縱觀近年來電弧爐煉鋼技術的進展，可以發(fā)現(xiàn)，電弧爐煉鋼在原有高效節(jié)能冶煉技術的基礎上，以智能化煉鋼和節(jié)能環(huán)保為中心，在超高功率供電、強化供能、智能化控制、節(jié)能降耗、綠色環(huán)保等方面取得了長足的進步，特別是在智能化控制領域，開發(fā)了一系列先進的監(jiān)測技術和控制模型，大大提高了電弧爐煉鋼過程的自動化水平，促進了鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展。
1、電弧爐智能化供電
供電操作是電弧爐煉鋼過程的主要環(huán)節(jié)之一，同時，優(yōu)化供電的關鍵在于電極的自動調節(jié)。為改善電極調節(jié)的響應速度和控制精度，確保電弧爐三相電流的平衡及電極連續(xù)穩(wěn)定的調節(jié)，需要不斷改進電弧爐電極調節(jié)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗、提高產量和質量的目標。自動判定廢鋼熔清技術的開發(fā)，進一步提高了電弧爐供電的智能化水平。
1.1電極智能調節(jié)
目前，國內外大部分關于電弧爐電極調節(jié)自適應控制的研究主要是將電弧爐主電路作為線性系統(tǒng)進行辨識和控制，然后采用線性系統(tǒng)的自適應方法進行研究。分段線性化自適應控制的方法便是其中的一種，分段線性化自適應控制策略是將電弧爐電極調節(jié)系統(tǒng)，由對非線性系統(tǒng)的控制轉變成對分段線性化系統(tǒng)的控制，解決了三相電弧爐系統(tǒng)的自適應控制問題。
隨著智能控制原理的快速發(fā)展，研究人員廣泛應用智能控制算法，控制電弧爐電極的調節(jié)。針對電弧爐冶煉兩個時期的復雜非線性、時變性等特征，研究人員分別采用神經網絡和模糊控制與傳統(tǒng)PID相結合的控制方法，使冶煉的各時期都能達到滿意的控制效果。美國北極星鋼公司利用智能控制算法，改善了80t電弧爐的電極控制系統(tǒng)，使得生產率提高了10%-20%，電極消耗降低了0.4-0.6kg/t，電能消耗減少18-20kWh/t。國內舞陽鋼鐵公司100t電弧爐電極系統(tǒng)采用恒阻抗神經網絡調節(jié)后，每爐供電時間縮短8min，電能消耗減少了60kWh/t。
1.2自動判定廢鋼熔清技術
現(xiàn)代電弧爐煉鋼一般按照預先設定的通電圖表進行電力調整，冶煉過程須多次（如3次）裝入廢鋼。然而因裝入廢鋼的性狀（如尺寸、體積、重量、形狀等）和熔化狀況經常變化，按照預設通電圖表操作，并不能取得最佳供電熔化效果。特別在廢鋼追加時期和由熔化轉向升溫的熔清時期，多由操作人員根據經驗操作。因此，熔清期判斷不準確，都會增加冶煉時間，降低生產效率。廢鋼在電弧爐內熔化狀態(tài)的準確把握，對煉鋼操作會產生較大影響。在此背景下，日本大同特鋼公司開發(fā)了電弧爐自動判定廢鋼熔化的E-adjust系統(tǒng)。主要利用電弧爐冶煉過程中發(fā)生的高次諧波電流（或高次諧波電壓）和電弧爐發(fā)聲兩個要素，判定爐內廢鋼熔化狀態(tài)，進而進行自動化控制。大同特鋼收集了大量E-adjust實際生產數(shù)據，并與傳統(tǒng)人工判斷化清的生產模式作對比，操作參數(shù)對比結果表明，電弧爐平均電耗降低了7.1kWh/爐，操作時間減少了0.4min，引入E-adjust系統(tǒng)后，因操作穩(wěn)定而節(jié)省了電能，并提高了電弧爐生產效率。
近年來，基于自適應技術、神經網絡和模糊控制的電極自動調節(jié)模型逐漸引入國內電弧爐控制系統(tǒng)，實際生產效果顯著。由于國內電弧爐煉鋼廣泛采用鐵水熱裝技術，自動判定廢鋼熔清技術須進一步完善，以適應不同廢鋼比的電弧爐煉鋼過程，提高其可靠性。
2、電弧爐煉鋼爐況實時監(jiān)控技術
2.1測溫取樣新技術
電弧爐煉鋼過程中，鋼液的溫度測量和取樣一直是制約電弧爐電能消耗和生產效率的關鍵環(huán)節(jié)之一。針對傳統(tǒng)人工測溫取樣安全性差、成本高等問題，一系列自動化測溫取樣新技術得以開發(fā)并推廣應用。
2.1.1自動測溫取樣
目前，普遍使用的取樣和測溫方式是通過人工將取樣器或熱電偶，從爐門插入鋼水中來完成的。SIEMENSVAI公司設計的SimetalLiquiRob自動測溫取樣機器人，外層涂有特殊防塵隔熱纖維，具有6個自由度的運動、自動更換取樣器和測溫探頭、檢測無效測溫探頭等功能，可以通過人機界面全自動控制。美國PTI公司開發(fā)的PTITempBoxTM自動測溫取樣系統(tǒng)，穿過爐壁進入熔池測溫取樣。該裝置的傳動機構和冷卻系統(tǒng)，經過特殊的設計，滿足電弧爐冶煉的惡劣環(huán)境和工藝要求，改善了爐內傳熱效率，從而降低了冶煉過程的能量消耗。
目前，國內大部分電弧爐煉鋼企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的人工取樣測溫方式，先進的自動測溫取樣裝置，近年來開始引入到國內電弧爐實際生產。
2.1.2非接觸式連續(xù)測溫
鋼液溫度的實時準確監(jiān)測能夠對造泡沫渣、鋼液脫磷、優(yōu)化供電等相關工藝的優(yōu)化操作起指導性作用。鑒于電弧爐煉鋼過程高溫惡劣的冶煉環(huán)境，一直以來難以實現(xiàn)對鋼液溫度的連續(xù)性監(jiān)測。SIEMENSVAI開發(fā)了一套創(chuàng)新型方案——基于組合式超音速噴槍的非接觸式連續(xù)鋼液溫度測量系統(tǒng)（SimetalRCBTemp）。區(qū)別于傳統(tǒng)的測溫方法，該系統(tǒng)能夠在短時間內，準確地測出鋼液溫度及出鋼時間，使電弧爐煉鋼過程的通電時間和斷電時間均為最佳。該系統(tǒng)實現(xiàn)了非接觸鋼液的連續(xù)測溫，提高了電弧爐煉鋼的生產能力。但該系統(tǒng)溫測的可靠性和使用壽命須進一步驗證和完善。
2.2泡沫渣監(jiān)測控制技術
電弧爐煉鋼過程的泡沫渣操作，能夠將鋼液同空氣隔離，覆蓋電弧，減少輻射到爐壁、爐蓋的熱損失，高效地將電能轉換為熱能向熔池輸送，提高加熱效率，縮短冶煉周期。冶煉過程中造泡沫渣是低消耗和高生產率電爐煉鋼的關鍵。近年來，泡沫渣操作的相關監(jiān)測控制技術得到研究和應用。
SIEMENS開發(fā)了SimeltFSM泡沫渣監(jiān)控系統(tǒng)。針對泡沫渣的高度和分布對爐內聲音傳播的影響，能夠定性地測定爐內泡沫渣的存在狀態(tài)，調節(jié)泡沫渣操作和穩(wěn)定電弧，以改善電弧爐能量供應，提高生產效率。
美國PTI公司開發(fā)的電弧爐爐門清掃和泡沫渣控制系統(tǒng)PTISwingDoorTM減少了外界空氣的進入，提高了煉鋼過程的密封性。從而保證冶煉過程中爐膛內渣層的厚度，減少了能源消耗，提高電弧傳熱效率，改善能量利用效率。
目前，國內大部分鋼廠仍采用人工方式控制泡沫渣的制作，部分鋼廠采用了電弧爐爐門系統(tǒng)進行優(yōu)化，能量利用效率明顯提高。而由于電弧爐煉鋼爐況的復雜性，基于爐內發(fā)聲的泡沫渣監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性有待驗證。
2.3煙氣連續(xù)分析系統(tǒng)
現(xiàn)代電弧爐煉鋼集高效、安全和環(huán)保于一體，對于煉鋼過程煙氣檢測、控制和工藝優(yōu)化的要求越來越高?，F(xiàn)代電弧爐煙氣分析系統(tǒng)，能夠準確地測量煙氣的溫度、流量以及煙氣中CO、CO2、H2、O2、H2O和CH4等成分。煙氣分析系統(tǒng)利用采集的信息和自身的控制模型，對冶煉過程分析、判斷并控制。煙氣的在線探測傳感器一般安裝在電弧爐第四孔處，須進行特殊的設計以適應第四孔苛刻的高溫和煙塵環(huán)境，增加其可靠性和使用壽命。
國內江蘇淮鋼采用美國Praxair公司開發(fā)的基于爐氣分析的二次燃燒系統(tǒng)進行二次燃燒用氧控制，取得了明顯的節(jié)能效果，噸鋼電耗下降28kWh，冶煉時間縮短7.5min。
煙氣分析系統(tǒng)在國內外電弧爐上已有廣泛應用，效果良好。就目前實際應用情況而言，耐高溫和粉塵的氣體探測傳感器需繼續(xù)研究開發(fā)，以進一步降低使用成本，提高氣體分析的準確性。
3、電爐冶煉過程優(yōu)化控制
3.1成本控制優(yōu)化系統(tǒng)
近年來，北京科技大學采用時空多尺度結構理論，對電弧爐煉鋼過程進行研究，指出其物質轉化過程中存在著微觀尺度、介觀尺度、單元操作尺度和工位尺度等多個時空尺度的結構。在充分吸收國內外鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有過程控制模型的基礎上，結合電弧爐成本控制模型與電弧爐煉鋼流程專家指導模型，構建了一套包括電弧爐、精煉與連鑄，實現(xiàn)成本監(jiān)控、過程優(yōu)化指導于一體的在線電弧爐煉鋼流程模型的多尺度模型。該模型已成功應用于新余新良特鋼、衡陽鋼管、馬來西亞安裕鋼鐵、臺灣易昇鋼鐵、西寧特鋼、天津鋼管等企業(yè)的電爐生產過程。平均噸鋼氧氣消耗降低2Nm3，電耗降低2kWh，金屬料消耗下降10kg，噸鋼成本降低30元以上，經濟及社會效益顯著。
3.2電弧爐煉鋼終點控制
近年來，隨著智能算法的發(fā)展，研究人員將人工神經網絡、支持向量機、遺傳算法等智能算法引入電弧爐煉鋼，開發(fā)了一系列終點預報模型并在實際應用中取得了良好的應用效果。由于基于智能算法的“黑箱模型”過分依賴數(shù)據，缺乏生產工藝的指導，結合反應機理和智能算法的混合終點預報模型近年來逐漸被開發(fā)。可以預見，在電爐煉鋼終點控制領域，更有效的監(jiān)測技術和高可靠性智能模型的研發(fā)及兩者的有機結合將成為研究的熱點。
3.3冶煉過程整體智能控制
隨著監(jiān)測手段和計算機技術的發(fā)展，電弧爐煉鋼智能化控制不再僅僅局限于某一環(huán)節(jié)的監(jiān)測與控制，應從整體過程出發(fā)，將冶煉過程采集的信息與過程基本機理結合進行分析、決策及控制，追求電弧爐煉鋼過程的整體最優(yōu)化。
SIEMENSVAI開發(fā)了SimentalEAFHeatopt整體控制方案（如圖１），對電弧爐煉鋼過程實時整體控制，極大地改善了能源利用率、生產效率和生產過程的安全性。該系統(tǒng)利用最新的檢測技術和狀態(tài)監(jiān)測控制方案，對電弧爐煉鋼過程進行最優(yōu)化控制，能夠確保最大的生產效率、最佳的能量轉換率以及最小的生產成本。電弧爐煉鋼過程的整體智能控制，依賴于各環(huán)節(jié)的智能化控制水平，其研究仍處于起步階段。冶煉過程各監(jiān)測手段和控制模型的不斷優(yōu)化，將促進電弧爐煉鋼整體智能控制的進一步發(fā)展。
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結論與展望
日益突出的能源環(huán)境問題和人類不斷提高的節(jié)能環(huán)保意識，將促進電弧爐煉鋼流程的進一步發(fā)展，日益上漲的人力成本和不斷加快的冶煉節(jié)奏，將對電弧爐智能化煉鋼提出更高的要求。可以預見，智能化技術在電弧爐煉鋼領域的重要性將日益突出，更先進的監(jiān)測手段和可靠的整體優(yōu)化控制方案及兩者的有機結合，將成為今后電弧爐智能化煉鋼的發(fā)展趨勢。
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