转炉炼钢副枪系统

转炉炼钢副枪系统

康 亮，张爱民

（唐山中厚板材有限责任公司 河北 唐山 063000）

【摘要】转炉炼钢副枪系统可以实现在不中断吹炼或不倒炉的情况下从转炉中获取钢液成份、温度、氧含量等所需信息 该系统操作便利，架构合理。并且可通过二级计算机的模型完成对炼钢全过程的自动控制；不仅能将操作者的工作强度有效降低还可减少转炉每炉次的吹炼时间。主要目的是节省能源和物料消耗，追踪优化转炉冶炼过程，提高其管理水平，达到增产增效的目的。

【关键词】控制系统；转炉副枪系统；计算机模型

1 引言

当前唐山中厚板公司转炉炼钢系统的3 座120 吨转炉先后安装了转炉副枪装置，解决了在不中断吹炼以及不摇炉的情况下，如何获取转炉炉内溶液的各种所需信息的难题：其中包括1 熔液的温度2 熔液的碳含量3 熔液的氧含量4 熔液的液面高度5 取样分析等功能。

根据副枪测量取样的数值来调节吹氧值的大小及转炉中熔剂的添加数量，凭借转炉系统计算机的动态控制相关模型针对冶炼所必需的氧含量及冷却剂添加的多少进一步校正计算。从而达到温度和碳的设定值，避免转炉补吹，使得直接快速出钢得以实现。

副枪及转炉炼钢计算机控制系统的优点有：使操作效率得到提高，自动过炼钢得以实现；提高吹炼终点时的碳含量；熔液温度的双命中率；实现“一键炼钢”的自动炼钢方式；降低补吹次数；减少钢渣铁含量；增加炉衬寿命；提高废钢的熔化效率；并实现管理的信息化。

计算机炼钢其主要目为节约能源和降低物料消耗，节省吨钢成本，追踪优化转炉冶炼过程，提高其管理水平，达到增产增效的目的。

2 副枪功能

冶炼时，副枪系统可以自动选择并安装探头。其进入转炉到指定高度，测量钢水温度、钢水凝固温度、吹炼后的熔池液位等数据。在接近吹炼终点时，副枪进入转炉进行过程检测，并将检测结果传输到上位机以计算吹氧量和冷却剂的添加量。同时，检测样本回收分析，判断终点的钢水成分。

吹炼结束后，副枪可再次检测取样确定终点温度、碳含量、氧含量。副枪系统可自行取下探头，降至操作平台，以便维护。

3 副枪系统的硬件配置

中厚板公司转炉副枪的设备分为副枪旋转装置；副枪横移装置；升降装置；本体；探头存储、副枪供应、副枪收集装置，阀站及配管；副枪口密封和刮渣装置；副枪运输及副枪存储设备。见图1。

转炉炼钢厂总体自动化从功能上分为三级：

一级：炼钢基础自动化分为电气、操作站和仪表控制系统。其主要功能针对转炉操作的过程实现控制，针对生产全过程实现顺序控制，进行人机对话，实现炼钢数据的采集。最终实现和其余系统数据的通讯。

二级：实现过程控制的计算机基本以单个或更多的高性能服务器做为核心，实现铁水预处理、转炉冶炼、精炼炉以及连铸等区域流程的生产控制。当系统E R P 投入运行或者未设计三级机的情况下，担负冶炼生产的计划管理。

三级机：ERP 系统。

4 基础自动化系统

一级采用现场分布式的总线控制系统（D C S）方式，其网络结构用工业以太网及Profibus 现场总线相互结合的模式，各主站间以及操作员工作站的网络是工业以太环形网，它采用TCP/IP 通讯协议；其每架DP 网内主站通过Profibus-DP/PA 的总线下挂远程工作从属站（I/O）、各种仪表执行器、交流变频器。

基础自动化系统硬件包括：P L C 装置、远程（I / O）工作站柜等设备；H M I 系统、设备故障诊断系统；基础自动化系统网络设备；操作台和现场操作箱；编程和维护设备。

基础自动化系统（L1 级）主要功能：

（1）基础级自动化控制系统用于完成全线设备的自动化控制、数据采集和参数调整，并具备通讯功能。

（2）基础自动化系统的各种功能，及其实现控制的方式（手动、半自动、自动、维修）。

（3）副枪的P L C 控制系统的功能包括：副枪的旋转、升降的控制、密封帽刮渣器装置和探头自动装卸机构等，选用S i e m e n s 系列高端P LC。副枪旋转角度和副枪的高度位置检测由高速计数模块来实现。模拟量I / O模块以及各类数字I / O 模块，其数据分析系统状态信息及测量结果通过通讯接口实现，同时借助以太网络及其它HMI、PLC 通讯，与转炉的二级机连网通讯，向转炉的二级机传送其副枪测量结果以及接收转炉的二级机控制信号。

5 副枪控制的方式为以下三种

手动：操作人员针对每个设备进行独立的操作。同时，二级计算机未向一级传送其设定值，但操作全过程中，实际数据可以由一级并向二级计算机传送。

自动：操作人员使用基础自动化中人机界面手动输入操作过程的数据，经过确认后方能通过PLC 并对每个设备采用自动顺序操作。同时，二级不向一级传送相关工艺设定值，但是操作过程中的实际数据可以由一级传送至二级计算机。

计算机：计算机控制所需各种条件都满足的情况下，

自动控制系统会选择该控制方式，该方式不需要人为干预。此方式下，二级计算机向一级自动传送各种模型设定值及吹炼模式，经过一级机确认后，自动化控制系统将依据二级传送的设定值自主完成工艺操作，操作员仅需要在一级和二级的HMI 上监视全部生产过程。

操作执行中的实际过程数据由一级系统并向二级计算机发送。

6 副枪主要控制功能

6.1 升降控制通过交流变频电动机驱动对应的机械设备进行升降。其电机通过V V V F 装置所带得闭环控制回路来实现传动的控制。现场的位置控制通过两个编码器相互校对，两只接近感应开关、两只机械极限开关和其它辅助设备来实现位置控制。

6.2 旋转控制通过一套V V V F 变频装置并驱动对应的机械设备进行旋转。现场的位置控制通过编码器和四个接近感应的极限开关以及两个机械极限开关和其它辅助设备来实现位置控制。控制系统应用的测量方式为旋转定位，目的为副枪机构可以移动到固定的联接位来联接探头，进行测量时同时移动到测量位，还可依据厂房的结构位置来确定其维修位。

6.3 副枪探头连接控制指副枪探头从探头仓去翻转臂间的顺序控制。副枪探头先从仓中依靠气缸的控制下到运输机上，而后通过气动马达所驱动的运输机使其传输到翻转臂之上，等待翻转臂自身的探头夹持器经过闭合后翻转臂再转至垂直位，然后副枪下降安装探头。

6.4 转炉系统和副枪的连锁控制副枪测量时，氧枪的吹氧量及转炉底吹的气体流量控制务必下降到规定的区间内；此时转炉也要保持在垂直位置。所有的相关连锁条件通过转炉副枪PLC 和转炉其它PLC 间进行的数据交换实现。

7 系统的软件设计

S I E M E N S S T E P7 作为进行控制器的编程软件，SIEMENSWINCC6.0 作为HMI 的监控软件。控制器程序的功能模块主要有：判定控制模式、手动现场控制、探头连接控制、测量过程控制、与DIRC 之间的通讯、复位过程控制、故障报警与二级计算机之间的通讯。

一级HMI 画面有以下3 类：

（1）过程状态：用于针对全测量过程中设备的运行状态及各种信息进行监视，例如副枪的旋转、升降、结晶器的碳含量及氧含量，钢液的温度等。

（2）过程控制：该画面允许操作人员调节某些工艺参数及设定值，例如冷却水流量及压力、探头选择等。

（3）过程管理：该画面针对副枪运行及测量过程实行管理，含故障报警的管理及起动条件管理，其控制过程是：操作工发出指令，探头仓中的探头被自动装卸机构取出，使其其连接于副枪上，系统判定其具备运行的条件后，控制副枪并将其旋转至测量位，最终完成全测量过程。

用联接周期和测量周期举例，程序结构框图如图2所示。

8 结语

中厚板公司的副枪控制系统结构合理，操作方便，通过二级计算机模型完成全炼钢过程的控制，最终不仅降低劳动者的强度，还缩短了每炉次的吹炼时间。这对产品质量的提升、生产成本的降低都起到至关重要的作用。

参考文献

[1] DANIELI CORUS.120t 转炉———炉卷轧机工程- 转炉副枪设备HMI 操作手册[M].DANIELI CORUS.

[2] 西门子( 中国) 有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子WinCCV6[M]. 北京: 北航出版社，2002.

[3 吴忠智，吴加林. 变频器应用手册[M]. 北京: 机械工业出版社，2004.