摘要
本项目针对转炉炼钢过程中操作经验难以固化、过程数据分散、熔池反应不可见、终点命中率不稳定等突出问题，将各种转炉炼钢技术和现场操作经验沉淀为数据与机理模型，依托炉气分析、声呐测渣、机器视觉等在线检测手段，构建转炉智能一键无人炼钢系统，实现转炉冶炼全流程自动控枪、自动备料下料、自动溅渣和终点动态预测，并配套建设边缘数据库系统和数字孪生系统。项目于2023年1月启动、2024年3月建成投用，总投资800万元，覆盖3座转炉。应用后，单台转炉每年节省成本超过400万元，3座转炉累计降本2000余万元，软件应用率达到99%以上，终点命中率和钢水质量稳定性明显提升，形成发明专利、实用新型专利、外观设计专利等一批知识产权成果，并于2024年实现对外技术输出，为钢铁行业转炉工序智能化改造提供了可复制的样板。
关键词：转炉炼钢；一键无人炼钢；机理模型；炉气分析；数字孪生；智能制造
一、实施背景
转炉炼钢是钢铁生产流程中承上启下的核心工序，其操作水平直接决定钢水成分、温度、洁净度和生产成本。长期以来，转炉冶炼高度依赖操作人员的个人经验：下料的数量、品种、时机缺乏统一规范，氧枪枪位和氧步控制因人而异，各操作工操作手法不一；冶炼过程的关键数据分散在自动化系统、检验系统和人工记录等多个环节，生产数据无法预测、缺少参考依据；熔池内部反应状态不可见，喷溅、返干等异常工况只能靠经验判断；终点控制主要依靠副枪过程测试后的人工判断，终点点吹次数偏多，一次命中率难以稳定。
上述问题直接造成石灰、合金、氧气、副枪探头等物料消耗偏高，冶炼周期偏长，钢水质量波动较大，制约了转炉工序降本增效和产品质量的稳定提升。与此同时，行业智能制造和“一键炼钢”技术快速发展，用数字模型替代经验操作、用在线检测手段“看见”熔池反应、用数据分析实现过程预测，已成为转炉工序转型升级的必然方向。国家大力推进制造业高端化、智能化、绿色化发展，钢铁行业也将工序智能化改造作为降本增效和绿色低碳发展的重要抓手。本钢炼钢厂结合现场实际，决定以转炉工序为突破口，自主研发智能一键无人炼钢系统，推动转炉冶炼由“经验驱动”向“数据和模型驱动”转变。
二、实施目标
1.经验数字化。将分散在技术人员和生产骨干头脑中的炼钢经验固化为可执行的程序，把零散的经验公式与物理、化学公式编制成机理模型，覆盖热平衡、物料平衡、自动下料、自动控枪等核心环节，使转炉冶炼操作实现标准化、可复制。
2.过程可感知。引入炉气分析、声呐测渣、机器视觉等在线检测技术，对全程渣况（返干、喷溅）、渣碱度、全程氧量进行实时预测，并动态预测终点碳含量、氧含量和温度，提高终点命中率，减少终点点吹，稳定钢水质量。
3.数据可沉淀。建设边缘数据库和数字孪生系统，实现生产过程关键数据的自动采集、历史查询和成本分析，支撑管理人员事后复盘和班组对标，并利用大数据统计和简单ANN神经网络实现模型自学习、自修正。
4.能力可复制。形成培训、维护、操作等标准化文件和管理机制，保障系统长期稳定运行，并通过技术输出实现成果创效，为同行业转炉工序智能化改造提供样板。
三、建设内容
1.一级自动化与程序改造。以PLC程序改造为基础，结合LabVIEW、C#、WINCC编程，对原有转炉一级自动化系统进行功能扩展，把热平衡计算、物料平衡计算、自动下料、自动溅渣等操作编制为可自动执行的程序，实现从加废钢、兑铁水、下枪吹炼到出钢的全流程一键操作，操作人员由“逐步手动操作”转变为“一键启动、过程监护”，从源头上统一了操作标准。
2.机理模型与神经网络模型建设。在原有一级自动化系统和经验模型基础上，新增机理模型和简单ANN神经网络模型，覆盖全程渣况（返干、喷溅）、渣碱度、全程氧量预测，以及终点碳含量、氧含量、温度动态预测和合金配比计算。模型将现场经验公式与物理、化学机理公式统一固化，并通过简单ANN神经网络的自学习功能，依据历史炉次数据对模型参数进行自修正，使模型计算更加准确、可自我完善。
3.在线检测与过程感知。引入炉气分析系统、音频化渣系统和炉口机器视觉，实时检测炼钢过程熔池内的脱碳反应速度，对原来熔池内部不可见的喷溅、返干等关键生产事件进行识别和预警；副枪过程测试后，采用动态打靶方式预测终点，减少终点点吹，提高终点命中率。
4.边缘数据库与数字孪生。创建MySQL边缘数据库，对生产过程中的总氧累、终点碳、终点温度、终点氧等关键数据进行自动采集，实现历史数据查询和成本分析，方便管理和技术人员开展事后分析与班组对标；同步建设数字孪生系统，对转炉冶炼过程进行可视化呈现与状态映射，为工艺优化提供直观依据。
5.界面集成与操作优化。从操作人员现场需要出发，把过去需要心算或用公式计算的参数集成到统一画面上，集中展示操作人员急需的关键数据，减少人工计算和跨画面切换，降低操作强度和人为差错概率，使一线操作更加简便、直观。
6.配套保障机制。同步建立培训、维护、操作等标准化文件和管理制度，明确职责分工和技术责任，形成机制健全、文件健全的运行保障体系，保障系统稳定运行和持续优化迭代。
四、实施效果
1.经济效益方面。项目总投资800万元，其中单台转炉配套炉气设施投入约200万元。系统投用后，单台转炉每年节省成本超过400万元，静态投资回收期约为半年；3座转炉累计降本2000余万元。降本主要来自石灰消耗、合金消耗、碳氧积、终点氧、副枪探头消耗的降低和冶炼时间的缩短。系统附带的成本分析、边缘数据库和数字孪生功能，为转炉工序精细化成本管控提供了数据支撑，软件应用率达到99%以上。
2.质量与效率方面。通过终点动态预测和合金计算模型，提高了终点命中率，减少了终点点吹和合金消耗，稳定了钢水质量；通过自动控枪、自动备料下料，炉前操作实现了标准化、自动化，人为因素对生产结果的影响明显降低。
3.知识产权与荣誉方面。项目累计申报发明专利8项（含PCT国际专利1项）、授权发明专利1项、授权实用新型专利1项、外观设计专利1项，形成本钢专有技术1项，获2024年本钢集团科技奖二等奖，2025年第十一届国际发明展览会铜奖。
4.社会效益方面。系统减少了操作人员劳动强度，改善了炉前作业环境，提升了转炉炼钢的自动化、信息化、数字化、智能化水平，为钢铁制造业智能制造迈出重要一步，2024年在金属学会炼钢年会作为科技成果在主会场进行了宣讲，发挥了示范带动作用。
5.推广输出方面。系统由本钢炼钢厂完全自主研发，实用性强、适合推广。目前已实现技术输出创效50万元，并在北营炼钢厂3台转炉实际应用，验证了系统的可靠性和可复制性，具备在行业范围内推广应用的基础。
五、推广价值与展望
本项目形成了一套可复制、可推广的转炉智能一键无人炼钢解决方案。从投入产出看，单台转炉新增投入约200万元，而年降本超过400万元，经济效益明显、回收周期短；从推广条件看，系统基于转炉现有的一级自动化和仪表基础实施改造，不改变主体工艺装备，改造风险低、适应性强，既适用于新建转炉，也适用于存量转炉的智能化升级。系统已在北营炼钢厂3号转炉实现技术输出应用，验证了跨产线复制的可行性和稳定性，对同类钢铁企业具有直接的借鉴意义。
下一步，本钢炼钢厂将继续深化炼钢大数据分析和模型自学习能力，推动系统由“一键无人炼钢”向“全过程自适应优化”升级，并以本项目为基础，逐步向炼钢区域其他工序延伸，形成可对外输出的炼钢智能化技术包，为钢铁行业智能制造和绿色低碳发展贡献力量。
图1转炉智能一键无人炼钢系统应用界面
图2转炉智能一键无人炼钢系统技术实现示意
完成单位：本钢板材股份有限公司
完成人：郑传新，李泉、张永亮，薛长江