电弧炉运行优化：自动化与建模技术

电弧炉（EAF）是废钢/直接还原铁（DRI）炼钢的主要工艺流程，也是全球钢铁产量第二大的炼钢工艺路线。它是铁质废钢回收的主流工艺。电弧炉于1889年由保罗·埃鲁（Paul Heroult）发明，最初主要用于特种钢生产，但在20世纪后期确立了其作为主要炼钢工艺之一的地位。

电弧炉与高炉-转炉路线的对比

与高炉-转炉炼钢路线相比，电弧炉炼钢路线可将能耗降低高达61%，碳排放减少约77%。通过引入技术改进，如增加氧气、碳及其他化学能源的使用、泡沫渣技术、一氧化碳后燃等，工艺效率和生产率已大幅提升。然而，仍存在相当大的进一步优化潜力。这从理论能耗（熔化和加热废钢约需400 kWh/t）与现代电弧炉实际平均耗电量（约375 kWh/t电能，加上同等化学能，总效率仅约50%）的差距中可见一斑。

高功率电弧炉的控制挑战

现代电弧炉采用更高的电弧电压和二次电流以提高生产率，功率输入高达300 MVA。操作如此高功率的电弧需要精准控制熔化过程。若电弧将高功率辐射向炉壁，将造成严重损坏。防止这种不良行为可将停机时间降至最低，保持高炉生产率。为此，必须建立闭环功率控制系统，能实时响应熔化过程中的事件，特别是炉壁未被废钢或合适的泡沫渣覆盖的情况。关键在于获取此类工艺信息。

数学模型在工艺优化中的作用

由于炉内恶劣环境，许多工艺分析和优化所需参数无法直接测量。例如，熔池和渣的温度及成分只能通过取样点测定，且因样品分析存在延迟。虽然直接连续测量方法正在开发中，但大多数电弧炉尚未配备。此外，评估不同优化策略影响所需的工业试验往往因成本过高或安全顾虑而无法进行。因此，数学模型成为获取未知工艺参数的重要信息源。仿真也可作为工业试验的低成本、快速、安全的替代方案。针对电弧炉，已开发出各种目的和建模方法的模型。

电弧炉可视为利用电能将废钢转化为液态钢的化学反应器。电弧炉发展趋势是通过提高电弧电压和电流，加快废钢熔化速度、提高效率。但若电弧未被渣覆盖，高电压大电流会对炉衬耐火材料造成巨大破坏。目前控制熔化的常规方法是基于能量输入控制变压器分接头，这意味着无在线信息用于工艺控制，操作员根据操作图表手动调整设定点。

随着电弧炉工艺复杂性增加，对生产率和环保要求提高，控制策略需考虑系统动态特性，实时调整静态预设操作点。生产率提高也要求操作员更快决策。在"最先进"电弧炉工艺中，自动化系统需协助操作员。

电弧炉常规自动化与现代控制系统

电弧炉常规自动化主要针对：(i)电气制度自动化，(ii)热力制度自动化，(iii)电极定位。现代强大的过程控制系统即使在困难条件下也能确保安全、用户友好的工厂运行，提供高可靠性和可用性，为平稳工艺铺平道路。

电弧炉炼钢自动化解决方案适用于各种规模的新建和现有电弧炉。它们优化碳钢、不锈钢、特种钢等多种钢种生产，适应废钢、DRI、铁水等可变配料比，减少钢水处理修正步骤，降低降级炉次，精准遵守紧凑生产计划，实现对下游加工单元的准时交付。

自动过程控制基于多种实时测量：冷却系统温度、炉体声音、电流谐波畸变、炉身振动、烟气分析等。自动过程控制可缩短通电时间、优化喷吹碳量、稳定电弧、减少断电时间。

电弧炉自动化的系统架构

考虑到电弧炉炼钢具体工序的高度复杂性，该技术装置的复杂操作意味着系统性地覆盖以下步骤：(i)量化并维持装置的某种规定工艺状态（惯性状态），可通过常规自动化实现；(ii)电弧炉复杂自动化，依据数学模型控制工艺过程以获得最大目标函数。

电弧炉自动化解决方案结合了PLC（可编程逻辑控制器）自动化系统的优势（如经验证的质量和稳定性、低硬件成本、细粒度可扩展性、可靠的过程控制、用户友好操作、清晰的可视化、强大的工程工具）与针对工厂特定需求量身定制的专用技术解决方案。

基础自动化采用高速微处理器系统进行工艺控制和顺序控制。自动化系统分为多个协调执行任务的自动化单元，每个单元通过远程I/O连接相关电气外设，实现传感和执行。操作员监控站（HMI）的任务是将海量工艺信息以清晰易懂的方式呈现，支持电弧炉的简单系统化操作。

电弧炉一级过程控制系统包含基础自动化和工艺控制功能，实现高效安全的电弧炉炼钢。用户友好且冗余的HMI配置结合故障安全的最先进控制设备，确保自动化系统高可用性。典型功能包括：

• 可调配置文件——整体自动化概念允许为变压器分接头、电抗器分接头、电极控制曲线、燃烧器、RCB（精炼组合燃烧器）和喷枪定义个性化生产方案，最大限度减少操作员动作。
• 模块化结构——高度发达的标准解决方案易于实现逻辑和与外部系统通信，如废钢场、除尘系统、物料搬运、碳/石灰喷吹、泡沫渣控制、烟气分析系统、电厂等。
• 系统与过程诊断——状态监测、炉次/日/月报表、趋势记录等诊断功能支持电弧炉无故障可靠运行。
• 软件仿真——所有实现功能按特定操作规则仿真，涵盖液压站、动作、工艺操作。完整炉次循环仿真验证自动化软件正确功能。

先进测量设备提升性能

现代先进自动化解决方案还采用最先进的测量设备。典型测量设备如温度/Celox手持喷枪是电炉炼钢标准工具。为进一步提升电弧炉性能，可使用：(i)非接触温度测量，(ii)连续电弧炉烟气分析系统，(iii)用于温度和Celox测量及取样的机器人系统。

全集成于RCB技术的新型非接触温度测量系统，提供在通电期间精准预测出钢时间的完美方法。测得温度经控制模型评估，获得可重复结果和一致工艺。该系统包含三大功能：(i)燃烧器模式——通电期间作为燃烧器预热废钢，多功率设定；(ii)喷枪模式——废钢加热至碳、铁、氧发生反应时，切换为超音速氧流；(iii)温度模式——液相达到规定均匀化程度时从喷枪模式切换，开始温度测量循环。图1展示RCB温度系统原理图。

图1 RCB温度系统原理图

此法无需测温喷枪，大幅提高操作员安全性并降低耗材成本，减少能耗输入。系统可精准预测出钢时间，带来多重效益：(i)减少断电时间提高生产率，(ii)可重复结果保证工艺一致性，(iii)降低运行和耗材成本，(iv)精准出钢降低能耗输入。

连续电弧炉烟气分析系统是针对电弧炉烟气测量的解决方案，实现全自动连续气体分析。取样装置置于水冷一次烟气管道中。通电期间连续分析烟气，断电期间全自动探头吹扫清洗。因此系统即使在电弧炉弯头后极热、腐蚀、极重粉尘的取样点环境下，也能实现近乎免维护运行。

分级自动化架构与集成

自动化系统通常采用模块化结构，覆盖从基础装置控制（一级）到生产跟踪功能和在制造令管理（三、四级）的各层级。特定工艺控制模块优化运行，为车间工人和工艺技术专家提供关键支持。工厂业务线自动化系统可结合尖端技术解决方案，优化节能和生产率。此外，自动化解决方案采用创新传感器，配合复杂控制模型实现动态实时控制。

电弧炉过程控制提供三相电弧炉电极控制的全自动端到端解决方案。它动态调节电弧，最高效利用电极。解决方案依托人工智能优化熔化过程，包含熔化控制模块和熔化程序，确保准确复现熔化过程，实现最大炉生产率。电极控制及其附加单元可集成至任何系统环境和架构。电弧炉过程控制有三大基本控制系统：(i)电极控制系统，(ii)泡沫渣控制系统，(iii)基于工况的废钢熔化系统。

电极控制系统

这是电弧炉的关键控制系统。自动功率控制方法通常依赖电弧电流和电压评估。因炉内极端环境，其他测量技术常不适用。

电极控制系统是闭环电极控制系统。基本任务是控制电极位置，具体为维持电气操作点。这一基本任务性能首要影响炼钢车间多项关键绩效指标（KPI），如单耗电能、电极消耗、生产率等。其性能对减少机械液压系统应力、限制电网扰动也至关重要。公认阻抗基电极控制能实现最佳基本任务性能。减少过流、短路、电极断裂的基本附加功能是最先进技术，将停机时间降至最低。为达到最佳性能，需适配执行系统特性，即液压阀特性。

上述电极控制基本功能确实影响电弧炉性能。但炉性能很大程度取决于电气操作点选择。考虑炉整体设计，建立操作图表（熔化曲线/功率程序），提供电气设定点：变压器分接头、电抗器分接头、阻抗设定点。这些图表通常取决于总能量输入，功能由二级系统或类似方案覆盖。操作图表中设定点的选择和顺序直接影响电弧炉KPI。

现代电极控制附加模块可调整操作图表提供的设定点，以适应炉内实际熔化条件，如评估水冷壁板热负荷。优化模块可动态调整阻抗设定点以匹配熔化进度，增加炉功率输入。通常炉操作员仍基于对声音排放的主观感知和炉况目视印象做进一步控制动作。

泡沫渣控制系统

针对自动化泡沫渣操作，存在多种基于声音测量的方法。泡沫渣控制系统是基于结构声的传感器系统，用于评估电弧炉内泡沫渣量。就趋势和可重复性而言，该方法已被证明能成功跟踪电弧炉真实泡沫渣状况。图2展示电弧炉泡沫渣控制系统。

图2 电弧炉泡沫渣控制系统

泡沫渣控制系统评估电弧产生的声波从声源传播到炉壳（振动由加速度传感器/结构声传感器检测）的过程。通过计算声波传播阻尼，确定泡沫渣高度。

该方法的巨大优势在于不仅能确定电极周围平均渣高，还能特别测定每个电极与炉壳之间完整区域的具体渣高。一维视角被扩展为渣高分布的二维测量。因三个传感器分别安装在对应电极对面，可独立确定炉内三个区域的渣高（图2）。因此可评估并可视化渣高空间分布。时间尺度上，渣起泡分为不同周期，由比能量输入决定，各周期具有不同参考渣高设定。

三个结构声传感器各对应一个电极段记录信号。它们通过焊接三个适配器板安装在炉壳上，位于钢液面上方约800 mm处。传感器用耐温屏蔽信号电缆连接，需防过热和机械损坏。为便于更换炉身，电缆通过Harting插座或安装在炉身上/附近的连接盒连接。除结构声信号外，还用罗氏线圈记录电流信号。高速采样信号转发至数据采集计算模块。

泡沫渣液位基于结构声和电流信号组合计算。借助该检测法，操作人员能以高精度检查泡沫渣阶段工艺控制的质量和可重复性。在此基础上可针对稳定性、工艺时间、功耗优化工艺。

精准空间测量渣高的卓越优势在于可通过单独控制碳阀调节喷吹碳量，实现均匀渣分布。为调节喷吹碳量，开发了基于模糊算法的控制系统，可轻松实施适合特定炉型情况的碳喷吹规则。因碳阀通常非连续模拟控制设计，输出信号转换为脉宽调制，实现适量碳供给。

碳以脉冲调制模式喷吹，脉冲宽度和频率由泡沫渣控制系统控制，从三个阀门各喷吹适量碳。这使系统能对每个阀门精确施加所需碳量，实现最均匀、充足、稳定的渣高。结束阶段泡沫渣部分铲出时，渣高降低并波动。

泡沫渣控制系统确保整个起泡过程渣起泡水平均匀偏高。结果是电弧能效提升，同时减少喷吹碳量。系统还基于精确测定渣液位，为闭环泡沫渣控制提供可靠基础，并提供触发碳/氧喷枪或炉内连贯燃烧器的信号。

基于工况的废钢熔化系统

基于工况的废钢熔化系统在废钢熔化期及部分平炉期动态控制电能输入，即时响应废钢和熔池状态，实现基于工况的熔化过程优化。

该系统使用与泡沫渣控制系统相同硬件。类似地，测量电弧产生的声波传播到炉壳（振动由加速度传感器检测）的过程。通过测量三相电弧电流和电极对面炉壁振动，动态计算两种基于工况的状态信号：(i)废钢或渣对壁板的遮挡情况，(ii)电弧根部废钢状态，特别是"冷"重废钢的出现。

这两个信号支持表征熔化过程。结合炉况附加信息，实现电能输入的新型基于工况的控制。附加信息包括：炉壁板热负荷、比能量输入、电气数据、工艺进一步边界条件。控制器通过切换变压器分接头调节二次电压，计算三相新的个体阻抗设定点，切换串联电抗。控制器在考虑实际壁板遮挡和热负荷的前提下最大化功率输入。

基于工况的废钢熔化系统的主要特点和优势是：能比壁板温度升高（因辐射冲击增加导致）更早约60秒检测到壁板遮挡丧失。这一时间提前量使系统能通过重新分配三相电弧功率/辐射来响应，缓解或避免相应壁板的热冲击。

控制器以两种方式响应壁板遮挡丧失和热负荷：长时间尺度上，当遮挡丧失和预期/实测温升持续时间长或明显时，降低变压器分接头，调整二次电压；熔化条件允许时（如高电弧遮挡、低壁板温度），升高变压器分接头。变压器分接头切换由滞回环激活，避免不必要切换。短时间尺度上，相同输入信号用于个别控制三相阻抗设定点，实现非对称电气炉运行。基于计算的遮挡和壁板温度预测/测量，模糊控制器计算最优辐射功率分布。利用新开发的辐射模型和解析电气模型，通过迭代循环计算相应阻抗设定点，以最好满足最优辐射分布。从而实现辐射功率近乎即时重新分配，瞬时缓解或避免热冲击。

基于工况的废钢熔化系统的主要优势是：运行更平稳稳定，变压器分接头切换操作减少，熔化情况允许时增加能量输入。

电弧炉专家系统

电弧炉专家系统作为集成过程控制监督器。它自动识别偏离预期行为的偏差并重新调整熔化程序，作用于电力规划、化学配料、渣和钢冶金。设备约束集成到控制中。专家系统作为过程监督器，集成基础自动化和工艺功能，实现高效安全的电弧炉炼钢，支持从装料到出钢的每个操作。凭借广泛的基于传感器和摄像头的过程监测，新一代机器操作台可安装在任意位置，无需专用窗口直接目视反馈，提高操作员安全性和工艺感知。

专家系统还可集成多种独立技术，通过远程控制机电单元进一步最大化生产时间、利用率和安全性。它是电弧炉概念的最新演进，自动控制熔化过程每个阶段：从电力规划到燃烧优化，以及渣和钢冶金管理，覆盖电弧炉循环所需的每个操作。

专家系统按规定熔化实践预计算完整炉次，给出熔化过程和出钢时钢况预览，自动调整功率曲线和加料优化工艺。它决定废钢桶装料的充装设定点。成本优化计算选择废钢类型，确定所需数量和DRI总加入量。也确定成渣剂以满足给定最小渣量和目标碱度。进一步计算炉内或出钢包合金添加剂的成本优化数量。

专家系统考虑吹氧能量输入，确定熔化准备装料材料及将钢液加热至出钢温度所需电能。提供功耗在线监测和预测功耗传输，针对防止峰值负荷和高电价。配备连续DRI加料设施的炉型，DRI加料速率动态控制以靶向恒定钢温，考虑DRI温度。

专家系统拥有强大的数据挖掘引擎，通常专为控制应用开发定制。收集相关数据变量并自动分类为结构化关系。对海量信息应用广泛统计过程分析，区分预期一致行为和异常。持续偏离预期工艺条件导致通过调整熔化曲线适应变化操作条件，持续优化一氧化碳燃烧和燃料高效利用。整体熔化过程集成控制，结合实时跟踪炉变量勾勒相关偏差，为提高能效和生产率提供重大机遇。

通过原位激光系统的实时在线烟气分析，促进过程跟踪，允许通过作用于燃料和氧后燃的可行闭环控制进一步优化。快速响应烟气分析为精炼阶段氧喷吹调节提供快速反馈信息，控制钢脱碳同时限制熔池氧化。

专家系统核心是"熔化模型"，自动识别过程控制变量偏差并修正，避免可用能源损失浪费。它协调多车载传感器实时采集的数据和基于预设静态熔化曲线计算的工艺变量。"熔化模型"协调由电力模型和化学包模型集成的闭环控制。它管理电气和化学熔化曲线的相互作用，实现能源利用优化，以及渣和钢冶金控制，涉及电弧被泡沫渣覆盖管理、后燃优化、电能消耗减少、氧和碳消耗优化等。图3展示熔化模型专家系统闭环控制。

图3 熔化模型专家系统闭环控制

电弧炉专家系统适应持续变化的操作条件，同时保持电弧炉性能处于顶峰。它集成电极控制系统、泡沫渣控制系统、基于工况的废钢熔化系统。

专家系统主要效益：(i)炉次时间缩短达10%，(ii)能耗降低达5%，(iii)合金材料成本降低达5%，(iv)避开峰值电价降低能源成本。

电弧炉炼钢过程建模

过程模型是"预测开放或封闭系统行为的算法"。它允许预测控制和操作员辅助、离线工艺优化、改善对底层物理现象的理解、在线估算无法直接通过测量确定的参数。过程模型指基于物理和热力学关系的确定性模型，不包括纯统计方法。

目前大多数电弧炉炼钢使用一级和二级自动化系统。在这些系统中，需要过程模型。生产周期中，许多重要量未知或因基本原因无法测量，如：(i)固体材料（废钢、DRI等）当前（平均）温度不可观测；(ii)当前熔池和渣温度难以测量；(iii)炉内当前熔池质量无法测量。

过程模型（在线和离线用）是电弧炉工艺和运行优化循环的重要组成部分（图4）。炉仪表（废钢、DRI等称重）运行中持续提供测量数据输入模型。为增强模型预测熔池质量和温度等关键参数能力，可实施新的或更精确测量。更精确数据提供更好机会测试和增强模型。此类更详细或准确的模型允许运行中更好控制（在线模型）或开发优化工艺操作模式。

图4 电弧炉运行优化过程建模

电弧炉仪表允许对能量和质量输入进行定量时间相关测量。此数据可用于熔化过程的在线或离线建模。电弧炉过程模型已被证明有助于改善过程理解和控制，以及资源和能源效率，提供因炉内极端条件无法在过程中直接测量的信息。

在线过程模型的使用可增强对当前过程状态的认识，从而通过为过程控制提供额外输入数据支持优化过程操作。此外，这些模型可使用外推输入数据预测过程变量未来趋势。相同模型可离线使用真实或人工工艺操作数据优化工厂运行或分析工艺创新影响。安装和优化此类过程模型时，模型要求证明并支持实施先进测量系统，如获取炉内精确能量和质量输入数据。

对于电弧炉等复杂过程，解析模型通常比统计模型更难开发，准确度可能不及统计模型。但它们允许外推和迁移，因物理和热力学描述更通用。

电弧炉模型开发始于1974年，最初形式较简单，随后几十年成为最先进技术。模型开发向多方向进行，如：(i)确定总体工艺特征和过程控制，(ii)烟气系统或炉内传热的CFD（计算流体动力学）建模，(iii)熔化和渣化学及渣起泡建模。

电弧炉过程建模和优化是复杂任务，因变量众多：不同装料材料、不同能量载体份额、目标成分和温度。不同工艺阶段、装料时的不连续变化、不同炉型/原料/目标钢质/操作策略的诸多工艺变体，导致开发出各种建模方法。许多模型采用不同方法，针对完整过程及局部现象或单一工艺阶段开发。

鉴于电弧炉建模应用广泛且过程复杂，已应用众多方法推导过程模型。存在纯统计或数据驱动模型（含神经网络），如用于评估电弧炉功耗或电气系统。另一类评估电弧炉能耗的模型使用基于物理关系确定参数的统计方法，如氧气或天然气使用预期功率输送。

过程模型不仅针对完整过程，也描述电弧炉内特定现象，如电弧热传递、喷吹碳与渣反应、烟气系统能量回收影响及潜力。某些情况下这些被纳入更全面的电弧炉过程模型。

过程模型通常基于集总区域，除废钢装料在某些模型中离散为多区域外，无空间离散化。区域间及与周围环境交换热和质量流，化学反应通常在特定区域考虑。然后用能量和质量平衡跟踪各区域温度和成分。大多数过程模型是动态的，也有基于预定义工艺步骤的伪动态方法。

模型采用不同方法，但有重要共同属性：(i)推导并求解质量、能量、组分的物理守恒定律；(ii)通用数值方法建立并求解非线性常微分方程组（多数情况用小显式积分格式）；(iii)模型需要初始值和（通常时变）时变输入数据，如电气输入、化学输入、质量负荷（废钢、DRI等）。