副槍技術(shù)概述
對(duì)于現(xiàn)代化轉(zhuǎn)爐煉鋼來說，頂?shù)讖?fù)吹技術(shù)的運(yùn)用有效地提高了轉(zhuǎn)爐的冶煉效率，但轉(zhuǎn)爐煉鋼的發(fā)展趨勢是基于靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制的自動(dòng)化模型煉鋼，只有這樣才能為全連鑄及時(shí)提供合格的鋼水。靜態(tài)煉鋼是指吹煉前通過對(duì)物料平衡和熱平衡的理論計(jì)算，統(tǒng)計(jì)分析由相近爐次的實(shí)際值與其計(jì)算值的差異進(jìn)行修正的增量法建立起的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行廢鋼、鐵水、吹氧量及其他輔料設(shè)定，從而確定吹煉方式與吹煉時(shí)間，但在吹煉過程中不作任何測試和修正。在原料條件和工藝操作比較穩(wěn)定，并較符合實(shí)際模型等條件下，靜態(tài)控制的終點(diǎn)命中率為60%~70%，比人工控制高10%左右。動(dòng)態(tài)煉鋼是指為了進(jìn)一步提高終點(diǎn)控制的命中率，在吹煉過程中設(shè)法獲得鋼液溫度和成分、爐內(nèi)造渣情況等信息，通過較高的動(dòng)態(tài)控制模型進(jìn)一步調(diào)整吹煉制度，及時(shí)修正冶煉進(jìn)展的軌跡，使之達(dá)到命中區(qū)。
隨著自動(dòng)化儀表檢測水平的提高及其在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，采用副槍技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制煉鋼越來越成為可能。轉(zhuǎn)爐副槍技術(shù)是一種快速、間斷檢測轉(zhuǎn)爐吹煉過程中熔池溫度及碳、氧含量等數(shù)據(jù)并取樣的方法，它是轉(zhuǎn)爐煉鋼實(shí)現(xiàn)過程全自動(dòng)化控制不可缺少的重要工具，它為操作人員及動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
副槍裝置與其他的檢測手段相比較，有下列長處：
1、功能較多，外接探頭式的結(jié)構(gòu)可以裝不同功能的探頭，以達(dá)到不同的檢測目的。
2、槍體采用水冷結(jié)構(gòu)，有較長的使用壽命。
3、結(jié)構(gòu)中采取的安全措施很多，運(yùn)行安全可靠。
測量速度快，精度高，在操作熟練后，碳含量和溫度的命中率可達(dá)90%以上。
副槍技術(shù)的構(gòu)成
下面以達(dá)涅利公司的副槍系統(tǒng)為例進(jìn)行說明(圖1)，該系統(tǒng)通過對(duì)冶煉過程中鋼水的溫度、碳含量、氧含量進(jìn)行自動(dòng)測量及自動(dòng)取樣，并通過與靜、動(dòng)態(tài)模型結(jié)合實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)煉鋼。該系統(tǒng)主要包括四個(gè)組成部分：
1、一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)或一臺(tái)橫移小車，上面裝有一臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)，用于與平臺(tái)或小車相連的副槍體的升降；
2、一個(gè)帶有探頭貯箱的自動(dòng)探頭安裝系統(tǒng)(圖2)，可確保探頭安全存放，可自動(dòng)選擇探頭和將探頭自動(dòng)裝到副槍體上；
3、裝在轉(zhuǎn)爐煙罩上或位于煙罩上方的設(shè)備，如一個(gè)副槍水冷插入口、一個(gè)密封罩和一臺(tái)清渣裝置；
4、電氣和儀表設(shè)備，如DIRC，一臺(tái)用于檢測結(jié)果記錄和解釋的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)與PLC相連，可作為轉(zhuǎn)爐操作控制室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的連接設(shè)備使用。下面主要對(duì)副槍電 氣和儀表設(shè)備的測量系統(tǒng)硬件組成、電氣控制系統(tǒng)、儀表測量原理、系統(tǒng)軟件功能進(jìn)行詳細(xì)闡述。
◆副槍電氣和儀表設(shè)備的測量系統(tǒng)硬件組成
副槍電氣和儀表設(shè)備的測量系統(tǒng)由DIRC5信號(hào)處理單元、DIRC5服務(wù)器、副槍系統(tǒng)PLC、測量探頭、探頭連接器等組成，其中DIRC5信號(hào)處理單元由模擬量輸入、高速A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等組成。為保證系統(tǒng)精度，DIRC5系統(tǒng)配有一套校準(zhǔn)裝置，完成系統(tǒng)的校驗(yàn)。
◆副槍電氣控制系統(tǒng)
副槍電氣控制系統(tǒng)包括副槍提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、副槍旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、APC系統(tǒng)(探頭自動(dòng)裝卸裝置)、DIRC5儀表系統(tǒng)。整個(gè)副槍控制系統(tǒng)由一套PLC系統(tǒng)集中控制，PLC系統(tǒng)由CPU、NOE、EHC、DDI、DDO、ACI、ACO、XBE等模塊組成。副槍的自動(dòng)控制過程分為連接周期、 測量周期、復(fù)位周期3個(gè)周期。
A、副槍提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
副槍提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)備主要位于卷揚(yáng)平臺(tái)上，包括1臺(tái)55kW三相異步電動(dòng)機(jī)、AC抱閘、減速機(jī)、用于速度控制的測速發(fā)生器和兩個(gè)用于高度測量的脈沖發(fā)生器。電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)依靠兩套變頻器來實(shí)現(xiàn)。
提升驅(qū)動(dòng)參數(shù)(AC電機(jī))：VVVF高速：2.5m/s；中速/事故速度：0.6m/s；低速：0.2m/s；定位速度：0.lm/s；定位精度：±1cm；最大行程：18.8m。
B、副槍旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
副槍旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)備包括一個(gè)帶抱閘3kW三相鼠籠電機(jī)、減速機(jī)、脈沖發(fā)生器、測速發(fā)生器。旋轉(zhuǎn)速度由變頻器控制，定位由脈沖發(fā)生器通過PLC完成，接近開關(guān)確定實(shí)際位置，超程開關(guān)用于硬接線停止。
旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)參數(shù)：常規(guī)速度：1.33r/min；定位速度：0.27r/min；定位精度：±1cm；旋轉(zhuǎn)半徑：5900mm；最大旋轉(zhuǎn)角度：104°。
C、APC系統(tǒng)
APC系統(tǒng)包括探頭存儲(chǔ)箱、探頭選擇和喂裝部分、探頭傾動(dòng)臂、探頭拆卸裝置等。
①探頭存儲(chǔ)箱：有5個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)室，每個(gè)可容納20個(gè)探頭。
②探頭選擇和喂裝部分：喂裝部分接在存儲(chǔ)箱的底部，通過汽缸旋轉(zhuǎn)喂裝架選擇所需探頭。
③探頭傾動(dòng)臂：包括框架、導(dǎo)向漏斗、探頭夾、AC電機(jī)等。
④探頭拆卸裝置：安裝在探頭回收槽上方。測量之后，氣動(dòng)的探頭拆卸裝置夾住探頭，提升副槍，使探頭與其脫離。打開探頭拆卸裝置將探頭送至探頭收集槽。
D、DIRC5儀表系統(tǒng)
DIRC5儀表系統(tǒng)主要是將探頭所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將其結(jié)果(溫度、碳含量、氧電勢、氧活度、熔池液位置)顯示在HMI畫面上，存儲(chǔ)在外接PC機(jī)中，便于進(jìn)一步分析。
副槍測量系統(tǒng)儀表測量原理
當(dāng)副槍測量系統(tǒng)接收到來自PLC系統(tǒng)的啟動(dòng)測量指令時(shí)，首先將測量探頭測到的模擬量信號(hào)通過模擬量輸入模板送到高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，然后進(jìn)入信號(hào)處理單元，經(jīng)過處理后的信號(hào)送到測量值顯示單元進(jìn)行顯示。DIRC5的數(shù)據(jù)釆樣周期為40ms，釆集的數(shù)據(jù)包括鋼水溫度、結(jié)晶溫度(決定碳含量)、鋼水中的氧含量、熔池的液位。整個(gè)探頭的最長測量時(shí)間為24s。DIRC5信號(hào)處理單元是該系統(tǒng)的核心。當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)評(píng)價(jià)程序后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行各個(gè)測量系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，釆用質(zhì)量碼判斷給岀測量值及精度。針對(duì)不同的測量信號(hào)，釆用直接測量和間接測量兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
直接測量是一種對(duì)熔池中鋼水溫度、結(jié)晶溫度和鋼水中的氧含量信號(hào)采用直接測量顯示的方式。下面以鋼水溫度為例進(jìn)行說明，表1為熔池中鋼水溫度信號(hào)評(píng)價(jià)的質(zhì)量碼定義。為了對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，定義窗口由溫度偏差A(yù)T和時(shí)間組成，并將其分成6個(gè)時(shí)間段，對(duì)應(yīng)7個(gè)釆樣值，根據(jù)質(zhì)量碼的定義對(duì)釆樣值進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。利用質(zhì)量碼規(guī)定的窗口，在整個(gè)釆樣曲線上首先與質(zhì)量碼1進(jìn)行比較，如不相符，則使用質(zhì)量碼2、3或4，重復(fù)這個(gè)過程；如果找不到相符的質(zhì)量碼，則系統(tǒng)輸出測量無效。
結(jié)晶溫度及鋼水中氧含量的信號(hào)評(píng)價(jià)原理與鋼水溫度類似，在此不再重復(fù)。
間接測量是指通過計(jì)算獲得數(shù)據(jù)的方法。副槍浸入深度釆用間接測量獲得。在吹煉結(jié)束時(shí)，使用TSO探頭進(jìn)行測量，在測得熔池中鋼水溫度和熔池鋼水中氧含量的同時(shí)，通過信號(hào)評(píng)價(jià)系統(tǒng)可得到浸入深度。其原理是：當(dāng)探頭以低速通過渣與鋼水的接合面時(shí)，溫度信號(hào)值和氧 含量信號(hào)值將產(chǎn)生一個(gè)明顯的跳變，通過二者曲線跳變關(guān)系及信號(hào)測量評(píng)價(jià)，可以間接測量副槍探頭的浸入深度。
◆系統(tǒng)軟件功能
DIRC5系統(tǒng)的軟件由一系列功能模塊組成，如圖3所示，主要由主程序模塊、掃描模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和通信模塊組成。
①主程序模塊：創(chuàng)建和釋放緩沖存儲(chǔ)區(qū)，啟動(dòng)、停止和監(jiān)視DIRC5的整個(gè)處理過程。
②掃描模塊：對(duì)系統(tǒng)的開關(guān)量和模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行掃描，掃描周期為40ms。
③測量模塊：當(dāng)副槍執(zhí)行測量周期時(shí)，熔池溫度、結(jié)晶溫度、氧含量和副槍浸入深度通過測量模塊完成信息的處理。測量模塊由溫度計(jì)算、碳含量計(jì)算、氧含量計(jì)算、副槍浸入深度計(jì)算4個(gè)子模塊組成。
④數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：DIRC5信號(hào)處理單元的所有數(shù)據(jù)都進(jìn)入到通用存儲(chǔ)區(qū)。
⑤數(shù)據(jù)顯示模塊：用于顯示存儲(chǔ)區(qū)里的數(shù)據(jù)。
⑥通信模塊：完成兩個(gè)功能：一是DIRC5系統(tǒng)與副槍PLC之間的通信，通信協(xié)議為ModBus；二是DIRC5系統(tǒng)與DIRCPC的通信，通信協(xié)議為TCP/IP，該模塊由數(shù)據(jù)接收和發(fā)送兩個(gè)子模塊組成。
副槍系統(tǒng)的性能和使用價(jià)值
1、縮短出鋼周期，提高生產(chǎn)能力
副槍系統(tǒng)取消了人工取樣和測溫，既可節(jié)省時(shí)間，又不需要對(duì)操作人員有過高的要求。由 于在取樣和測溫時(shí)，不再需要倒?fàn)t，因此可縮短出鋼周期，從而提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力。
2、提高冶煉效率和經(jīng)濟(jì)效益
SDM靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制模型可提高冶煉效率、吹煉終點(diǎn)溫度和碳含量命中率。利用SDM系統(tǒng)，通過合適的過程控制，可為用戶帶來下列好處：
①提高冶煉效率；
②提高吹煉終點(diǎn)溫度命中精度；
③提高吹煉終點(diǎn)碳含量命中精度；
④減少補(bǔ)吹次數(shù)；
⑤降低爐渣中鐵含量；
⑥延長轉(zhuǎn)爐爐襯的使用壽命；
⑦優(yōu)化廢鋼熔化效率。
3、提高爐齡
自動(dòng)探頭安裝機(jī)構(gòu)布置在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)爐爐罩的位置，為操作人員提供一個(gè)更有利的工作環(huán)境。 副槍系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備釆取的布置方式，使它們不會(huì)暴露在危害設(shè)備完整性的惡劣環(huán)境中。工藝過程優(yōu)化和取消倒?fàn)t作業(yè)，都使用戶能夠有效提高轉(zhuǎn)爐爐齡，使轉(zhuǎn)爐在不采用濺渣護(hù)爐的情況 下，出鋼爐數(shù)增加量可高達(dá)40%。
4、提高設(shè)備利用率
事實(shí)已經(jīng)證明，達(dá)涅利康力斯副槍系統(tǒng)的總體設(shè)備利用率可達(dá)到很高的水平。各個(gè)鋼廠安裝的副槍系統(tǒng)總體設(shè)備利用率均已超過93%。
5、提高吹煉終點(diǎn)命中率
吹煉終點(diǎn)命中率可用于說明控制模型的性能。如果設(shè)備運(yùn)行正常，鐵水、廢鋼和添加劑質(zhì)量符合規(guī)定要求，達(dá)涅利康力斯副槍設(shè)備吹煉終點(diǎn)命中率可超過90%。控制模型精度可通過最終產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差來評(píng)價(jià)。標(biāo)準(zhǔn)差則反映目標(biāo)值或預(yù)測值與實(shí)際檢測值之間的偏差。
采用副槍系統(tǒng)可提高現(xiàn)有鋼廠的生產(chǎn)能力，減小新建鋼廠規(guī)模，降低投資費(fèi)用；可改善鋼材產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)降低噸鋼生產(chǎn)成本。采用副槍系統(tǒng)、SDM靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制模型，將有助于滿足政策對(duì)污染物排放越來越嚴(yán)格的限制要求，并為操作人員提供一種更為安全舒適的工作環(huán)境?？旖莞咝У臏y量技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)模型煉鋼打下了良好的基礎(chǔ)，因此副槍技術(shù)在鋼鐵企業(yè)具有一定的推廣價(jià)值。
