转炉底吹计算机智能控制系统的优化控制

2020-12-12苗青李国柱宗京秀

电子元器件与信息技术 2020年2期

苗青，李国柱，宗京秀

（济南工程职业技术学院，山东济南 250200）

0 引言

坚持以市场为导向，加大品种和质量开发力度、绿色生产、实现降耗增益是钢铁行业可持续发展的战略目标。某钢厂原210t脱磷转炉采用了目前国际先进技术，涉及炼钢生产的全部过程，其中转炉底吹控制系统在智能控制方面应用了大量的计算机控制设备及先进的控制算法。通过对转炉底吹控制系统的分析，建立并完善了转炉底吹系统模型。投产以后，运行稳定，自动化程度极高，为实现全自动炼钢控制提供了可靠依据和实践基础。

1 转炉底吹的作用和工艺流程简介

1.1 底吹控制的目的和作用

根据不同的冶炼要求，通过底吹供气管、透气砖向转炉底部供气，以相应的模式对溶池进行搅拌，以达到改善冶金反应速度动力学条件，缩短吹炼时间，降低渣中Fe 含量，抑制喷溅，减少物料损失合热损失，均匀成分、均匀温度的目的。从而提高钢产量，获得优质钢，同时通过降低合金加入量、吹氧量及吹搅气体的消耗，还可用于特种钢的生产[1-3]。

1.2 底吹工艺概述

底吹系统的设备主要分布在转炉平台下的底吹阀门站，外网来的介质（氩气、氮气）压力较高，首先在底吹阀门站进行减压和稳压，并将稳压后的气体通过8个供气支路，经转炉耳轴软管联接至均匀分布在转炉底部的8个透气砖，最后送入转炉中进行搅拌。

（1）主供气管及减压装置。底吹阀门站包括两套独立的减压装置：一个是氮气减压装置，一个是氩气减压装置。每套装置中包含如下设备：气源减压阀及过滤器，气动阀带开、关限位，手动截止阀，自力式调节阀，两个压力变送器及两个压力就地显示表。该套减压装置的目的是将外网来的高于1.5MPa的压力稳定在1.2MPa左右，稳定后的压力再通过进气总管分别输送给八路支管[4]。

（2）1#～8#吹搅流量支管。底吹系统共包含8个流量支路，分别接于转炉底部均匀分布的八个透气砖上。每个流量支管分别包含如下设备：手动阀，旋涡流量计，压力变送器，自力式旁通流量调节阀，流量调节阀，电动切断阀，压力就地显示表。设置旁通流量调节阀的目的是防止该支管出现堵塞，其最小流量设定在5Nm3/h左右；而各支路流量将由PLC根据模型自动设定或由操作人员进行现场手动设置。若某个支路的流量＜5Nm3/h，同时其压力＞0.95进气总管压力，则认为该支管堵塞，并发出报警信号。

（3）底吹控制参数。氮气总管压力调节：进口压力＞1.5MPa，调节至1.2MPa氩气总管压力调节：进口压力＞1.5MPa，调节至1.2MPa各支路旁通流量调节：阀前压力1.2MPa，维持流量：12Nm3/h左右，1#～8#支路流量调节FC52561～FC52568：调节流量：18～45Nm3/h左右。

2 底吹智能控制模型概述

底吹系统的控制分为五种方式：SDM方式、PLC方式（此两种方式为底吹自动方式）和本机自动、手动方式、检修方式（此三种为底吹手动方式）。在生产之前，操作工应该选定好控制方式，在炼钢吹炼过程中不允许更改[5]。

SDM方式(二级计算机方式)：转炉过程控制计算机根据钢种提供底吹控制模型，由底吹系统PLC执行该模型，实现底吹过程的SDM二级控制。

PLC方式(冶金专家方式)：在底吹HMI操作站上根据不同钢种氮含量的不同，提供三种（a，b，c）控制模型，由底吹系统PLC调用并执行该模型，实现底吹过程的PLC自动控制。

本机自动方式：此为调试校准调节阀的P、I、D参数时用，转炉二级系统异常情况时也可用。在本机自动方式下（底吹的工作方式在手动，并回路调节面板的调节方式在自动），操作工操作工可以在调节阀面板的“自动调节设定”处输入目标设定值，输入值范围为0～200m3/h。

手动操作方式：直接对各个控制支路进行流量调节，氮氩切换完全由操作工根据实际情况进行手动操作，实现底吹过程的手动控制，该过程中各支路的流量调节又分为流量设定和阀位设定两种控制方式。

检修方式：此为转炉某个调节阀进行检修时直接对单个调节阀进行独立操作，不影响其它阀[6]。

以下对几种主要控制模型做详细说明。

2.1 PLC方式(冶金专家方式)

由操作工根据钢种，在顶底复吹的HMI操作画面上选择由程序提供的三种控制模型，对模型的选择原则依据所产钢种氮含量的要求，经冶金工程师输入要求吹搅的总流量及氮氩切换点并进行确认，至此工作站即可将所选模型下发至底吹PLC，由PLC程序实时跟踪氧量，按照曲线中各切换信号的要求，判断耗氧量及各种信号是否到达，控制氮气或氩气切断阀的开闭，计算各支路的流量设定值。各支路的流量控制器调节流量控制阀的阀位直到实际值与设定值相同为止[7]。

底吹贯穿在整个转炉生产过程中，底吹的目标是过控制入口的吹搅气体类型和气体流量来控制转炉底部搅拌。这种控制是主要根据钢种成分来决定的。根据钢种对成品氮含量[N]要求的不同，将其划分为以下三种底吹控制模型：

（1）[N]≤40ppm的钢种，吹炼过程中转炉底吹全程吹氩；

（2）40ppm＜[N]≤70ppm的钢种，吹炼过程中转炉底吹进行氮氩切换；

（3）[N]＞70ppm的钢种，吹炼过程中转炉底吹进行全程吹氮。

炼钢不同的时期，供气的强度、供气的种类都有不同，根据上述曲线控制氮、氩切换的时机及供气流量的大小（选定好的控制模型曲线中的设定值SP值是可以修改的，进入到底吹设定画面可进行相关修改工作）[8]。

2.2 SDM方式(二级计算机方式)

由二级服务器根据下一炉所炼钢种，给出底吹吹炼模型，直接将模型发送gateway（连接L1与L2级的数据通讯网关）经过相应的数据处理后，底吹PLC通过Ethernet从gateway读取模型数据，据模型要求进行相应的动作：

底吹模型数据包含10组数据，每组数据包含状态码、吹炼过程耗氧量设定值、吹炼过程时间累积设定值、高低流量选择、氮氩切换选择等信号。PLC程序将实时跟踪氧量或吹炼时间，根据状态码中的要求，判断耗氧量是否到达或吹炼时间是否到达，控制氮气或氩气切断阀的开启，以及计算各支路的流量设定值。各支路的流量控制器调节流量控制阀的阀位直到实际值与给定值相同。

2.3 手动控制方式

氩切换可分为HMI集中操作和机旁现场操作两种方式，正常情况下由HMI完成，在事故及检修状态下交由现场完成。对各支路的流量调节分为流量设定及阀位设定两种控制方式：在阀位设定方式下，流量控制器处于手动状态，操作工直接改变阀位开度来调整流量；而在流量设定方式下，流量控制器处于自动状态，操作工可改变流量设定值，控制器自动调节阀位，使流量达到设定值。

3 其它控制模型处理

3.1 底吹后搅控制

根据钢种要求或到达转炉吹炼终点时钢水的氧化性，“后搅”进行后搅。自动控制方式下的后搅操作，由PLC自动根据所选择的模型选择输入后搅流量和后搅时间，按下“后搅开始”按钮，后搅开始。后搅操作一旦开始，转炉底吹将不再执行由底吹控制模型规定的流量，而是后搅所规定的流量。

3.2 空炉控制

从装铁开始到彻底出渣的时间以外的时间属于空炉时间。空炉时间以相对较小的流量维持供气回路畅通。

3.3 氮氩切换

氮氩切换应保证任何时候都有供气，也就是说，必须一种介质切断阀完全开启，在用的气体的切断阀才能关闭

3.4 堵塞处理

底吹气体的总流量是必须要保证的，如果各个支路畅通，底吹气体要均匀分配到8个供气回路，如果某一回路堵塞，而系统不做处理的话，转炉供气强度将会减弱，这是不希望发生的，所以PLC要做堵塞的判断，如果回路堵塞，自动将这一回路丢弃，底吹气体要在剩余的回路中重新平均分配，每个支路的供气强度都增加了。参加工作的回路最低不能少于4个。

4 自动化控制系统构成

转炉底吹PLC为一独立系统， CPU采用施耐德公司的QUANTUM系列的140CPU53414A，由1个机架构成。底吹及顶吹、氧枪倾动、除尘、气化冷却等所有的L1级控制系统都通过以太网组织在一个大的网络里面，可以方便地进行数据交换。L2级模型数据通过网关，同L1实现数据交换。Gateway也采用了一套小型PLC，作为L2与L1级PLC通讯的数据网关进行实时数据通讯，避免了因网络病毒和计算机通讯延时带来的数据延误。保证了数据的实时性和准确性。

5 运行效果

转炉底吹控制优化系统采用了目前国内和国际在计算机控制及网络方面先进的技术，系统投运以来运行稳定，其优化的控制算法完全满足了炼钢生产不同钢种的需要，为冶炼特种钢铁产品创造了坚实基础。模型运行稳定可靠，较之前炼钢底吹控制方法相比，一次拉碳、终点温度命中率由人工的83%，提高到90%以上，大大降低了炼钢的成本，该模型已在多个炼钢转炉冶炼中应用。