一、研究的背景与问题
马钢配置2座300tRH炉，主要冶炼硅钢、汽车板、电池壳钢等钢种，冶金功能包括：脱碳、合金化、调温、脱硫、增氮等。
本项目建设前，RH采用人工根据作业指导书操作，成分及温度控制参数如：吹氧量、合金种类及加入量、脱硫剂量、吹氮时间等需人工计算、监控、确认、执行。此种操作模式对操作者的技能、体力等综合素质要求很高，稍有疏忽就会造成成分及温度超标。这种操作模式下，吹氧量、废钢量等计算不精准，合金漏加、未根据工艺要求将氮气切换为氩气以及未切换真空度导致氮超标等事件时有发生；此外操作者难以根据多变的钢种及钢水条件快捷计算合金种类、调整RH处理模式，需要频繁通过键盘及鼠标输发出操作指令，需要频繁的切换计算机画面监控参数。人工操作的弊端集中表现为：成分及温度控制不精准、RH效率低、操作强度大。
项目开展前，国内外RH模型处于“幻灭低谷”阶段，RH模型在炼钢厂的应用存在模型投用率低、适用钢种少、智能化程度低、功能单薄等不足，主要表现为：
①温度及氧相关模型多侧重于温度及氧预报，且预报及控制准确性不高；
②没有增氮模型、脱硫模型等模块，不能满足（无）取向硅钢等品种钢的生产需求；
③仅考虑单个功能模块的一键式操作，没有将多功能模块进行有效串联，“人找模型”现象严重，根据RH冶炼进程需由人工选择、调取子模型，各个功能模块画面由操作人员根据自身需要进行切换，没有大幅降低劳动强度；
④定氧取样时机依赖人工经验，标准化程度不高，影响温度控制和时间节点控制准确性；
⑤没有深入研究操作人员的关注点，现场操作人员使用模型的积极性不高，模型投用率低。
二、解决问题的思路与技术方案
本项目的研究内容，主要如下：1）构建RH工艺模型矩阵；2）研发RH全流程智能冶炼的控制方法；3）开发RH智能高效生产技术；4）研发RH智能精炼实用功能及监督机制。技术路线如图1。
图1 技术路线图
1、研发了RH钢水温度、超低碳钢脱碳结束氧智能控制技术和模型
（1）RH吹氧量精准计算技术
RH吹氧量的精确计算是行业难题之一。项目组研究出一种“两步法”确定RH炉冶炼IF钢吹氧量的方法，能适应钢包状态、包底冷钢、真空槽的差异等因素的变化，可以精确计算RH吹氧量，提高温度控制的准确性。
（2）无取向硅钢钢水温度分段控制技术
无取向硅钢由于硅铁加入量大，在硅铁加入前后温降变化大且规律性不强，因此对于硅钢采用分段控制的方法。
（3）数据深度分析，挖掘钢水自然温降规律
进行自然温降测定试验，结合实验结果与历史数据，对炉次的进站条件、温度变化进行KNN分类器分类，对每一个类别分别进行回归算法学习，最终采用验证集最契合的梯度提升算法计算不同条件下的钢水温降。
（4）确定合金温降及脱氧剂脱氧升温效果
将热力学计算结果及现场试验深度融合，确定合金温降，结果如表1所示。
表1 合金废钢对钢水温度的影响
2、研发了基于RH环流气氮/氩切换的氮含量智能精确控制技术及模型
（1）要解决的技术难题
RH冶炼取向硅钢、搪瓷钢等含氮钢种时，不仅需控制氮，还需调整化学成分、温度。采用环流气增氮工艺，RH处理过程[N]达到目标值时，化学成分及温度可能还未调整到位，若继续增氮，则[N]势必超上限，在此情况下，需将环流气由氮气切换为氩气进行脱氮，另外真空槽状态的差异对增氮速度影响也非常大。本创新点要解决以取向硅钢为代表的含氮钢种氮含量控制不稳定、易超标的技术难题。
（2）工业测试结果
RH环流气吹氩气脱氮速度如图2所示。
图2 RH环流气吹氩气脱氮速度
3、研发了RH智能高效生产技术
（1）低碳钢RH处理模式智能控制模型
钢水碳含量要求介于0.015%-0.08%之间的低碳钢RH传统采用轻处理模式，即：脱碳至0.0050%左右，再根据碳含量要求加入增碳剂调整碳至目标值。此种模式RH处理周期较长。根据RH进站[C]、[O]、温度之间的匹配关系确定RH的操作模式是其难点。
（2）三种RH处理模式类型的界定
依据RH是否脱碳、脱碳程度及需降低温度的幅度，将RH处理模式分为：完全脱碳、不脱碳、保碳等三种模式：完全脱碳：RH在4～27kPa真空度下处理钢水。RH脱碳目标为0.0030%-0.010%，在碳符合目标时加铝脱氧及合金化。不脱碳：RH开抽后真空槽内真空度逐步下降，当真空度降低至20-40kPa时加铝脱氧合金化。保碳：在4～27kPa真空度下处理钢水。在碳含量符合[目标值-0.005%,目标值+0.005%]时加铝脱氧合金化。
（3）RH处理模式选定规则
收集RH进站温度、碳等元素含量、破空目标温度、[C]目标值及范围、RH加入合金温降等参数；预算废钢量=（RH进站温度+RH氧含量/25-RH破空目标温度-RH加入合金的温降-不脱碳模式条件下RH钢水自然温降）/1.80×钢水量（吨）；
本模型投用后，低碳钢三种处理模式比例、RH处理时间如图3、4所示。
图3 用前后低碳钢RH处理时间对比
图4 投用前后低碳钢RH处理时间对比
4、研发了RH全流程智能冶炼控制技术
解决RH人工操作模式及现有RH模型存在的人工频繁干预模型运行、操作强度大的行业技术难题。
（1）RH定氧取样智能提示模型
定氧取样是RH获取钢水实时信息的操作手段，诸多关键操作基于定氧取样所获取的氧、温度、成分信息后进行。通过对真空时间、真空度、合金化及吹氧后循环时间，结合脱碳模型、成分预测模型的输出结果，当预定条件满足时提示定氧、取样。
模型判定定氧取样时机出现时，自动在主控室内及室外播报语音，语音内容如表2所示，投用后达到的技术指标如表3所示。
表2 RH定氧取样智能提示模型输出语音
（2）达到的技术指标
表3 技术指标
三、主要创新性成果
1．针对RH钢水温度及IF钢脱碳结束氧影响因素复杂，特别是出现钢包、真空槽热状态存在波动或者真空槽吹氧化冷钢、转炉下渣量大等炼钢厂常见的异常情景时，RH精准控制钢水温度及氧含量难度大的技术难题，首次研发了RH“两步法”精确控制钢水温度及氧含量的方法和模型，中包温度±7.5℃范围内的合格率达到97.4%。本创新点形成发明专利7项，软著2项，论文1篇。
2．针对RH冶炼取向硅钢时选择氮气作为环流气增氮存在的的吹氮持续时机难以精确确定、真空槽状态对增氮速度影响大，从而造成氮含量控制不稳定、易超标的技术难题，开发了氮控制模型，实现了氮含量精确控制，取向硅钢破空预测氮含量偏差±5ppm比例达到99%以上，氮含量合格率达到100%。本创新点形成发明专利3项，论文1篇。
3．针对低碳铝镇静钢RH操作标准化程度不足、冶炼周期偏长的问题，首次构建了独有的基于钢水条件、RH关键参数、历史炉次数据的信息物理融合系统，对生产过程、成分检测等进行大数据的深度处理分析，挖掘提高RH生产效率的策略，实现低碳钢高效冶炼。本创新点形成发明专利3项。
4．针对RH人工操作模式及现有其它RH模型存在的人工频繁干预模型运行、鼠标+键盘操作次数多、操作者劳动量大的行业技术难题，开发了RH全流程自适应智能控制技术，人工干预率为2.8%。得益于本智能控制系统极高的智能化水平，应用本系统，创造了“一名操作人员同步冶炼两座RH炉的两炉钢”的行业记录。本创新点形成发明专利3项，软著1项，技术秘密2项，论文1篇。
四、应用情况与效果
本成果于2021年底开始在宝武马钢四钢轧总厂1#RH炉及2#RH炉上投用，截止2024年11月，利用本RH智能控制系统累计冶炼钢水49000炉（1500万吨），本系统全部功能投用率高达99.7%，适用钢种包括汽车板、无取向硅钢、取向硅钢、管线钢、原料纯铁、电池壳钢、搪瓷钢等高端品种，钢种覆盖率达到100%。经测算，近三年创效达8000万元。本项目已推广至国内其它5家炼钢厂。
信息来源：马钢有限钢轧厂
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