运用副枪技术和动态炼钢模型实现自动炼钢

摘要:本文介绍了自动炼钢控制系统的模型、副枪设备及数据分析系统,着重描述了基于两级计算机控制系统运用动态炼钢模型实现自动(计算)炼钢的技术和方法,并结合自动炼钢技术在武钢、首钢迁安炼钢厂的成功运用,阐述了在重钢新区转炉炼钢厂实现自动炼钢的必要性和可行性。

关键词: 自动炼钢副枪模型重钢应用

中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)01-0000-00

1 转炉炼钢控制模型

转炉炼钢过程是一个复杂的多相物理化学反应过程,工作环境恶劣、过程复杂,生产过程中难以准确地进行连续测量,因而无法采用常规方法对其过程进行控制。目前,比较成功而又广泛采用的是静态控制模型为主以副枪检测参数为辅动态控制模型相结合的方法,控制冶炼结束时的钢水碳含量和温度,从而得到成分和温度都合格的钢水。

1.1 静态模型

静态模型一般是以目标碳含量和目标温度作为控制目标的计算模型,包括主原料计算模型、供氧量模型、合金加入量模型和熔剂加入量模型等。

静态模型首先提供物料平衡条件,根据主原料的实际装炉数据(铁水的重量、成分和温度,废钢的重量和温度),通过物料平衡和热平衡来计算冶炼期间所加入的副原料和需氧量,以达到冶炼钢种所要求的目标成分和温度。在静态模型的计算过程中也考虑了参考炉次的冶炼情况。目前,静态模型包括简单的经验模型及复杂的热化学和冶金平衡模型。前者只能提供一般的指导,大部分的冶炼控制仍需操作人员决定;后者因热化学和冶金平衡而提高了冶炼控制水平。

1.2 动态控制模型

在转炉炼钢末期,根据静态模型计算设定值进行冶炼,计算机将降低氧气流量的设定值,同时发出下降副枪进行测温取样的指令。二级计算机系统将接收副枪测量的实际冶炼数据(钢水温度和碳含量等),并据此判定是否能够直接命中冶炼目标。若计算出冶炼终点能够直接命中目标,即静态模型终点命中,则不需进行校正控制,可继续完成冶炼过程;若计算出冶炼终点不能直接命中目标,则动态控制模型将根据副枪的定碳探头测量并计算出动态控制阶段需要的末期吹氧量及冷却剂添加量,同时根据该钢种冶炼标准确定冶炼终点目标范围,并依据动态控制阶段的实际吹氧量及冷却剂实际添加量按步进量(步长)实时预测钢水的碳含量和温度。当预测值进入冶炼终点目标范围内时,向一级计算机控制氧枪移动的可编程序控制器(PLC)发出提枪停吹指令。一旦冶炼停止,动态控制模型将同步停止计算,动态校正过程完成。

2 副枪及复合探头

2.1 副枪系统

在冶炼过程中,使用副枪可在不中断冶炼或不倒炉的状态下获得转炉熔池的各种信息,如温度、碳含量、氧含量、熔池高度及钢水的化学成分,这样便可以借助计算机对冶炼所需氧量和冷却剂添加量进行反复计算,调整系统的各种参数,以命中碳含量和温度(称为[C]一T命中)的目标值,避免后吹。副枪系统主要完成副枪的升降、旋转及探头自动装卸3个主要动作。副枪系统主要由副枪升降系统、副枪旋转系统和探头自动装卸系统3部分组成。

2.1.1 副枪升降系统

副枪的升降由1台直流电动机驱动相应的机械设备完成,直流电动机由调速装置供电。副枪的位置控制由PLC及设备共同完成。

2.1.2 副枪旋转系统

副枪的旋转由1台交流鼠笼式电动机驱动相应的机械设备完成。副枪的位置控制由PLC及设备共同完成。

副枪旋转的目的主要是在副枪完成测量后由测量位置旋转到副枪连接/脱卸探头位置,或在修炉时将副枪移开。

2.1.3 探头自动装卸系统

探头自动装卸系统主要完成以下2个任务:

(1)从探头储存箱内取出探头,并将其安装在副枪上;

(2)当副枪测量完毕后,脱卸掉副枪上的探头。

探头自动装卸系统主要由探头储存箱、探头供应装置、探头运输装置、探头翻转装置和探头拆卸装置5部分组成(各部分均由PLC及相应软件进行全自动控制),其作用如下:

(1)探头储存箱。由5个弹仓组成,每个弹仓可装30支探头,共可储存150支不同类型的探头;

(2)探头供应装置。被选中的弹仓喂下一支探头到运输链上,由气缸控制完成;

(3)探头运输装置。将运输链上的探头运送到探头摆动臂上,由气动马达控制相应的机械设备完成;

(4)探头翻转装置。探头摆动臂检测到探头信号后,夹紧探头,合拢导向锥后垂直竖起,进行探头连接的一系列动作。摆动臂由1台交流鼠笼式电动机(额定功率为2.2kW)驱动相应的机械设备来完成其摆动到垂直或水平位置;

(5)探头拆卸装置。由气缸推动右夹钳,同时连杆带动左夹钳,实现夹持动作,当探杆上行时,将使用后的探头从探杆上拆卸下来。

2.2 复合探头

在转炉副枪上使用的复合探头主要有SLS-TSC(测温、取样和定碳)探头和SLS-TSO(测温、取样和定氧)探头2种。

(1)SLS-TSC探头。在冶炼终点前约2min时,将装有SLS-TSC探头的副枪插入溶池,迅速测出钢水温度和钢液凝固温度,并取出钢样进行成分分析,将分析数据送入过程计算机,通过凝固温度和碳含量的关系求出钢水碳含量,及时修正冶炼静态模型,实现动态控制,提高转炉炼钢的命中率;

(2)SLS―TSO探头。在冶炼终点时,将SLS-TSO探头插入溶池,测出终点钢液温度和氧活度。通过碳一氧平衡关系精确计算出钢水碳含量,以便操作人员及时出钢,同时可提前计算出炉后加脱氧剂的量。

SLS-TSO探头在测量结束后通过钢液与钢渣的界面时,钢液温度和氧活度发生跃变,根据跃变的时间、副枪高度及副枪的运动速度便可求得熔池液位。

3 副枪数据分析系统

副枪数据分析系统(DAS)由1台嵌入式计算机、1台个人计算机及辅件组成,用于对转炉炼钢冶炼过程中钢水的温度、氧含量、碳含量以及钢水液面参数进行测量和控制,按照钢种的要求及时、有效地控制、调整钢水温度和钢水成分。该系统是实现转炉计算机自动化炼钢的重要条件,同时也是确保钢水品种与质量的重要手段。

DAS通常与副枪一起配合使用,在转炉冶炼至总吹氧量的85%和冶炼终点时对钢水进行测温、定氧和定碳。为完成上述测量,探头必须先连接到副枪上,然后通过副枪插入到钢水中进行测量。探头信号通过补偿电缆传送到DAS的模拟输人端,经运算分析,测量结果通过DAS的测量系统与副枪PLC进行通讯,交换过程控制信息,并输出测量结果。

当收到来自副枪PLC的“测量开始”信号时开始测量,并开始执行采样、求值和显示3个过程。

(1)采样。采样周期为40ms。来自探头的样品信号被存储到DAS微处理器内存后,通过DAS求值程序得到测量值。在采样期间,DAS控制面板上相应的“TSC测量”和“TSO测量”信号灯点亮;

(2)求值。测量值按标准程序执行,计算结果与样品质量有关;

(3)显示。测量值、信号状态及其曲线图在DAS显示记录计算机及转炉控制室的人机界面(HMI)画面系统中显示。

4 转炉自动(计算)炼钢控制技术

为实现自动炼钢必须配备两级计算机控制系统,系统主要配置及结构如下:

转炉炼钢过程计算机控制区域从铁水罐车到达炼钢厂铁水脱硫站区开始,到钢包离开转炉区为止。根据控制功能范围不同,转炉炼钢控制主要分为转炉冶炼过程控制和铁水预处理过程控制2部分。计算机控制转炉冶炼过程如下:

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(1)氧气顶底复吹转炉二级机根据生产计划、生产技术标准和计算机模型控制整个冶炼过程。计算机控制模型包括温度模型、主原料计算模型、熔剂加入量计算模型、供氧量模型、动态模型、合金加入量模型和学习模型等多个模型。通过模型计算出铁水、废钢、氧气、冷却剂和熔剂等的加入量,并发送到基础自动化控制一级机,同时冶炼模式也被发送到一级机;

(2)加废钢和兑铁完成后,一级机根据冶炼模式和氧气顶底复吹转炉二级机发送的设定值执行冶炼和加料控制过程;

(3)顺序控制程序接收兑铁、冶炼和出钢等事件信号,进行相应的处理;

(4)自动冶炼控制程序接收冶炼过程数据和副枪测量值,触发动态模型,动态模型根据副枪测量值和冶炼终点目标值计算出冶炼动态阶段的吹氧量和冷却剂加入量,实时计算熔池中钢水的碳含量和温度,在冶炼达到终点目标范围时,向一级机发送提枪指令。

转炉过程计算机建立在基础自动化的基础上,用于指导和控制转炉炼钢过程,同时监视和收集炼钢工艺过程的实际数据,处理和存储工艺和设备数据,形成各类作业报表,并将各类相关数据传输到上位机。在计算机控制方式下,转炉过程计算机根据冶炼阶段发送各种控制指令,按照冶金数学模型分阶段计算各类参数,给出过程设定值(如氧气流量、氧枪高度和加料菜单等)至转炉基础自动化控制系统,同时根据接收的实际数据跟踪计算并调整,最终获得最佳冶金效果。

5实施自动炼钢的必要性和可行性

转炉全自动炼钢控制技术是伴随着计算机网络技术、计算机信息技术,以及工业控制技术和工业控制网络的发展而逐步发展起来的,全部炼钢过程是以炼钢模型控制为主,操作工实时监护为辅的炼钢控制技术。可以说,转炉全自动炼钢技术是理论计算、专家经验和先进检测手段相结合的采用计算机控制系统进行控制的科学炼钢方法,是转炉炼钢技术上又一次重大的革命性进步。采用副枪及计算全机自动炼钢技术,可以实现:

 提高冶炼终点[C]、T双命中率

 稳定炼钢工序节奏,提高工厂生产组织水平,即提高产能

 缩短冶炼时间,减少补吹率

 降低冶炼成本,主要在以下几个方面:

 减少渣中全铁含量

 防止钢水过氧化

 延长炉衬寿命

 降低熔剂消耗

 提高合金利用效率

 提高操作效率,促进管理信息化

随着钢铁冶炼原材料价格的飞涨和冶炼技术的不断创新,钢铁企业的竞争日趋激烈。在这种形势下,钢铁产品的品种、质量和成本就显得尤为重要,而炼钢在整个冶金流程中处于中间的关键环节,对最终的钢材质量起着决定性作用。转炉炼钢的操作水平和技术指标对生产效率、能耗以及产品质量等有着极其重要的影响。转炉冶炼过程短、变化因素多,仅凭人工经验难以保证钢材产品优质、操作稳定和低能耗,所以必须对炼钢生产进行精确的自动化控制,实现转炉炼钢终点成分和温度双命中,通过环保搬迁后的重钢新区转炉炼钢厂要想在激烈的市场竞争中立于不败之地就必须应用新技术实施自动炼钢,达到短冶炼周期,提高钢水质量,提高劳动生产率,节省能源,降低成本的目的。

自动炼钢技术,目前在国外大部分钢厂得到广泛的使用,而在我国,该技术以前都由奥钢联、达涅利等外国公司所垄断,但随着武钢技控公司对副枪系统和炼钢模型的全面消化并转化为武钢炼钢控制技术在国内推广,特别是在武钢三炼钢3#转炉和首钢迁安二炼钢的成功应用(首钢迁安在较短的时间内[C]-T命中率达到90以上),大大提高了该技术在国内的应用可行性,重钢通过近百年的炼钢生产实践积累了丰富的经验也培养了大批人才并在重钢50t转炉厂运用过静态炼钢模型,相信这次在重钢新区炼钢厂与武钢合作实施自动炼钢技术必将取得成功。从而彻底打破了长期以来靠经验炼钢的传统模式,促使炼钢生产实现标准化和管理信息化,也将使重钢炼钢整体水平有一个质的飞跃。

注释:该文得到武钢工技集团有关人员协助。

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