国产副枪技术在转炉炼钢中的应用

摘要：副枪作为转炉自动化炼钢的必备条件和确保品种钢质量的重要手段，近年来得到广泛的应用和发展。本文主要从副枪设备构成、自动化控制系统及DAS数据分析系统对国产副枪技术在210t转炉上的应用情况进行了介绍。

关键词：国产副枪；副枪设备；控制系统；DAS数据分析系统

【分类号】：TF713

0、前言

目前，转炉炼钢正向着装备大型化、冶炼自动化的现代炼钢模式发展，为了缩短大型转炉冶炼周期、有效控制物料消耗、提高一次终点命中率，转炉副枪技术得到广泛的应用。所谓副枪，是相对于氧枪（主枪）而言的，它是设置在氧枪旁边的另一根水冷枪管，可在不中断吹炼或不倒炉的状态下，去获得转炉熔池的各种所需要的信息，例如：温度、碳含量、氧含量、熔池高度及熔池内液体的各种化学成分。同时借助转炉自动炼钢模型对吹炼所需要的氧量和冷却剂的添加量进行反复计算，调整系统的各种参数，以提高终点命中率，避免后吹。整个过程不需倒炉停止吹氧，可缩短冶炼时间5～10min，大大提高了转炉的生产效率。由于对整个冶炼的动态控制也有效降低了冶炼成本。涟钢210t转炉于2009年成功引进国内武汉华枫副枪及自动炼钢模型，投产至今取得良好的使用效果。

1、副枪工艺流程

副枪的作用就是代替人工倒炉测温取样，通过副枪设备测得炉内信息并及时传至过程计算机。它主要进行三种周期动作：复位周期、连接周期、测量周期。其中测量周期最为重要，根据冶炼状态可分为过程测量（TSC探头测量）和终点测量（TSO探头测量）。在转炉实时供氧量达到炉次设定氧量的85%时，副枪进行TSC测量，用装有TSC探头的副枪插入熔池内，迅速测出熔池温度和结晶温度，并取出钢样（送化验室分析），将数据送入自动炼钢过程计算机，通过结晶温度和碳含量的关系求出碳含量，及时修正吹炼静态模型，实现动态控制，提高转炉炼钢的命中率。当转炉冶炼完成，副枪进行TSO测量，利用TSO探头测出终点钢液温度和氧活度，通过碳―氧平衡关系可精确计算出碳含量，这样可让操作工及时做出快速出钢决定，同时可提前计算出炉后加脱氧剂的数量。在TSO测量结束后上升过程中通过钢液/渣的界面时，钢液温度和氧活度会产生跃变，利用此时的差值能快速计算出熔池钢液位。

2、副枪设备

副枪现场设备主要由本体设备（枪体及旋转升降装置）、冷却水和压缩空气以及氮气供给装置（阀站）、副枪探头装卸装置（APC装置）、密封帽及刮渣器装置等组成。

副枪枪体主要由3层管组成，从内到外分别为补偿电缆和吹扫氮气、冷却水进、冷却水出通道，枪体底部连接探头把持器。

副枪旋转升降装置是副枪主体设备（见图1），装置平台上除设有旋转机构外，还配有提拉副枪升降小车的卷扬装置。旋转和升降均由西门子变频器拖动交流电机完成。升降位置由卷扬侧高度编码器实时监测，电机侧双通道编码器不仅对升降速度进行反馈，而且对高度进行实时校对。旋转角度控制由角度编码器及两侧极限限位完成，旋转速度由旋转电机侧的编码器进行反馈控制。

探头自动装卸装置其作用是将检测钢水化学成分的探头经过存储、输送、分拣、夹紧翻转等机械动作，同时配合副枪升降使探头装载到带有补偿导线插接件的把持器上，并与副枪DAS系统（数据分析系统）连通进行数据分析记录，在完成测量后将返回的探头进行自动拆卸。整套装置主要由探头储存箱、探头供应装置、探头运输装置、探头夹紧翻转装置、探头拆卸装置六部分组成。

3、副枪控制系统

副枪控制系统采用西门子S7-400PLC，通过Profibus-DP网络，将旋转、提升变频器组成DP从站，实现副枪测量动作的控制和信号的传输。电气控制主要有升降控制、旋转控制以及探头连接拆卸控制。

副枪升降是由一台变频控制的电机带动卷筒来控制，升降速度高速为2.5m/s，中速0.6 m/s，低速0.2m/s，定位速度0.1m/s。升降变频器速度给定由安装在卷筒上的高度编码器PLG1（400）来调整。另外，在电机侧还安装有一个双通道编码器PLG2（100）和PLG3（1024）。PGL1和 PLG2的信号都输入到PLC中的计数模板上，PLG2 用于校验PLG1的好坏。PLG3的信号输入到提升变频器中，用于电机的速度反馈。

从安全角度出发，还另外配置了一个由EPS电源供电的副枪应急驱动柜，主要用于在副枪测量过程中突然停电时，由EPS电源驱动事故提升变频器将副枪慢速提出转炉。

副枪的旋转控制用于旋转平台及副枪枪体在测量位与探头连接位之间的旋转。旋转速度分高速和低速，通过角度编码器进行控制，整个旋转角度为104°，旋转平台两侧各设有一个定位限位和极限限位，确保旋转的安全性。

探头的连接控制包括探头从探头仓到翻转臂再到副枪把持器上的所有顺序控制。探头首先从探头仓中靠气缸控制落到探头运输机上，然后靠气动马达驱动运输机将探头运输到翻转臂上，等翻转臂上的探头夹持器闭合后翻转臂转至垂直位，等待副枪下降进行探头安装。 副枪连接速度根据高度不同分为几档，但仅有中速以下档位。同时设置有下降的最低高度，不但保证探头可靠连接也确保翻转臂的安全。

为了保障副枪顺序动作的可靠性，控制系统设计了许多完善的内部联锁，包括手动操作的单步联锁和自动控制下的自动周期联锁，而且其与转炉倾动同样设有联锁。

4、信号处理系统

副枪DAS 数据分析系统是由武汉华枫在研究国外副枪测量系统及实际现场应用曲线的基础上开发成功的，整个系统由一台嵌入式计算机（DAS主机）和一台个人计算机（数据显示记录计算机）组成。

副枪DAS主机系统是基于VxWorks嵌入式系统，运行在实时环境下，采样精度高，运行快速的系统。它采用高精度模拟量采集模块采集来自现场TSC、TSO探头的毫伏信号，经AD转换后在CPU中分析形成数据集合，通过模型计算出测量结果。测量数据通过以太网交换机和PROFIBUS DP现场总线通讯板与副枪DAS数据记录系统和副枪PLC实现数据交换。并通过L1以太网与倾动PLC、氧枪PLC以及自动炼钢二级机进行通讯，保证转炉过程计算机控制全过程炼钢。

5、应用效果

自2009年涟钢210t转炉投产至今，通过设备和操作的不断优化，副枪使用率稳定在99%以上，每月因设备原因导致无法测量的次数少于15次。通过副枪设备有力支持，转炉自动炼钢投入率达100%，其中“一键炼钢”率突破90%。

由于采用副枪在测温和取样时，不再需要倒炉，减少冶炼周期，我厂冶炼周期平均为36分钟，已达国内先进水平。通过副枪过程和终点的准确测量，配合自动炼钢模型的精确控制，转炉原辅料及能源介质指标明显改善，氧气消耗平均在50m3/t，石灰消耗平均在40kg/t，已达国内先进水平。在有效降低了冶炼成本的同时，一次成分命中率也大大提高，C-T双命中率已达90%已上，获得显著的经济效益。

参考文献

[1] 孟雷，刘青，马书彤.转炉副枪技术在济钢的应用[J]. 冶金设备管理与维修.2011，29（1）：p30～31

[2] 李国笃.转炉副枪炼钢技术在莱钢的应用[J] .冶金设备.2009年特刊：p41～42

[3] 石明珠.转炉副枪自动化控制系统[J].太钢科技.2009年第4期：p44～47