儲(chǔ)鴻文 葉建松 金進(jìn)文 楊利康 連 鑄 范 佳

前言

近幾年來(lái)，隨著用戶對(duì)鋼材性能和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，鋼材的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，同時(shí)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)也對(duì)提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、擴(kuò)大品種、節(jié)約能源和降低成本越來(lái)越重視。在這種情況下，以動(dòng)態(tài)控制模型為主的自動(dòng)化煉鋼模式越來(lái)越受到鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的青睞。

1.投彈式副槍技術(shù)的發(fā)展及特點(diǎn)

1.1 投彈式副槍技術(shù)的發(fā)展歷程

從上世紀(jì)70年代起，圍繞著轉(zhuǎn)爐煉鋼動(dòng)態(tài)控制技術(shù)研究共發(fā)展出三種控制方式：煙氣分析技術(shù)、機(jī)械式副槍技術(shù)和投彈式副槍技術(shù)。由于圍繞著機(jī)械式副槍、煙氣分析的開(kāi)發(fā)的一些技術(shù)較為成熟，因此發(fā)展速度比較快。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、遠(yuǎn)程通訊技術(shù)、耐火材料技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，機(jī)械式副槍技術(shù)出現(xiàn)的安裝復(fù)雜、使用及維護(hù)成本高、以及在120t以下中小型轉(zhuǎn)爐受安裝限制的問(wèn)題，使得具有投入成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、占地面積小、檢測(cè)速度快特點(diǎn)的投彈式副槍技術(shù)重新得到了快速發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用到120t以下的中小轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)。

1.2 投彈式副槍技術(shù)控制原理

投彈式副槍技術(shù)的硬件主要由4部分組成：①數(shù)據(jù)采集電偶，用于采集鋼水成分信息，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；②負(fù)責(zé)傳輸電信號(hào)的導(dǎo)線；③中間計(jì)算機(jī)，用于分析采集到的電信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成用戶可理解的數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送到爐前操作臺(tái)的二級(jí)服務(wù)器內(nèi)，此外該計(jì)算機(jī)還接收二級(jí)服務(wù)器發(fā)出的指令，從而控制電偶的投放；④二級(jí)服務(wù)器，用于接收從中間計(jì)算機(jī)上傳的鋼水信息以及向中間計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，從而間接控制電偶的投放。

如圖1所示，在冶煉過(guò)程中，當(dāng)操作人員在二級(jí)服務(wù)器發(fā)出投放指令后，該二級(jí)服務(wù)器會(huì)將指令發(fā)送到中間計(jì)算機(jī)，中間計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)指令控制設(shè)備向轉(zhuǎn)爐內(nèi)投入一個(gè)尾部連接著一根數(shù)據(jù)傳輸線（近年來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出無(wú)線熱電偶）的電偶。電偶可以穿透渣層，插入鋼水幾十厘米的深度，開(kāi)始檢測(cè)鋼水的溫度以及碳、氧、磷含量，檢測(cè)周期為50ms，并以電信號(hào)的形式沿?cái)?shù)據(jù)傳輸線向中間計(jì)算機(jī)發(fā)送。熱電偶和數(shù)據(jù)傳輸線均能夠在鋼水中浸泡8秒鐘以上，能夠保證在被燒毀之前，將準(zhǔn)確、穩(wěn)定的電信號(hào)發(fā)送給中間計(jì)算機(jī)。中間計(jì)算機(jī)會(huì)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成為鋼水的溫度以及碳、氧、磷含量的數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送給二級(jí)服務(wù)器，最終將鋼水信息傳遞給現(xiàn)場(chǎng)操作人員。

1.3 投彈式副槍技術(shù)的特點(diǎn)

煙氣分析、機(jī)械式副槍和投彈式副槍三種控制方式的特點(diǎn)比較見(jiàn)表1：

從表1的對(duì)比可知，投彈式副槍具有安裝方便、維護(hù)成本低、占地面積小的特點(diǎn)，適用于安裝在120t以下的中小型轉(zhuǎn)爐。由于我國(guó)目前絕大部分的鋼鐵廠家所使用的轉(zhuǎn)爐仍然是120t以下的中小型轉(zhuǎn)爐，因此，投彈式副槍技術(shù)在我國(guó)會(huì)有巨大的使用空間。

表1 煙氣分析、機(jī)械式副槍和投彈式副槍三種控制方式的特點(diǎn)對(duì)比

2.投彈式副槍技術(shù)在杭鋼煉鋼廠的硬件設(shè)備使用及效果

2.1 投彈式副槍技術(shù)在杭鋼煉鋼廠的硬件設(shè)備的使用

在杭鋼安裝的投彈式副槍設(shè)備被設(shè)計(jì)在4#轉(zhuǎn)爐的下料口處，設(shè)計(jì)有2個(gè)彈倉(cāng)、1個(gè)電偶連線裝置以及1個(gè)拋升臂。煉鋼檢測(cè)用的電偶全部安在彈倉(cāng)里面的傳送帶上，操作人員在使用投彈式副槍設(shè)備之前，需要首先向彈倉(cāng)內(nèi)人工安裝電偶。在使用前，操作人員通過(guò)二級(jí)服務(wù)器的操作界面向硬件設(shè)備發(fā)出裝彈指令。此時(shí)，彈倉(cāng)內(nèi)的傳送帶會(huì)自動(dòng)向拋升臂安放1個(gè)電偶，隨后電偶連線裝置會(huì)自動(dòng)將中間計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集端口自動(dòng)連接到電偶尾部的數(shù)據(jù)傳輸線上。當(dāng)操作人員再次發(fā)出投彈指令后，拋升臂會(huì)迅速抬起，電偶會(huì)沿拋升臂滑下，通過(guò)下料口，在重力的作用下落入鋼水中。

在最新安裝的投彈式副槍設(shè)備更采用了新式的軌道車(chē)投擲設(shè)備，利用機(jī)械臂式軌道車(chē)更是可以適合任何轉(zhuǎn)爐的使用，可通過(guò)任意轉(zhuǎn)彎、上下的軌道車(chē)，將副槍探頭送至轉(zhuǎn)爐投擲口進(jìn)行檢測(cè)，極大地避免了某些轉(zhuǎn)爐空間不足導(dǎo)致無(wú)法安裝投彈式副槍的困擾。

新式投彈式副槍設(shè)備的裝彈機(jī)構(gòu)同樣摒棄了原有的電機(jī)控制鏈條滾動(dòng)的方式，而是使用了氣缸壓力帶動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)連帶的探頭托架向指定方向滾動(dòng)1格，完全電腦切割的定位齒輪與機(jī)械臂精確地計(jì)算每1寸行程，確保了每個(gè)副槍探頭都能準(zhǔn)確落入指定位置。

新式裝彈機(jī)構(gòu)在安裝倉(cāng)儲(chǔ)探頭時(shí)，同樣方便，僅需打開(kāi)艙門(mén)，將探頭平放在托架上即可，無(wú)需進(jìn)行任何操作即可完成多大12個(gè)投彈式副槍探頭的安裝，同時(shí)考慮到人體工程學(xué)的因素，以此種裝彈操作的方式，操作人員所使用的體能消耗最小，能夠讓操作人員更快速、方便，輕松的完成工作。

2.2 使用效果分析

投彈式副槍設(shè)備在杭鋼煉鋼廠4#轉(zhuǎn)爐投用以來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)跟蹤統(tǒng)計(jì)了冶煉從低碳到中高碳一倒C-T-P檢測(cè)結(jié)果各上千爐次，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)倒?fàn)t取樣測(cè)溫的結(jié)果進(jìn)行比較，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

由于在檢測(cè)過(guò)程中，是先向轉(zhuǎn)爐內(nèi)投入電偶，待得到反饋數(shù)據(jù)后，再倒?fàn)t進(jìn)行取樣測(cè)溫，在此過(guò)程中，鋼水會(huì)損失掉一部分的碳和熱量，因此可以認(rèn)為投彈式副槍所檢測(cè)到的C-T-P結(jié)果與鋼水實(shí)際C-T-P之間的偏差要更小一些。

通過(guò)上千爐的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，投彈式副槍設(shè)備基本上可以檢測(cè)出不同碳含量的鋼種C-T-P，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，精度范圍也可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求。

3.杭鋼自動(dòng)化煉鋼技術(shù)展望

投彈式副槍技術(shù)在杭鋼生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的成功應(yīng)用，也為杭鋼今后的自動(dòng)化煉鋼發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。依托投彈式副槍技術(shù)，杭鋼可以開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，滿足自身特點(diǎn)的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制模型，在倒?fàn)t前通過(guò)電偶反饋回來(lái)的鋼水信息，自動(dòng)判斷當(dāng)前時(shí)刻是否可以出鋼。如果終點(diǎn)命中，則可以提示操作工直接出鋼；若檢測(cè)結(jié)果與目標(biāo)值不符，該模型可以自動(dòng)計(jì)算出尚需加入的散裝料和吹氧量，并通過(guò)自動(dòng)控制設(shè)備加料、吹氧或者向操作工提示，協(xié)助操作工操作兩種操作方式進(jìn)行鋼水冶煉。另外，該模型還可以對(duì)投彈之后到轉(zhuǎn)爐出鋼前的鋼水成分以及溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)高命中率下的不倒?fàn)t出鋼，達(dá)到縮短冶煉周期，降低鋼鐵料消耗和脫氧合金消耗，提高杭鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力的目的。

表2 投彈式副槍在杭鋼現(xiàn)場(chǎng)的一倒測(cè)試結(jié)果

此外，轉(zhuǎn)爐方面還可以與精煉方面共享終點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制模型的預(yù)報(bào)結(jié)果，從而合理的安排精煉工序的生產(chǎn)，降低脫氧合金的消耗，并最終實(shí)現(xiàn)煉鋼煉鋼廠的數(shù)字化生產(chǎn)。

4.結(jié)論

（1）投彈式副槍技術(shù)具有一次性投入成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單快捷、占地面積小、檢測(cè)速度快、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適用于120t以下的中小型轉(zhuǎn)爐使用。

（2）投彈式副槍技術(shù)對(duì)鋼水成分的檢測(cè)精度較高，完全能夠滿足煉鋼現(xiàn)場(chǎng)的需求。

（3）依靠投彈式副槍技術(shù)，可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，滿足自身特點(diǎn)的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制模型，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)控制，達(dá)到高命中率下的不倒?fàn)t出鋼，縮短冶煉周期，降低鋼鐵料消耗和脫氧合金消耗，提高杭鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力的目的。

(略)