浅析转炉动态炼钢控制系统的研制与开发

唐学锋

摘要:对转炉炼钢一次倒炉的准确预报有助于提高转炉终点控制能力、缩短冶炼周期、降低冶炼成本、提高钢水质量,实现转炉工序以及全厂生产计划、调度的标准化操作。着重讲述了某炼钢厂转炉动态炼钢控制系统,详细的介绍了转炉动态炼钢的特点、特征,并对其关键技术进行了描述。

Abstract: The accurate forecast of the inverted furnace of the converter steelmaking is good for the enhancement of high converter's controlling ability, reducing the period and costing while improve the quality of liquid steel. These will help the standard operation and plan of the factory. The thesis introduces the technology of dynamic controlling on converter steelmaking and its characteristics, and some related techniques are illustrated.

关键词:炉,气分析;动态模型;静态模型

Key words: gas analysis; dynamic model; static model

中图分类号:TF34 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)04-0084-01

近年来,计算机过程级控制冶金行业得到了广泛的应用,目前在国内的多家钢厂都在不同规模上实现了计算机控制。为了提高产品的产量和质量,扩大品种,降低成本和消耗,稳定生产工艺,在转炉上使用计算机过程控制已经成为必要。生产上采用动态炼钢以后,可以大幅度提高产量、质量,有效的优化全生产线生产过程,对于迅速提高经济效益起到立杆见影的效果。

1系统概述

该转炉动态炼钢控制系统于2004年1月开始实施,运行稳定正常,能够完成动态炼钢对数据的需求。本系统主要完成实现了的生产管理,包括生产作业状况显示和传送等;并对吹炼开始、吹炼结束等状态进行跟踪;能够对相关的数据进行采集,并进行存储、记录;实现了对主料和辅料的计算及管理;实现了对废钢、生铁的配比及称量的管理;能够打印各种报表和记录;能够对转炉的作业时间进行管理;实现了与连铸机、化验室等计算机通讯。

2主要的特点、特征

(1)基础级到计算机级数据传输程序设计:50吨转炉数据传输的控制程序通过使用西门子公司专用的编程软件STEP7,并采用LAD、CSF、STL三种灵活的方式编制而成。整套控制程序采用模块化/结构化编程方法。这种编程方法使得程序的查阅、功能的扩充及修改变得更加容易,大大增强了程序的灵活性、可读性、实用性和维护性。(2)炉气分析系统通过对转炉炉气(如CO、CO2、N2、O2Ar等)进行分析,实现对冶炼进程的检测。(3)数据传输控制系统中的监控系统,具有数据录入、显示、传送、自诊断/报警、历史趋势记录等功能,为动态炼钢提供了正确无误的数据和对原始数据的记录功能。

3关键技术

(1)氧枪精确定位控制:将氧枪定位作为一个重点技术问题解决,硬件上采用德国TURCK增量型编码器和西门子FM450高速计数模板配合,完成氧枪位置信号的采集。定位数据的处理采用点线结合的方法,对于极限位、待吹位、开氧/闭氧位、变速位等需精确定位的关键点,采用10次往返计数值加权平均的方法,以抵消提升加速和下降加速引起的卷扬钢绳弹性形变所造成的定位误差。对于纵轴线上的枪位显示数据,则采用自动定量补偿和人工校准相结合的方法予以处理:即当氧枪提升和下降的过程中,在编码器读数的基础上,分别加或减一个补偿量,这个补偿量是对氧枪1000次往返读数与实测枪位误差的统计处理结果,用这一数据补偿,在氧枪的工作行程上,可达到+/-2CM的定位精度,满足枪位指示的精度要求。

(2)炉气分析系统:炼钢厂四号转炉动态炼钢炉气分析系统分为三个部分,即EMG模块、SPS模块和图表站。其中EMG模块运用于DOS下,主要实现数据的分析;SPS模块运行于UNIX下,主要用来采集控制阀(气体阀)的参数;图表站用来实现气体含量的显示。

转炉动态炼钢系统炉气分析采用俄罗斯EMG-20-1型飞行时间质谱仪,EMG-20-1是一种时间质朴仪,专为记录炼钢转炉或其它冶炼过程所排放气体的质谱图并同时分析其中多个成分含量而设计。它属于过程质谱,能对转炉排出的烟气进行实时、连续监控,从而达到优化工作参数,对冶炼工艺和设备进行监控、管理,完善工艺过程的目的。

通过质谱仪在时间刻度上的图谱记录和对这些数据的处理可以确定混合气体的成分及百分比含量。现在根据分析的CO的含量可以来指导转炉的煤气回收,根据H2的含量可以判定氧枪是否漏水。

(3)静态控制模型:静态控制模型的主要任务是根据原料的条件寻找最佳的原料配比,并根据已知的配料确定冶炼的方案。转炉静态控制模型是转炉炼钢计算机终点控制的核心,其精度直接影响到终点钢水碳含量与温度同时命中率的高低。依据建立模型方法的不同,静态控制模型有理论型、统计型和经验型。炼钢厂50吨转炉,采用经验型,构成炉气分析终点控制静态模型。该模型建立在炉气分析数据的基础上,实现终点控制。主要终点控制的参数为:O、C、Mn、P、温度等。

(4)动态控制模型:转炉动态控制模型则是对静态控制模型精度的补偿。根据物料平衡、能量平衡、化学动力学、化学热力学等理论,以及炉气分析结果建立脱C速度计算模型、温度变化计算模型、其他元素变化计算模型等,用增量校验技术和神经网络技术实现对分析结果延误的矫正和系统误差的消除,提高转炉的终点命中率。

动态控制模型主要由炉气定碳模块、温度预报模块、喷溅预报模块、冷却剂控制模块构成。模型的自学习、自适应功能的实现是提高模型精度和使用性的关键。根据具体方式的不同,模型对误差的处理方法大体又可分为数值处理方法和人工智能方法两类。

数值处理方法:T.Hara[1]将每个预测模型都表示为y'=F(x)+△a。

式中,学习项△a在每炉喷吹结束后及时学习实际数据,并预测下一炉y-F(x)值。

另外,还可采用动态控制模型和反馈计算模型,其中反馈模型基于炉气分析结果,分析动态模型的误差趋势,并根据相应的规则确定反馈量,从而达到调整动态模型误差的目的。

人工智能方法:人工智能方法模拟了人类专家的思维与决策过程,它可以引进人类经验并提高模型弹性,从而弥补传统控制模型的部分缺陷和不足。

据该系统投运近一年来的实际效果看,该动态炼钢控制系统设计合理,控制先进,功能丰富,运行安全稳定可靠,很好地完成了转炉的过程级控制,确保了生产的顺行,取得了极好的经济效益。该自控系统具有一定的自扩展、自学习功能,在本行业及其它相关行业具有很高的推广价值。进入正常的生产后,该系统仍然暴露出了一些问题,如:系统中个别设备的控制功能及网络通讯能力还需要根据生产要求做进一步修改、补充、完善。只有根据生产中的实际问题,进一步修改、完善软/硬件,以最大限度满足生产的需要,才能使系统更加趋于完美。