纵观近年来电弧炉炼钢技术的进展，可以发现，电弧炉炼钢在原有高效节能冶炼技术的基础上，以智能化炼钢和节能环保为中心，在超高功率供电、强化供能、智能化控制、节能降耗、绿色环保等方面取得了长足的进步，特别是在智能化控制领域，开发了一系列先进的监测技术和控制模型，大大提高了电弧炉炼钢过程的自动化水平，促进了钢铁工业的快速发展。
1、电弧炉智能化供电
供电操作是电弧炉炼钢过程的主要环节之一，同时，优化供电的关键在于电极的自动调节。为改善电极调节的响应速度和控制精度，确保电弧炉三相电流的平衡及电极连续稳定的调节，需要不断改进电弧炉电极调节系统，从而实现节能降耗、提高产量和质量的目标。自动判定废钢熔清技术的开发，进一步提高了电弧炉供电的智能化水平。
1.1电极智能调节
目前，国内外大部分关于电弧炉电极调节自适应控制的研究主要是将电弧炉主电路作为线性系统进行辨识和控制，然后采用线性系统的自适应方法进行研究。分段线性化自适应控制的方法便是其中的一种，分段线性化自适应控制策略是将电弧炉电极调节系统，由对非线性系统的控制转变成对分段线性化系统的控制，解决了三相电弧炉系统的自适应控制问题。
随着智能控制原理的快速发展，研究人员广泛应用智能控制算法，控制电弧炉电极的调节。针对电弧炉冶炼两个时期的复杂非线性、时变性等特征，研究人员分别采用神经网络和模糊控制与传统PID相结合的控制方法，使冶炼的各时期都能达到满意的控制效果。美国北极星钢公司利用智能控制算法，改善了80t电弧炉的电极控制系统，使得生产率提高了10%-20%，电极消耗降低了0.4-0.6kg/t，电能消耗减少18-20kWh/t。国内舞阳钢铁公司100t电弧炉电极系统采用恒阻抗神经网络调节后，每炉供电时间缩短8min，电能消耗减少了60kWh/t。
1.2自动判定废钢熔清技术
现代电弧炉炼钢一般按照预先设定的通电图表进行电力调整，冶炼过程须多次（如3次）装入废钢。然而因装入废钢的性状（如尺寸、体积、重量、形状等）和熔化状况经常变化，按照预设通电图表操作，并不能取得最佳供电熔化效果。特别在废钢追加时期和由熔化转向升温的熔清时期，多由操作人员根据经验操作。因此，熔清期判断不准确，都会增加冶炼时间，降低生产效率。废钢在电弧炉内熔化状态的准确把握，对炼钢操作会产生较大影响。在此背景下，日本大同特钢公司开发了电弧炉自动判定废钢熔化的E-adjust系统。主要利用电弧炉冶炼过程中发生的高次谐波电流（或高次谐波电压）和电弧炉发声两个要素，判定炉内废钢熔化状态，进而进行自动化控制。大同特钢收集了大量E-adjust实际生产数据，并与传统人工判断化清的生产模式作对比，操作参数对比结果表明，电弧炉平均电耗降低了7.1kWh/炉，操作时间减少了0.4min，引入E-adjust系统后，因操作稳定而节省了电能，并提高了电弧炉生产效率。
近年来，基于自适应技术、神经网络和模糊控制的电极自动调节模型逐渐引入国内电弧炉控制系统，实际生产效果显著。由于国内电弧炉炼钢广泛采用铁水热装技术，自动判定废钢熔清技术须进一步完善，以适应不同废钢比的电弧炉炼钢过程，提高其可靠性。
2、电弧炉炼钢炉况实时监控技术
2.1测温取样新技术
电弧炉炼钢过程中，钢液的温度测量和取样一直是制约电弧炉电能消耗和生产效率的关键环节之一。针对传统人工测温取样安全性差、成本高等问题，一系列自动化测温取样新技术得以开发并推广应用。
2.1.1自动测温取样
目前，普遍使用的取样和测温方式是通过人工将取样器或热电偶，从炉门插入钢水中来完成的。SIEMENSVAI公司设计的SimetalLiquiRob自动测温取样机器人，外层涂有特殊防尘隔热纤维，具有6个自由度的运动、自动更换取样器和测温探头、检测无效测温探头等功能，可以通过人机界面全自动控制。美国PTI公司开发的PTITempBoxTM自动测温取样系统，穿过炉壁进入熔池测温取样。该装置的传动机构和冷却系统，经过特殊的设计，满足电弧炉冶炼的恶劣环境和工艺要求，改善了炉内传热效率，从而降低了冶炼过程的能量消耗。
目前，国内大部分电弧炉炼钢企业仍采用传统的人工取样测温方式，先进的自动测温取样装置，近年来开始引入到国内电弧炉实际生产。
2.1.2非接触式连续测温
钢液温度的实时准确监测能够对造泡沫渣、钢液脱磷、优化供电等相关工艺的优化操作起指导性作用。鉴于电弧炉炼钢过程高温恶劣的冶炼环境，一直以来难以实现对钢液温度的连续性监测。SIEMENSVAI开发了一套创新型方案——基于组合式超音速喷枪的非接触式连续钢液温度测量系统（SimetalRCBTemp）。区别于传统的测温方法，该系统能够在短时间内，准确地测出钢液温度及出钢时间，使电弧炉炼钢过程的通电时间和断电时间均为最佳。该系统实现了非接触钢液的连续测温，提高了电弧炉炼钢的生产能力。但该系统温测的可靠性和使用寿命须进一步验证和完善。
2.2泡沫渣监测控制技术
电弧炉炼钢过程的泡沫渣操作，能够将钢液同空气隔离，覆盖电弧，减少辐射到炉壁、炉盖的热损失，高效地将电能转换为热能向熔池输送，提高加热效率，缩短冶炼周期。冶炼过程中造泡沫渣是低消耗和高生产率电炉炼钢的关键。近年来，泡沫渣操作的相关监测控制技术得到研究和应用。
SIEMENS开发了SimeltFSM泡沫渣监控系统。针对泡沫渣的高度和分布对炉内声音传播的影响，能够定性地测定炉内泡沫渣的存在状态，调节泡沫渣操作和稳定电弧，以改善电弧炉能量供应，提高生产效率。
美国PTI公司开发的电弧炉炉门清扫和泡沫渣控制系统PTISwingDoorTM减少了外界空气的进入，提高了炼钢过程的密封性。从而保证冶炼过程中炉膛内渣层的厚度，减少了能源消耗，提高电弧传热效率，改善能量利用效率。
目前，国内大部分钢厂仍采用人工方式控制泡沫渣的制作，部分钢厂采用了电弧炉炉门系统进行优化，能量利用效率明显提高。而由于电弧炉炼钢炉况的复杂性，基于炉内发声的泡沫渣监控系统的可靠性有待验证。
2.3烟气连续分析系统
现代电弧炉炼钢集高效、安全和环保于一体，对于炼钢过程烟气检测、控制和工艺优化的要求越来越高。现代电弧炉烟气分析系统，能够准确地测量烟气的温度、流量以及烟气中CO、CO2、H2、O2、H2O和CH4等成分。烟气分析系统利用采集的信息和自身的控制模型，对冶炼过程分析、判断并控制。烟气的在线探测传感器一般安装在电弧炉第四孔处，须进行特殊的设计以适应第四孔苛刻的高温和烟尘环境，增加其可靠性和使用寿命。
国内江苏淮钢采用美国Praxair公司开发的基于炉气分析的二次燃烧系统进行二次燃烧用氧控制，取得了明显的节能效果，吨钢电耗下降28kWh，冶炼时间缩短7.5min。
烟气分析系统在国内外电弧炉上已有广泛应用，效果良好。就目前实际应用情况而言，耐高温和粉尘的气体探测传感器需继续研究开发，以进一步降低使用成本，提高气体分析的准确性。
3、电炉冶炼过程优化控制
3.1成本控制优化系统
近年来，北京科技大学采用时空多尺度结构理论，对电弧炉炼钢过程进行研究，指出其物质转化过程中存在着微观尺度、介观尺度、单元操作尺度和工位尺度等多个时空尺度的结构。在充分吸收国内外钢铁企业现有过程控制模型的基础上，结合电弧炉成本控制模型与电弧炉炼钢流程专家指导模型，构建了一套包括电弧炉、精炼与连铸，实现成本监控、过程优化指导于一体的在线电弧炉炼钢流程模型的多尺度模型。该模型已成功应用于新余新良特钢、衡阳钢管、马来西亚安裕钢铁、台湾易昇钢铁、西宁特钢、天津钢管等企业的电炉生产过程。平均吨钢氧气消耗降低2Nm3，电耗降低2kWh，金属料消耗下降10kg，吨钢成本降低30元以上，经济及社会效益显著。
3.2电弧炉炼钢终点控制
近年来，随着智能算法的发展，研究人员将人工神经网络、支持向量机、遗传算法等智能算法引入电弧炉炼钢，开发了一系列终点预报模型并在实际应用中取得了良好的应用效果。由于基于智能算法的“黑箱模型”过分依赖数据，缺乏生产工艺的指导，结合反应机理和智能算法的混合终点预报模型近年来逐渐被开发。可以预见，在电炉炼钢终点控制领域，更有效的监测技术和高可靠性智能模型的研发及两者的有机结合将成为研究的热点。
3.3冶炼过程整体智能控制
随着监测手段和计算机技术的发展，电弧炉炼钢智能化控制不再仅仅局限于某一环节的监测与控制，应从整体过程出发，将冶炼过程采集的信息与过程基本机理结合进行分析、决策及控制，追求电弧炉炼钢过程的整体最优化。
SIEMENSVAI开发了SimentalEAFHeatopt整体控制方案（如图１），对电弧炉炼钢过程实时整体控制，极大地改善了能源利用率、生产效率和生产过程的安全性。该系统利用最新的检测技术和状态监测控制方案，对电弧炉炼钢过程进行最优化控制，能够确保最大的生产效率、最佳的能量转换率以及最小的生产成本。电弧炉炼钢过程的整体智能控制，依赖于各环节的智能化控制水平，其研究仍处于起步阶段。冶炼过程各监测手段和控制模型的不断优化，将促进电弧炉炼钢整体智能控制的进一步发展。
4
结论与展望
日益突出的能源环境问题和人类不断提高的节能环保意识，将促进电弧炉炼钢流程的进一步发展，日益上涨的人力成本和不断加快的冶炼节奏，将对电弧炉智能化炼钢提出更高的要求。可以预见，智能化技术在电弧炉炼钢领域的重要性将日益突出，更先进的监测手段和可靠的整体优化控制方案及两者的有机结合，将成为今后电弧炉智能化炼钢的发展趋势。
中国人保财险承保
CABR建设工程产品认证
