轉(zhuǎn)爐底吹計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制

苗青，李國(guó)柱，宗京秀

（濟(jì)南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200）

0 引言

堅(jiān)持以市場(chǎng)為導(dǎo)向，加大品種和質(zhì)量開發(fā)力度、綠色生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)降耗增益是鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。某鋼廠原210t脫磷轉(zhuǎn)爐采用了目前國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，涉及煉鋼生產(chǎn)的全部過程，其中轉(zhuǎn)爐底吹控制系統(tǒng)在智能控制方面應(yīng)用了大量的計(jì)算機(jī)控制設(shè)備及先進(jìn)的控制算法。通過對(duì)轉(zhuǎn)爐底吹控制系統(tǒng)的分析，建立并完善了轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)模型。投產(chǎn)以后，運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度極高，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)煉鋼控制提供了可靠依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 轉(zhuǎn)爐底吹的作用和工藝流程簡(jiǎn)介

1.1 底吹控制的目的和作用

根據(jù)不同的冶煉要求，通過底吹供氣管、透氣磚向轉(zhuǎn)爐底部供氣，以相應(yīng)的模式對(duì)溶池進(jìn)行攪拌，以達(dá)到改善冶金反應(yīng)速度動(dòng)力學(xué)條件，縮短吹煉時(shí)間，降低渣中Fe 含量，抑制噴濺，減少物料損失合熱損失，均勻成分、均勻溫度的目的。從而提高鋼產(chǎn)量，獲得優(yōu)質(zhì)鋼，同時(shí)通過降低合金加入量、吹氧量及吹攪氣體的消耗，還可用于特種鋼的生產(chǎn)[1-3]。

1.2 底吹工藝概述

底吹系統(tǒng)的設(shè)備主要分布在轉(zhuǎn)爐平臺(tái)下的底吹閥門站，外網(wǎng)來的介質(zhì)（氬氣、氮?dú)猓毫^高，首先在底吹閥門站進(jìn)行減壓和穩(wěn)壓，并將穩(wěn)壓后的氣體通過8個(gè)供氣支路，經(jīng)轉(zhuǎn)爐耳軸軟管聯(lián)接至均勻分布在轉(zhuǎn)爐底部的8個(gè)透氣磚，最后送入轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行攪拌。

（1）主供氣管及減壓裝置。底吹閥門站包括兩套獨(dú)立的減壓裝置：一個(gè)是氮?dú)鉁p壓裝置，一個(gè)是氬氣減壓裝置。每套裝置中包含如下設(shè)備：氣源減壓閥及過濾器，氣動(dòng)閥帶開、關(guān)限位，手動(dòng)截止閥，自力式調(diào)節(jié)閥，兩個(gè)壓力變送器及兩個(gè)壓力就地顯示表。該套減壓裝置的目的是將外網(wǎng)來的高于1.5MPa的壓力穩(wěn)定在1.2MPa左右，穩(wěn)定后的壓力再通過進(jìn)氣總管分別輸送給八路支管[4]。

（2）1#～8#吹攪流量支管。底吹系統(tǒng)共包含8個(gè)流量支路，分別接于轉(zhuǎn)爐底部均勻分布的八個(gè)透氣磚上。每個(gè)流量支管分別包含如下設(shè)備：手動(dòng)閥，旋渦流量計(jì)，壓力變送器，自力式旁通流量調(diào)節(jié)閥，流量調(diào)節(jié)閥，電動(dòng)切斷閥，壓力就地顯示表。設(shè)置旁通流量調(diào)節(jié)閥的目的是防止該支管出現(xiàn)堵塞，其最小流量設(shè)定在5Nm3/h左右；而各支路流量將由PLC根據(jù)模型自動(dòng)設(shè)定或由操作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)設(shè)置。若某個(gè)支路的流量＜5Nm3/h，同時(shí)其壓力＞0.95進(jìn)氣總管壓力，則認(rèn)為該支管堵塞，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（3）底吹控制參數(shù)。氮?dú)饪偣軌毫φ{(diào)節(jié)：進(jìn)口壓力＞1.5MPa，調(diào)節(jié)至1.2MPa氬氣總管壓力調(diào)節(jié)：進(jìn)口壓力＞1.5MPa，調(diào)節(jié)至1.2MPa各支路旁通流量調(diào)節(jié)：閥前壓力1.2MPa，維持流量：12Nm3/h左右，1#～8#支路流量調(diào)節(jié)FC52561～FC52568：調(diào)節(jié)流量：18～45Nm3/h左右。

2 底吹智能控制模型概述

底吹系統(tǒng)的控制分為五種方式：SDM方式、PLC方式（此兩種方式為底吹自動(dòng)方式）和本機(jī)自動(dòng)、手動(dòng)方式、檢修方式（此三種為底吹手動(dòng)方式）。在生產(chǎn)之前，操作工應(yīng)該選定好控制方式，在煉鋼吹煉過程中不允許更改[5]。

SDM方式(二級(jí)計(jì)算機(jī)方式)：轉(zhuǎn)爐過程控制計(jì)算機(jī)根據(jù)鋼種提供底吹控制模型，由底吹系統(tǒng)PLC執(zhí)行該模型，實(shí)現(xiàn)底吹過程的SDM二級(jí)控制。

PLC方式(冶金專家方式)：在底吹HMI操作站上根據(jù)不同鋼種氮含量的不同，提供三種（a，b，c）控制模型，由底吹系統(tǒng)PLC調(diào)用并執(zhí)行該模型，實(shí)現(xiàn)底吹過程的PLC自動(dòng)控制。

本機(jī)自動(dòng)方式：此為調(diào)試校準(zhǔn)調(diào)節(jié)閥的P、I、D參數(shù)時(shí)用，轉(zhuǎn)爐二級(jí)系統(tǒng)異常情況時(shí)也可用。在本機(jī)自動(dòng)方式下（底吹的工作方式在手動(dòng)，并回路調(diào)節(jié)面板的調(diào)節(jié)方式在自動(dòng)），操作工操作工可以在調(diào)節(jié)閥面板的“自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)定”處輸入目標(biāo)設(shè)定值，輸入值范圍為0～200m3/h。

手動(dòng)操作方式：直接對(duì)各個(gè)控制支路進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，氮?dú)迩袚Q完全由操作工根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行手動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)底吹過程的手動(dòng)控制，該過程中各支路的流量調(diào)節(jié)又分為流量設(shè)定和閥位設(shè)定兩種控制方式。

檢修方式：此為轉(zhuǎn)爐某個(gè)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行檢修時(shí)直接對(duì)單個(gè)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行獨(dú)立操作，不影響其它閥[6]。

以下對(duì)幾種主要控制模型做詳細(xì)說明。

2.1 PLC方式(冶金專家方式)

由操作工根據(jù)鋼種，在頂?shù)讖?fù)吹的HMI操作畫面上選擇由程序提供的三種控制模型，對(duì)模型的選擇原則依據(jù)所產(chǎn)鋼種氮含量的要求，經(jīng)冶金工程師輸入要求吹攪的總流量及氮?dú)迩袚Q點(diǎn)并進(jìn)行確認(rèn)，至此工作站即可將所選模型下發(fā)至底吹PLC，由PLC程序?qū)崟r(shí)跟蹤氧量，按照曲線中各切換信號(hào)的要求，判斷耗氧量及各種信號(hào)是否到達(dá)，控制氮?dú)饣驓鍤馇袛嚅y的開閉，計(jì)算各支路的流量設(shè)定值。各支路的流量控制器調(diào)節(jié)流量控制閥的閥位直到實(shí)際值與設(shè)定值相同為止[7]。

底吹貫穿在整個(gè)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程中，底吹的目標(biāo)是過控制入口的吹攪氣體類型和氣體流量來控制轉(zhuǎn)爐底部攪拌。這種控制是主要根據(jù)鋼種成分來決定的。根據(jù)鋼種對(duì)成品氮含量[N]要求的不同，將其劃分為以下三種底吹控制模型：

（1）[N]≤40ppm的鋼種，吹煉過程中轉(zhuǎn)爐底吹全程吹氬；

（2）40ppm＜[N]≤70ppm的鋼種，吹煉過程中轉(zhuǎn)爐底吹進(jìn)行氮?dú)迩袚Q；

（3）[N]＞70ppm的鋼種，吹煉過程中轉(zhuǎn)爐底吹進(jìn)行全程吹氮。

煉鋼不同的時(shí)期，供氣的強(qiáng)度、供氣的種類都有不同，根據(jù)上述曲線控制氮、氬切換的時(shí)機(jī)及供氣流量的大?。ㄟx定好的控制模型曲線中的設(shè)定值SP值是可以修改的，進(jìn)入到底吹設(shè)定畫面可進(jìn)行相關(guān)修改工作）[8]。

2.2 SDM方式(二級(jí)計(jì)算機(jī)方式)

由二級(jí)服務(wù)器根據(jù)下一爐所煉鋼種，給出底吹吹煉模型，直接將模型發(fā)送gateway（連接L1與L2級(jí)的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)）經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，底吹PLC通過Ethernet從gateway讀取模型數(shù)據(jù)，據(jù)模型要求進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作：

底吹模型數(shù)據(jù)包含10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含狀態(tài)碼、吹煉過程耗氧量設(shè)定值、吹煉過程時(shí)間累積設(shè)定值、高低流量選擇、氮?dú)迩袚Q選擇等信號(hào)。PLC程序?qū)?shí)時(shí)跟蹤氧量或吹煉時(shí)間，根據(jù)狀態(tài)碼中的要求，判斷耗氧量是否到達(dá)或吹煉時(shí)間是否到達(dá)，控制氮?dú)饣驓鍤馇袛嚅y的開啟，以及計(jì)算各支路的流量設(shè)定值。各支路的流量控制器調(diào)節(jié)流量控制閥的閥位直到實(shí)際值與給定值相同。

2.3 手動(dòng)控制方式

氬切換可分為HMI集中操作和機(jī)旁現(xiàn)場(chǎng)操作兩種方式，正常情況下由HMI完成，在事故及檢修狀態(tài)下交由現(xiàn)場(chǎng)完成。對(duì)各支路的流量調(diào)節(jié)分為流量設(shè)定及閥位設(shè)定兩種控制方式：在閥位設(shè)定方式下，流量控制器處于手動(dòng)狀態(tài)，操作工直接改變閥位開度來調(diào)整流量；而在流量設(shè)定方式下，流量控制器處于自動(dòng)狀態(tài)，操作工可改變流量設(shè)定值，控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)閥位，使流量達(dá)到設(shè)定值。

3 其它控制模型處理

3.1 底吹后攪控制

根據(jù)鋼種要求或到達(dá)轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)時(shí)鋼水的氧化性，“后攪”進(jìn)行后攪。自動(dòng)控制方式下的后攪操作，由PLC自動(dòng)根據(jù)所選擇的模型選擇輸入后攪流量和后攪時(shí)間，按下“后攪開始”按鈕，后攪開始。后攪操作一旦開始，轉(zhuǎn)爐底吹將不再執(zhí)行由底吹控制模型規(guī)定的流量，而是后攪所規(guī)定的流量。

3.2 空爐控制

從裝鐵開始到徹底出渣的時(shí)間以外的時(shí)間屬于空爐時(shí)間?？諣t時(shí)間以相對(duì)較小的流量維持供氣回路暢通。

3.3 氮?dú)迩袚Q

氮?dú)迩袚Q應(yīng)保證任何時(shí)候都有供氣，也就是說，必須一種介質(zhì)切斷閥完全開啟，在用的氣體的切斷閥才能關(guān)閉

3.4 堵塞處理

底吹氣體的總流量是必須要保證的，如果各個(gè)支路暢通，底吹氣體要均勻分配到8個(gè)供氣回路，如果某一回路堵塞，而系統(tǒng)不做處理的話，轉(zhuǎn)爐供氣強(qiáng)度將會(huì)減弱，這是不希望發(fā)生的，所以PLC要做堵塞的判斷，如果回路堵塞，自動(dòng)將這一回路丟棄，底吹氣體要在剩余的回路中重新平均分配，每個(gè)支路的供氣強(qiáng)度都增加了。參加工作的回路最低不能少于4個(gè)。

4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)構(gòu)成

轉(zhuǎn)爐底吹PLC為一獨(dú)立系統(tǒng)， CPU采用施耐德公司的QUANTUM系列的140CPU53414A，由1個(gè)機(jī)架構(gòu)成。底吹及頂吹、氧槍傾動(dòng)、除塵、氣化冷卻等所有的L1級(jí)控制系統(tǒng)都通過以太網(wǎng)組織在一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)里面，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。L2級(jí)模型數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)，同L1實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。Gateway也采用了一套小型PLC，作為L(zhǎng)2與L1級(jí)PLC通訊的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，避免了因網(wǎng)絡(luò)病毒和計(jì)算機(jī)通訊延時(shí)帶來的數(shù)據(jù)延誤。保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

5 運(yùn)行效果

轉(zhuǎn)爐底吹控制優(yōu)化系統(tǒng)采用了目前國(guó)內(nèi)和國(guó)際在計(jì)算機(jī)控制及網(wǎng)絡(luò)方面先進(jìn)的技術(shù)，系統(tǒng)投運(yùn)以來運(yùn)行穩(wěn)定，其優(yōu)化的控制算法完全滿足了煉鋼生產(chǎn)不同鋼種的需要，為冶煉特種鋼鐵產(chǎn)品創(chuàng)造了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。模型運(yùn)行穩(wěn)定可靠，較之前煉鋼底吹控制方法相比，一次拉碳、終點(diǎn)溫度命中率由人工的83%，提高到90%以上，大大降低了煉鋼的成本，該模型已在多個(gè)煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉中應(yīng)用。

6 結(jié)論

綜上所述，通過這一系列的改造，轉(zhuǎn)爐底吹控制系統(tǒng)得到了有效的改善。無論是一次拉碳，還是終點(diǎn)溫度命中率，都得到有效提升，有效的節(jié)約了煉鋼成本，值得進(jìn)行推廣。