轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

馬 瑩

（寶信軟件（山西）有限公司，山西 太原 030003）

氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼的應(yīng)用模式在我國(guó)為主要的煉鋼生產(chǎn)模式，一般包括氧氣頂吹、氧氣底吹、氧氣側(cè)吹和頂?shù)讖?fù)合吹模式。煉鋼轉(zhuǎn)爐采用頂?shù)讖?fù)合的轉(zhuǎn)爐冶煉模式，該方法裝備簡(jiǎn)單，成本低,作業(yè)率高,一般自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化程度較高，國(guó)內(nèi)先進(jìn)鋼廠都應(yīng)用了模型自動(dòng)化煉鋼系統(tǒng),取得了較好的效果。轉(zhuǎn)爐煉鋼除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)必須滿足國(guó)家環(huán)保政策的要求[1]。

煉鋼自動(dòng)化過(guò)程控制系統(tǒng)基于煉鋼冶金物理化學(xué)反應(yīng)原理，以適應(yīng)并控制煉鋼生產(chǎn)的物料平衡、熱平衡關(guān)系等煉鋼生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)為目標(biāo)，完成從廢鋼、鐵水、鐵合金、熔劑、輔料等原料進(jìn)廠到折罐或者混鐵爐出鐵、脫硫處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、轉(zhuǎn)爐加料、轉(zhuǎn)爐出鋼、鋼水精煉、連續(xù)鑄造等冶金生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。一般煉鋼生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)必須滿足質(zhì)量守恒定律和爐氣一熔渣一金屬冶金物理化學(xué)反應(yīng)原理[2]。圖1為某鋼廠150 t轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝流程圖。

圖1 轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝流程圖

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化儀表檢測(cè)控制應(yīng)用

轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化儀表檢測(cè)控制的設(shè)計(jì)應(yīng)該具有科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性，以及安全性和質(zhì)量的可靠性和成本的最低性，保證自動(dòng)化儀表檢測(cè)控制的綜合性能[3]。150 t轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)爐檢測(cè)控制檢測(cè)設(shè)備一般包括：

1）壓力檢測(cè)儀表設(shè)備系統(tǒng)，主要檢測(cè)轉(zhuǎn)爐本體冷卻用水的壓力、爐帽冷卻水壓力、耳軸冷卻水壓力等。轉(zhuǎn)爐煉鋼的安全性是冶金行業(yè)廣泛關(guān)注的問(wèn)題，而煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中的壓力發(fā)生異常變化得不到有效控制是發(fā)生煉鋼生產(chǎn)安全事故的重要原因，因此有必要采取自動(dòng)化技術(shù)手段進(jìn)行煉鋼過(guò)程壓力檢測(cè)控制，將煉鋼過(guò)程的壓力控制在10~200 MPa之內(nèi)。

2）流量?jī)x表檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)，一般使用電磁流量計(jì)，主要檢測(cè)轉(zhuǎn)爐本體的冷卻水流量、轉(zhuǎn)爐本體爐帽冷卻水流量和轉(zhuǎn)爐本體耳軸冷卻水流量。

3）溫度儀表檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)，主要檢測(cè)轉(zhuǎn)爐本體、爐帽和耳軸冷卻水溫度，以防止冷卻水溫度異常產(chǎn)生事故。轉(zhuǎn)爐煉鋼的時(shí)候一般溫度在1 600℃以上，溫度檢測(cè)儀表一般采用表面接觸的測(cè)量方式，大多數(shù)使用電熱傳導(dǎo)式和熱效應(yīng)耦合式的溫度檢測(cè)儀表，例如熱電偶和熱電阻。

4）氧槍張力儀表監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，主要完成氧槍張力的檢測(cè)，保證氧槍的安全運(yùn)行，不發(fā)生事故。

5）編碼器儀表設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng),主要進(jìn)行轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)角度的檢測(cè),用于進(jìn)行轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的控制。

1.2 轉(zhuǎn)爐煉鋼傾動(dòng)自動(dòng)化控制應(yīng)用

對(duì)于煉鋼轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)傾角和控制速度十分關(guān)鍵。傾動(dòng)角度的控制參數(shù)設(shè)定必須滿足煉鋼車間布置和工藝要求，轉(zhuǎn)爐操作模式一般有轉(zhuǎn)爐±180°旋轉(zhuǎn)角度控制模式和轉(zhuǎn)爐±360°旋轉(zhuǎn)角度控制模式。轉(zhuǎn)爐旋轉(zhuǎn)速度一般有多種不同的控制模式,以適應(yīng)轉(zhuǎn)爐冶煉、出鋼、加入鐵水等不同模式的要求。150 t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)采用全正力矩的控制模式,保證在任何狀態(tài)下均能保證轉(zhuǎn)爐回到零位。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)采用變頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，具體選用四臺(tái)西門子的6SE70系列的變頻器，分別驅(qū)動(dòng)1臺(tái)交流電機(jī)，組成轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)主從傳動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)傾動(dòng)主從傳動(dòng)系統(tǒng)中任意1臺(tái)變頻器或電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，剩余的3臺(tái)變頻器和電機(jī)依然能夠正常驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)，滿足煉鋼生產(chǎn)連續(xù)性的需求。

主機(jī)和從機(jī)電流同步的控制原理為系統(tǒng)里四臺(tái)變頻器設(shè)置相同的參數(shù)，采用主從閉環(huán)控制的模式進(jìn)行控制，通過(guò)將主機(jī)調(diào)節(jié)速度輸出作為從機(jī)轉(zhuǎn)矩限幅度的依據(jù)，PLC將系統(tǒng)設(shè)定值傳輸給主機(jī)變頻器，系統(tǒng)以給定速度運(yùn)行，從機(jī)的速度以主機(jī)速度給定的1.06倍運(yùn)行，從機(jī)的速度環(huán)逐漸趨于飽和，從機(jī)和主機(jī)的輸出電流、轉(zhuǎn)矩處處相等。極端狀態(tài)下，由于某種原因使得從機(jī)電機(jī)的連接軸與減速機(jī)突然脫開(kāi)時(shí)，從機(jī)電機(jī)的速度只能增加5%，從機(jī)的速度環(huán)退出飽和狀態(tài)按1.06倍的速度運(yùn)行，保證轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1.3 轉(zhuǎn)爐氧槍自動(dòng)化控制應(yīng)用

轉(zhuǎn)爐氧槍自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括氧槍的氧氣吹煉控制系統(tǒng)、氧槍冷卻水檢測(cè)控制系統(tǒng)、氧槍氮?dú)饪刂葡到y(tǒng)、氧槍升降控制系統(tǒng)等。

1.3.1 轉(zhuǎn)爐氧槍供水自動(dòng)化控制應(yīng)用

轉(zhuǎn)爐氧槍供水控制是轉(zhuǎn)爐煉鋼控制的重要應(yīng)用環(huán)節(jié)，主要原因是轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)冶煉的過(guò)程中氧槍溫度太高，必須通過(guò)冷卻水進(jìn)行降溫，因此必須進(jìn)行溫度檢測(cè)和安全連鎖控制。氧槍供水的PLC控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，也可以通過(guò)在機(jī)旁操作箱和中央操作室維修畫(huà)面上手動(dòng)操作。選擇機(jī)旁操作方式的時(shí)候,可在機(jī)旁氧槍橫移操作箱上手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)氧槍的橫移。氧槍處于工作位置的時(shí)候,而且主氧槍和備用氧槍均處于上極限的換槍位置的時(shí)候,啟動(dòng)操作箱上電液推桿縮回按鈕，當(dāng)電液推桿縮回后,方可按動(dòng)氧槍橫移按鈕,氧槍會(huì)自動(dòng)橫移到需要控制的位置。當(dāng)氧槍自動(dòng)橫移過(guò)程中，操作人員按動(dòng)停止按鈕,氧槍可在移動(dòng)過(guò)程中的任意位置停止。當(dāng)氧槍移動(dòng)到工作位停止后,按動(dòng)操作箱上電液推桿伸出按鈕,電液推桿自動(dòng)推出至限位處,將備用氧槍固定并對(duì)中。當(dāng)氧槍不在工作位置的時(shí)候，按電液推桿伸出開(kāi)鎖按鈕無(wú)效。選擇中控室操作時(shí)，只有在選擇取消連鎖后,可以在上位機(jī)操作畫(huà)面進(jìn)行操作。

1.3.2 氧槍連鎖報(bào)警自動(dòng)控制應(yīng)用

氧槍控制必須滿足安全要求，不滿足時(shí)等候點(diǎn)的位置設(shè)定要保證氧槍槍頭提到煙罩內(nèi),以防止轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)誤操作而損壞氧槍。以150 t轉(zhuǎn)爐安全聯(lián)鎖參數(shù)為例，下列幾項(xiàng)有一個(gè)超限,則氧槍執(zhí)行自動(dòng)連鎖安全運(yùn)行程序模式。

1）氧氣支管壓力不大于0.6 MPa。

2）氧槍冷卻水進(jìn)水壓力不大于1.2 MPa。

3）氧槍冷卻水回水壓力不大于0.8 MPa。

4）氧槍冷卻水進(jìn)水流量不大于300 m3/h。

5）氧槍槍出水溫度不小于50℃。

6）變頻器運(yùn)行故障。

7）氧槍鋼繩張力報(bào)警;當(dāng)氧槍不動(dòng)時(shí),人為確認(rèn)張力報(bào)警解除后方可動(dòng)槍。

8）轉(zhuǎn)爐氧槍電機(jī)聯(lián)鎖錯(cuò)誤。

9）氧槍超下限報(bào)警不能降槍等[4]。

目前氧槍自動(dòng)化控制應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新的自動(dòng)化技術(shù)，例如氧槍識(shí)別新技術(shù)能夠利用氧槍運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)、高度、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)識(shí)別氧槍運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。氧槍控制器故障識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用可有效檢測(cè)PLC系統(tǒng)的控制器故障，同時(shí)自動(dòng)執(zhí)行連鎖氧槍提槍，減輕事故發(fā)生的影響。氧槍橫移提升安全技術(shù)是氧槍自動(dòng)橫移換槍防漏水技術(shù)、氧槍橫移確認(rèn)連鎖技術(shù)、氧槍事故提升預(yù)警技術(shù)的集成，這些新技術(shù)在煉鋼生產(chǎn)中也逐步得到了很好的應(yīng)用。

1.4 轉(zhuǎn)爐煉鋼除塵自動(dòng)化控制應(yīng)用

轉(zhuǎn)爐煉鋼除塵系統(tǒng)包括一次除塵系統(tǒng)和二次除塵系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐一次干法除塵主要是指煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)，它是使煙氣經(jīng)過(guò)蒸發(fā)冷卻器冷卻降溫和粗除塵后進(jìn)入靜電除塵器進(jìn)行精除塵，經(jīng)精除塵后合格的煤氣通過(guò)切換站送往煤氣柜，不合格的通過(guò)煙囪點(diǎn)火放散。干法除塵的設(shè)備主要包括蒸發(fā)冷卻器自動(dòng)化控制系統(tǒng)、煤氣能源介質(zhì)控制系統(tǒng)、靜電式除塵器自動(dòng)化控制系統(tǒng)、ID風(fēng)機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、切換站自動(dòng)化控制系統(tǒng)、煤氣冷卻器自動(dòng)化控制系統(tǒng)等。干法除塵系統(tǒng)的泄爆控制是關(guān)鍵，必須依靠轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程自動(dòng)化控制防止發(fā)生泄爆。其中在吹煉過(guò)程中，控制好加料時(shí)機(jī)，合適的加料時(shí)機(jī)控制能夠防止泄爆的發(fā)生，自動(dòng)煉鋼操作的時(shí)候必須設(shè)置好氧氣的流量，干法溫度檢測(cè)的熱電偶必須工作正常，保證操作站的操作界面運(yùn)行快、切換快、控制響應(yīng)快。

二次除塵的上料除塵自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括位于高位料倉(cāng)上方的電動(dòng)蝶閥除塵閥、低位電振給料機(jī)附近的電動(dòng)蝶閥除塵閥，轉(zhuǎn)運(yùn)站的電動(dòng)蝶閥除塵閥,除塵風(fēng)機(jī)和反吹風(fēng)機(jī)等設(shè)備。

1）除塵蝶閥的控制、低位除塵蝶閥與電振給料機(jī)運(yùn)行信號(hào)聯(lián)鎖。電振給料機(jī)運(yùn)行5 s后，低位除塵蝶閥自動(dòng)開(kāi)啟。為了排除余塵,電振給料機(jī)停止后延時(shí)50 ms，低位除塵蝶閥自動(dòng)關(guān)閉。

2）皮帶上方的除塵蝶與每條皮帶運(yùn)輸機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)聯(lián)鎖。皮帶運(yùn)行并且皮帶秤有料值或者皮帶有料流運(yùn)行時(shí)，皮帶上方的除塵蝶閥自動(dòng)開(kāi)啟,否則皮帶上方的除塵蝶閥自動(dòng)關(guān)閉。

3）振動(dòng)篩處的兩個(gè)除塵蝶閥與振動(dòng)篩聯(lián)鎖。當(dāng)振動(dòng)篩運(yùn)行時(shí)，其中一臺(tái)除塵閥工作。振動(dòng)篩停止時(shí)，另一臺(tái)工作。

4）除塵風(fēng)機(jī)的控制,兩臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)與皮帶聯(lián)鎖，當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)正常運(yùn)行時(shí),兩臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)順次起動(dòng)。

5）反吹風(fēng)機(jī)的控制,兩臺(tái)反吹風(fēng)機(jī)采用時(shí)間控制，在12 h范圍內(nèi)反吹一次。

1.5 轉(zhuǎn)爐煉鋼汽化冷卻自動(dòng)化控制應(yīng)用

轉(zhuǎn)爐煉鋼汽化冷卻系統(tǒng)控制的關(guān)鍵點(diǎn)是汽包水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，在HMI上設(shè)定參數(shù)，能完成智能的三沖量PID調(diào)節(jié)和汽包水位的三沖量自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。大型轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)采用自然循環(huán)汽化冷卻，經(jīng)過(guò)水位調(diào)節(jié)使大、小汽包水位值總是一定的，起到冷卻降溫作用，蒸汽進(jìn)入蓄熱器，水則繼續(xù)循環(huán)冷卻。小汽包是活動(dòng)煙罩的冷卻設(shè)備循環(huán)原理和大汽包相同，每循環(huán)一次蒸汽部分送入蓄熱器，水繼續(xù)參與循環(huán)。蓄熱器能起到一個(gè)緩沖作用，在蒸汽回收時(shí)有蓄熱器的存在就能向用戶網(wǎng)連續(xù)供汽。

1.6 轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程自動(dòng)化控制應(yīng)用

轉(zhuǎn)爐上位機(jī)監(jiān)控操作主要使操作人員能夠監(jiān)視和管理所控制的過(guò)程，并進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)輸入輸出，從而達(dá)到過(guò)程控制的目的。轉(zhuǎn)爐過(guò)程控制系統(tǒng)按功能可分成多個(gè)子系統(tǒng)，根據(jù)需要和可能均有取舍。煉鋼過(guò)程自動(dòng)化化系統(tǒng)包括模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)，通過(guò)建立自動(dòng)化的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型，設(shè)定合適的冶金參數(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)煉鋼氧槍的自動(dòng)控制、加料的自動(dòng)控制、副槍的自動(dòng)控制，最終實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)化煉鋼的實(shí)現(xiàn)[5]。

2 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)爐煉鋼是冶金行業(yè)長(zhǎng)流程煉鋼的主要方式，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了十分重要的貢獻(xiàn)。目前隨著環(huán)保管控逐漸升級(jí)，逐漸出現(xiàn)了短流程的煉鋼模式，但是轉(zhuǎn)爐煉鋼目前還是主要的煉鋼生產(chǎn)模式。了解轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，掌握轉(zhuǎn)爐儀表過(guò)程控制、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制、氧槍控制、汽化冷卻控制、除塵控制對(duì)做好煉鋼自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)、保證煉鋼自動(dòng)化設(shè)備的穩(wěn)定良好運(yùn)行具有十分重要的作用。