前提下,追求经济的(适当的、稳定的)洁净度,追求生产过程的高效率,追求产品的低成本,追求产品性能的稳定。炼钢厂的精细制造是炼钢厂动态有序、连续紧凑、高效协同生产运行体系的综合体现,它对钢厂节能降耗、全面提升生产工艺与自动化控制水平具有重要意义。近年来,一些行业的精细制造已经取得了良好的进展。王志强等针对中国南车集团眉山车辆厂的生产现状,提出了精细制造的概念,认为精细制造的核心内容就是在生产过程中精益求精、消灭故障,向质量零缺陷进军,其最终目标就是生产出具有最优质量和最低成本的产品,并且对市场需求做出最迅速的响应。2005年万科集团推出精细制造的理念,将精细制造渗透到万科设计、施工、营销的各个环节,更加强调产品的精与专。周宝东认为电气制造行业的精细制造更多意义上是影响制造企业加工制造水平的多种因素的杂糅,高性能加工设备和人才是实现精细制造的两个重要因素。金蝶为实现作业成本的控制,提出了金蝶K/3ERP精细制造解决方案,该方案利用信息化手段对工序能力进行排程,并强化车间作业的精细化管理,从而为车间现场生产管理提供了全面的支持。邹志云等认为精细化工生产是以高新技术为基础,以市场需求为导向,以产品具有特定功能、附加价值高、小批量、多品种、系列化为特点的化工生产过程。奥钢联(VAI)公司经过多年的探索与实践,形成了钢铁制造过程的系统控制技术,包括生产计划与控制(ProductionPlanningandControl)技术、计算机辅助质量控制(VAIQuality)技术、钢铁企业生产计划、排产和控制系统技术等。日本川崎制铁公司基于信息系统化的趋势,建立了炼钢-热轧生产管理与控制系统,实现了生产计划与进度的全面控制,生产的协调运行与控制,产品质量和设备运行状态的实时监控等,为钢铁生产过程的精细制造奠定了基础。殷瑞钰院士提出“高效率、低成本洁净钢平台”的概念,指出洁净钢平台是某种以高效率、低成本、稳定地生产洁净钢的基础性、通用性、集成性的技术系统(技术模块群),包括解析、优化的铁水预处理技术、高效、长寿的转炉(电炉)冶炼技术、快速、协同的二次冶金技术、高效、恒速的连铸技术、优化、简捷的“流程网络”技术和动态-有序的物流运行技术,是现代炼钢技术进步的重要方向,对于提升钢厂的市场竞争力具有重要意义。1装备和流程角度的精细控制以钢铁生产过程的重要区段炼钢系统生产过程为例,对钢铁生产过程的精细制造进行讨论,从炼钢厂生产工艺的精细控制、工序装备的精细配置与运行、生产流程的精细管控3个方面归纳并阐述炼钢厂的精细制造,其架构如图1所示。炼钢厂的精细制造是冶金工序功能的解析、优化与重组理念(从工艺、装备和流程角度)在炼钢区段的综合发展与表现,是高效率、低成本洁净钢制造平台的另一种表现形式。炼钢厂生产过程主要涉及铁水预处理、炼钢、二次冶金和连铸4个生产工序,各工序在生产过程中发挥着各自的作用。每个工序的功能往往是多元化的,同时某些功能也可以在多个工序中实现。因此,某些功能在不同工序中实现的程度、优化匹配以及综合集成等是炼钢厂精细制造过程需要解决的问题。炼钢厂各工序生产工艺的精细控制是针对产品的质量要求,合理分配各工序的冶金功能,在确保各工序完成既定冶金任务的同时,将管理到位理念渗透到各工序的生产过程,从而使最终的产品质量得以保证。通过炼钢厂各工序生产工艺的精细控制,期望可以在严格的作业时间范围内稳定生产出高质量的产品,并且在这一过程中达到资源的最优化利用,并不需要追求各工序生产工艺“过度”的精细控制。本文分别从铁水预处理、炼钢、二次冶金和连铸工序的工艺精细控制阐述炼钢厂生产工艺的精细控制。1.1艺的精细控制随着产品市场竞争的不断加剧,钢厂为了在高产量下保持高品质、高效率、低成本,广泛采用铁水预处理工艺。铁水预处理工艺已从当初为满足冶炼低硫或极低硫钢种的需求,发展成为炼铁→炼钢→凝固过程不可分割的重要环节,尤其是随着专用转炉脱硅、脱磷技术的开发与进展,正在形成一种全量铁水三脱预处理工艺。铁水预处理工序生产工艺的精细控制就是针对相应的钢种,从预处理效果、成本、效率等方面综合考虑,合理选择预处理方式(单一脱硫处理或全量铁水三脱处理),减轻转炉冶炼过程的冶金负荷,为炼钢工序的洁净化生产提供条件。整体而言,欧美钢厂一般采用铁水脱硫预处理工艺,而日本多数钢厂采用全量铁水三脱预处理工艺。目前,中国新一代钢厂为加快转炉生产节奏,实现紧凑、高效、节能的循环型炼钢生产模式,多采用全量铁水三脱预处理工艺。首钢京唐钢铁公司炼钢厂采用全量铁水三脱预处理工艺(铁水罐预脱硫、专用转炉预脱硅、预脱磷),为实现大批量、低成本、快节奏地生产洁净钢奠定了工艺基础。该厂洁净钢生产新流程如图2所示,高炉铁水经铁水预处理脱硫后,分别在脱磷转炉和脱碳转炉中完成脱硅、脱磷和脱碳任务,使得钢中S、P、C、O等杂质元素的去除过程明显优化。该厂生产实践表明,全量铁水三脱预处理工艺不仅提高了生产效率(脱碳转炉冶炼1炉钢缩短8~10min),而且降低了生产成本(高炉可利用含磷量较高的铁矿,脱碳转炉可利用锰矿进而少加锰铁等),还能很好地适应薄板坯高拉速连铸生产。1.2转炉冶炼技术特点转炉炼钢作为目前最主要的炼钢方法,其长寿工艺与复吹技术、高效冶炼工艺的发展对钢水质量的提升起到了巨大的推动作用。转炉炼钢工序生产工艺的精细控制就是通过高效供氧与长寿复吹技术、自动化炼钢技术以及先进检测手段的应用等实现转炉冶炼过程钢水成分和温度的准确控制,为其后二次冶金工序生产工艺的精细控制奠定基础。宝钢和武钢在引进国外大型转炉炼钢技术的基础上,结合自身的实际情况进行技术研发,形成了具有特色的大型转炉炼钢工艺技术:其中包括高效供氧、稳定造渣、长寿复吹、过程自动控制等,转炉炼钢的各项技术经济指标也达到国际水平。在转炉冶炼终点钢水成分和温度的控制方面,文献基于熔池混匀度建立了转炉冶炼过程吹炼模型,将该模型应用于指导转炉现场生产,较大地提高了转炉冶炼终点钢水命中率。如图3所示,碳含量预测误差绝对值小于0.02%的概率达到了80%,温度预测误差绝对值小于20℃的概率是83%,该模型的提出对传统中小型转炉冶炼终点的优化控制具有相当的参考价值。文献深入分析了转炉吹炼过程吹氧量的影响因素,并基于吹氧量统计模型和理论模型建立了吹氧量综合预测模型,该模型可以对转炉冶炼过程所需吹氧量进行较为准确的预测(氧耗量预测平均相对误差小于1%)。将该模型应用于现场生产,转炉冶炼终点钢水命中率得到了较大提高。图4为采用吹氧量综合预测模型后,冶炼终点钢水碳温命中率的验证结果,碳温双命中(碳质量分数预测误差绝对值小于0.03%,温度预测误差绝对值小于20℃)的概率达到75%以上,该模型对现场生产具有很好的指导作用。1.3氧精制、u3000vod二次冶金工艺始于20世纪30—50年代中后期,最初主要用于少数高级钢种的脱气处理,后来随着不同功能二次冶金新工艺的开发,二次冶金工艺大量用于普通钢种生产,二次冶金已发展成为满足钢水洁净度要求、对钢水温度和成分进行精确控制并有效协调炼钢与连铸生产组织的关键生产工艺。二次冶金工艺种类繁多,主要包括LF(钢包炉)精炼工艺、VD真空精炼工艺、RH真空精炼工艺、VOD真空吹氧精炼工艺、AOD氩氧精炼工艺和CAS吹氩搅拌精炼工艺等。二次冶金工序生产工艺的精细控制就是针对不同生产钢种的特点(S含量、O含量、夹杂物等),根据不同二次冶金工艺的功能选择合适的二次冶金工艺,并研发相应的工艺控制技术,在满足钢水洁净度要求的同时,实现精炼过程钢水温度和成分的窄范围控制,为钢水的连续浇铸提供原料条件。为了提高LF精炼过程的控制水平,谢树元等在LF炉精炼工艺与冶金机制的基础上,结合宝钢LF炉精炼的具体工艺控制要求,开发了LF炉成套过程控制模型(主要包括温度模型、合金最小成本模型、成分预报模型与脱硫模型),该模型在宝钢分公司一炼钢300tLF炉上得到了成功应用。现场应用结果表明,该模型有效地提高了精炼钢水质量,减少了生产成本。针对RH精炼过程钢水碳含量控制不准确的问题,ParkYoung-Geun利用三维流体动力学软件构建了RH精炼过程脱碳模型,用于实时预测RH脱碳过程钢水的碳含量,建模过程中充分考虑了RH脱碳过程氩气泡的行为以及整个流体的流动情况。该模型的现场应用结果表明,模型预测的碳含量、氧含量与实测值相当接近,如图5所示。该模型可为RH精炼过程钢水碳、氧含量的准确控制提供很好的指导。1.4连铸工艺优化中国是世界上的第一产钢大国,其中连铸比达到约99%,炼钢、连铸产能过剩的矛盾已经凸显,精细化是今后连铸技术装备发展的方向。连铸工序生产工艺的精细控制就是通过中间包与结晶器内合理稳定流场的控制,铸坯凝固传热以及连铸过程冷却配水系统的优化控制,高精度、高水平连铸生产过程控制技术的应用等来实现连铸坯质量的精细控制。在铸坯凝固传热以及冷却配水的优化控制方面,文献针对中厚板坯连铸生产中铸坯裂纹及中心偏析等钢厂遇到的共性问题,通过开展基础研究与工艺研究,研发了连铸凝固冷却精细控制技术(图6),有效解决了高裂纹敏感度连铸坯凝固冷却过程产生的质量缺陷问题。窦志超等针对连铸生产中拉速及浇铸温度波动频繁,导致静态二冷配水控制下铸坯表面温度波动过大的问题,提出了一种基于有效拉速和有效过热度的新型二冷控制模型,此模型简单易行,且对连铸过程中拉速及过热度的变化具有良好的适应能力,如图7所示,模型在拉速或过热度波动工况下能够使连铸坯表面温度更加平缓,满足当前连铸的生产要求。文献分析了铸机喷嘴布置方式对板坯冷却效果的影响,通过喷嘴测试试验,从喷嘴流量、喷射高度和水压3个方面探讨了相邻喷嘴喷淋水重叠度与水量在板坯宽度方向分布均匀性的关系。在此基础上,针对邯钢第三炼钢厂二号板坯连铸机现行的二次冷却系统提出了优化方案,明显地改善了铸坯的内部质量,铸坯角部横裂基本消除,铸坯中心偏析从B类1.0减轻至C类1.5,其等轴晶比例提高了4.1%。在炼钢厂的生产过程中,铁水预处理、炼钢、二次冶金和连铸工序都具有各自的工序功能。铁水预处理作为冶金负荷和质量调节器,其预处理方式(单一脱硫处理或全量铁水三脱处理)会影响转炉冶炼过程的冶金负荷并将直接对钢铁产品的质量产生重要影响。炼钢工序的主要功能是快速脱碳与升温、高效脱磷,炼钢工序生产工艺的控制会影响初炼钢水的成分和温度。二次冶金工序可以对初炼钢水进行成分与温度的调控和均匀化,控制夹杂物的形态并促进夹杂物的去除等,二次冶金工序生产工艺控制关系到能否得到成分与温度合格的待浇钢水。连铸工序通过浇铸液态钢水,凝固成型得到质量合格的铸坯,连铸工序生产工艺的合理控制与否直接关系到连铸坯质量。工序生产工艺的精细控制旨在通过对以上各工序功能的组合优化,形成铁水预处理→炼钢→二次冶金→连铸工序生产工艺的精细控制技术,为炼钢厂的高品质、高效生产提供坚实的技术支撑。2金融体制提升,生产设备可靠性是保证冶金装备的现代化支撑了中国钢铁工业的快速发展,随着中国钢铁工业的迅猛发展,冶金装备技术水平也迅速提升。炼钢厂工序装备的精准配置是实现高品质、高效生产的重要途径,而炼钢厂生产设备的可靠运行是实现高品质、高效生产的重要保障。因此,工序装备的精细配置与运行是实现炼钢厂精细制造的必备条件。2.1装备精细配置近年来,随着市场需求的变化以及高品质钢种的开发,国内现代化、大型化炼钢—连铸生产装备的比例逐步提高。为提高钢材洁净度,扩大高附加值钢材产品的生产规模,大多数钢厂在配备LF炉、CAS和吹氩搅拌等常压二次冶金设备的基础上,针对板带材的生产特别是冷轧薄板的生产,又新配置RH和VD等真空精炼设备。炼钢厂工序装备的精细配置就是根据市场需求和高性能钢种开发的需要,配置现代化、大型化的生产装备,为钢厂的高品质、高效生产提供设备条件。宝钢从20世纪90年代中期着手纯净钢的开发,其二炼钢于1998年4月投产,设计年产量288万t。后因电工钢、镀锡板、汽车用钢、高强度钢等高性能钢种的开发需要,于2006年新增1座300t转炉、1台RH、1座LF和1台连铸机,目前产能已达到680万t,且生产出来的纯净钢在产品质量上得到了很大提高。图8为近年来宝钢在汽车板氧质量分数控制和IF钢碳质量分数控制方面取得的效果。武钢为生产重轨钢,对炼钢生产装备进行了大规模更新与改造,改造后的一炼钢厂拥有2座100t顶底复吹转炉,同时具有世界先进水平的铁水预处理和炉外精炼设备(铁水预处理设备可将[S]质量分数控制在0.002%以内,VD真空处理设备可将[H]质量分数控制在1.5×10-6以内),建成2台高速高效5机5流方坯连铸机。改建后该炼钢厂的装备达到当代世界一流水平,已具备生产重轨钢的能力,并成功开发了50、60kg/m重轨钢。2.2生产设备运行可靠性研究现代化炼钢厂生产设备具有自动化程度高的特征,因此,保证生产设备的可靠运行对产品质量的稳定以及生产效率的提高具有举足轻重的作用。随着网络技术、通讯技术、传感器技术、信号处理技术的不断完善,设备状态监测手段也不断丰富,一些大型钢铁企业(如宝钢、武钢、鞍钢)已广泛采用设备状态监测系统,保证钢铁生产过程各工序设备的可靠运行。在生产设备运行的可靠性研究领域,吴平运用可靠性理论与方法,针对不锈钢方坯连铸机的实际生产运行情况,采用混联系统的可靠性建模与可靠性分析方法,计算了不锈钢方坯连铸机生产运行的可靠性指标,指出了不锈钢方坯连铸机生产运行的薄弱环节和主要存在的问题,并提出了提高其生产运行可靠性的改进措施与维修策略,为方坯连铸机的高效、可靠运行奠定了理论基础。董辉等论述了冶金生产设备状态在线监测系统的基本原理和方法,并将该系统运用于酒钢实际生产,实现了对各生产设备运行状态的实时监控,为生产设备运行可靠性的判断提供了一种有效的方法。在钢铁业竞争日趋激烈的今天,现代化、大型化生产设备的使用以及各工序生产设备的可靠运行是钢厂不断提高市场竞争力的重要保障。一方面,钢厂通过采用先进的冶金装备,不断加强冶金装备的自主研发和自主集成能力,为钢厂的高品质、高效生产提供设备保障;另一方面,钢厂通过采用各种设备状态监测手段,保证生产设备的可靠运行,进而有效发挥设备的生产能力,提高产品质量的稳定性。3显著效果和应用效果炼钢厂生产流程的管控技术是自动化生产的重要组成部分,在工艺流程控制上具有规范操作工序、节省操作时间和实现资源的最优化利用等显著效果。炼钢厂生产流程的精细管控包括对生产运行的优化控制以及生产过程的智能调度。其中,生产运行的优化控制包括钢包、天车的运行优化以及生产节奏的协调控制;生产过程的智能调度包括构建与生产工艺模型相融合的计划与调度模型,通过对工艺模型的柔性调控,实现生产过程的智能调度。3.1关注天车运行过程的优化控制炼钢厂系统是钢铁制造过程系统的一个重要子系统,其制造过程的复杂性、过程控制的艰巨性是钢铁制造过程多维物质流管制最集中的体现,炼钢区段的优化控制是钢铁制造过程系统运行控制的关键。炼钢厂生产过程物质流载体的运行状况在一定程度上体现了炼钢-连铸生产的组织及运行水平。钢包和天车作为两个具有代表性的物质流载体,其运行状况是炼钢厂生产运行效率的重要体现。钢包运行过程的优化控制是在炼钢-连铸生产流程时间、温度等参数解析的基础上,进行的综合集成和优化控制,包括运行过程的解析、时间参数的数学描述,钢包运转个数的确定,运行的温降规律等。天车运行过程的优化控制是指在满足天车运行空间、设备资源等约束条件的基础上,合理地分配天车以完成生产物料的运输任务,保证生产有序紧密进行,包括炼钢-连铸生产过程天车运行的时间参数解析,多天车与多任务之间的匹配,天车运行过程空间冲突的优化等。在钢包运行过程的优化控制方面,笔者等运用冶金流程工程学理论,对钢包运行过程进行深入的解析和较为系统的研究,形成了钢包运行控制技术,包括钢包运行过程解析、钢包运行时间的数学描述、钢包运行个数的计算、钢包运行过程温降、钢包运行频率及运行过程的优化。将该技术应用于某钢厂实际生产,钢包使用个数由原来的9个减至7个,出钢温度降低38℃,生产运行节奏更趋合理,运行效率得到了提高。在天车运行过程的优化控制方面,陈开等建立了一种时空约束下基于规则演化的天车运行仿真模型,以优先保证完成炼钢-连铸生产作业任务为目标,考虑多任务之间的时间约束和多台天车之间的空间约束问题,设计基于任务分配规则、冲突处理规则和任务结束规则的仿真运行规则,用于控制天车的运行过程。通过对某炼钢厂炼钢-连铸生产作业计划的离线模拟测试表明,该方法能够避免天车运行过程中的时间空间冲突问题,获得合理的天车运行方案,为生产调度提供指导。3.2高效生产调度生产计划是企业生产管理活动的中枢,制定合理的生产计划是提高企业经济效益的根本保证。生产调度是制造或服务行业中的决策过程,指在给定时间内,把可用资源分配给生产任务,以优化一个或多个指标,是生产计划的执行过程。炼钢厂生产过程智能调度的核心是构建与生产工艺模型相融合的计划与调度模型,图9为炼钢厂生产过程的智能调度示意图。国内外学者对智能调度问题进行了的广泛研究。王秀英等针对大型钢铁企业炼钢厂生产调度过程控制难的问题,将智能优化设定控制策略应用于炼钢厂生产调度过程,通过结合优化调度方法、专家系统、案例推理等技术,研发了集调度计划编制、在线跟踪与调整、人机交互等功能为一体的调度软件。将该调度软件应用于某大型钢铁企业的实际生产,结果表明静态调度子系统1次编制20炉次的计划均在15s内,动态调度平均反映时间小于12s,大大缩短了作业计划编制的时间,降低了调度人员的工作强度,提高了工作效率。俞胜平等针对多设备、多工序、以及生产类型复杂的炼钢厂生产过程,提出了基于规则的专家调度方法、基于规划的两阶段调度方法和基于多级模糊综合评价方法的混合智能调度方法,并应用混合智能调度方法设计开发了调度软件,现场应用结果表明该软件在缩短计划编制时间、减少钢水等待时间、提高设备利用率方面取得了显著的经济效益。图10为3台转炉对3台连铸机、且每台连铸机均有10条炉次计划时编制得到的调度计划结果,与原来手工编制模式相比,该软件投入使用后可将每