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济钢120t转炉顶底复吹自动控制系统 |
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作者：济南钢铁集团 徐继红 姬厚华 刘怡 |
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摘要：济钢120t转炉采用顶底复吹技术，为提高其自动化控制水平，控制系统采用三级网络结构，L1 为基础自动化级，其控制系统采用昆腾系列PLC，监控站采用C/S（Client/Server）结构；L2为过程控制级，运行炼钢控制模型，通过对炼钢基础自动化工艺数据的分析和计算，发送自动炼钢的各项指令。顶吹氧气流量采用两级自动化控制，无须人工干扰；底吹各支路流量控制采用底吹控制模型，从吹炼开始到出钢结束均为自动控制。应用结果表明，系统运行稳定可靠，较好地满足了顶底复吹工艺的自动化控制要求。
关键词：转炉；顶底复吹；自动控制系统；PLC；模型控制
1 前 言
济南钢铁集团总公司（简称济钢）120t转炉在冶炼时采用顶底复吹技术，冶炼周期短，其中吹氧时间仅为15min。在这么短的时间内，不仅要保证吹氧压力和流量的稳定，还要根据所炼钢种对含氮量要求决定吹炼各个时期内底吹气体流量大小，把握氮、氩切换的时机，需要有较高的自动化控制水平来保证。济钢120t转炉采用PLC和炼钢模型相结合的控制形式，取得了满意效果。
2 120t转炉工艺概况
120t转炉主要技术参数为：公称容量：120t；平均出钢量：125t；最大出钢量：135t；底吹气体种类：氮气、氩气；平均冶炼周期：35～40min（其中吹氧时间15min）；每炉年产量：130万t。工艺流程如图1所示。顶底复吹工艺控制系统流程见图2。
图1 120t转炉工艺流程
图2 顶底复吹工艺控制系统流程
顶吹系统的主要设备氧枪除了作为顶吹氧气的通路外，还兼有溅渣护炉用的氮气通路。为了保证整个冶炼生产的顺利进行，系统设两套氧枪，一用一备，两套氧枪的检测设备和控制设备完全相同。
顶吹氧气的控制主要包括氧气管路上的切断阀控制和氧气支总管氧气流量控制。在自动控制模式下，氧气切断阀的控制根据相关的工艺条件连锁控制，即在一次风机高速运转、氧枪在工作位的情况下，当氧枪下到开闭氧点时，氧气切断阀打开，开始吹氧；当氧枪上到开闭氧点时，氧气切断阀自动关闭。在整个生产过程中不仅要求吹氧压力保持稳定，还要求根据吹炼具体情况控制吹氧流量的强度。
底吹工艺采用LD-KGC弱搅拌复吹技术，使用氮气和氩气作为底吹搅拌气体，供气强度范围为0.005～0.15m3/min.t。底吹气体经过转炉一侧耳轴送到分布于转炉底部的8块透气砖上。转炉吹炼时按照钢水的含氮量决定底吹模式和气体切换的时机。在非吹炼期通以小流量的氮气防止透气砖堵塞。底吹流量的控制通过每个支路的调节阀来完成，氮气和氩气的切换则是通过安装在氮气和氩气总管的切断阀来实现。
3 控制系统组成
济钢120t转炉自动化控制系统总体结构采用三级网络技术构建，其网络结构见图3。系统由光缆、Hirschmann工业交换机构成100M Ethernet冗余环网。
图3 120t转炉自动化控制系统网络结构示意图
3.1 L1控制系统
L1控制系统采用昆腾系列PLC，顶吹和底吹控制各采用1套独立的PLC控制，控制器均采用CPU513，系统采用以太网实现PLC与监控站、PLC与其PLC之间的通讯。
L1监控站采用C/S（Client/Server）结构，多台Client 共用1台Server。Server完成数据库的建立、数据处理、历史数据的存储、报警、打印等功能。CLIENT可根据各自的系统任务，开发不同的监控画面，实现工艺参数的显示与操作等功能。Server采用冗余配置，以提高系统的可靠性。
L1自动化控制软件由PLC编程软件和HMI监控软件组成，PLC编程软件采用Concept2.6；HMI监控软件: Monitor Pro V7。
3.2 L2系统
L2为过程控制级，主要运行炼钢自动化控制模型，包括静态炼钢模型和动态炼钢模型，该模型由DANIELI公司提供，主要包括以下控制模型：工艺目标计算模型，加料计算模型，吹炼模型，二次吹炼计算模型或动态控制模型，动态计算模型，钢包合金化计算模型，冶炼终点和反馈计算模型。
4 关键回路控制
4.1 顶吹氧气流量控制
顶吹氧气采用模型控制，吹氧量用下式表示：
Ft+1=f(Ft,MOMENT_CODE, TIME_DISTANCE, LANCE_POSITION,…) (1)
式中吹氧量与上一时刻的氧流量、钢种、氧枪位置、以及入炉铁水温度、成分、辅料成分等有关，该模型在L2中收集相关数据，经过计算后以数组（最多40组）的形式（见表1）传给L1级系统，由L1级完成控制任务。在整个冶炼周期内，L2最多向L1发送3次数据，第一次发送是在开始炼钢前，第二次在副枪测温、化验后，L2根据冶炼具体情况重新调整某些数据，第三次是在补吹情况下发送。如果在冶炼过程中L2级计算机或通讯出现问题，则L1级计算机仍然能够按照存储的模型数组完成冶炼过程。表1 L2至L1的控制数据
 顶吹氧气流量控制回路见图4。
图4 顶吹氧气流量控制
4.2 底吹过程自动控制
底吹全过程采用模型控制，根据钢种对成品氮含量的要求，将底吹控制模型划分为三种：
（1） [N]≤40×10-6的钢种，吹炼过程中转炉底吹全程吹氩。
（2） 40×10-6<[N]≤70×10-6的钢种，吹炼过程中转炉底吹进行氮氩切换。
（3） [N]>70×10-6的钢种，吹炼过程中转炉底吹进行全程吹氮。
图5是[N]≤40×10-6钢种的底吹控制模型曲线。当吹炼开始后，由点火信号启动底吹PLC，开始执行底吹模型控制程序，底吹PLC实时接收顶吹PLC发送过来的氧量数据（实际耗氧量的百分数），根据所下载的模型，控制氮气或氩气切断阀的开启，装载各个时期各支路的流量设定值。经PID运算后输出控制信号至各支路调节阀，调节阀门开关，直到实际值与设定值一致。
图5 [N]≤40×10-6钢种的底吹控制曲线
4.2.1 支路设定值计算
底吹各支路设定值计算方法按下式：
fs= Fs /N（2）
式中 fs —支路流量设定值；
Fs—总给定值（来自底吹模型中的设定值）
N—有效支路数，当所有供气回路均正常时，回路有效值为8，当回路有堵塞情况时，有效回路数为8-堵塞回路数。
4.2.2 氮氩切换处理
为防转炉底部透气孔堵塞，要求在转炉冶炼期任何时间内都要有气供应，因此氮气总管切断阀设计为气关式阀，在氮气和氩气切换时，程序作了连锁安全处理，当要切换的气体阀门完全打开时，才允许正在运行的阀门关闭，即两阀不能同时关闭。
5 结束语
济钢120t转炉顶底复吹控制系统从2003年陆续投入使用，系统运行稳定可靠，HMI界面友好，操作简便，功能完善，安全性强，较好地满足了顶底复吹工艺中各种复杂的控制要求。(end)
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(1/23/2006) |
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