李宏武

（河北钢铁集团宣化钢铁公司，河北 宣化075100）

河北钢铁集团宣化钢铁公司（全文简称宣钢）150 t炉区始建于2009年，整个炉区包括150 t转炉两座，LF精炼炉2座，12机12流连铸机两台，RH真空精炼炉1座以及其他干法除尘、铁水折罐间、铁水脱硫等配套设施[1]。整个炉区建设之初就实现了装备的大型化和自动化，在之后的生产运行过程中，相关技术人员实现了自动炼钢模型控制技术在之后的不断维护和改进中，宣钢充分认识到模型自动炼钢的重要性，在前期积累了大量的转炉冶炼数据，转炉基础自动化系统、机械、仪表检测、电气控制等系统经过了大量的完善，目前转炉炉加料、氧枪、副枪、干法除尘、二次除尘等电气和机械设备运行良好，具备了模型自动炼钢系统投运的条件[2]。因此，通过应用计算机网络信息技术、数据库技术、计算机编程技术和工业控制技术实现由传统的人工经验炼钢到转炉全自动的模型自动炼钢系统控制炼钢显得十分必要。

1 应用背景

随着智能化时代的到来，转炉自动化控制系统智能化的改造，不仅扩充了系统功能，更完善了自动炼钢的功能，更是自动化控制的发展趋势。我们运用智能化的思维，不仅扩充一级PLC自动化控制系统的功能，还要拓展智能化功能。对采集的数据进行分析，判断，达到对炼钢过程的操作进行识别，提示和优化的目标。

转炉炼钢可以生产钢水的品种繁多，每种钢水的成份和工艺有很大的不同，氧枪枪位及流量的控制，底吹的控制，铁合金的比例，均有很大的差别。

转炉氧枪枪位及流量的控制以及转炉底吹控制通常由一级自动化系统或二级系统中控制。二级系统也仅仅是将人工经验全部设置并自动执行。依据岗位习惯，造成差异性较大，缺少的稳定性，对钢水质量有较大的影响。

转炉炼钢铁合金化是重要的工艺环节，直接决定钢水的成分和钢水质量。现在国内钢铁企业均采用铁合金岗位人工计算配料。铁合金工岗位人员的人为失误将直接导致，本炉钢水成分不合格并判废。

铁合金称的准确性对炼钢质量也起着至关重要的作用。

同时一级系统之间、二级系统之间、一二级系统间的融合相对较差，比较独立分散，缺少统一的数据管理和管理。

宣钢对其进行了控制系统智能化的优化，开发基于数据管理的转炉控制系统，在转炉冶炼前，将钢种输入画面中，控制系统识别出本钢种，自动选择相配套的转炉底吹模型，并识别出本钢种需要的铁合金物料，并进行提示。其他铁合金物料不能操作。同时对加料的铁合金物料的次数进行提示，对所加铁合金物料的质量是否超出进行报警提示。同时自动的对铁合金称进行持续的校对。同时自动更新每种铁合金物料的属性，实现铁合金料精准加料。增加CPU故障报警功能。增加兑铁自动开氮封功能。增加氧枪事故提升预警功能。增加自动换枪防漏水功能。铁合金上料需求提示功能。增加氧枪识别技术。

2 实施方案

2.1 总体思路

运用大数据的思维，在充分提高数据采集准确性的条件下，对炼钢生产过程数据进行识别、分析、加工、判别、报警的智能的控制系统。进一步提高转炉炼钢控制系统的智能性[3]。基于数据管理的转炉测控系统能够有效的预警多项严重事故，能够大幅提高合金物料加料的准确性，促进多个控制系统的融合，降低转炉炼钢的事故率。分别从转炉工艺控制技术方面和称量数据精度提升及开发两方面进行工作，并结合转炉炼钢系统的事故案例。

首先炼钢冶炼品种繁多，为了进行有效的管理和区别化控制，开发转炉钢种识别技术。然后在此基础上进行转炉底吹模型的标准化控制开发，对铁合金物料在甄别的基础上执行精准控制，对容易出现操作失误的情况，采用多种提示和连锁保护。包括对加料的铁合金物料的次数进行提示，对所加铁合金物料的重量是否超出进行报警提示。同时自动的对铁合金称进行持续的动态的校对。最后完善控制系统的其他功能。包括根据铁合金物料自动更新每种铁合金物料的属性，实现铁合金料精准加料。铁合金上料需求分析报警。增加CPU故障报警功能。增加自动换枪防漏水功能。增加兑铁自动开氮封功能。增加氧枪事故提升预警功能。铁合金上料需求提示。

2.2 技术方案

2.2.1 钢种识别技术

钢种识别技术是控制系统对需要生产的钢种与控制系统中的钢种进行识别的技术。是转炉工艺控制技术应用的前提技术。转炉控制系统的钢种输入方式为人工输入。钢种识别技术应用字符串识别技术。控制系统识别转炉需要冶炼钢种，并根据钢种匹配转炉铁合金与转炉底吹工艺。钢种识别技术需要建立钢种库。

2.2.2 标准底吹控制模型技术

标准底吹控制模型技术[4]是总结转炉冶炼经验对转炉底吹进行标准化和自动化的控制的技术[5]。克服传统控制系统控制差异性大、稳定性差的缺点。本技术根据不同钢种的冶炼需求，开发四种转炉底吹氮氩切换模型：全程底吹氮气模型、全程底吹氩气模型、12 min氮氩切换模型、10 min氮氩切换模型。

标准底吹控制模型技术与钢种识别技术结合实现根据转炉冶炼钢种自动匹配对应的转炉底吹控制模型。

详述标准底吹控制模型四种模式。第一，全程底吹氮气模型即转炉吹炼全程及吹炼间歇全程底吹氮气。第二，全程底吹氩气模型。即开吹至出钢结束全程吹氩，接收到溅渣护炉信号自动切换回氮气。第三，12 min氮氩切换模型即开吹前12 min为氮气，12 min后自动切换成氩气至出钢结束，接收到溅渣护炉信号自动切换回氮气。第四，10 min氮氩切换模型即开吹前10 min为氮气，10 min后自动切换成氩气至出钢结束，接收到溅渣护炉信号自动切换回氮气。

标准底吹控制模型具有完善的报警功能。当设备故障时底吹控制的实际气体种类与当前底吹操作控制模型预设的气体种类不一致时，在主操界面弹出对话框，提醒操作工及时进行手动干预。

标准底吹控制模型操作画面如图1所示。在转炉冶炼前，将钢种输入操作画面中，控制系统自动识别出本钢种，匹配相应的转炉底吹模型。

图1 炼钢主控操作-标准底吹控制模型画面

2.2.3 铁合金物料甄别技术

铁合金物料甄别技术是独立于铁合金物料料仓的铁合金物料种类和属性的识别技术。转炉铁合金物料信息的采集和通讯要求减少地址占用，已将转炉铁合金物料名称进行了编码处理。铁合金物料甄别技术需要建立铁合金物料库。

铁合金物料属性包括每种钢种是否需要加入，每种钢种的加入上限，密度，慢振值，落差值。

结合钢种识别技术，实现对转炉铁合金操作的多重防错预警功能。第一，控制系统自动识别出本钢种，在对各个铁合金料仓中的物料进行分析后，自动判断该种铁合金物料是否与钢种匹配。只有与钢种相匹配的铁合金物料才允许加料。在操作画面中允许加入的铁合金物料所在料仓提示显示绿色，否则显示红色。第二，在一个冶炼周期内，对合金加料次数进行计数。在操作画面中，当加料次数大于1次时，数字显示为红色。第三，在一个冶炼周期内，对铁合金物料加料累计重量进行分析判断并显示。在操作画面中，对于本钢种允许的铁合金料，在一个冶炼周期中过程累计质量超过标准范围上限时，加料累计质量背景显示为红色。第四，控制系统根据铁合金物料属性及料仓料位计算出当前钢种该铁合金物料可以冶炼的剩余炉数。

铁合金物料识别操作画面如下页图2所示。

图2 铁合金物料识别操作画面

2.2.4 氧枪识别技术

氧枪识别技术是利用氧枪不同的运动数据，包括运行状态、高度与转速，计算出相同的物理量进行比对，精准识别氧枪运动状态。

氧枪识别技术将实测氧枪速度（r/min）实时转化为氧枪计算高度（cm），并与氧枪实测高度进行实时对比，如果误差超过3 cm将判定故障状态。将实测氧枪高度（cm）实时转化为氧枪计算速度（r/min），并与氧枪实测速度进行实时对比，如果误差超过20 r/min将判定故障状态。

氧枪识别技术通过数据管理可以识别出多种氧枪故障并报警，包括氧枪高度编码器及其联轴器故障，氧枪速度编码器及其联轴器故障，氧枪控制网络故障。

2.2.5 控制器cpu故障识别技术

控制器cpu故障识别技术是本技术利用PLC系统和操作画面系统在一个时钟周期内，校验数据是否正常变化的技术。在操作画面控制系统中设定的采集周期为3 s。不同于网络检测，直接检测控制器cpu故障的技术。该技术可以有效检测出网络通讯正常情况下的控制器cpu停机故障。可以及时执行转炉的连锁提枪动作，避免恶性事故发生。

2.2.6 氧枪横移及提升安全技术

氧枪横移及提升安全技术是氧枪自动横移换枪防漏水技术、氧枪横移确认连锁技术、氧枪事故提升预警技术的集成。第一，氧枪自动横移换枪防漏水技术是在氧枪横移换枪开始时执行氧枪水的切换控制。当突发氧枪漏水事件时，避免故障氧枪水流入转炉中造成故障。第二，氧枪横移确认连锁技术是在操作画面中增加氧枪横移的确认连锁控制开关，防止氧枪横移的误操作事故。第三，氧枪事故提升预警技术是增加事故提升操作对在线氧枪的提示技术，避免造成事故提升对非在线枪提升超出上限事故。

2.2.7 铁水计量判定技术

铁水计量判定技术是利用铁水车秤与天车秤的称量结果进行比对，超过规定的偏差（1 t），即报警铁水称量偏差的技术。需要对铁水车秤和天车秤进行校验和标定。为了实现铁水计量判定技术，进行了折罐铁水车称量连续性改造和天车称量精度提升改造。

折罐铁水车称量连续性改造是将折罐铁水车称量的电源由交流工频供电，改为直流12V供电；并且利用变压器工作原理，通过修改二次侧线圈匝数，然后增加充电指示灯，焊接整流二极管，自制电池充电装置。将折罐铁水车的电缆卷筒由高空改为铁水车上，当车辆行走时为供电电池充电；当车辆停止时，为非充电状态，由电池供电，保证折罐铁水车称量持续稳定。

天车称量精度提升改造是由于加料跨两部高温液体铁水天车称量运行以来一直存在钢丝绳摩擦力对称量精确的影响，为了减小称量过程误差，将称重仪表高度质量非线性功能开启，用砝码包在天车上限位和勾头在最低位分别对非线性误差进行零点校验和低位标定，使得称量在起吊重包运行时，将钢丝绳运行过程中与滑轮组产生的摩擦力实时补偿，进而减小称量过程中的误差。

2.2.8 铁合金计量判定技术

铁合金计量判定技术是利用铁合金加料秤与合金烘烤炉秤的称量结果进行比对，超过规定的偏差即报警合金称量偏差的技术。该技术方法为本炉次加入所有铁合金累计质量和与合金烘烤炉加入量进行比对，如果本炉次质量偏差超出3%，操作画面报出铁合金称量误差大报警提示。铁合金累计质量为本炉次通过铁合金1号称量斗和铁合金2号称量斗称量的所有的铁合金累计质量。需要对铁合金秤和合金烘烤炉秤进行校验和标定。

为了实现铁合金计量判定技术，做出了对合金烘烤炉秤的称重信号采集进入控制系统的改造。

2.2.9 兑铁自动氮封技术

兑铁自动氮封技术是控制系统分析利用天车称重数据与转炉兑铁信号，实现在转炉兑铁时，自动打开氧枪口、副枪口、加料口氮封的技术，阻止兑铁烟尘外泄事故。控制系统确认天车称重在兑铁时的称重变化率趋势及转炉生产流程和转炉倾动数据，自动匹配好需要加料的转炉自动打开和关闭氮封阀的技术。

2.3 关键技术应用

1）转炉合金加料防错技术集成钢种识别、物料甄别、铁合金计量判定与标准底吹控制模型技术，并结合操作画面极大的降低了合金加料错误，提高钢水稳定性，使得转炉控制更加智能。

2）氧枪控制集成氧枪识别、cpu故障识别、氧枪自动横移换枪防漏水、氧枪横移确认连锁、氧枪事故提升预警技术使得转炉氧枪控制更加安全可靠，消除氧枪重特大安全隐患，极大降低了氧枪操作事故，提升了转炉氧枪控制精度和智能程度。

3）兑铁自动氮封技术的应用，实现了炼钢全工艺过程无烟气外泄控制，有效地保证了除尘效果。

3 实施效果

基于数据管理的转炉控制系统是对转炉炼钢智能化控制的进一步完善。基于数据管理的转炉控制系统将自动化控制从单纯的指令的执行，升级为具有识别，预防，管理的自动化一级控制系统，同时加强各个一级自动化控制系统融合。宣钢首次执行，在国内钢铁行业中较早开发。有效解决了炼钢过程中人工操作失误的发生，提高冶炼质量，减少废品率。

标准底吹控制模型解决了操作工氮氩切换时机和多品种钢冶炼节奏不匹配，造成氩气浪费，甚至影响钢水质量的问题。

基于数据管理的转炉控制系统是针对宣钢150 t转炉实际问题和不足，而设计开发的，各项功能很好的满足了现场需要。在宣钢150 t炉区1号、2号转炉应用。使用效果显著，适合在其他钢厂推广使用。

基于数据管理的转炉控制系统降低了转炉冶炼的故障率，提高了转炉生产运行率，保证了炼钢连铸全流程生产的连贯性和稳定性，有利于炼钢连铸最终产品的质量。