2022年自动控制技术在转炉炼钢过程中的应用 .pdf

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1、冶金工程概论论文1 自动控制技术在转炉炼钢过程中的应用电子信息工程学院自普本 08-1 班郭振中学号：2008440943 摘要：主要以转炉炼钢自动控制系统中的氧枪控制过程和转炉底吹控制为例，对转炉炼钢自动控制系统进行了系统介绍，并对目前国内及国际上转炉炼钢过程中全自动炼钢控制技术的概念、特点及其工作流程，控制系统的基本结构，以及在基础自动化层的实现等进行阐述，以揭示目前国内转炉炼钢过程中基于网络环境开发的先进的转炉全自动炼钢控制技术的基本面貌。关键词：自动控制转炉炼钢氧枪系统复合吹炼Abstract:The automatic control system in BOF steelmakin

2、g oxygen gun control process and control of bottom blowing converters,for example,automatic control system of the BOF steelmaking system introduced,and the current domestic and international BOF steelmaking process of automatic The concept of steel-making control technology,characteristics,and work

3、processes,the basic structure of control systems,as well as the realization of other basic automation layer elaborated in order to reveal the current domestic BOF steelmaking process web-based environment to develop advanced automatic refining converter Steel control technologys basic outlook.Keywor

4、ds:automatic control,converter steelmaking,oxygen lance system,compound blowing.1 引言转炉炼钢是炼钢过程中最重要且控制复杂的一环，其控制变量繁多且精度要求高。转炉全自动炼钢控制技术是伴随着计算机网络技术和计算机信息技术，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，是通过炼钢模型控制为主，操作工实时监控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以及PLC 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。现代自动控制技术在转炉炼钢过程的

5、应用不仅极大地减少了人的工作量，而名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 13 页 -冶金工程概论论文2 且具有传统人工控制炼钢过程中所达不到的精确度。2 系统组成及硬件配置转炉炼钢控制系统配置要考虑数学模型不断完善的需要，在容量、系统速度和通讯接口方面均要考虑这一情况，还要充分顾及系统的运行速度以及将来扩展的方便。目前，大多数系统的硬件配置及各部分之间的关系如图2-1 所示。现在转炉炼钢已基本采用DCS 并与 PLC 组成了自动化级，包括副枪系统到转炉的计算机动态控制。根据转炉生产的工艺特点及各钢厂转录控制系统的要求不同，基础自动化的系统配置也有所不同，但基础自动化的硬

6、件构成一般包括：可编程控制器 PLC、DCS、现场总线远程 I/O、人机超作界面 HMI 及合理的网络拓扑。图 2-1 转炉炼钢控制系统硬件框图2.1 可编程控制器 PLC PLC 可编程控制器是以微处理机基础发展起来的新型工业控制装置。采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟是输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 13 页 -冶金工程概论论文3 基础自动化 PLC 系统的工作任务是，系统的逻辑顺序控制；PID 调节回路控制；信号的采集过程数据处理；

7、各工艺系统工艺协调；与工作站、上位计算机和其他 PLC 的通信。2.2 集散型控制系统 DCS DCS 一般有五部分组成：控制器；I/O 板；操作站；通讯网络；图形及编程软件。2.3 人机操作界面 HMI 操作站的工作任务是，显示工艺过程模拟动画画面，显示过程控制状态、检测信息等；显示仪表测量值、过程数据的趋势曲线；输出操作名令、各显示事件、故障报警信息及故障诊断信息；输入设定值及控制参数等；与上位过程机及 PLC进行通讯；通过键盘或鼠标响应HMI 显示的过程信息，完成各种设备的操作。基础自动化的 HMI 设计，一般由用户和编程方共同选择操作站和工业监控软件。3 转炉炼钢控制基础自动化的控制范

8、围基础自动化级，是转炉炼钢是哪集自动化控制的基础，通过完善的控制软件，应用计算机通讯、优化的静态模型和动态模型、顶底复吹、快速复枪测试和溅渣补炉技术，实现转炉炼钢从吹炼条件、吹炼过程控制，直至终点前动态预测和调整，吹制设定的终点目标自动提枪的全程计算机控制，实现转炉炼钢终点成分和温度达到双命中，做到快速出钢，提高钢水质量，提高劳动生产率，降低成本。其工艺流程图如图3-1。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 13 页 -冶金工程概论论文4 图 3-1 转炉基础自动化控制范围工艺流程图3.1 转炉氧枪系统转炉氧枪系统包括：氧枪供氧系统、氧枪冷却水系统、氧枪氮封阀、氧枪升降

9、位置控制和主备枪换枪的横移控制。其实现过程是接收二级计算机计算静态模型所得的枪位、氧气流量、氧气流量累计的氧步设定值，结合吹炼方案，将以表格形式存于特定的存储区中，且可随时查看并根据此表所形成的曲线进行参数的曲线执行。如果冶炼过程中枪位需临时微调，可按动操作台上升、下降按钮进行调整，然后程序按氧步继续执行。3.1.1 转炉氧枪控制水系统氧枪供水系统程序，对氧枪进水压力，流量检测、显示报警；对氧枪出水压力，流量检测、显示报警；对氧枪进水温度的检测，流量检测、显示报警；对氧枪进出水流量差压力，流量检测、显示报警。氧枪水系统的核心是氧枪水监控系统，它具有如下功能：1）氧枪漏水自动监测，轻度漏水预警提

10、示。2）氧枪漏水重度报警并对漏水事故进行处理，事故处理完毕后下达恢复生名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 13 页 -冶金工程概论论文5 产命令。3）氧枪冷却水、回水压力检测，低于报警设定值时，报警显示、氧枪自动提到等候点。4）氧枪出水温度检测高于报警设定值时，报警显示、氧枪自动提到等候点。6）氧枪冷却水进入水流量差（进水流量-出水流量）检测，高于报警设定值时报警显示、氧枪自动提到等候点。3.2.2 转炉氧枪供氧系统其实现过程是各信号参数传送至PLC，通过程序来调节发的开度、氧枪的升降等动作。以氧压调节为例，氧压一次调节，是将阀后氧压力信号经压力变送器送至 PLC，通

11、过程序 PI 模拟调节器来调节阀的开度，使阀后压力稳定在工艺要求的范围内为减少在开吹时阀门开度突然开大造成的扰动，程序中采用了无干扰切换控制，即在开吹后先将调节阀设定在规定的开度，开阀稳定后再投入压力自动调节。计算的规定开度根据氧量设定值和氧气罐压力等参数来计算的。氧气流量控制是流量调节阀的开度实施PID 调节。氧流量检测通常采用孔板和差压变送器。氧气切断阀门分三层，总管两个O 型切断阀、支管 O 型切断阀。O 型切断阀门是双电控电磁阀，动作较慢但运行稳定可靠，断电后仍保持断电前开关状态。双电控阀的控制程序框图如图3-2 所示。接近氧枪喷头的两个支管切断阀是单电控阀，这个法的特点是动作灵活迅速

12、，该阀是气动阀，在断电后立即恢复到开（或关）的原始状态。单电控阀的程序框图如图3-3 所示。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 13 页 -冶金工程概论论文6 图 3-2 总管氧气切断阀控制程序框图图 3-3 氧枪氧气切断阀控制程序框图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 13 页 -冶金工程概论论文7 3.3.3 氧枪位置控制系统该系统可将速度控制电压分成200 单位控制增量，对应相应的输出电压，200对应最大输出电压+/-10v，理论情况下，增量为 0 控制输出为 0v，整个控制曲线为 11 级，其数据分组存于特定的数据区内。在控制距离 1

13、.5m 外，给定最大速度，进入控制距离泽按曲线减速停车。氧枪位置控制的程序流程如图3-4 所示。图 3-4 氧枪位置控制程序框图值得提出的是，氧枪定位是转炉氧枪系统的控制过程中的难点，而莱钢银前1#80t 转炉自动控制系统的氧枪系统设计为此提供了一个好的方案并得到了实践的检验。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 13 页 -冶金工程概论论文8 莱钢银前 1#80t转炉自动控制系统中的氧枪系统氧枪系统为双小车双卷扬系统装置，一套工作，一套备用。氧枪升降是采用交流电机驱动、变频调速。氧枪升降速度为快速 40m/min，慢速 m/min。断电时，用气动马达提枪。CRT 可显

14、示氧枪实际枪位，可通过计算机键盘控制枪位。氧枪枪位控制分自动和手动两种方式，自动方式为PLC，自动按设定枪位自动进行，手动方式，在自动方式出故障时，使用设在操作台上的指令转换开关进行操作。氧枪接到下枪指令后由等待位（+16.00m）快速下枪，下至开氧点（+14.20m）氧气快速切断阀自动打开供氧。下降至变速点（+12.20m）变为低速，直至下降至吹炼点止.3010.00m）。氧枪接到提枪指令后，快速提枪，提至关闭氧点（+12.20m）氧气切断阀自动关闭，停止供氧，快速提升到变速点（+15.30m）、慢速提升至等待位（+16.00m）停止提升。氧枪接到更换上升指令由等待位（+16.00m）快速提

15、枪至变速点（+21.00m），变慢速至换枪位（+24.9m），氧枪自动更换后，按下枪指令由换枪位慢速下降至变速点（+21.00m）、快速下降至变速点（+16.50m）慢速下降至等待位（+16.00m），停止下枪。氧枪单支卷扬钢丝绳张力6 吨时，自动联锁停枪。飞枪后，氧枪升降和炉体倾动均被锁定，需转为检修状态或手动定位，才可动枪，炉倾需解除联锁方可动炉。待飞枪条件消失后，可点击飞枪解锁按钮恢复联动操作。实践证明，该系统具有很强的稳定性和精确控制性，提高了转炉系统的性能。3.2 转炉底吹系统控制根据工艺要求，除全自动炼钢由上位机选择外，人工可以通过图 420 底吹方案选择画面来选择底吹控制方案。底

16、吹方案确定后，转炉吹炼周期内底吹系统化按照 固定的自动步骤执行，图 35 给出了低吹方案自动步骤程序框图。底吹方案分为如下几个循环阶段：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 13 页 -冶金工程概论论文9 图 3-5 底吹自动步程序框图（1）空炉待料阶段；（2）对铁水（加废钢）；（3）开始吹炼；（4）中后起强吹阶段；（5）N2/Ar 切换阶段；（6）终点倒炉测温阶段(含多次倒炉测量)；(7)出钢阶段。然后回到空炉阶段。出钢后，空炉待料阶段，有N2 旁路管吹入小流量N2.。下面以武钢第三炼钢厂3#转炉自动炼钢控制系统为例，介绍一下目前主流系统对吹炼顺序的控制过程。名师资料

17、总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 13 页 -冶金工程概论论文10 3#转炉的吹炼顺序控制分成15 个阶段。在主操作 HMI 上有个吹炼顺序控制菜单，将这 15 个阶段按功能设计成纯监视的和既带监视又可控制的两种类型，供操作工监控吹炼顺序控制的全过程。各阶段大致流程如下。（1）熔剂预处理。转炉吹炼模式确认后，如果有零阶段料，则PLC3-5 开始自动称料，完成称料过程后，自动添加到汇总斗中，完成零阶段称重过程、如果吹炼模式中没有添加零阶段料的要求，PLC3-5 收到模式确认的信号后，自接生成“零阶段称重结束信号”发给 PLC3-1，而 PLC3-1 则在收到 PLC3-5 的

18、信号后，直接产生“熔剂处理已完成”信号（2）转炉添加开始。进入“转炉添加开始”阶段后，PLC3-1 将给 PL3-3 发送ID 风机升速命令，而PLC-3 在自动完成 ID 风机升速的工作后，将“风机在指定转速”的信号返回给 PLC3-1，完成“转炉添加开始”，系统可以执行下一步工作。（3）废钢添加完成。操作工确认现场已完成向转炉中添加废钢的工作后，需要在 HMI 上点击“废钢添加完成”键，使顺控进入下一阶段。（4）铁水添加完成。操作工确认现场已完成向转炉中兑铁水的工作后，需要在 HMI 上按下“铁水添加完成”键。（5）转炉添加完成。当系统正常完成“转炉添加开始”、“废钢添加完成”和“铁水添加

19、完成”这 3 个阶段后，“转炉添加完成”阶段即实现。当实现“转炉添加完成”后，“转炉添加”开始指令将被屏蔽，（6）吹炼开始。在转炉添加阶段完成后，PLC3-1，PLC3-3，PLC3-4，PLC3-5都处于吹炼准备状态，氧气系统正常，模式确认信号，正常。这时，HMI 上弹出“吹炼开始”键，由操作工确认执行。在“吹炼开始”以前的各阶段顺控是可逆的，即一旦操作工认为有问题，可以重新进行模式确认，必要时可重新执行顺控的前5 个阶段，因为此时的“炉次结束”信号并没有取消，而操作工按下“吹炼开始”键后，“炉次结束”信号随即消失，此时系统的顺控进入到了不可逆的阶段。PLC3-1 在收到山 HMI 上传来操

20、作工要求“吹炼开始”的指令后，立即向PLC3-4 发出下枪指令，PLC3-4 在收到 PLC3-1 的下枪命令后，执行下枪命令，到达开氧点后，PLC3-1 自动发出开氧命令，打开氧气阀。在下枪过程以及后续名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 13 页 -冶金工程概论论文11 吹炼的过程中，只要系统不具备吹炼条件，都会山PLC3-1 给 PL3C-4 发出紧急提枪指令。（7）点火。当氧枪到达指定高度并且氧气阀已经打开后，HMI 上弹出“点火”按钮，操作工必须在规定时间内按下“点火”按钮，否则系统即会认为出现了故障，从而紧急提枪。“点火”的作用主要是启动氧量时钟，进而启动

21、整个炼钢进程。在氧量时钟启动后，PLC3-1 中的氧气系统开始对吹氧量进行累计，以得到每个吹炼阶段的吹氧量、吹炼间歇期的耗氧量、每炉的总吹氧量和一个炉役的累计吹氧量等7项指标。PLC3-1 中的底吹系统根据吹炼模式中的设定，依据氧量时钟的变化自动进行底吹氮氩切换及氮氩流量设定值的修正。另外，PLC3-1 将根据吹炼模式，依据氧气时钟动态调整氧枪的吹炼设定高度，并通过通信发给PLC3-4。同时，PLC3-1 还将通过通信将氧量时钟传递给PLC3-3 和 PLC3-5。PLC3-3 在收到氧量时钟后，将用来控制自动煤气回收的全部过程；PLC3-4收到变化着的氧枪高度设定值后，及时对氧枪高度进行调整

22、；而PLC3-5 将根据氧量时钟，自动将不同的熔剂料按吹炼模式中的规定加入转炉中。在吹炼后期，当吹氧量接近进行副枪测量的没定值时，系统自动进行降氧、抬升氧枪位操作，在完成这两项工作后，通过通信发送给PLC3-2，允许副枪执行测量工作。在副枪测量完成后，系统自动进人动态炼钢进程。（8）吹炼停止。在氧量时钟达到系统动态修正后的总氧量值时，系统自动提枪，当氧枪到达工作停放位后，将会产生“吹炼停止”事件。（9）吹炼结束。有“出钢开始”并且有“吹炼停止”信号，则生成“吹炼结束”信号。（10）出钢开始。前面的10 个吹炼顺控信号以及后面的溅渣和炉次信号都是由 PLC3-1 生成，两个出钢信号以及出渣信号，

23、则是在PLC3-4 中产生的。当转炉开始出钢，并且角度编码器检测到转炉已转至出钢位时，在PLC3-4 中生成“出钢开始”信号，并发给 PLC3-1。（11）出钢结束。在出钢结束，转炉转回零位后，PLC3-4 生成“出钢结束”信号，并发给 PLC3-1。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 13 页 -冶金工程概论论文12（12）溅渣护炉。在出钢结束后，如果操作工需要进行溅渣护炉，则将转炉工作模式从吹炼方式切换到维护方式，并且溅渣系统处于准备状态后，即可进行溅渣护炉。溅渣护炉的控制过程类似厂转炉顺控，也分子动和自动两种。在自动方式下，由 PLC 实现自动下枪，自动开氮，

24、自动提枪，自动关氮以及紧急提枪和紧急关氮等控制。（13）出渣开始，当转炉开始出渣，并旺角度编码器检测到转炉已转至出渣位时，在 PLC3-4 中生成“出渣开始”信号，并发给 PLC3-1。（14）出渣结束。在出渣结束，转炉转回零位后，PLC3-4 生成“出渣结束”信号，并发给 PLC3-1 接第一版（15）炉次结束。在出渣事件已产生，并且“出渣结束”已生成的情况下，产生“炉次结束”信号。实践证明，3#转炉的这套系统是一项成熟而稳定的炼钢技术，它的成功使用，说明自动炼钢控制技术的优势。3.3 炼钢化学成分的化验检测与通信化验数据处理子系统从铁水管理子系统、炼钢控制子系统和连铸的样号请求，带化验结果

25、出来后，将化验结果传送给计算机进行处理。化验数据处理子系统还具有监视和查询功能。即显示化验室发出的最后一个式样的化验时间，化验结果等，显示从即时起往前若干个试样的化验结果级取样地点，供操作人员检索。化验数据经光谱分析仪计算机，采用以太网协议进入二级计算机网络。4 结束语自动控制技术在转炉炼钢过程中的应用只经历了短短几十年时间，技术发展的已相当成熟实践证明，目前，大部分工厂的系统运行稳定可靠，性能高、可靠性高、具有较大的运算功能、易于实现复杂控制功能等优点的计算机控制系统的实现，有效提高了产品的质量、产量，节约了大量的电能和水资源，减少了环境污染，提高设备使用寿命，降低工人劳动强度，改善了操作环

26、境。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 13 页 -冶金工程概论论文13 参考文献【1】蒋慎言，陈大纲.炼钢生产自动化技术.北京：冶金工业出版社，2006.11。【2】戴先中，赵光宙.自动化学科概论.北京：高等教育出版社，2006.4.【3】薛正良.钢铁冶金概论.北京：冶金工业出版社2008.8。【4】乔卫国，杨怀铨，孟伟.自动控制技术在 120t 转炉控制系统中的应用.冶金自动化.2009 年第四期。【5】李琦，徐虹，钱辉，何双梅.武钢第三炼钢厂3#转炉全自动炼钢控制技术.来源:无忧论文网。【6】王喆，何俊正，李瑞波.炼钢转炉自动控制系统研究.冶金动力.2009年

27、第四期。【7】宋文刚，林成城.宝钢高炉热风炉新技术的开发与应用.2005.24（so）6366。【8】舒军.高温内燃式热风炉的发展及特征.炼钢.1998，17（1）：79。【9】韩照沧.燃料及燃烧.北京冶金工业出版社.2002.4。【10】李京社，高卫华等.处理热力学计算及效果.河南冶金.2008（3）：3849。【11】滕梅，宋风立等.钢包喂金属工艺研究钢铁.1998（12）：2124。【12】何钟志.北京冶金工业出版社.1997：8586。【13】何钟志.冶金工业的现状与发展.中国冶金.2001，57（4）。【14】李志祥.送热技术.北京冶金工业出版社.2002：7172。【15】李耀华，胡国奋，工伟，宁树实.炼钢-连铸-热轧-体化生产计划编制名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 13 页 -