趙尚
摘要：冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)是我國工業(yè)發(fā)展過程中的一項(xiàng)重要工藝,其在生產(chǎn)工藝上具有較高要求, 要實(shí)現(xiàn)冶金轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化控制技術(shù),對(duì)冶金設(shè)備提出了極高的要求。基于此,介紹了冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù),從整體出發(fā)闡述了該系統(tǒng)采用的控制及特點(diǎn),然后針對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼各步驟、各環(huán)節(jié),對(duì)自動(dòng)化煉鋼的影響及安全問題進(jìn)行了分析,并提出相應(yīng)的解決措施,為冶金企業(yè)生產(chǎn)提供參考。
關(guān)鍵詞：冶金轉(zhuǎn)爐;自動(dòng)化控制;技術(shù)研究
目前，我國大部分鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)線都具有先進(jìn)的水平和成熟的經(jīng)驗(yàn)，但在實(shí)際操作過程中，仍然依賴技術(shù)人員手動(dòng)操作，導(dǎo)致了生產(chǎn)效率較低，人員的勞動(dòng)強(qiáng)度偏大。同時(shí)，在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的有毒有害物質(zhì)和危險(xiǎn)源等，很可能造成安全事故。為此，發(fā)展自動(dòng)化煉鋼尤為重要。但是，現(xiàn)行的自動(dòng)化煉鋼技術(shù)存在諸多不足，如設(shè)備復(fù)雜、操作繁瑣，工序間缺乏溝通與配合，設(shè)備數(shù)量多且分散，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展緩慢。因此，解決實(shí)際生產(chǎn)中轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化工藝控制的影響因素至關(guān)重要。
一、冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制技術(shù)概述
(一)冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制技術(shù)現(xiàn)狀
轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)以冶金設(shè)備為主，通過對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼中的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，使其達(dá)到生產(chǎn)終點(diǎn)的控制值。雖然現(xiàn)階段我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速、生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升，但生產(chǎn)裝備的自動(dòng)化程度不高，導(dǎo)致智能化運(yùn)用在轉(zhuǎn)爐煉鋼方面應(yīng)用水平不高。
因此，需要在這些領(lǐng)域進(jìn)一步推廣和使用智能化程度較高的冶金設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)，以便適應(yīng)市場(chǎng)需求和企業(yè)生產(chǎn)管理方式，逐漸改變自身落后狀態(tài)。
轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制等原理，在現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，通過對(duì)各種參數(shù)(包括的氧槍槍位、鐵水成分、鐵水溫度、冶煉過程的煤氣發(fā)生量、升溫速率、輔料加入時(shí)機(jī))進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化。該系統(tǒng)可以提高工作效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。其特點(diǎn)有：
(1)具有較高的可靠性；
(2)一鍵操作；
(3)成本低且功能齊全、使用方便；
(4)便于維修管理；
(5)性價(jià)比更高。
轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由傳感器與控制器組成，利用PLC控制技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)視、報(bào)警等。該系統(tǒng)具有以下功能：實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行參數(shù)；自動(dòng)判斷故障部位及原因，及時(shí)發(fā)出警報(bào)提示工作人員；通過PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制功能，同時(shí)可以增加人工干預(yù)功能，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整工藝流程與操作規(guī)范，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本費(fèi)用支出等。
(二)冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制技術(shù)存在的問題及國內(nèi)外現(xiàn)狀
1.煉鋼自動(dòng)化控制存在的矛盾
轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)，其在我國鋼鐵行業(yè)中占有重要地位。但由于目前大多數(shù)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)過程控制存在認(rèn)識(shí)誤區(qū)，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用效果不佳、效率低下等問題日益突出。尤其是部分員工思想觀念落后、缺乏責(zé)任感，使生產(chǎn)線運(yùn)行質(zhì)量差且難以滿足客戶需求，出現(xiàn)質(zhì)量事故，嚴(yán)重影響了冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化工藝流程化管理水平的提升。
轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)冶金企業(yè)來說是一個(gè)挑戰(zhàn)，其主要體現(xiàn)在：第一，設(shè)備數(shù)量多且分散，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展緩慢。第二，企業(yè)擔(dān)心自動(dòng)化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)備投入運(yùn)行之初，需要長(zhǎng)時(shí)間磨合，無法實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)達(dá)效，不能帶來足夠的經(jīng)濟(jì)利益，同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在一定風(fēng)險(xiǎn)，容易引發(fā)質(zhì)量、安全事故等問題。
2.爐溫偏差
受熱不穩(wěn)定、溫度變化等各種原因影響，爐膛內(nèi)溫度過高或過低，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐煙道結(jié)渣、結(jié)瘤，嚴(yán)重減少設(shè)備的使用壽命。而當(dāng)其與負(fù)荷相匹配時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。所以，要想使冶煉過程順利進(jìn)行并達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量水平，必須嚴(yán)格控制爐溫偏差并采取措施解決這些問題。
轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)爐的鋼水成分和溫度。如果能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量與實(shí)時(shí)監(jiān)控，就可以實(shí)現(xiàn)冶煉過程的穩(wěn)定控制，從而滿足鋼水成分和溫度控制要求。利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制冶煉過程的操作流程，以此收集數(shù)據(jù)，建立冶煉過程大數(shù)據(jù)庫，并建立一個(gè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型，對(duì)其溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行分析判斷后做出相應(yīng)決策，調(diào)整控制設(shè)備和裝置的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)煉鋼。
3.煉鋼自動(dòng)化控制的難點(diǎn)
冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過程中，受多種因素的影響：首先，環(huán)境問題。冶金廠轉(zhuǎn)爐煉鋼復(fù)雜、高溫高壓等特點(diǎn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐煉鋼的工作條件比較惡劣，會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生不利影響；其次，工藝要求較高且復(fù)雜程度較大，對(duì)工人的技能水平有更高的標(biāo)準(zhǔn)和更嚴(yán)格性要求；最后，煉鋼生產(chǎn)技術(shù)難度大，在實(shí)際作業(yè)中面臨著控制點(diǎn)多、控制難度大、精度要求高、結(jié)果要求穩(wěn)定等難點(diǎn)問題。
4.煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)不確定性
轉(zhuǎn)爐煉鋼的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)非常復(fù)雜、龐大，要求技術(shù)人員具有較高的知識(shí)水平和技術(shù)能力。所以，在實(shí)際工作中很難準(zhǔn)確把握其過程控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、動(dòng)態(tài)特性、對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析處理等內(nèi)容。因此，在設(shè)計(jì)階段需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況確定所需設(shè)備的類型及參數(shù)。同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況對(duì)工藝流程進(jìn)行合理調(diào)整，并制定相應(yīng)的保護(hù)措施，以確保轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化系統(tǒng)正常運(yùn)行，進(jìn)而保證整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)順利完成工作任務(wù)。
轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的不確定性主要表現(xiàn)在以下兩方面：一是受控對(duì)象的多樣性；二是對(duì)環(huán)境條件和參數(shù)變化反應(yīng)速度較快而引起工藝過程波動(dòng)大時(shí)，會(huì)使轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的不確定性變大。
二、轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制方案
(一)轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制目標(biāo)
轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制目標(biāo)是在一定范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)整。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地判斷設(shè)備狀態(tài)參數(shù)值，從而滿足要求并及時(shí)反饋給上級(jí)部門或車間管理人員。
轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制目標(biāo)是根據(jù)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝流程和實(shí)際情況，結(jié)合理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而制定出來的。因此，在確定了這些具體任務(wù)后，還要對(duì)其進(jìn)行仿真分析，通過軟件模擬得到各工序溫度、速度等數(shù)據(jù)，然后將結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，再利用程序繪制出PCL-PLC圖，完成最終輸出控制效果圖以及各個(gè)單元的狀態(tài)曲線和轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力值線圖，并根據(jù)結(jié)果不斷校正、修改和優(yōu)化。
(二)轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要流程
(1)接收到監(jiān)控量信號(hào)，開始啟動(dòng)程序。根據(jù)監(jiān)視器上各傳感器采集到數(shù)據(jù)，判斷其是否有異常。如果沒有異常，則停止工作。否則，繼續(xù)檢測(cè)和分析故障原因并處理報(bào)警信息，若無問題，可進(jìn)行下一步操作，以達(dá)到控制效果。
(2)斷開信號(hào)時(shí)，打開轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的備用容量開關(guān)、溫度補(bǔ)償裝置、加熱設(shè)備等輔助設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能，使系統(tǒng)處于安全、可靠狀態(tài)。
(三)轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制方案的參數(shù)設(shè)定
根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼的實(shí)際情況，在每個(gè)階段都有不同參數(shù)設(shè)定。
計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化煉鋼的關(guān)鍵。通過測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)鐵水、廢鋼的準(zhǔn)備條件進(jìn)行采集、錄入，吹煉過程對(duì)成分進(jìn)行全程監(jiān)控，吹煉終點(diǎn)時(shí)保證鋼水的終點(diǎn)溫度和成分能命中目標(biāo)。測(cè)控系統(tǒng)設(shè)置靜態(tài)控制計(jì)算和動(dòng)態(tài)控制計(jì)算，二者要相互配合，需要建立龐大的數(shù)據(jù)庫，使靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制趨于穩(wěn)定，確保冶煉質(zhì)量的穩(wěn)定。
供氧階段主要是對(duì)轉(zhuǎn)爐氧槍的槍位、供養(yǎng)強(qiáng)度進(jìn)行控制，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，可以很好地保證氧槍與鋼水液面之間的距離，確保冶煉過程平穩(wěn)，不會(huì)發(fā)生返干、噴濺等異常狀態(tài)。
對(duì)原輔料稱量，需要使用各種傳感器、振動(dòng)器，通過計(jì)算機(jī)設(shè)定參數(shù)與稱量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以確保原輔料稱量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
對(duì)于副槍系統(tǒng)，要設(shè)定好 TSC 的測(cè)量時(shí)間，通常設(shè)定為冶煉周期的80%左右，但也要根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合廢鋼的種類、搭配情況以及鐵水的成分、溫度差異情況等因素。同時(shí)，副槍的測(cè)量結(jié)果要實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X里，程序要根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)終點(diǎn)冶煉過程控制進(jìn)行校正，自動(dòng)計(jì)算出實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)控制目標(biāo)的冶煉方案。
煤氣回收涉及安全問題。應(yīng)實(shí)現(xiàn)全程降罩操作，通過各種變送器將汽化煙道內(nèi)的煙氣情況進(jìn)行采集，然后通過系統(tǒng)分析，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)煙氣回收系統(tǒng)，確保轉(zhuǎn)爐爐口微正壓，沒有煙氣逸散，防止空氣進(jìn)入影響回收安全。
(四)轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制計(jì)算
本設(shè)計(jì)采用的計(jì)算機(jī)程序語言為C語言，該系統(tǒng)主要由控制計(jì)算、模擬仿真、人機(jī)交互等部分組成。通過對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究，整個(gè)過程中使用的是順序運(yùn)算，即從最開始階段到最后一個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)，各個(gè)工序需要的時(shí)間以及每一步操作后的實(shí)際完成時(shí)間。同時(shí)，也考慮了每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)所需的設(shè)備數(shù)量及工作方式，并將各個(gè)單元設(shè)置成不同值，以保證其能夠按照規(guī)定要求按部就班地運(yùn)行。
通過對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制方案的模擬發(fā)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、繁瑣又嚴(yán)密的整體。從開始分析控制系統(tǒng)到最后對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，直到達(dá)到預(yù)期效果為止。在實(shí)際運(yùn)行中，由于各種原因和條件限制的影響，該系統(tǒng)還不能完全實(shí)現(xiàn)控制要求，同時(shí)，也有可能需要多次調(diào)整才能使其性能得到改善。
因此，就必須經(jīng)過不斷地修改與優(yōu)化，以確定最終的目標(biāo)是否可行。
(五)轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制原則
轉(zhuǎn)爐煉鋼流程與熱處理工藝流程都有其特點(diǎn)。
對(duì)于一個(gè)大型生產(chǎn)過程來說，每換一次操作都是需要消耗大量人力、物力和財(cái)力來完成整個(gè)生產(chǎn)線甚至車間內(nèi)所有工序，從而造成浪費(fèi)資源。因此，需要對(duì)冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行深入研究，從而使整個(gè)工藝流程得到優(yōu)化。所以，要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須遵循一定的原則：安全第一。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)堅(jiān)持以人為本、全面貫徹落實(shí)生產(chǎn)安全性、科學(xué)規(guī)劃為前提。
冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)自動(dòng)化控制應(yīng)具有針對(duì)性和可操作性，同時(shí)還需要合理的組織結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能等，以保證其順利實(shí)施。
三、轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
冶煉自動(dòng)化生產(chǎn)中，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)、溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面的監(jiān)控。通過監(jiān)視儀表，可以隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)工況并及時(shí)處理異常情況；在整個(gè)過程中都有報(bào)警裝置，提醒工作人員注意；當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，可發(fā)出警報(bào)，以通知相關(guān)人員采取措施保護(hù)作業(yè)環(huán)境，避免人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失；運(yùn)用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)電氣測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)并反饋故障信息；使用觸摸屏直觀顯示設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)值以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，從冶金過程中的溫度、壓力等因素分析影響冶金生產(chǎn)質(zhì)量和安全性能的各種因素。
四、冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
(一)轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其主要由信號(hào)采集裝置、控制設(shè)備和輔助設(shè)施組成。該工藝流程為：完成對(duì)冶煉過程中溫度和壓力的自動(dòng)檢測(cè)；通過PLC或數(shù)字式儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)信息并及時(shí)反饋給生產(chǎn)部門。在冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)流程進(jìn)行研究分析。根據(jù)每個(gè)工序和工段的特點(diǎn)，確定各個(gè)換相裝置的參數(shù)值；通過計(jì)算得出控制效果圖。
(二)冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用
轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)，是對(duì)整個(gè)工藝流程中的設(shè)備進(jìn)行控制，通過調(diào)節(jié)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的配合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)在各工序上的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行，該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程較為復(fù)雜且工作環(huán)境較差，需要采用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行智能化管理。例如，通過計(jì)算機(jī)程序控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)工藝流程中各種參數(shù)的變化情況，并根據(jù)實(shí)際要求，控制各工種設(shè)備之間的配合關(guān)系，使之達(dá)到最佳效果。
冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要是在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中，對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行監(jiān)控。其目的是實(shí)現(xiàn)控制和檢測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性等要求。它能根據(jù)實(shí)際情況完成控制任務(wù)，從而提高工作效率及質(zhì)量水平；可通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備反饋回來信息及時(shí)調(diào)整工序順序和時(shí)間，以達(dá)到最佳效果；可將故障排除后，再啟動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，使之穩(wěn)定運(yùn)行，并保證生產(chǎn)過程中的安全或很少損失。
設(shè)備的控制在冶金煉鐵生產(chǎn)中起著十分重要作用。不僅可以提高工作效率和質(zhì)量，還能降低勞動(dòng)力成本、減少環(huán)境污染、節(jié)約能源資源。
五、結(jié)語
轉(zhuǎn)爐煉鋼是我國現(xiàn)階段工業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。在日益嚴(yán)峻的安全要求和安全生產(chǎn)形勢(shì)下，一定要及時(shí)轉(zhuǎn)變觀念，向自動(dòng)化和智能化制造轉(zhuǎn)變，加強(qiáng)自動(dòng)化控制技術(shù)的研究，進(jìn)行裝備改造和設(shè)備升級(jí)，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提升企業(yè)的安全生產(chǎn)水平，增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，從而實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)安全、綠色、可持續(xù)發(fā)展。
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