褚光宇

（唐山惠唐物聯(lián)科技有限公司，河北 唐山 063000）

1 轉(zhuǎn)爐工序出鋼現(xiàn)狀及存在問題剖析

國內(nèi)大部分鋼廠轉(zhuǎn)爐工序仍為手動出鋼，人工手動操作搖爐同時操作鋼包車，工作環(huán)境惡劣，勞動強度大，整個過程對人員素質(zhì)要求較高，操作失誤容易造成出鋼下渣或者鋼水從爐口溢出，鋼水包車操作不當(dāng)，還容易將鋼水出到鋼包外側(cè)[1]。出鋼時加合金料，需要人工操作旋轉(zhuǎn)溜槽、手動按鈕加料，部分物料手動加入的工作強度大。同時，人工手動出鋼殘鋼控制不穩(wěn)定，工藝操作完全依賴操作工的個人水平，不利于保證出鋼質(zhì)量。此外，人工手動出鋼適應(yīng)不了智慧制造對于煉鋼集控、現(xiàn)場無人值守和操作標(biāo)準(zhǔn)化的需求，限制了鋼廠智能化安全化水平的提高。

為解決手動出鋼的諸多弊端，近幾年國內(nèi)少數(shù)大型鋼廠如寶鋼、首鋼等企業(yè)開始陸續(xù)研究轉(zhuǎn)爐自動出鋼，其中最具代表性的自動出鋼模式有三種：轉(zhuǎn)爐角度基于出鋼時間的控制、轉(zhuǎn)爐角度基于鋼水重量的控制、基于出鋼模型計算的控制方式?；诔鲣摃r間的控制方式[2]需要投入的成本最低、維護量小，但是需要根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定每步序傾動角度和停留時間，出鋼曲線較為固定，受出渣泡沫化等實際情況影響較大，往往由于出鋼曲線不合適導(dǎo)致人為接管終止自動出鋼，存在投入率低的問題。基于鋼水重量的控制方式需要對鋼包車改造加裝稱重系統(tǒng)，優(yōu)勢是能夠準(zhǔn)確的確定出鋼量和轉(zhuǎn)爐剩余鋼水量，受外部影響較低，但是鋼包車稱重改造成本較高，很多鋼廠就此望而卻步，同時稱重系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求高，爐下維護難度大，稱重系統(tǒng)受損就無法使用自動出鋼。最后一種是基于出鋼模型計算的方式，依托歷史出鋼數(shù)據(jù)和自學(xué)習(xí)模式，傾動角度設(shè)定可以成連續(xù)性的設(shè)定，但是該控制方式理論層面高，受現(xiàn)場情況干擾大，并且很多鋼廠轉(zhuǎn)爐傾動變頻器控制精度達不到連續(xù)的要求。

根據(jù)上述問題，本文通過出鋼時間控制和模型計算兩種方式結(jié)合，并根據(jù)唐鋼新區(qū)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的實際情況開展了自動出鋼功能研究。在基于出鋼時間控制方式基礎(chǔ)上，增加傾動和鋼車微調(diào)功能，手動微調(diào)不退出自動出鋼能夠大大提高自動出鋼投入率，避免發(fā)泡和渣量等問題影響，同時結(jié)合出鋼模型計算，根據(jù)出鋼口壽命、爐次預(yù)估出鋼量和歷史曲線等數(shù)據(jù)，自動下發(fā)基于時間的出鋼設(shè)定曲線，利用視覺技術(shù)實時檢測爐口、鋼包、底吹等狀態(tài)，最后實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐傾動、出鋼車、合金加料、鋼包吹氬和滑板擋渣系統(tǒng)的聯(lián)動控制，并在唐鋼新區(qū)1#200t 轉(zhuǎn)爐進行了投入和應(yīng)用。

2 基于出鋼時間和模型計算的技術(shù)方案

技術(shù)方案分為三部分研究：基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)（L1）、出鋼模型計算（L2）以及視覺檢測輔助系統(tǒng)。

2.1 基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)

主要內(nèi)容是傾動、出鋼車、合金下料、鋼包底吹、滑板擋渣五個系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐在吹煉完畢后，傾動從零位開始一鍵出鋼，到出鋼完轉(zhuǎn)爐回到零位全過程自動聯(lián)動控制。關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個方面：

2.1.1 傾動和鋼車實時微調(diào)功能

基于出鋼時間控制的自動出鋼，本文將傾動和鋼車設(shè)定曲線分成45 步，如圖1 內(nèi)容，通過設(shè)定傾動角度、保持時間、鋼車位置、傾動速度等參數(shù)完成自動出鋼曲線。本文提出了一種傾動和鋼車實時微調(diào)功能，傾動實時微調(diào)功能，微調(diào)會中斷當(dāng)前傾動流程，每次微調(diào)調(diào)整0.6度，調(diào)整完畢后維持3 秒，結(jié)束后根據(jù)當(dāng)前實際傾動角度實時匹配傾動設(shè)定表，最后跳轉(zhuǎn)到該設(shè)定步序。鋼車實時微調(diào)功能，可以根據(jù)當(dāng)前鋼車實際位置，前后微調(diào)鋼車500mm，微調(diào)完成后，鋼車曲線有變化再按設(shè)定表繼續(xù)運行。傾動和鋼車實時微調(diào)功能的實現(xiàn)，可以避免因出鋼曲線不合適造成的自動退出問題，提高自動出鋼使用率，并為模型計算系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 自動出鋼參數(shù)設(shè)定表（截取部分）

2.1.2 合金下料自動控制

如圖2，合金自動下料實現(xiàn)了基于出鋼百分比和出鋼絕對時間兩種合金自動下料控制，旋轉(zhuǎn)溜槽根據(jù)下料時間自動旋轉(zhuǎn)，下料時機更精準(zhǔn)，同時設(shè)定了鋼車和傾動允許的加料范圍，增加了下料最大時間連鎖，避免了下錯料翻包等安全風(fēng)險。

圖2 自動下料參數(shù)設(shè)定畫面

2.1.3 鋼包底吹氬自動控制

鋼包底吹氬通過使用質(zhì)量流量控制器實現(xiàn)吹氬系統(tǒng)精準(zhǔn)自動控制，鋼包座包后，先自動進行15 秒測試，自動檢查流量反饋和壓力反饋，對堵塞、漏氣等問題進行報警，然后根據(jù)鋼車位置和各階段傾動角度，分別根據(jù)工藝要求設(shè)定不同的低吹強度，出鋼完成后轉(zhuǎn)為自動靜吹，鋼包吊走后自動停止。

2.1.4 自動出鋼安全連鎖

自動出鋼安全是第一要務(wù)，因此本文在安全連鎖方面也做了大量工作，如圖3，包括20 項啟動連鎖、18 項運行連鎖，主要是傾動與鋼車速度積分保護、傾動位置連鎖保護、失速控制保護、編碼器故障保護、單步超時保護等安全連鎖。

圖3 自動出鋼起動和運行安全連鎖

2.2 出鋼模型計算

出鋼時動態(tài)模型依賴于現(xiàn)場工況，投入率低且風(fēng)險大，因此本文出鋼模型主要功能是根據(jù)歷史出鋼曲線和模型輸入?yún)?shù)，提前對下一爐每步序的傾動目標(biāo)角度和等待時間進行靜態(tài)參數(shù)修正，同時具備出鋼數(shù)據(jù)管理功能，可以實現(xiàn)自動出鋼設(shè)定參數(shù)顯示、修改和下發(fā)、實時出鋼狀態(tài)和數(shù)據(jù)顯示、出鋼歷史數(shù)據(jù)和曲線查詢顯示、大量優(yōu)質(zhì)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集分析。關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個方面：

2.2.1 出鋼曲線靜態(tài)修正模型

靜態(tài)參數(shù)修正模型的數(shù)據(jù)源包括：出鋼口壽命，爐次預(yù)估出鋼量、模型標(biāo)準(zhǔn)渣量、模型標(biāo)準(zhǔn)出鋼時間、二級計算出鋼量、二級計算渣量，優(yōu)化后的值包括：修正出鋼量、修正渣量、修正出鋼時間。通過修正后的數(shù)據(jù)可以得到傾動開始出鋼角度、結(jié)束角度、出鋼時間，最后轉(zhuǎn)換成各步序傾動角度和等待時間離散設(shè)定曲線下發(fā)到基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)。

2.2.2 出鋼曲線規(guī)劃模型

本文提出的出鋼曲線規(guī)劃模型用于指導(dǎo)出鋼曲線靜態(tài)修正模型，如果靜態(tài)修正模型某些設(shè)定角度不太合適，可以分階段1-4 設(shè)定傾動角度步長和階段比，能夠大幅度提高模型的可用性和靈活性，如圖4 所示。

圖4 出鋼曲線規(guī)劃模型

2.3 視覺檢測輔助系統(tǒng)

本文的視覺檢測輔助系統(tǒng)包括三個部分：自動出鋼爐口渣線檢測、鋼包液位檢測和底吹氣眼分析系統(tǒng)。檢測圖像如圖5 所示，主要功能如下：

圖5

2.3.1 爐口渣線檢測

判斷轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼渣的液位，實現(xiàn)鋼渣從轉(zhuǎn)爐大口溢出前的預(yù)警、以及溢出后報警，為轉(zhuǎn)爐傾動角度調(diào)整提供依據(jù)。該檢測系統(tǒng)主要用于傾動控制的安全連鎖，能夠防止傾動過度搖爐，提醒崗位進行傾動人為干預(yù)或微調(diào)。

2.3.2 鋼包液位檢測

通過攝像機觀察轉(zhuǎn)爐下鋼包內(nèi)液位深度，并判斷鋼液流入鋼包的位置是否居中，防止鋼液流到鋼包外。該檢測系統(tǒng)主要用于鋼包車的安全連鎖，對鋼車溜車、卡阻、動作異常等問題進行預(yù)警。

2.3.3 底吹氣眼分析

通過攝像頭圖像識別，判定12 個鋼包底吹氣眼大小尺寸面積，氣眼的演變趨勢，作為工藝維護的依據(jù)。該檢測系統(tǒng)主要用于自動底吹的安全連鎖，如果吹氬系統(tǒng)堵塞或者漏氣，能夠提前報警提示崗位打旁通閥等應(yīng)急操作。

3 設(shè)備現(xiàn)狀及實施效果

3.1 設(shè)備現(xiàn)狀及工藝流程

本文研究的自動出鋼方案在唐鋼新區(qū)1#200t 轉(zhuǎn)爐進行測試和應(yīng)用。轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)為西門子S7-400控制系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)爐本體、加料、鋼包底吹、滑板擋渣等PLC，傾動變頻器采用西門子G130，過程控制二級系統(tǒng)為普銳特公司開發(fā)。本文通過編寫西門子PLC 程序、C#程序、python 得以實現(xiàn)。

本文自動出鋼工藝流程如下：煉鋼主流程-出鋼前L1系統(tǒng)確認(rèn)（啟動連鎖）-L2 模型靜態(tài)參數(shù)修正-參數(shù)計算并下發(fā)到L1-L1 執(zhí)行自動出鋼主程序-實時監(jiān)控運行連鎖和安全連鎖——傾動和鋼車過程動態(tài)微調(diào)（如需要）-自動下料和底吹運行-下渣滑板自動關(guān)閉-傾動回?fù)u自動出鋼結(jié)束。

3.2 實施效果

本文提出的自動出鋼方案已投入使用，對運行兩個月的數(shù)據(jù)300 爐進行統(tǒng)計，其中自動出鋼成功投入爐數(shù)271 爐，成功率達到90%，鋼包車定位精度可達到±50mm，傾動控制最小動作角度0.6°，最低動作速度可達到1°/s，控制精度為0.2°，投用期間安全事故為0，模型計算下發(fā)設(shè)定有效率為80%，視覺檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)良好。綜上所述，本文提出的自動出鋼技術(shù)方案能夠滿足現(xiàn)場使用需求，穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度均得到了保證。

結(jié)束語

本文自動出鋼的研究與實踐，彌補了基于出鋼時間控制方式的弊端，降低了企業(yè)設(shè)備改造成本，減小了設(shè)備維護量，同時增強了出鋼過程的安全性，大大提高了轉(zhuǎn)爐自動出鋼的投入率；模型計算功能的投入，系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場工況自動選擇最優(yōu)出鋼曲線，為轉(zhuǎn)爐區(qū)域的智能化發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。