PLC在氧气转炉炼钢温度控制中的应用;电气学院;刘孝勇;2.pdf

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1、 安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 2 页 第 1 页 装 订 线 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 自动化专业 刘孝勇（079064368）指导老师：张捍东 教授 摘摘 要要 钢铁厂采用转炉冶炼过程中的温度控制是整个转炉炼钢系统的核心控制部分之一，它具有温度惯性、大的延迟时间等特性，对过程控制造成非常大的困难。在对钢铁厂进行了实地考察并充分了解钢铁冶炼工艺之后，对冶炼的部分过程进行了合理的简化。为了达到比较理想的控制效果，经过比较和分析，这里采用西门子公司的 S7-300系列 PLC 设备，配以上位机监控系统，并以 PID 控制为理

2、论基础，建立了一个简单的小型工业控制系统，对氧气转炉炼钢时的温度进行控制，使之满足炼钢的基本工艺要求。该系统使用 STEP7 和 WinCC 软件进行编程，在仿真器上进行的模拟调试以及利用组态画面进行的试验都获得了成功，可以证明这种方案符合基本工艺需求，是实际可行的，可以以此为炼钢厂的技术人员提供应用参考。关键词：关键词：PLC；氧气转炉；PID 控制；温度控制系统 安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 2 页 第 2 页 装 订 线 The Application of PLC in Temperature Control of Oxygen Converter Stee

3、lmaking ABSTRACT The temperature control of oxygen converter is the central part of the whole oxygen converter system.Which has large temperature inertia,and the large delay time and other characteristics of control and that caused great difficulties in the systems.With the internship at the steelma

4、king factory and fully understanding of the smelting process of iron and steel,we reasonably simplified parts of the smelting process.In order to achieve the better control effect,where use the Siemens S7-300 series PLC equipment,together with the host computer control system,based on the PID contro

5、l theory and established a simple small-scale industrial control system to control the temperature of oxygen converter so as to meet the technological requirements of smelting process of steel.The system is edited by STEP7 and WinCC software,the successful of the debug on the simulator and the tests

6、 carried out by the configuration screens,which can proved that this design and the program meets the polytechnic and feasible,which offers the reference to practical engineers in the factory of iron and steel.Key words:PLC，Oxygen Converter，PID control，Temperature control system 安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度

7、控制中的应用 共 1 页 第 1 页 装 订 线 前前 言言 转炉炼钢是钢铁工业的重要组成环节，该环节由多个相互关联的子控制系统组成，温度控制系统就是其中的核心部分。温度控制的好坏，直接影响出钢的质量，进而对后续环节造成影响。同时，由于钢种不同，所用工艺不同，温度的控制也不相同。本文：PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用，就是用 PLC 设备建立一个简单的温度控制系统，该系统将转炉温度控制方面的工艺进行简化，保留核心工艺环节氧枪高度控制，这样可以简洁、直观的将炼钢过程表现出来，为工程技术人员提供参考，这也是我选择本课题的缘由。本文的指导思想是 PID 控制理论，该理论成熟、应用范围广，但相较

8、国外先进钢铁厂的控制思想来说，又过于简单，控制精度有限。不过对于本文中简化的系统，还是可以达到最低工艺要求的。提高控制精度，改善工艺，是工程技术人员一直追求的目标，同时也是整个工业行业的发展趋势、工程学术领域的研究方向。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 1 页 装 订 线 1 炼钢工业简介 炼钢是整个钢铁工业的核心组成部分，它将由高炉冶炼得到的铁水放到炼钢炉内按一定工艺熔炼，即得到钢。钢是铁与C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)以及少量的其他元素所组成的合金。其中除Fe(铁)外，C 的含量对钢的机械性能起着主要作用，故统称为铁碳合金。它是工

9、程技术中最重要、用量最大的金属材料。铁碳合金分为钢与生铁两大类，钢是含碳量为 0.03%2%的铁碳合金。碳钢是最常用的普通钢，冶炼方便、加工容易、价格低廉，而且在多数情况下能满足使用要求，所以应用十分普遍。按含碳量不同，碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。随含碳量升高，碳钢的硬度增加、韧性下降。合金钢又叫特种钢，在碳钢的基础上加入一种或多种合金元素，使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些特殊性能，如高硬度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性，等等。经常加入钢中的合金元素有 Si、W、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti 等。含碳量 2%4.3%的铁碳合金称生铁。生铁硬而脆，但耐压耐磨。根据生铁中碳存在的

10、形态不同又可分为白口铁、灰口铁和球墨铸铁。白口铁断口呈银白色，质硬而脆，不能进行机械加工，是炼钢的原料，故又称炼钢生铁。碳以片状石墨形态分布的称灰口铁，断口呈银灰色，易切削，易铸，耐磨。若碳以球状石墨分布则称球墨铸铁，其机械性能、加工性能接近于钢。1.1 1.1 炼铁与炼钢的流程炼铁与炼钢的流程 主要的原材料：铁矿石和煤，经过烧结和焦化处理后得到烧结矿和焦炭。再经高炉冶炼得到铁水。这就是炼铁的基本过程，流程如图 1.1 所示。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 2 页 装 订 线 图图 1.1 1.1 炼铁过程图炼铁过程图 得到的铁水经由鱼雷形铁水车的运输，

11、到达炼钢厂，再经由转炉的冶炼，得到钢水，我们目前所见的钢材，就是通过加工钢水来得到的。炼钢的流程如图 1.2 所示。图图 1.2 1.2 炼钢轧钢过程图炼钢轧钢过程图 安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 3 页 装 订 线 1.2 1.2 炼钢法介绍炼钢法介绍 钢的产品有钢锭、连铸坯和直接铸成各种钢铸件等。通常所讲的钢，一般是指轧制成各种钢材的钢。一般从大范围来说，炼钢有三种方法，即平炉、转炉和电炉。平炉炼钢最早可追溯到 1864 年，法国人 P.马丁利用有蓄热室的火焰炉，以废钢、生铁为原料成功地炼出钢液，这种方法直到 1960 年一直是世界上的主要炼钢方法

12、，不过平炉炼钢法的缺点很明显：炉体庞大，冶炼时间长，炉墙散热损失和高温废气带走的热量大，从节能，效率以及环保的角度考虑，从 60 年代起平炉就逐渐被淘汰了，现在炼钢都是用转炉或是电炉。电炉是采用电能作为热源进行炼钢的炉子的总称，目前世界上电炉钢产量的 95%以上都是电弧炉生产的，因此电炉炼钢主要指电弧炉。传统的电弧炉炼钢法是以废钢为主要原料，以三相交流电作为电源，使电流通过石墨电极与金属之间，产生高温电弧，以此来加热、融化炉料。目前电炉是用来生产特殊钢和高合金钢的主要方法。电炉如图 1.2.1 所示2。图图 1.2.1 1.2.1 电炉电炉 转炉，顾名思义，可以转动，炉体圆筒形，架在一个水平轴

13、架上，转炉炉体用钢板制成，呈圆筒形，内衬耐火材料，吹炼时靠化学反应热加热，不需外加热源，是最重要的炼钢设备。它主要是以液态生铁为原料，靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。转炉如图 1.2.2 所示。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 4 页 装 订 线 图图 1.2.2 1.2.2 转炉倾倒现场图转炉倾倒现场图 1.3 1.3 氧气转炉炼钢法的发展概况氧气转炉炼钢法的发展概况 据报道，2008 年全世界产钢 13.279 亿吨。到目前为止，氧气转炉仍然是炼钢的主要

14、方法。其中转炉钢及电炉钢产量占 90%。氧气顶吹转炉炼钢法从出现至今已有 100 多年历史了。早在 10 世纪，就有人提出过利用纯氧炼钢的设想，但是受困于当时落后的制氧技术，没能实现。到了 20 世纪 20 年代后期，以空气液化和分馏为基础的制氧技术开发成功，可以为工业提供大量的廉价的氧气，氧气炼钢才又为冶金界所注意。此后各国的学者和技术人员对这一方法进行了研究与实验室实验，并在 1948 年由丢勒尔(R.Durrer)等在冯 罗尔(VonRoll)公司建成 2.5t 的焦油白云石衬的试验转炉，成功将生铁炼成优质钢水。从实验室研究向工业化试验的进一步发展是由奥地利的沃埃施特(VOEST)公司完

15、成的。他们根据丢勒尔的设计，先后在 2t，10t，15t 的转炉上进行氧气顶吹炼钢法的工业试验，最终于 1952 年在林茨（Linz）城建成 30t 氧气转炉并正式投入工业生产，1953 年又在多那维茨（Donawiz）城建成两座 30t 氧气顶吹转炉。由于该法最先在这两个城市得以应用，所以取这两个城市名称的首字母 L-D（LD）作为氧气顶吹转炉炼钢法的代称。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 5 页 装 订 线 美国人得知氧气转炉炼钢的消息之后，凭借战后所积累的巨大工业资本，迅速建成一个 35t 的氧气顶吹转炉车间并投产，随后又于 1957 年建成当时世界

16、上最大的（80t 级）氧气顶吹转炉。但是美国人没有购买奥地利的专利，由此引发了关于该技术的专利权的纠纷，最终美国方面胜诉。BOF 法（Basic Oxygen Furnace 的首字母）成为北美对该法的习惯称呼1。日本对于发展氧气转炉炼钢非常关注，经过多次考察，且进行了一系列小型的工业试验之后，决心向奥地利方面购买专利特许权，于 1957 年在八幡建设第一个 LD车间，其后又对顶吹转炉炼钢法进行了深入研究和技术创新，在扩大炼钢品种、改进炉衬耐火材料、提高炉龄、炉气回收技术、用副枪测取冶炼信息和计算机自动控制、分解炼钢操作功能使转炉冶炼更加简化、配合连铸机实现全连铸炼钢生产等方面做出了巨大的贡献

17、。日本已成为氧气转炉炼钢技术最发达的国家。1.4 1.4 氧气转炉炼钢法的吹炼过程氧气转炉炼钢法的吹炼过程 因为以生铁为原料炼钢，需要氧化脱碳；钢中的 P、S 含量过高分别造成钢的“冷脆”性和“热脆”性，炼钢过程应脱出 P、S；钢中的氧含量超过限度后会加剧钢的热脆性，并造成大量氧化物杂志，因而要脱氧；钢中含有氢、氮会分别造成钢的氢脆和时效性，应该降低钢中有害气体含量；夹杂物的存在会破坏钢基体的连续性，从而降低钢的力学性能，也应该去除；炼钢过程应设法提高温度达到出钢要求，同时还要加入一定种类和数量的合金，使钢的成分达到所炼钢种的规格。综上所述，炼钢的基本任务包括：脱碳、脱磷、脱硫；去除有害气体和

18、杂质；提高温度；调整成分。炼钢过程通过供氧，造渣、加合金、搅拌、升温等手段完成炼钢基本任务。1.4.1 1.4.1 具体流程具体流程 前一炉钢出完钢后，倒净炉渣，如炉体正常，即堵出钢口，加废钢，兑入铁水，将炉体转到直立位置，边降枪边供氧；降到规定枪位后，按设定的供氧强度开始吹炼。在供氧开吹的同时，加入第 1 批渣料，一般相当于全炉渣料总量的 2/3。在开吹后 46min，第 1 批渣料熔化好，再加入第 2 批渣料，相当于全炉渣料总加入量的 1/3。如炉内化渣良好，就不再加第 3 批渣料(萤石)；必要时可在开吹后的第 1012min加入炉内。吹炼过程氧压在 0.81.2MPa，一般根据设计采取恒

19、定氧压操作，而根据吹炼要求变化氧枪高度(喷嘴出口到熔池面距离)。开吹时氧枪高度约为 1.5m，吹炼过程中约为 1.2m，终点前 1min 枪位降到 1m 左右。也可以在吹炼过程中采用调节氧压操作。当吹炼达到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停止吹氧，倒炉取样和测定钢水温度。吹炼低碳钢时，炼钢工可目测钢样含碳量是否合格。吹炼中、高碳钢时，安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 6 页 装 订 线 则需送样快速分析%C或用凝固定碳法快速测定含碳量。当钢水成分和温度合乎要求时，即可倾动转炉出钢。当钢水流出总量的 1/4 时，向钢包加脱氧剂和合金，进行钢水脱氧和合金化，至此

20、一炉钢冶炼完毕。吹炼过程钢中各元素和渣成分的变化情况如图 1.4.1 所示。图图 1.4.11.4.1 吹炼过程各元素和渣吹炼过程各元素和渣的的成分成分变化图变化图 1.4.2 1.4.2 冶炼的五大制度与温度控制冶炼的五大制度与温度控制 转炉炼钢冶炼通常采用的五大制度是：装入制度、供氧制度、造渣制度、温度制度、终点控制及脱氧合金化制度1。这五大制度执行的好坏，对冶炼过程控制、钢种质量、炉衬寿命都有很大影响。本课题 PLC 在转炉炼钢温度控制中的应用，所指的温度控制，并非单指五大制度中的温度制度，而是贯穿整个炼钢流程中所有涉及热量、温度部分的控制，涉及到装入、供氧、温控、终点控制。下面对其一一

21、介绍。装入制度就是确定转炉合理的装入量，合适的铁水废钢比。实践证明每座转炉都必须有个合适的装入量，装入量过大或过小都不能得到很好的经济技术指标。若装入量过大，将导致吹炼过程的严重喷溅，造渣困难，延长冶炼时间，吹损增加，炉衬寿命降低。装入量过小时，不仅产量下降，由于装入量小，熔池变浅，控制不当，炉底容易受氧气流股的冲击作用而过早损坏，甚至使炉底烧穿，进而造成漏钢事故，对钢的质量也有不良影响。在确定合理的装入量时，要考虑到的因素有合适的炉容比，适当的熔池深度，与钢包容量、行车的起重能力、转炉的倾动力矩相适应，对于模铸车间，装入量应与锭型相配合。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用

22、共 47 页 第 7 页 装 订 线 装入制度与温控有关的地方在于确定其装入量。氧气转炉的热量来源是铁水的物理热和化学热。物理热是指铁水带入的热量，与铁水温度有直接关系；铁水的化学热就是铁水中各成分氧化、成渣所放出的热量，它与铁水的化学成分有关。装入量的多少决定了转炉的热量来源的大小，考虑到转炉的热平衡，有必要计算出大致的热收入。在冶炼时，需加入冷却材料，比如废钢，这实际上等于增加了铁水容量，若之前铁水装入过多，很可能造成溢出和喷溅事故。供氧制度是转炉炼钢的特点，它与温度控制有关的地方在于氧枪的枪位。实际上枪位对熔池温度的影响，是通过炉内化学反应来体现的。采用低枪位操作，氧气、熔渣、金属液接触

23、密切，化学反应速度快，结果熔池升温速度加快，吹炼时间短，热损失部分减少，炉温较高。反之，枪位高，反应速度缓慢，因而熔池升温速度缓慢，吹炼时间延长，热损失部分增多，温度偏低。终点控制主要指终点温度和成分控制。当钢水达到了所炼钢种成分和要求的时刻，称之为“终点”。单就温度来说，即出钢温度能保证顺利进行精炼、浇注。由于出钢时机主要是根据钢水碳含量和温度，所以终点也称作“拉碳”。终点控制不准确，也会造成一系列危害。早期我国钢厂采用人工判断法，即看火焰、看火花、取钢样等等，目前常用的方法是用插入式热电偶并结合经验来判断终点温度，这样可连续测温并自动记录熔池温度变化情况，以便准确地控制炉温，但实现起来比较

24、困难。因为搅拌的钢水中的渣料和作为冷却剂而加入的废钢会撞到热电偶，热电偶造价昂贵，这显然是不经济的。也有采用热辐射或光学温度计，如果能满足精度的前提，那未尝不是一种好方法。而温度制度，就是把上述所有情况考虑在内，结合工厂大环境，实施的控制系统。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 8 页 装 订 线 2 2 炼钢温度控制方法炼钢温度控制方法 2.1 2.1 使用设备使用设备 本文中所提的控制方案，是采用西门子公司的 S7-300 系列 PLC 实现的。PLC 英文全称是 Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑编辑器，它

25、是以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术，用面向控制过程，面向用户的“自然语言”编程，适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高的通用工业控制装置。S7-300 系列属于模块式 PLC，它的 CPU 上带有一个编程接口，使用西门子的MPI（Multi-point Interface）通信协议，部分 CPU，如 CPU 315-2 DP 还带有集成的现场总线 PROFIBUS-DP 接口，还有的带有 PtoP(Point to Point)串行通信接口，如CPU 313C-2 PtP。因此 S7-300 不需加任何通信处理器就可以建立一个 MPI 网络或一个 PROFIBUS

26、-DP 网络。S7-300 有 350 多条指令，其编程软件 STEP7 功能强大，所有模块和网络参数都可用 STEP7 来设置，另外它的 CPU 还有智能化诊断系统，监控系统是否正常，记录故障和系统事件5。设备如图 2.1 所示。图图 2.1 PLC2.1 PLC 实验设备实验设备 安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 9 页 装 订 线 2.2 2.2 控制思想控制思想 文中控制方案的核心思想是 PID 控制，PID 全称是 Proportional Integral Differential，中文意思是比例积分微分。它是历史最久、生命力最强的控制方式，同

27、时也是目前最成熟，工业应用最广泛的控制方式之一。它具有原理简单，使用方便、适应性强、鲁棒性强、控制品质对被控对象特性的变化不大敏感等优点，是一种负反馈控制7。2.2.1 PID2.2.1 PID 调节规律调节规律 将比例、积分、微分三种调节作用结合起来，构成比例积分微分调节，即 PID调节。它的动作规律如下。tdipdttdeTdtteTteKt0)()(1)()(u （2-1）u(t)：控制器输出。e(t)：控制器输入，可以是 e(t)=r(t)-c(t),其中 r(t)为设定值，c(t)为被控量值。Kp,Ti,Td：比例，积分，微分常数。2.2.2 2.2.2 数字数字 PIDPID 算法

28、算法 控制系统通常采用采样方式实现对生产过程的各个回路进行巡回检测和控制，它属于采样调节。因而，描述连续系统的微分方程应由相应的描述离散系统的差分方程来代替。离散化时，令 TkTeTTkTekTedttdejTeTdttekTetekTutukTttkj)()()()()()()()()()(00 （2-2）式中，e(kT)是第 k 次采样所获得的偏差信号；e(kT)是本次和上次测量偏差值的差。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 10 页 装 订 线 在给定值不变时，e(kT)可表示为相邻两次测量值之差：e(kT)=e(kT)-e(kT-T)=(R-y(kT

29、)-(R-y(kT-T)=y(kT-T)-y(kT)（2-3）T 是采样周期，采样周期必须足够短，才能保证有足够的精度；k 是采样序号，k=0,1,2,可得到离散系统的 PID 算式为)()()()()(0TkTekTeTTjTeTTkTeKkTudkjip （2-4）在式（2-4）所表示的控制算式中，其输出值与阀位是一一对应的，通常称为 PID的位置算式。在位置算式中，每次的输出与过去状态有关。它不仅要计算机对 e 进行不断累加，而且计算机发生任何故障时，会造成输出量 u 的变化，从而大幅度改变阀门位置，这将对安全生产带来严重后果，故目前计算机控制的 PID 算式通常采用增量式算式)2()(

30、2)()()()()(TkTeTkTekTeKkTeKTkTekTeKkTudip（2-5）式中，ipiTTKK 为积分系数；TTKKdpd为微分系数。图 2.2 给出了增量式 PID 控制系统的示意图7。图图 2.22.2 增量式增量式 PIDPID 控制系统控制系统 -y(k)PID 增量 控制算法 执行机构 被控对象 r(k)e(k)T y(t)u(t)安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 11 页 装 订 线 2 2.2.3 .2.3 控制过程控制过程 使用特殊温度测量设备，测得转炉中钢水温度 T，以电信号模式传入 PLC 控制器，控制器以此为根据控制

31、氧枪的高度，来改变燃烧程度，进而改变熔池温度，以满足工艺需求。而温度传感器传入的连续温度信号，和控制信号（输出信号）作用，产生偏差信号，此偏差信号即为 PID 控制器的输入信号，而输出信号则间接控制氧枪高度。这就是本文中控制温度的核心思想，即温度负反馈控制系统。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 12 页 装 订 线 3 3 氧枪操作氧枪操作 氧气转炉的温度控制手段有控制铁水的装入量、每炉之间的间隔时间、枪位、石灰用量、冷却剂用量等，其中在吹炼过程中的控制手段主要是氧枪的高度，即枪位。3.1 3.1 低枪位操作低枪位操作 此时，氧气流对熔池的冲击力大，冲击凹

32、坑深，冲击面积小，熔池内部搅动强烈。气炉渣金属液氧化充分，脱碳速度加快。如在此时提高供氧强度，则吹炼时间缩短，热损失相对减少，升温速度加快。由于脱碳速度快，FeO 的消耗量增多，炉渣中的 TFe 含量减少，导致炉渣返干，长时间的低枪位操作，容易引起金属喷溅。3.2 3.2 高枪位操作高枪位操作 氧气流对熔池的冲击力减小，冲击深度变浅，反射流股增多，冲击面积加大，加强了对熔池液面的搅动，而熔池内部搅动减弱。脱碳速度降低，因而炉渣中的 TFe含量增加，长时间的高枪位操作，炉渣中的 FeO 增加到足够高时，也容易引起喷溅。由于搅拌力弱，降碳速度慢，吹炼时间长，热损失增加，升温速度降低。过高的枪位称“

33、吊吹”，氧气流的动能吹不开熔池液面，只是从表面掠过，会使炉渣中 TFe 积聚，易产生爆发性喷溅，是必须禁止的。了解枪位对操作指标的影响，就可以在吹炼的不同时期，根据吹炼任务，通过控制枪位和供氧强度，来调整炉渣中的 TFe 含量和升温降碳的速度。3.3 3.3 冲击深度、有效冲击面积和氧枪高度冲击深度、有效冲击面积和氧枪高度 氧气射流和炼钢熔池的相互作用机理，是氧气顶吹转炉炼钢研究的重要课题。虽然对这个课题进行了大量实验，但由于这一过程实际上很难直接在高温炉内进行实验研究，涉及物理化学、流体力学、传质传热等多科学领域，以及试验研究的复杂性和困难性，至今没有一种最符合实际的计算方法，也没有满意的实

34、际测定方法。为了获得良好的反应速度，必须保证氧气流股对熔池具有一定的冲击深度和冲击面积，控制合适的枪位，使熔池得到平稳均匀而强烈的良好的搅拌条件。达到升温快、降碳快、化渣快的目的。氧气射流到达熔池表面时具有较大的速度，对熔池表面形成较高的冲击压力，熔池被冲击成一个深坑。凹坑内一部分金属被粉碎成液滴，并被迅速氧化，形成小气泡，从深坑中沿切线方向飞溅出来。一部分被卷入熔池进行循环运动。由于氧气射流的冲击和 CO 气泡上浮的联合作用，使金属熔池发生强烈的搅拌。转炉内熔融的炉渣，未溶解的炉渣，气泡和金属液滴的乳浊层，形成泡沫渣层。当泡沫渣层达到一定高度时。就会发生喷溅，造成炉口溢渣现象。安徽工业大学

35、PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 13 页 装 订 线 凹坑的深浅，即氧气流对熔池的冲击深度十分重要。如冲击深度不够，则使熔池吸氧程度降低，氧的利用率及脱碳速度减小，但增加了炉渣的氧化性，有利于化渣；如冲击深度较深，则熔池的吸氧程度增加，增大了氧的利用率和脱碳速度，但减少了炉渣的氧化性，影响化渣；如果冲击深度过大，则容易损坏炉底，造成安全事故。因此，必须在转炉的不同冶炼时期，控制不同的枪位，形成合适的冲击深度，以满足吹炼工艺的要求。关于冲击深度、有效冲击面积和氧枪枪位之间的关系，以下介绍几种关系式，仅供参考。在转炉模型内，用单孔氧枪进行吹炼试验，测定的冲击深度的关系式

36、8.334000Hph （3-1）式中 h冲击深度，cm；0p喉口前压力，MPa；0喷孔喉口直径，cm；H氧枪枪位，cm。美国密执安大学训练班讲义给出的冲击深度计算公式 5.15.100Hph （3-2）式中 h冲击深度，n(1in=25.4mm)；0p喉口前滞止压力，2in/lb(1Pa76.6894in/lbf12)(绝对)；0喷孔喉口直径，in；H氧枪枪位，in。乌克兰.教授的计算公式 ）（液BHpkh04.00016.05.0 （3-3）安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 14 页 装 订 线 式中 h冲击深度，m；0p喉口前氧压，atm；0喉口直径

37、，m；H氧枪枪位，m。B常数，对于低黏度的液体为 40。K常数，为 40（它与所使用的单位有关）。液钢液的密度，3/mkg。计算枪位可以采用下列经验公式 )(mmkMaH (3-4)式中 k 常数，通常为 2123.5；Ma氧气出口马赫数；氧孔出口直径，mm；计算枪位的另一经验公式 04030H （3-5）冲击深度 h 与熔池深度 L 的比 h/L，平均冲击深度可取 2540，最大冲击深度可取 4070。有效冲击面积与枪位、冲击深度和在熔池面上氧气流股的中心流速有关 效YVghFeo2max22 (3-6)式中 h冲击深度，m；2O氧气密度，1.4293/mkg；g重力加速度，9.812/sm

38、；2Fe铁水密度，70003/mkg。ma xV熔池面上氧气流股的中心流速，m/s。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 15 页 装 订 线 效Y有效冲击半径，m。在一定的喷头结构下，氧枪的搅拌强度决定于氧枪枪位、冲击深度和有效冲击面积，而这三者又是相互影响的，又共同对吹炼过程发生作用。在生产条件下，冲击深度和有效冲击面积是很难观测的，不会像计算的那样。而氧枪的计算和控制是最重要的。氧枪的高低，直接影响冲击深度和有效冲击面积，实际影响的是吹炼效果。3.4 3.4 供氧制度中的工艺参数供氧制度中的工艺参数 3.4.1 3.4.1 氧气流量氧气流量 氧气流量 Q

39、 是指在单位时间 t 内向熔池供氧的数量 V（常用标准状态下的体积量度）。氧气流量是根据吹炼每吨金属料所需要的氧气量、金属装入量、供氧时间等因素来确定的，即：tVQ （3-7）式中 Q氧气流量（标态），min/3m或hm/3；V炉钢的耗氧量（标态），3m；t炉钢吹炼时间，min 或 h。一般供氧时间为 1422min，大转炉吹氧时间稍长些。3.4.2 3.4.2 供氧强度供氧强度 供氧强度 I 是单位时间内每吨金属耗氧量，可由下式确定：TQI （3-8）式中 I供氧强度（标态），mint/m3；Q氧气流量（标态），min/3m或hm/3；T一炉钢的金属装入量，t。I 值不可过高，否则不易化渣，

40、且氧枪容易粘钢而损坏。大型转炉冲击面积占熔池面积比例小，供氧强度可低些，保证化渣良好。目前国内 120150t 转炉的供氧强度（标态）在 2.33.5mint/m3，的转炉供氧强度（标态）一般在 2.54.0mint/m3。如日本 300t 转炉，采用五孔喷嘴，供氧强度（标态）为 4.44mint/m3。3.4.3 3.4.3 供氧时间供氧时间 供氧时间是根据经验确定的。主要考虑转炉吨位的大小、原料条件、造渣制度、吹炼钢种等情况来综合确定。小型转炉单渣操作一般供氧时间为 1214min；中、大型转炉单渣操作供氧时间一般为 1822min8。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用

41、共 47 页 第 16 页 装 订 线 4 4 控制系统软件编程控制系统软件编程 在熟悉了整套工程的工艺之后，就可以使用 PLC 设备完成各项控制功能了。在此之前，需要使用一些专用软件编程，并在计算机平台上进行模拟试验，只有当仿真无误，通过要求之后，才可以进行现场调试。这里要说明的是，仿真无误的前提下，不代表现场调试会顺利。在工厂的恶劣环境中，会出现很多意想不到情况和未知因素，都需要在现场来加以考虑和调节。当这些完成后，才可以安装设备和各项器材，之后进入试运行阶段，最后才是正式投产使用。4.1 PLC STEP74.1 PLC STEP7 编程编程 本课题的实现所使用的设备是西门子公司的 S-

42、300 系列 PLC，而西门子公司为SIMATIC 系列 PLC 和基于 PC 的 WinAC 研制出的标准工业软件就是 STEP7，下面就是基于 STEP7 的软件编程。转炉的温度控制涉及很多方面，不能一概而论，故而在具体编程时，将整个工程分为数个独立的模块，最后再统一调用。这样的话，既能增加程序的可读性，同时也可以为调试过程提供方便。在软件编辑之前，先根据工艺需求确定方案。因为已将工艺简化，所以本方案只用到 11 个“点”，即 11 个输入输出口。其中输入点 5 个，输出点 6 个。硬件模块方面使用到电源模块，CPU 模块（含通讯网络），以及数字输入/输出和模拟输入/输出模块，共计 6 个

43、模块。首先，打开 STEP7 软件后新建一个项目，如图 4.1.1。命名后打开。然后插入一个 SIMATIC 300 站，在其硬件中进行组态，如图 4.1.2。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 17 页 装 订 线 图图 4.1.14.1.1 新建项目新建项目 图图 4.1.24.1.2 硬件组态硬件组态 组态完成后，就可以在模块中进行编程了，如图 4.1.3。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 18 页 装 订 线 图图 4.1.34.1.3 进入编程进入编程 如前面所说，具体的程序分为数个独立模块，最后集中调用。首先

44、新建一个 FC模块，用于启动系统时的过程表述，如图 4.1.4。图图 4.1.4 4.1.4 新建新建 FC1FC1，启动模块，启动模块 双击打开 FC1，编写启动过程表述程序。程序中，通过给“#start”一个阶跃信号，显示变量“#out1”、“#out2”和“#out3”相继延迟 5 秒触发，这三个变量分别表示在按下启动按钮之后的三个工艺步骤：倒入钢水、倒入废钢材、插入氧枪。具体程序如图 4.1.5 和图 4.1.6。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 19 页 装 订 线 图图 4.1.5 4.1.5 FC1FC1 程序，启动程序，启动过程延时（过程延

45、时（1 1）安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 20 页 装 订 线 图图 4.1.6 4.1.6 FC1FC1 程序，启动过程延时（程序，启动过程延时（2 2）同理，建立 FC2 模块，如图 4.1.7 所示。该模块的作用是温度超限报警。这里我们主观的认为转炉炼钢时钢水的温度在 1000到 1500之间，其中低于 1100为超下限，高于 1400为超上限，程序如图 4.1.8 所示。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 21 页 装 订 线 图图 4.1.7 4.1.7 新建新建 FC2FC2 模块模块 安徽工业大学 PL

46、C 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 22 页 装 订 线 图图 4.1.84.1.8 FC2FC2 程序，超限报警程序，超限报警 同样的方法建立 FC3 模块，如图 4.1.9 所示。该模块的作用是将经计算得到的氧枪位置信号（0.00100.00）除以 10，得到的数据再四舍五入，最终得到 010 的整数数据信号。这么做的目的是为了将精确的氧枪位置信号模糊化，避免控制氧枪高度的电机因频繁动作而缩短寿命以致损坏，同时也降低了氧枪伺服系统的复杂度及投资成本，如图 4.1.10 所示。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 23 页 装 订 线 图图

47、 4.1.9 4.1.9 新建新建 FC3FC3 模块模块 安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 24 页 装 订 线 图图 4.1.10 4.1.10 FC3FC3 程序，氧枪位置模糊化程序，氧枪位置模糊化 因工艺及编程需要，这里除了自己编写的模块外，还调用了 STEP7 中自带的标准模块。其中包括 PID 模块 FB41 以及模拟量等比例转换模块 FC105。调用 PID 模块的步骤为：Open Project Libraries Standard Libraries PID Control Blocks Blocks FB41。调用模拟量等比例转换模块的

48、步骤为：Open Project Libraries Standard Libraries S5-S7 Converting Blocks Blocks FC105。这两个自带模块的功能及使用方法请参考相关说明书。以上就是本程序所需要的子程序块。当它们编辑好之后，就在 OB1 中调用，以完成整个工程。新建一个 Network，插入标准模块 FC105，对各端口分配地址。然后再在 SIMATIC Manager 窗口中打开模拟器 Simulation，保存并下载之后运行，检查是否有错误。该 安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 25 页 装 订 线 Networ

49、k 的作用是将来自于温度传感器的电信号（经 AI 模块转换后输入为 027648单位），转换成温度数值 10001500显示，如图 4.1.11 所示。图图 4.1.114.1.11 温度输出温度输出 同样，在 Network2 中，使用 FC105，将温度传感器的信号，等比例的转换为氧枪高度位置信号。实际上，因工艺不同，温度和氧枪高度之间的关系是非线性的，但这里为了简化，将温度和氧枪的高度理想的看成线性关系，即温度越低，氧枪的位置也应该调低，以增强氧化，帮助燃烧，以便提高温度，反之亦然，如图 4.1.12 所示。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 26 页

50、 装 订 线 图图 4.1.12 4.1.12 氧枪高度氧枪高度 Network3 的目的是将精确的氧枪位置数据模糊化，转换成 010 之间的整数，这样氧枪高度的调节就会变成有级调节，避免伺服电机频繁动作，使用之前编辑的 FC3模块来完成，如图 4.1.13 所示。安徽工业大学 PLC 在氧气转炉炼钢温度控制中的应用 共 47 页 第 27 页 装 订 线 图图 4.1.134.1.13 氧枪模糊位置氧枪模糊位置 在 Network4 中，用到了自己编辑的 FC1 模块，用三个输出端子分别来代表冶炼刚开始过程中的三道工序，实际上冶炼开始时的工序绝不止这三道，这里也进行了简化，如图 4.1.14