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浅谈炼钢厂50吨转炉动态炼钢控制系统的开发及应用

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  摘要:本文主要以钢厂的50吨转炉动态控制系统为主题,深切剖析了转炉的相关特点,并对转炉动态控制系统的技术做了详细的探讨,以供同行业交流参考。
  关键词:炼钢厂 转炉 动态控制系统 技术 应用
  
  1、引言
  近年来,冶金行业广泛应用了计算机过程级控制,并且国内目前许多家钢铁企业先后使用了计算机控制。在转炉上使用计算机过程控制,不但可以提高产品的产量和质量,稳定生产工艺,还可以扩大产品的品种,从而降低生产的成本和消耗,所以在转炉上使用计算机控制是非常有必要的。在生产上采用动态炼钢以后,提高了产品的产量、质量,还有效的优化了全生产线生产过程,对于迅速提高经济效益起到很明显的效果。因此,炼钢厂50吨转炉进行动态炼钢控制势在必行。
  2、转炉动态系统概述
  某钢厂的50吨转炉,为无副枪顶吹型式,年设计生产能力为50万吨,经过扩容改造,目前具备了80万吨的生产能力,它与大方坯连铸机构成了产能匹配的短流程生产线。
  此转炉动态炼钢控制系统于2004年01月开始正式实施运行,其整个系统运行稳定,也能够整体的完成动态炼钢对数据的基本需求。转炉动态系统主要完成实现了的生产管理,包括生产中的作业状况显示及传送等,并且对对吹炼开始、吹炼结束等状态进行密切的跟踪,对相关的数据进行采集,同时进行存储和记录,从而实现了对主料和辅料的计算及管理。此系统还实现了对废钢、生铁的配比及称量的管理,并且能够打印各种报表及记录,还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。
  3、转炉动态系统的国内外现状对比分析
  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,使用计算机控制生产比其他的流程更为必要,故在钢铁工业,转炉是首先使用计算机控制的机组。目前在国外转炉普遍采用了计算机控制,国内从20世纪70年代开始对转炉计算机控制进行了大量的实验研究,取得了可喜的成果。目前,国内的几家钢厂的转炉在不同的规模上实现了计算机控制。进行生产过程的计算机控制十分必要。转炉炼钢为紧凑型生产,因此引入高性能计算机控制系统是提高产量和质量的必要条件,为此我们选用了静态模型和动态模型。
  4、动态转炉系统的主要特点、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:控制程序分为若干控制部分,每一部分的控制程序及数据分别编制在不同的FC、FB以及DB程序块中,并由主程序OB1在每次扫描周期中依次调用来实现各自的控制功能;此外,在每一个程序块中,加以详细的注释以进行说明。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。
  5、关键技术
  (1)氧枪精确定位控制
  在动态转炉的炼钢生产过程中,氧枪定位的准确性直接影响了吹炼终点钢水的温度和碳含量,并且也同时对生产的安全、炉龄、枪龄有很大的影响。所以,我们应该把氧枪定位最为一个特别重要的关键技术问题来解决,在硬件上采用德国TURCK增量型编码器和西门子FM450高速计数模板配合,来完成氧枪位置信号的采集。为提高系统的可靠性,通过MMI设置了枪位校准按钮,当控制误差较大时,可以把氧枪下降到校准点,按下校枪按钮进行软手动校枪,此时定位系统自动初始化,恢复设定准确度。
  (2)炉气分析系统
  炼钢厂转炉动态炼钢炉气的分析系统总体分为三个重要部分:EMG模块、SPS模块和图表站。其中EMG模块是运用于DOS下,主要用来分析数据,SPS模块运行于UNIX下,是主要用来采集控制阀(气体阀)的参数;图表站用来显示气体的含量。
  这里提到的转炉动态炼钢系统炉气的分析是采用的俄罗斯EMG-20-1型飞行时间质谱仪,EMG-20-1是一种时间的质朴仪,是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的。EMG-20-1属于过程质谱,可以实时、连续的对转炉排出的烟气进行监控,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。
  (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,采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。
  (5)管理功能
  炼钢生产是物流和信息流密集的生产过程,保持物流和信息流的顺畅,是生产管理的重要环节,转炉动态炼系统为过程级控制,信息采集、处理功能强大的监控软件,为实现部分过程级控制功能提供了可能,基于这一情况,在自控系统中开发了辅助管理功能。这一功能主要侧重两个方面:
  生产数据采集和上传:实现这一功能的基础是构建了高速的通讯网络,实现了全线数据的完整采集,然后通过网络接口上传给炼钢厂生产管理的局域网。炼钢厂4#转炉系统包括三个子系统:转炉本体子系统,转炉煤气回收子系统,转炉余热利用子系统。采集上传的数据为车间和炼钢厂两级生产管理和组织调度提供依据,也为进一步挖潜增效和优化工艺提供了支持,有效地提升了生产管理的水平。
  6、结束语
  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。
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