安钢 150 t转炉炼钢控制系统的改进与完善

何俊正 张广清 陈庆海 申凌云

(安阳钢铁股份有限公司)

安钢 150 t转炉炼钢控制系统的改进与完善

何俊正 张广清 陈庆海 申凌云

(安阳钢铁股份有限公司)

介绍了安钢第二炼轧厂 150 t转炉控制系统的组成,对存在问题进行了分析,提出相应的改进完善措施。通过改进,转炉炼钢大大地降低了设备的故障率,提高了钢水的命中率、减少了炼钢过程中人为干预,节约了炉次冶炼时间,达到自动化炼钢的目的。

转炉 自动化炼钢 控制系统

0 前言

安阳钢铁股份有限公司第二炼轧厂是集炼钢、精炼、连铸、轧钢四位于一体的生产工艺配置,现代工艺装备堪称国内领先,电气控制水平国际一流。其中 1#150 t转炉于 2005年 8月投产。随着生产节奏的逐渐加快,大量数据的积累,投运自动化炼钢就提上了日程。但工艺,设备自动化控制系统中还存在着诸多问题,制约了自动化炼钢的投运。为此,第二炼轧厂对自动化炼钢进行了专题攻关和调试,对其控制系统进行了改进与完善。

1 控制系统组成

安钢 150 t转炉自动化炼钢控制系统[1-2]由SDM静动态炼钢模型,GATEWAY PLC(用于一级自动化与模型交换数据)、基础自动化环形以太网、转炉本体 PLC(氧枪、倾动、顶底复吹)、转炉汽化 PLC、转炉投料 PLC、SUBLANC PLC、吹氩 PLC、熔剂上料PLC和铁合金上料 PLC等自动控制系统组成。基础自动化系统传给模型的数据及信息主要有:转炉冶炼过程状态 (冶炼阶段信号)、转炉吹氧量、氧枪升降实际位置、底吹模式及底吹过程状态、倾动角度、转炉料仓料种代码、熔剂及铁合金加料重量数据采集、副枪D IRC测量数据等等。模型下发给基础自动化的控制指令主要有:氧枪升降自动定位数据、顶吹氧气自动调节控制数据、熔剂加料批次及重量数据、铁合金加料料种及重量数据、底吹模式代码指令、副枪自动测量控制指令等等。

2 存在问题及分析

2.1 铁合金加料

安钢 150 t转炉调试初期,物料称量的自动控制无法实现计算机控制,功能不完善;称料的准确度不高;铁合金物料采集经常漏采集投料数据,在生产过程中经常出现振动电机停振现象。分析认为,其问题的关键是调试初期物料称量控制系统不完善;变频器加减速斜坡时间太长,且有变频器的低压死区频段;自动控制未完全实现;合金料料仓的称量精度不高。

2.2 熔剂加料

转炉熔剂加料速度满足不了模型控制要求,插板阀故障率过高;变频器的停止振动停止信号出现太晚,延长了批次物料称量及投料时间;模型控制自动分料程序对多料仓放置同种物料时出现重复分料;物料称量的准确性不高;炉次加料数据有时漏采集。由此看来模型数据采集的准确性存在问题;实际应用中由于料斗壁上粘附物料而重量超过阈值,导致插板阀故障率高等。

2.3 顶底复吹

氧枪枪位、吹氧量的计算机控制系统没有调试;底吹模式计算机设定代码接收和处理不正常;吹炉口氧量经常计入模型补吹氧量。原因是氧枪枪位不能以最快的速度准确停止在制定位置上;吹氧量的大小控制不稳定;底吹模式根据钢种不同需人工干预设定模式代码等。

2.4 二级系统通讯

铁水,废钢数据不能自动采集,需人工输入;铁水成分数据不能及时传送给转炉二级系统;炉中样的成分数据传送时间比较长;脱硫后的铁水数据不能送到转炉二级系统;钢包信息不能发送到转炉二级系统;因为计划炉号的问题导致转炉系统接收生产管理系统的计划混乱。分析认为,二级通讯系统原设计都是由现场人工干预,操作非常麻烦,因不是自动采集,也不能保证数据的准确性,故钢包信息的数据传递也不会准确。

3 控制系统改进与完善

3.1 加料控制系统

转炉加料系统分为熔剂加料和铁合金加料两部分,主要改进内容如下:

1)增加了铁合金投料振动电机的旁路接触器控制系统。该控制系统作为振动电机变频控制的备用控制方式,在变频启动不能正常启动时,直接由工频进行控制电机的启停。更改了相关的电气控制原理图和 PLC系统的输入输出信号,以及铁合金投料的相关程序,修改了 HM I控制画面,修改后的控制画面如图 1所示。

图1 改进后的铁合金投料控制系统示意图

2)优化修改变频器的控制参数。料仓振动电机为非变频电机,但是工艺控制需要对物料称量准确性进行控制,为了保证非变频电机的振动电机能够在变频器的驱动下正常运行,采取了以下的变频器控制优化手段:使其加减速斜坡时间缩短,并屏蔽变频器的低频死区频段,更改变频驱动控制方式和优化变频器的速度和转矩参数,确保振动电机快速启停,加快物料称量速度,采用变频器通讯模板连接至 PLC的 PROF IBUS总线上,在 HM I上可以调整变频器的输出频率。

3)完善铁合金一级自动化加料的控制。原转炉投产之初,铁合金投料采用了手动加料、自动加料和计算机控制加料三种控制方式,但是实际使用的仅仅是手动加料。为了实现计算机自动控制,完善自动加料控制方式十分必要。其主要控制逻辑为:仅需要操作工一次将本炉次所需要的铁合金料设定好,PLC依次按照料仓号从小到大的顺序自动称量,以减少操作步骤。完善后铁合金称量的分散和自动控制系统如图 2所示。

图2 优化后铁合金称量控制系统示意图

4)优化加料系统料仓称料的准确性:合金料的称量精度对于钢水成分的命中率至关重要。在钢水称量精度控制程序中,其原有的设计要求为在 HM I上对每个料仓进行物料称量落差值的手动设定,其理论依据为每次称量同一种铁合金物料,其振动电机停止时,余振落下的物料应该相同,但是实际上每批物料颗粒大小不同及料仓内料位高度不同都对称料精度有所影响,因此采取了利用上次称料误差进行落差值的自动修正对控制程序进行修改。

在每种铁合金称量结束后,PLC将根据称量后料斗称的重量值自动减去称量前的料斗称的重量值作为该合金的称量值,并将该值写入数据块进行存储。熔剂加料控制系统同样增加如上落差值自动修正控制,保证了物料称量的准确度。

5)改进了熔剂加料物料采集程序,确保了模型数据采集的准确性。改进之前,物料消耗重量采集触发条件为汇总斗重量低于设定阈值 (阈值一般设定为 100 kg)并且汇总斗插板阀有关闭信号,实际应用中由于经常出现料斗壁上粘附物料重量超过阈值,插板阀故障率较高,因此经常造成大批量的数据漏采集。根据以上分析原因,物料采集控制程序先后进行了以下几次改进:

将插板阀改造为翻板阀进行控制,解决了关闭经常不到位现象,并将翻板阀关闭信号作为触发条件发送料仓实际的重量减少值,由于模型采集数据的平均周期为 2 s左右,如果两个料仓几乎同时加完料时,发送两组数据间隔时间小于 2 s,就造成第一组数据模型没有采集就被第二组数据刷新造成漏采集。

物料采集触发条件为翻板阀关闭信号,传送数据为各个料仓炉次内累计的投料物料重量,这样避免了物料采集漏采现象。

6)熔剂投料称重仓下翻板阀控制改造。将原有气动插板阀改造电液推杆驱动的翻板阀,修改了控制程序和 HM I控制画面。这样大大地减少了熔剂投料的设备故障率,并确保了加料数据的准确采集。

7)计算机控制自动分料的准确性控制程序修改:计算机控制加料时,是根据吹氧量来触发投料批次,二级模型根据料种代码下发每种物料在不同吹氧量时的设定值。我们在分料控制程序前增加了一段判断物料代码的判断程序,使得物料相同的仓在自动分料时,在料仓无故障的情况下,若物料设定值小,优先分配料仓号较小的料仓;如果料量大,物料代码相同的仓进行平均分配,解决了重复分料的现象。

3.2 转炉顶底复吹、氧枪控制系统

1)氧枪枪位、吹氧量的数据处理与控制,以及HM I控制画面修改。氧枪枪位、吹氧量设定在计算机控制模式下,模型根据冶炼钢种、铁水成分、废钢成分计算转炉在不同的吹氧阶段氧枪的高度值以及氧气的流量设定值 (实际设定值与钢种有关)。转炉本体 PLC在计算机控制模式下将根据模型下发的数据实时设定转炉冶炼 GAP值,通过变频器控制氧枪升降,并同步对氧气流量进行 P ID调节[3-4]。模型下发数据基本格式见表 1。

表1 氧枪高度、顶吹自动控制设定

2)底吹模式计算机设定代码接收和处理。底吹模式在模型控制时,模型将根据钢种不同设定底吹模式代码,攻关前,计算机设定的底吹控制模式和氮气或氩气设定值需要操作人员确认后方可生效。因此对程序进行了修改,计算机模式下无需人工干预,模型直接下发和控制底吹。

3)吹炉口氧量不送入模型的程序修改。转炉吹炉口的目的是熔化炉口冷钢,这一部分氧量如果计入吹炼氧量,对模型自学习不利,为了避免吹炉口氧量送入模型,在与模型通讯数据中增设了吹炉口和停吹炉口信号,并相应地修改了相关通讯与控制程序。

3.3 二级通讯系统

1)增加主原料系统来实现铁水、废钢数据的自动采集和传送。铁水和废钢的数据 (铁水数据主要是温度,重量和成分,废钢数据主要是废钢的种类以及各种废钢的重量)原设计都是由现场人工进行输入的。不但操作非常麻烦,同时因为不是自动采集,也不能保证数据的准确性。对此,我们增加了一个主原料系统,主要是实现铁水,废钢数据的自动采集和管理,并将这些数据传给转炉二级系统。

在该系统的设计中,首先采用了 OPC技术,每间隔两秒钟将混铁炉和折罐位的现场 PLC中的重量和温度数据采集上来,并根据设定好的罐重,皮重,毛重的范围来对采集上来的数据进行过滤,来实现对铁水重量数据的采集,同时也实现了对最新铁水温度的采集;当废钢的操作工在某种废钢装料结束进行确认的时候,OPC程序将废钢的重量数据从PLC中写入到数据库中,实现对废钢数据的采集。然后用 DB_L INK技术来实现数据在主原料系统和转炉二级系统之间的传送。当有新的铁水,废钢数据的时候,主原料系统便将该数据放到一个公共的表空间,转炉二级系统会每间隔半分钟去该公共的表空间去查询,如果发现有新的数据就及时接收并将公共表空间的数据删除。

2)改变铁水成分数据的传送路径,缩短了铁水成分的传送时间。原系统设计是铁水成分数据先反馈到主原料系统,然后和铁水的重量,温度数据绑定后一起发给转炉二级系统。但是受客观上铁水成分数据出来的时间比较长,从而导致铁水的温度和重量数据也不能及时传送给转炉二级系统,对模型的应用影响非常大。考虑到这些因素,将重量温度数据和成分数据分开,当翻铁或者折铁结束的时候,主原料系统立刻将重量温度数据先发给转炉二级系统,同时转炉二级系统直接从检化验系统去取数据。这样就可以保证模型能及时接收到铁水的重量和温度数据。

3)缩短了炉中样成分数据的传送时间。系统使用一段时间后,操作工反映接收成分比较慢。因为成分传输是通过 ORACLE后台的 JOB调用存储过程来实现的,而 JOB是每隔一定的时间间隔自动调用存储过程的,经过研究发现,当前时间间隔设定为 30 s,于是更改了时间间隔参数,将其改为 5 s,这就相当与每个炉中样可以节约出来 25 s的时间。

4)增加了脱硫后铁水数据的传输。我厂配置有脱硫工序[5],脱硫后铁水的硫含量和温度与在混铁炉以及折罐位处相比已经有了相当大的变动,以前转炉二级系统并没有接收脱硫后的实际铁水数据,还是以在混铁炉以及折罐位处原始数据来进行计算,对模型的运算有很大的影响。

改进后,铁水脱硫后的数据以炉次报告的形式发往主原料系统,主原料系统将转炉二级需要的铁水硫成分以及铁水温度挑选出来并转发给转炉二级系统。这样就实现了脱硫后铁水数据的传递。

5)增加了钢包信息的传递。原设计系统没有考虑钢包数据,但是钢包数据对钢包合金化模型的计算有很大影响,在钢包管理系统完善后,建立了钢包管理系统和转炉二级系统之间的通讯,保证钢包管理信息的及时传输。

6)更改了生产管理系统的部分程序,保证了生产计划的正确下发。在使用过程中,发现有时二级系统不能正确接收来自于生产管理系统中的计划。因为二级系统对计划的处理是以计划号为关键字的,而原来的生产管理系统中并没有将计划号和炉次号绑定,当更改计划的时候,二级系统会因为某一个计划号正在进行或者已经结束而不能接收到该计划。于是在生产管理系统中将计划号和炉次号绑定,确保了转炉二级系统能正确的接收生产计划[6]。

4 改进效果

根据安钢第二炼轧厂转炉的工艺流程和生产规模,通过对二级通讯系统改进,即:计算机控制范围从铁水预处理开始,经转炉吹炼、炉外精炼直至将钢水送到连铸机为止。炼钢过程得到有效控制,节约了生产时间,提高了生产产量,降低了成本,使生产管理水平大大提升。

副枪和 SDM炼钢模型可以实现在不中断吹炼的情况下从转炉中获取钢液成分和温度等信息,采用此种方法可以通过 SDM模型计算出测量后还需向钢中吹入的氧气量和冷却剂加入量。系统改进后,通过对转炉冶炼参数的修正就可命中终点目标温度和碳含量而不需进行补吹。

通过系统改进,模型炼钢提高了钢水命中率(终点 (C)合格率达 100%,终点 (C)、温双命中率达91%以上)、减少了炼钢过程中人为干预,节约了炉次冶炼时间;实现了转炉模型自动控制炼钢,减少人为的操作干预。自动化炼钢技术改进后,减少了铁水消耗、增加了废钢比、减少了氧气消耗、减少了熔剂消耗、减少了炉衬损失、提供了较好的工作条件、使炼钢生产有了较大的灵活性。

5 结语

安钢 150 t转炉炼钢控制系统改进后,大大地降低了设备的故障率。该系统的成功实施使公司在自动化新技术领域开创了一个更高的空间,为公司三步走战略的后续工程提供了宝贵的经验,为随后的转炉的顺利达产创效储备了大量的技术信息。该项目值得广泛推广应用于其它转炉控制系统中,并且对于新钢种的开发很有意义。

[1] 贺恩成,何俊正.浅析安钢 150t转炉自动控制系统[J].甘肃冶金,2009,31(3):101-106.

[2] Teruki Makino.Automatic operation of converters at Mizushima works[J],Steelmaking Conference Proceedings,1994,77:67-71.

[3] 王喆,何俊正,李瑞波.炼钢转炉自动化控制系统研究[J].冶金动力,2009(4):119-121,124.

[4] 赵付强,陈志忠,何俊正,等.转炉氧枪系统改造与应用[J].中国设备工程,2009(8):41-42.

[5] 谢书明,柴天佑.转炉炼钢自动化现状与发展[J].冶金自动化,1998,22(1):1-5.

[6] 何俊正,陈庆海,王雷,等.安钢 150t转炉自动化炼钢技术[J].冶金自动化,2009,33(6):53-55,61.

IM PROVEM ENT AND PERFECTI ON OF STEELMAKING CONTROL SYSTEM IN ANGANG 150 t CONVERTER

He Junzheng Zhang Guangqing Chen Qinghai Shen Lingyun

(Anyang Iron﹠Steel Stock Co.,Ltd)

This paper introduces the constitute of 150 t converter control system,analyses the remaining problems and puts forwards improvingmeasures.It shows that the equipment failure rate is reduced greatly,hit-rate of liquid steel is improved,artificial intervention in stee lmaking process is reduced,and smelting t ime is shortened,so the automation steelmaking has been realized.

converter automation stee lmaking control system

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联系人:张广清,副厂长,高级工程师,河南.安阳 (455004),安阳钢铁股份有限公司第二炼轧厂;

2010—8—28