高爐智能自動(dòng)裝鐵系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

王在豐，趙善陽，馬進(jìn)運(yùn)，張貴余，景 鋒

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東日照 276800）

山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司（簡稱山鋼日照公司）煉鐵廠2座5 100 m3高爐分別于2017年12月和2019年4月投產(chǎn)，高爐設(shè)有4個(gè)鐵口，采用雙矩形出鐵場，兩出鐵場對(duì)稱布置，每個(gè)出鐵場設(shè)有兩個(gè)鐵口，鐵口間夾角81°。高爐鐵水采用汽車運(yùn)輸，鐵水運(yùn)輸距離180 m，煉鋼不設(shè)中間包，實(shí)行“一罐到底，精準(zhǔn)煉鋼”的模式，高爐鐵水裝入量準(zhǔn)確率直接影響煉鋼的生產(chǎn)節(jié)奏，鐵水裝入量準(zhǔn)確率的提高，能提高終點(diǎn)命中率，穩(wěn)定廢鋼加入量和出鋼溫度，降低生產(chǎn)成本。高爐人工放鐵，受煙塵、出鐵過程中液位波動(dòng)大、人員經(jīng)驗(yàn)和注意力等因素的影響，鐵水裝準(zhǔn)率控制較差，按目標(biāo)值±2 t計(jì)算，鐵水裝準(zhǔn)率控制在80%～90%。因此，山鋼日照公司開發(fā)高爐智能自動(dòng)控制系統(tǒng)，以提高高爐鐵水裝準(zhǔn)率，滿足煉鋼需求。

1 控制系統(tǒng)

首先對(duì)高爐爐前的擺動(dòng)流嘴進(jìn)行自動(dòng)化改造，采用施耐德M340 系列P342020 控制器，該控制器性能可靠穩(wěn)定，運(yùn)算和邏輯處理能力比較高，包含3種通訊接口、USB、以太網(wǎng)和Modbus 口，通訊接口比較靈活。M340 系列I/O 模塊支持熱插拔，對(duì)于后期使用具備可選擇性。該系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡單，電氣節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立控制方式，信號(hào)采集全部硬線直連，使用雙電源供電，設(shè)備監(jiān)控采用物理信號(hào)和程序判斷多重安全防護(hù)，增加系統(tǒng)安全性。

每個(gè)出鐵口附近安裝操作員交互界面，畫面顯示出鐵過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及報(bào)警信息，操作人員可根據(jù)煉鋼需求更改目標(biāo)值，如果是從其他鐵口轉(zhuǎn)過來的半包鐵可更改皮重值。

本控制系統(tǒng)與原有的鐵鋼包系統(tǒng)、高爐二級(jí)系統(tǒng)、車載秤系統(tǒng)和現(xiàn)場PLC 控制系統(tǒng)相結(jié)合，形成一套“一罐到底、精準(zhǔn)煉鋼”管控模式的鐵鋼界面，整套系統(tǒng)采用局域網(wǎng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)將兩座5 100 m3高爐的出鐵口控制系統(tǒng)連接起來，通過網(wǎng)絡(luò)隔離鏈路分別進(jìn)入車載秤系統(tǒng)和高爐二級(jí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多方位全過程管控，以滿足生產(chǎn)及監(jiān)控需求。

2 車載稱改造

本控制系統(tǒng)以車載稱值為控制依據(jù)，原有的鐵水車載稱為液壓感應(yīng)計(jì)量器，其數(shù)值穩(wěn)定性差，受氣溫影響，液壓油黏稠狀態(tài)發(fā)生改變，影響數(shù)值計(jì)量精度，不能滿足控制系統(tǒng)需求。對(duì)鐵水車的車載稱進(jìn)行改造，把液壓感應(yīng)計(jì)量器改為電子秤，提高計(jì)量精度和穩(wěn)定性。通過在鐵水車落包位四角加裝固定樁，保證鐵水包準(zhǔn)確安全落入落包位，在原鐵水包支撐位安裝車載電子秤，通過電阻值變化和計(jì)量程序，計(jì)算出鐵水包重量，計(jì)量信息接入智能自動(dòng)裝鐵控制系統(tǒng)。

3 控制系統(tǒng)的安全設(shè)定

本控制系統(tǒng)必須保證放鐵過程的安全，不能出現(xiàn)鐵水滿溢或者無罐落地的情況

3.1 過程控制隱患風(fēng)險(xiǎn)及危害

經(jīng)過分析，整個(gè)控制流程存在較大的安全隱患主要有：無車時(shí)誤擺動(dòng)；該擺時(shí)不擺動(dòng)；擺動(dòng)時(shí)停不下來。

過程控制隱患導(dǎo)致的危害是：（1）如果擺動(dòng)流嘴擺動(dòng)對(duì)面罐位無鐵水罐，將導(dǎo)致鐵水落地，會(huì)對(duì)地面、墻體和周邊設(shè)施造成破壞，附近若有操作人員可能造成燙傷甚至死亡。（2）鐵水重量達(dá)到目標(biāo)值時(shí)溜槽應(yīng)該擺向?qū)γ婀尬?，但沒有擺動(dòng)，可能造成罐車超重包，沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)發(fā)生甚至鐵水滿溢，嚴(yán)重時(shí)燒壞車輛。（3）擺動(dòng)過程若無法停止，可能造成擺動(dòng)流嘴角度過大，鐵水外溢或損壞擺動(dòng)流嘴電機(jī)和減速機(jī)。

3.2 隱患風(fēng)險(xiǎn)控制辦法

（1）首先保證有車信號(hào)穩(wěn)定可靠，擺動(dòng)的前提是必須有車。判斷有車需具備5個(gè)條件：主駕光電開關(guān)、副駕光電開關(guān)、車尾激光測距儀、鐵水罐液位、車載秤稱重。溜槽滿足這5個(gè)條件才具備基本的擺動(dòng)功能。具體分析為：前3個(gè)條件為水平面檢測車的位置，液位信號(hào)為垂直面檢測車的位置，再加上車輛稱重，共4 種不同的檢測方式，可以確保有車信號(hào)的可靠。（2）出現(xiàn)第二種情況，現(xiàn)場制作聲光報(bào)警裝置，提醒爐前工轉(zhuǎn)到手動(dòng)操作。（3）目前程序設(shè)計(jì)擺動(dòng)時(shí)出鐵位置由傾角儀來判斷，如果傾角儀出現(xiàn)故障無法停止，需要靠擺動(dòng)流嘴的物理機(jī)械限位控制，如果機(jī)械限位也損壞，最后一道停止判斷由左擺運(yùn)行信號(hào)或者右擺運(yùn)行信號(hào)延時(shí)9 s來停止動(dòng)作。

4 控制系統(tǒng)應(yīng)用

智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)以車載稱計(jì)量值為主要控制依據(jù)，同時(shí)以雷達(dá)液位計(jì)作為輔助判斷。

4.1 操作界面功能

通過工程師和調(diào)度操作界面，可以實(shí)現(xiàn)2座高爐8個(gè)鐵口的出鐵系統(tǒng)的全面監(jiān)控，可以對(duì)鐵水罐放鐵目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)定和修改，同時(shí)可通過趨勢對(duì)放鐵過程進(jìn)行進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，必要時(shí)進(jìn)行優(yōu)化改善。操作員界面用于爐前工的現(xiàn)場操作，畫面顯示出鐵的目標(biāo)值、皮重值、毛重值、鐵水流速、鐵水液位、放鐵線位、車號(hào)信息、報(bào)警信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，爐前工可現(xiàn)場修改從其他鐵口轉(zhuǎn)來半包鐵的皮重值，處理報(bào)警信息。

在智能化自動(dòng)狀態(tài)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒爐前工退出智能化自動(dòng)狀態(tài)系統(tǒng)，切換為就地模式或者遙控器模式，避免發(fā)生鐵水滿溢事故。

4.2 擺動(dòng)流嘴動(dòng)作的時(shí)機(jī)計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場測算，擺動(dòng)流嘴在動(dòng)作過程中的鐵水流速如圖1所示。

圖1 擺動(dòng)流嘴擺動(dòng)過程的鐵水流速趨勢

擺動(dòng)流嘴從開始擺動(dòng)到擺動(dòng)完成，流入鐵水罐的鐵水重量可近似用（1.5+4.5÷2）×鐵速÷60 計(jì)算，則擺動(dòng)流嘴的擺動(dòng)的車載稱值為：目標(biāo)值+皮重值-3.75×鐵速÷60。其中鐵速高爐二級(jí)系統(tǒng)根據(jù)車載稱的增加速度計(jì)算，可直接引用。當(dāng)車載稱達(dá)到計(jì)算值時(shí)，控制器發(fā)出動(dòng)作指令，擺動(dòng)流嘴自動(dòng)執(zhí)行擺動(dòng)任務(wù)。

4.3 擺動(dòng)流嘴的擺動(dòng)條件設(shè)定

為保證安全，防止鐵水滿溢，設(shè)定毛重值和液位計(jì)上限。（1）計(jì)算車載稱達(dá)到擺動(dòng)條件時(shí)，自動(dòng)擺向?qū)γ?。?）車載稱值達(dá)到330 t，自動(dòng)擺向?qū)γ?。?）雷達(dá)液位計(jì)值達(dá)到5.1 m時(shí)，自動(dòng)擺向?qū)γ妗?/p>

4.4 系統(tǒng)優(yōu)化

由圖2看出，高爐鐵水裝準(zhǔn)率有大幅提升。為進(jìn)一步提升鐵水裝準(zhǔn)率，采集高爐車載凈重值和目標(biāo)值數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)偏差進(jìn)行分析比對(duì)。重量偏差多為正偏差，數(shù)據(jù)均值為0.76 t，于是對(duì)擺動(dòng)流嘴擺罐秤值進(jìn)行調(diào)整，在原計(jì)算公式減0.76 t，高爐鐵水裝置率進(jìn)一步提升。

圖2 鐵水重量差值散點(diǎn)圖

5 結(jié) 語

通過高爐擺動(dòng)流嘴自動(dòng)化控制系統(tǒng)與原有的高爐二級(jí)系統(tǒng)，車載秤系統(tǒng)和現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，山鋼日照公司開發(fā)出智能化自動(dòng)裝鐵系統(tǒng)，并通過優(yōu)化改進(jìn)，高爐鐵水裝準(zhǔn)率由80%～90%（±2 t）提高到90%（±1.5 t）以上，滿足了煉鋼生產(chǎn)需求。