淺析轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)煉鋼控制系統(tǒng)的研制與開發(fā)

唐學(xué)鋒

摘要:對轉(zhuǎn)爐煉鋼一次倒?fàn)t的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)有助于提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制能力、縮短冶煉周期、降低冶煉成本、提高鋼水質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐工序以及全廠生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度的標(biāo)準(zhǔn)化操作。著重講述了某煉鋼廠轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)煉鋼控制系統(tǒng),詳細(xì)的介紹了轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)煉鋼的特點(diǎn)、特征,并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了描述。

Abstract: The accurate forecast of the inverted furnace of the converter steelmaking is good for the enhancement of high converter's controlling ability, reducing the period and costing while improve the quality of liquid steel. These will help the standard operation and plan of the factory. The thesis introduces the technology of dynamic controlling on converter steelmaking and its characteristics, and some related techniques are illustrated.

關(guān)鍵詞:爐,氣分析;動(dòng)態(tài)模型;靜態(tài)模型

Key words: gas analysis; dynamic model; static model

中圖分類號:TF34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-4311(2010)04-0084-01

近年來,計(jì)算機(jī)過程級控制冶金行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用,目前在國內(nèi)的多家鋼廠都在不同規(guī)模上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制。為了提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量,擴(kuò)大品種,降低成本和消耗,穩(wěn)定生產(chǎn)工藝,在轉(zhuǎn)爐上使用計(jì)算機(jī)過程控制已經(jīng)成為必要。生產(chǎn)上采用動(dòng)態(tài)煉鋼以后,可以大幅度提高產(chǎn)量、質(zhì)量,有效的優(yōu)化全生產(chǎn)線生產(chǎn)過程,對于迅速提高經(jīng)濟(jì)效益起到立桿見影的效果。

1系統(tǒng)概述

該轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)煉鋼控制系統(tǒng)于2004年1月開始實(shí)施,運(yùn)行穩(wěn)定正常,能夠完成動(dòng)態(tài)煉鋼對數(shù)據(jù)的需求。本系統(tǒng)主要完成實(shí)現(xiàn)了的生產(chǎn)管理,包括生產(chǎn)作業(yè)狀況顯示和傳送等;并對吹煉開始、吹煉結(jié)束等狀態(tài)進(jìn)行跟蹤;能夠?qū)ο嚓P(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并進(jìn)行存儲(chǔ)、記錄;實(shí)現(xiàn)了對主料和輔料的計(jì)算及管理;實(shí)現(xiàn)了對廢鋼、生鐵的配比及稱量的管理;能夠打印各種報(bào)表和記錄;能夠?qū)D(zhuǎn)爐的作業(yè)時(shí)間進(jìn)行管理;實(shí)現(xiàn)了與連鑄機(jī)、化驗(yàn)室等計(jì)算機(jī)通訊。

2主要的特點(diǎn)、特征

(1)基礎(chǔ)級到計(jì)算機(jī)級數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì):50噸轉(zhuǎn)爐數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂瞥绦蛲ㄟ^使用西門子公司專用的編程軟件STEP7,并采用LAD、CSF、STL三種靈活的方式編制而成。整套控制程序采用模塊化/結(jié)構(gòu)化編程方法。這種編程方法使得程序的查閱、功能的擴(kuò)充及修改變得更加容易,大大增強(qiáng)了程序的靈活性、可讀性、實(shí)用性和維護(hù)性。(2)爐氣分析系統(tǒng)通過對轉(zhuǎn)爐爐氣(如CO、CO2、N2、O2Ar等)進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)對冶煉進(jìn)程的檢測。(3)數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng),具有數(shù)據(jù)錄入、顯示、傳送、自診斷/報(bào)警、歷史趨勢記錄等功能,為動(dòng)態(tài)煉鋼提供了正確無誤的數(shù)據(jù)和對原始數(shù)據(jù)的記錄功能。

3關(guān)鍵技術(shù)

(1)氧槍精確定位控制:將氧槍定位作為一個(gè)重點(diǎn)技術(shù)問題解決,硬件上采用德國TURCK增量型編碼器和西門子FM450高速計(jì)數(shù)模板配合,完成氧槍位置信號的采集。定位數(shù)據(jù)的處理采用點(diǎn)線結(jié)合的方法,對于極限位、待吹位、開氧/閉氧位、變速位等需精確定位的關(guān)鍵點(diǎn),采用10次往返計(jì)數(shù)值加權(quán)平均的方法,以抵消提升加速和下降加速引起的卷揚(yáng)鋼繩彈性形變所造成的定位誤差。對于縱軸線上的槍位顯示數(shù)據(jù),則采用自動(dòng)定量補(bǔ)償和人工校準(zhǔn)相結(jié)合的方法予以處理:即當(dāng)氧槍提升和下降的過程中,在編碼器讀數(shù)的基礎(chǔ)上,分別加或減一個(gè)補(bǔ)償量,這個(gè)補(bǔ)償量是對氧槍1000次往返讀數(shù)與實(shí)測槍位誤差的統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果,用這一數(shù)據(jù)補(bǔ)償,在氧槍的工作行程上,可達(dá)到+/-2CM的定位精度,滿足槍位指示的精度要求。

(2)爐氣分析系統(tǒng):煉鋼廠四號轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)煉鋼爐氣分析系統(tǒng)分為三個(gè)部分,即EMG模塊、SPS模塊和圖表站。其中EMG模塊運(yùn)用于DOS下,主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析;SPS模塊運(yùn)行于UNIX下,主要用來采集控制閥(氣體閥)的參數(shù);圖表站用來實(shí)現(xiàn)氣體含量的顯示。

轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)煉鋼系統(tǒng)爐氣分析采用俄羅斯EMG-20-1型飛行時(shí)間質(zhì)譜儀,EMG-20-1是一種時(shí)間質(zhì)樸儀,專為記錄煉鋼轉(zhuǎn)爐或其它冶煉過程所排放氣體的質(zhì)譜圖并同時(shí)分析其中多個(gè)成分含量而設(shè)計(jì)。它屬于過程質(zhì)譜,能對轉(zhuǎn)爐排出的煙氣進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)控,從而達(dá)到優(yōu)化工作參數(shù),對冶煉工藝和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、管理,完善工藝過程的目的。

通過質(zhì)譜儀在時(shí)間刻度上的圖譜記錄和對這些數(shù)據(jù)的處理可以確定混合氣體的成分及百分比含量。現(xiàn)在根據(jù)分析的CO的含量可以來指導(dǎo)轉(zhuǎn)爐的煤氣回收,根據(jù)H2的含量可以判定氧槍是否漏水。

(3)靜態(tài)控制模型:靜態(tài)控制模型的主要任務(wù)是根據(jù)原料的條件尋找最佳的原料配比,并根據(jù)已知的配料確定冶煉的方案。轉(zhuǎn)爐靜態(tài)控制模型是轉(zhuǎn)爐煉鋼計(jì)算機(jī)終點(diǎn)控制的核心,其精度直接影響到終點(diǎn)鋼水碳含量與溫度同時(shí)命中率的高低。依據(jù)建立模型方法的不同,靜態(tài)控制模型有理論型、統(tǒng)計(jì)型和經(jīng)驗(yàn)型。煉鋼廠50噸轉(zhuǎn)爐,采用經(jīng)驗(yàn)型,構(gòu)成爐氣分析終點(diǎn)控制靜態(tài)模型。該模型建立在爐氣分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)控制。主要終點(diǎn)控制的參數(shù)為:O、C、Mn、P、溫度等。

(4)動(dòng)態(tài)控制模型:轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)控制模型則是對靜態(tài)控制模型精度的補(bǔ)償。根據(jù)物料平衡、能量平衡、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)等理論,以及爐氣分析結(jié)果建立脫C速度計(jì)算模型、溫度變化計(jì)算模型、其他元素變化計(jì)算模型等,用增量校驗(yàn)技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對分析結(jié)果延誤的矯正和系統(tǒng)誤差的消除,提高轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)命中率。

動(dòng)態(tài)控制模型主要由爐氣定碳模塊、溫度預(yù)報(bào)模塊、噴濺預(yù)報(bào)模塊、冷卻劑控制模塊構(gòu)成。模型的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)是提高模型精度和使用性的關(guān)鍵。根據(jù)具體方式的不同,模型對誤差的處理方法大體又可分為數(shù)值處理方法和人工智能方法兩類。

數(shù)值處理方法:T.Hara[1]將每個(gè)預(yù)測模型都表示為y'=F(x)+△a。

式中,學(xué)習(xí)項(xiàng)△a在每爐噴吹結(jié)束后及時(shí)學(xué)習(xí)實(shí)際數(shù)據(jù),并預(yù)測下一爐y-F(x)值。

另外,還可采用動(dòng)態(tài)控制模型和反饋計(jì)算模型,其中反饋模型基于爐氣分析結(jié)果,分析動(dòng)態(tài)模型的誤差趨勢,并根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則確定反饋量,從而達(dá)到調(diào)整動(dòng)態(tài)模型誤差的目的。

人工智能方法:人工智能方法模擬了人類專家的思維與決策過程,它可以引進(jìn)人類經(jīng)驗(yàn)并提高模型彈性,從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制模型的部分缺陷和不足。

據(jù)該系統(tǒng)投運(yùn)近一年來的實(shí)際效果看,該動(dòng)態(tài)煉鋼控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,控制先進(jìn),功能豐富,運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠,很好地完成了轉(zhuǎn)爐的過程級控制,確保了生產(chǎn)的順行,取得了極好的經(jīng)濟(jì)效益。該自控系統(tǒng)具有一定的自擴(kuò)展、自學(xué)習(xí)功能,在本行業(yè)及其它相關(guān)行業(yè)具有很高的推廣價(jià)值。進(jìn)入正常的生產(chǎn)后,該系統(tǒng)仍然暴露出了一些問題,如:系統(tǒng)中個(gè)別設(shè)備的控制功能及網(wǎng)絡(luò)通訊能力還需要根據(jù)生產(chǎn)要求做進(jìn)一步修改、補(bǔ)充、完善。只有根據(jù)生產(chǎn)中的實(shí)際問題,進(jìn)一步修改、完善軟/硬件,以最大限度滿足生產(chǎn)的需要,才能使系統(tǒng)更加趨于完美。