基于數據管理的轉爐控制系統開發與應用

李宏武

（河北鋼鐵集團宣化鋼鐵公司，河北 宣化075100）

河北鋼鐵集團宣化鋼鐵公司（全文簡稱宣鋼）150 t爐區始建于2009年，整個爐區包括150 t轉爐兩座，LF精煉爐2座，12機12流連鑄機兩臺，RH真空精煉爐1座以及其他干法除塵、鐵水折罐間、鐵水脫硫等配套設施[1]。整個爐區建設之初就實現了裝備的大型化和自動化，在之后的生產運行過程中，相關技術人員實現了自動煉鋼模型控制技術在之后的不斷維護和改進中，宣鋼充分認識到模型自動煉鋼的重要性，在前期積累了大量的轉爐冶煉數據，轉爐基礎自動化系統、機械、儀表檢測、電氣控制等系統經過了大量的完善，目前轉爐爐加料、氧槍、副槍、干法除塵、二次除塵等電氣和機械設備運行良好，具備了模型自動煉鋼系統投運的條件[2]。因此，通過應用計算機網絡信息技術、數據庫技術、計算機編程技術和工業控制技術實現由傳統的人工經驗煉鋼到轉爐全自動的模型自動煉鋼系統控制煉鋼顯得十分必要。

1 應用背景

隨著智能化時代的到來，轉爐自動化控制系統智能化的改造，不僅擴充了系統功能，更完善了自動煉鋼的功能，更是自動化控制的發展趨勢。我們運用智能化的思維，不僅擴充一級PLC自動化控制系統的功能，還要拓展智能化功能。對采集的數據進行分析，判斷，達到對煉鋼過程的操作進行識別，提示和優化的目標。

轉爐煉鋼可以生產鋼水的品種繁多，每種鋼水的成份和工藝有很大的不同，氧槍槍位及流量的控制，底吹的控制，鐵合金的比例，均有很大的差別。

轉爐氧槍槍位及流量的控制以及轉爐底吹控制通常由一級自動化系統或二級系統中控制。二級系統也僅僅是將人工經驗全部設置并自動執行。依據崗位習慣，造成差異性較大，缺少的穩定性，對鋼水質量有較大的影響。

轉爐煉鋼鐵合金化是重要的工藝環節，直接決定鋼水的成分和鋼水質量?，F在國內鋼鐵企業均采用鐵合金崗位人工計算配料。鐵合金工崗位人員的人為失誤將直接導致，本爐鋼水成分不合格并判廢。

鐵合金稱的準確性對煉鋼質量也起著至關重要的作用。

同時一級系統之間、二級系統之間、一二級系統間的融合相對較差，比較獨立分散，缺少統一的數據管理和管理。

宣鋼對其進行了控制系統智能化的優化，開發基于數據管理的轉爐控制系統，在轉爐冶煉前，將鋼種輸入畫面中，控制系統識別出本鋼種，自動選擇相配套的轉爐底吹模型，并識別出本鋼種需要的鐵合金物料，并進行提示。其他鐵合金物料不能操作。同時對加料的鐵合金物料的次數進行提示，對所加鐵合金物料的質量是否超出進行報警提示。同時自動的對鐵合金稱進行持續的校對。同時自動更新每種鐵合金物料的屬性，實現鐵合金料精準加料。增加CPU故障報警功能。增加兌鐵自動開氮封功能。增加氧槍事故提升預警功能。增加自動換槍防漏水功能。鐵合金上料需求提示功能。增加氧槍識別技術。

2 實施方案

2.1 總體思路

運用大數據的思維，在充分提高數據采集準確性的條件下，對煉鋼生產過程數據進行識別、分析、加工、判別、報警的智能的控制系統。進一步提高轉爐煉鋼控制系統的智能性[3]?；跀祿芾淼霓D爐測控系統能夠有效的預警多項嚴重事故，能夠大幅提高合金物料加料的準確性，促進多個控制系統的融合，降低轉爐煉鋼的事故率。分別從轉爐工藝控制技術方面和稱量數據精度提升及開發兩方面進行工作，并結合轉爐煉鋼系統的事故案例。

首先煉鋼冶煉品種繁多，為了進行有效的管理和區別化控制，開發轉爐鋼種識別技術。然后在此基礎上進行轉爐底吹模型的標準化控制開發，對鐵合金物料在甄別的基礎上執行精準控制，對容易出現操作失誤的情況，采用多種提示和連鎖保護。包括對加料的鐵合金物料的次數進行提示，對所加鐵合金物料的重量是否超出進行報警提示。同時自動的對鐵合金稱進行持續的動態的校對。最后完善控制系統的其他功能。包括根據鐵合金物料自動更新每種鐵合金物料的屬性，實現鐵合金料精準加料。鐵合金上料需求分析報警。增加CPU故障報警功能。增加自動換槍防漏水功能。增加兌鐵自動開氮封功能。增加氧槍事故提升預警功能。鐵合金上料需求提示。

2.2 技術方案

2.2.1 鋼種識別技術

鋼種識別技術是控制系統對需要生產的鋼種與控制系統中的鋼種進行識別的技術。是轉爐工藝控制技術應用的前提技術。轉爐控制系統的鋼種輸入方式為人工輸入。鋼種識別技術應用字符串識別技術?？刂葡到y識別轉爐需要冶煉鋼種，并根據鋼種匹配轉爐鐵合金與轉爐底吹工藝。鋼種識別技術需要建立鋼種庫。

2.2.2 標準底吹控制模型技術

標準底吹控制模型技術[4]是總結轉爐冶煉經驗對轉爐底吹進行標準化和自動化的控制的技術[5]?？朔鹘y控制系統控制差異性大、穩定性差的缺點。本技術根據不同鋼種的冶煉需求，開發四種轉爐底吹氮氬切換模型：全程底吹氮氣模型、全程底吹氬氣模型、12 min氮氬切換模型、10 min氮氬切換模型。

標準底吹控制模型技術與鋼種識別技術結合實現根據轉爐冶煉鋼種自動匹配對應的轉爐底吹控制模型。

詳述標準底吹控制模型四種模式。第一，全程底吹氮氣模型即轉爐吹煉全程及吹煉間歇全程底吹氮氣。第二，全程底吹氬氣模型。即開吹至出鋼結束全程吹氬，接收到濺渣護爐信號自動切換回氮氣。第三，12 min氮氬切換模型即開吹前12 min為氮氣，12 min后自動切換成氬氣至出鋼結束，接收到濺渣護爐信號自動切換回氮氣。第四，10 min氮氬切換模型即開吹前10 min為氮氣，10 min后自動切換成氬氣至出鋼結束，接收到濺渣護爐信號自動切換回氮氣。

標準底吹控制模型具有完善的報警功能。當設備故障時底吹控制的實際氣體種類與當前底吹操作控制模型預設的氣體種類不一致時，在主操界面彈出對話框，提醒操作工及時進行手動干預。

標準底吹控制模型操作畫面如圖1所示。在轉爐冶煉前，將鋼種輸入操作畫面中，控制系統自動識別出本鋼種，匹配相應的轉爐底吹模型。

圖1 煉鋼主控操作-標準底吹控制模型畫面

2.2.3 鐵合金物料甄別技術

鐵合金物料甄別技術是獨立于鐵合金物料料倉的鐵合金物料種類和屬性的識別技術。轉爐鐵合金物料信息的采集和通訊要求減少地址占用，已將轉爐鐵合金物料名稱進行了編碼處理。鐵合金物料甄別技術需要建立鐵合金物料庫。

鐵合金物料屬性包括每種鋼種是否需要加入，每種鋼種的加入上限，密度，慢振值，落差值。

結合鋼種識別技術，實現對轉爐鐵合金操作的多重防錯預警功能。第一，控制系統自動識別出本鋼種，在對各個鐵合金料倉中的物料進行分析后，自動判斷該種鐵合金物料是否與鋼種匹配。只有與鋼種相匹配的鐵合金物料才允許加料。在操作畫面中允許加入的鐵合金物料所在料倉提示顯示綠色，否則顯示紅色。第二，在一個冶煉周期內，對合金加料次數進行計數。在操作畫面中，當加料次數大于1次時，數字顯示為紅色。第三，在一個冶煉周期內，對鐵合金物料加料累計重量進行分析判斷并顯示。在操作畫面中，對于本鋼種允許的鐵合金料，在一個冶煉周期中過程累計質量超過標準范圍上限時，加料累計質量背景顯示為紅色。第四，控制系統根據鐵合金物料屬性及料倉料位計算出當前鋼種該鐵合金物料可以冶煉的剩余爐數。

鐵合金物料識別操作畫面如下頁圖2所示。

圖2 鐵合金物料識別操作畫面

2.2.4 氧槍識別技術

氧槍識別技術是利用氧槍不同的運動數據，包括運行狀態、高度與轉速，計算出相同的物理量進行比對，精準識別氧槍運動狀態。

氧槍識別技術將實測氧槍速度（r/min）實時轉化為氧槍計算高度（cm），并與氧槍實測高度進行實時對比，如果誤差超過3 cm將判定故障狀態。將實測氧槍高度（cm）實時轉化為氧槍計算速度（r/min），并與氧槍實測速度進行實時對比，如果誤差超過20 r/min將判定故障狀態。

氧槍識別技術通過數據管理可以識別出多種氧槍故障并報警，包括氧槍高度編碼器及其聯軸器故障，氧槍速度編碼器及其聯軸器故障，氧槍控制網絡故障。

2.2.5 控制器cpu故障識別技術

控制器cpu故障識別技術是本技術利用PLC系統和操作畫面系統在一個時鐘周期內，校驗數據是否正常變化的技術。在操作畫面控制系統中設定的采集周期為3 s。不同于網絡檢測，直接檢測控制器cpu故障的技術。該技術可以有效檢測出網絡通訊正常情況下的控制器cpu停機故障?？梢约皶r執行轉爐的連鎖提槍動作，避免惡性事故發生。

2.2.6 氧槍橫移及提升安全技術

氧槍橫移及提升安全技術是氧槍自動橫移換槍防漏水技術、氧槍橫移確認連鎖技術、氧槍事故提升預警技術的集成。第一，氧槍自動橫移換槍防漏水技術是在氧槍橫移換槍開始時執行氧槍水的切換控制。當突發氧槍漏水事件時，避免故障氧槍水流入轉爐中造成故障。第二，氧槍橫移確認連鎖技術是在操作畫面中增加氧槍橫移的確認連鎖控制開關，防止氧槍橫移的誤操作事故。第三，氧槍事故提升預警技術是增加事故提升操作對在線氧槍的提示技術，避免造成事故提升對非在線槍提升超出上限事故。

2.2.7 鐵水計量判定技術

鐵水計量判定技術是利用鐵水車秤與天車秤的稱量結果進行比對，超過規定的偏差（1 t），即報警鐵水稱量偏差的技術。需要對鐵水車秤和天車秤進行校驗和標定。為了實現鐵水計量判定技術，進行了折罐鐵水車稱量連續性改造和天車稱量精度提升改造。

折罐鐵水車稱量連續性改造是將折罐鐵水車稱量的電源由交流工頻供電，改為直流12V供電；并且利用變壓器工作原理，通過修改二次側線圈匝數，然后增加充電指示燈，焊接整流二極管，自制電池充電裝置。將折罐鐵水車的電纜卷筒由高空改為鐵水車上，當車輛行走時為供電電池充電；當車輛停止時，為非充電狀態，由電池供電，保證折罐鐵水車稱量持續穩定。

天車稱量精度提升改造是由于加料跨兩部高溫液體鐵水天車稱量運行以來一直存在鋼絲繩摩擦力對稱量精確的影響，為了減小稱量過程誤差，將稱重儀表高度質量非線性功能開啟，用砝碼包在天車上限位和勾頭在最低位分別對非線性誤差進行零點校驗和低位標定，使得稱量在起吊重包運行時，將鋼絲繩運行過程中與滑輪組產生的摩擦力實時補償，進而減小稱量過程中的誤差。

2.2.8 鐵合金計量判定技術

鐵合金計量判定技術是利用鐵合金加料秤與合金烘烤爐秤的稱量結果進行比對，超過規定的偏差即報警合金稱量偏差的技術。該技術方法為本爐次加入所有鐵合金累計質量和與合金烘烤爐加入量進行比對，如果本爐次質量偏差超出3%，操作畫面報出鐵合金稱量誤差大報警提示。鐵合金累計質量為本爐次通過鐵合金1號稱量斗和鐵合金2號稱量斗稱量的所有的鐵合金累計質量。需要對鐵合金秤和合金烘烤爐秤進行校驗和標定。

為了實現鐵合金計量判定技術，做出了對合金烘烤爐秤的稱重信號采集進入控制系統的改造。

2.2.9 兌鐵自動氮封技術

兌鐵自動氮封技術是控制系統分析利用天車稱重數據與轉爐兌鐵信號，實現在轉爐兌鐵時，自動打開氧槍口、副槍口、加料口氮封的技術，阻止兌鐵煙塵外泄事故?？刂葡到y確認天車稱重在兌鐵時的稱重變化率趨勢及轉爐生產流程和轉爐傾動數據，自動匹配好需要加料的轉爐自動打開和關閉氮封閥的技術。

2.3 關鍵技術應用

1）轉爐合金加料防錯技術集成鋼種識別、物料甄別、鐵合金計量判定與標準底吹控制模型技術，并結合操作畫面極大的降低了合金加料錯誤，提高鋼水穩定性，使得轉爐控制更加智能。

2）氧槍控制集成氧槍識別、cpu故障識別、氧槍自動橫移換槍防漏水、氧槍橫移確認連鎖、氧槍事故提升預警技術使得轉爐氧槍控制更加安全可靠，消除氧槍重特大安全隱患，極大降低了氧槍操作事故，提升了轉爐氧槍控制精度和智能程度。

3）兌鐵自動氮封技術的應用，實現了煉鋼全工藝過程無煙氣外泄控制，有效地保證了除塵效果。

3 實施效果

基于數據管理的轉爐控制系統是對轉爐煉鋼智能化控制的進一步完善?；跀祿芾淼霓D爐控制系統將自動化控制從單純的指令的執行，升級為具有識別，預防，管理的自動化一級控制系統，同時加強各個一級自動化控制系統融合。宣鋼首次執行，在國內鋼鐵行業中較早開發。有效解決了煉鋼過程中人工操作失誤的發生，提高冶煉質量，減少廢品率。

標準底吹控制模型解決了操作工氮氬切換時機和多品種鋼冶煉節奏不匹配，造成氬氣浪費，甚至影響鋼水質量的問題。

基于數據管理的轉爐控制系統是針對宣鋼150 t轉爐實際問題和不足，而設計開發的，各項功能很好的滿足了現場需要。在宣鋼150 t爐區1號、2號轉爐應用。使用效果顯著，適合在其他鋼廠推廣使用。

基于數據管理的轉爐控制系統降低了轉爐冶煉的故障率，提高了轉爐生產運行率，保證了煉鋼連鑄全流程生產的連貫性和穩定性，有利于煉鋼連鑄最終產品的質量。