副槍技術(shù)概述
對于現(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)平臺或一臺橫移小車，上面裝有一臺卷揚(yáng)機(jī)，用于與平臺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)密封罩和一臺清渣裝置；
4、電氣和儀表設(shè)備，如DIRC，一臺用于檢測結(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信號處理單元由模擬量輸入、高速A/D轉(zhuǎn)換、信號處理等組成。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)平臺上，包括1臺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探頭存儲箱：有5個(gè)獨(dú)立的存儲室，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)入信號處理單元，經(jīng)過處理后的信號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信號處理單元是該系統(tǒng)的核心。當(dāng)啟動(dòng)信號評價(jià)程序后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行各個(gè)測量系統(tǒng)的評價(jià)，釆用質(zhì)量碼判斷給岀測量值及精度。針對不同的測量信號，釆用直接測量和間接測量兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
直接測量是一種對熔池中鋼水溫度、結(jié)晶溫度和鋼水中的氧含量信號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評價(jià)的質(zhì)量碼定義。為了對測量結(jié)果進(jìn)行評價(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，對應(yīng)7個(gè)釆樣值，根據(jù)質(zhì)量碼的定義對釆樣值進(jìn)行比較評價(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評價(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)，通過信號評價(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)，溫度信號值和氧 含量信號值將產(chǎn)生一個(gè)明顯的跳變，通過二者曲線跳變關(guān)系及信號測量評價(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：對系統(tǒng)的開關(guān)量和模擬量輸入信號進(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)存儲模塊：DIRC5信號處理單元的所有數(shù)據(jù)都進(jìn)入到通用存儲區(qū)。
⑤數(shù)據(jù)顯示模塊：用于顯示存儲區(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。快捷高效的測量技術(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。
