RH真空精炼

RH真空精炼（共7篇）

RH真空精炼 篇1

引 言

从20世纪90年代中期起, 中国钢铁企业铁水预处理、炉外精炼技术与装备有了较大的发展。1991年铁水预处理和钢水精炼比分别不足2%和3%。但到1998年均超过了20%, 2000年分别达到了23%和25%以上, 因钢产量增长迅速, 钢水实际处理量的增长都在15倍以上, 为钢铁生产流程与产品结构的优化作出了重大贡献。

1 RH真空精炼装备发展概况

现代各种精炼设备的冶金功能趋于多样化和高效率, 以不断满足钢铁产品品种和质量的要求和生产的高效率。在20世纪80年代后, 随着汽车工业对钢质量的要求越来越严格, RH真空精炼技术由于其在超低碳钢真空脱碳等方面的优势而得到迅猛发展。国内RH真空精炼装备和工艺技术的开发, 则是在1967年大冶钢厂首次引进的100 t RH真空精炼设备起步的, 至20世纪70年末期, 国内仅有5台RH真空精炼设备。RH真空精炼工艺技术从20世纪90年代开始由于高品质钢特别是高质量板带材比例的提高和洁净钢生产的需要得到快速发展。至2008年底, 国内的RH真空精炼设备已经到达70～80台, 并形成了RH真空精炼成套装备和工艺技术的自主集成, 打破了国外先进企业在此领域的技术垄断。目前, RH真空精炼技术的冶金功能包括脱氢、脱碳、脱氧、脱硫、钢水成分和温度的精确控制、夹杂物控制与去除等许多方面。随着RH真空精炼工艺技术的深人研究, 可处理的钢种范围逐渐扩大, 处理钢的质量不断提高, 使得人们对RH精炼技术更加重视, 逐步形成了一系列冶炼优质品种钢的工艺规程, 其处理效率也在不断提高。RH真空精炼装备成为了炼钢生产中一种高效、多功能的真空精炼装备。

RH真空精炼技术的主要发展方向是处理的高效化、多功能化。高效化主要指设备能力的提高、工艺的合理优化、工艺流程的匹配和生产节奏的合理控制, 包括设备大型化、高环流量 (加大浸渍管直径和提升气体流量) 、预真空技术、提高抽真空能力、双工位处理技术、底吹氢和喂线技术等的采用、钢水成分和温度的精确控制、生产节奏的控制等, 使得RH真空精炼装备在工艺效率提高方面发挥越来越重要的作用。多功能化主要指RH精炼装备和工艺技术的拓展, 包括吹氧、喷粉、真空室气相燃烧、钙处理技术的采用等, 使得RH真空处理具备了热补偿升温、强制脱碳、喷粉脱硫、夹杂物控制以及真空室加热、清除冷钢等技术。

RH真空精炼过程伴随着复杂的物理、化学变化, 如钢水的循环流动、气泡运动、混合、燃烧、脱碳、脱气、喷吹颗粒在钢水里的运动和反应等。RH的设计参数和操作条件将直接影响上述各过程, 从而影响RH的处理效果和最终的钢质量。因此, 认识和掌握发生在RH反应器内的诸现象、规律及内在关系至关重要。在过去的几十年中, 许多冶金工作者对RH过程进行了大量的研究和工艺开发, 如旨在提高RH真空精炼过程钢水循环流量的工作, RH真空精炼过程钢水流动行为研究、真空脱碳行为的研究RH真空室燃烧和气相流动行为研究, RH真空脱硫行为研究、夹杂物控制与去除研究等, 这些研究都取得了一些有重要价值的研究成果, 对提高RH过程的认识、优化RH装备的设计、提高RH的操作水平及新工艺的开发起着很重要的作用。

2 中国RH精炼装备发展现状和特点

2.1 中国RH快速发展的基础

2.1.1 钢厂制造流程与产品结构的优化

在制造流程中, 任何一项新技术的应用与发展都应适应这一流程及其相应产品优化的要求, 这是一个客观规律。RH也不例外。

RH的发展很好地适应了中国钢铁工业高速增长、钢厂制造流程趋于紧凑高效、洁净钢生产水平普遍提高、板带材比例特别是冷轧深加工比例提高的客观要求。中国钢材市场的竞争将主要转为板带材的竞争。而几年的生产技术经验已证明, 生产优质板带材 (尤其是冷轧板) 一定要立足于产品质量的稳定性、生产的高效率, 并适应最优化的流程匹配, 采用RH (包括与RH复合的钢水精炼工艺) 是明智的选择, 对一些优质的型材和特殊钢材也一样。

2.1.2 丰富的RH生产技术经验

中国已积累了比较丰富的RH生产技术经验是RH快速顺利投产并迅速优化的重要条件, 经过中国钢铁企业 (如宝钢、武钢、鞍钢、本钢等) 通过对引进RH装置的消化吸收和生产实践, 积累了大量的经验, 使得RH生产稳定顺行、功能发挥正常、产品的质量不断提高, 极大的增强了企业选择RH工艺的信心。国内与RH相关的工程公司的成立和开发也是快速顺利新建RH项目的有利条件之一。

2.1.3 RH装置系统已基本实现国产化

国产化并不是指100%中国造, 而是指在掌握核心工艺技术与装备制造技术的基础上, 自主设计 (工厂设计、工艺设计与装备设计) 、自主选择世界范围内的优势装备及材料、自主制订工艺规范与操作规程、实现优化生产组织和运行。现在, 国内RH工艺技术已趋成熟、已经掌握了关键设备的设计和制造技术、耐火材料等也已实现国内供应。

国产化不仅具有工艺技术自主创新, 备件国内供应和及时服务的优势, 而且使RH建设成本和运行成本大幅度降低。这是一个很重要的优势, 否则, 很多企业将面临投资成本和运行、维修成本等方面的巨大压力, 有可能推迟RH建设的进程。从已投产的一些国产化RH项目看 (如宝钢4#RH等) , 在主体设备质量、工艺顺行、运行稳定等方面并不逊色于外商承包的同等项目。这对增强中国企业“国产化”信心非常有利。必将推动RH建设的快速发展。

2.2 中国RH快速发展的现状和特点

2.2.1 数量的快速增长

中国近10年来, 尤其是2006～2008年间出现了RH建设的高潮, 这是中国冶金史前所未有的。初步估计2010年中国冷轧板产量将达8 000万t/年以上, 届时估计全国RH装置可能将达60台左右。这种快速发展的基本原因是源于流程结构优化与产品结构优化的需要, 但同时也折射出中国在RH工程设计, 设备制造, 施工建设等方面的强大实力, 更说明了中国钢铁企业对RH在钢铁制造流程优化与产品结构优化中作用的认同。

2.2.2 新投运的RH多为高效、多功能型的高水平装备

从真空室结构和布置上看, 双真空室平移双工位的形式增多, 装置作业率提高;采用多功能顶枪, 使RH功能综合化;增大环流量、提高抽气能力以加快深脱碳速度, 并提高综合生产效率;加上前面在发展历程中已提到过的工艺技术优化, 备件、材料供应配套, 大部分RH的实际能力或设计能力都达到了200万t/年以上的水平, 有利于投资成本与生产成本的降低。

2.2.3 高精度控制的自动化水平高

RH的工艺操作更加稳定, 高精度控制的自动化水平不断提高。技术经济指标不断优化, 新投产的RH装置在达产速度, 生产运行的稳定性, 提高钢水洁净度以及高速高效化等方面都有很大的进步, 反映了中国RH整体水平在高速发展中有了大幅度的提高。

2.2.4 RH已实现国产化

RH可基本立足于国内设计、制造、施工建设并顺利生产运行是几年来RH高速发展重要的特征。这些特点不仅是中国RH快速发展的保证, 降低成本的重要促进因素, 值得强调的是, 它也是中国钢铁科技迈向国际先进水平的一个重要的标志。RH与高速板坯连铸, 热、冷连轧一样都是钢铁技术与装备中的高难度课题, 过去基本全部依靠进口, 现在RH在近几年出现了高速发展, 这是值得自豪的成绩。

3 宝钢RH真空精炼工艺发展

经过20多年的发展, 宝钢在RH真空精炼技术方面取得了长足的进步。在RH真空精炼工艺技术方面取得的进步, 是在汽车板、家电、镀锡板、硅钢、管线钢等薄板产品开发和质量提高需求的强力推动下, 在国内钢铁大发展的背景下取得的。宝钢产品开发和优质钢生产的需要带动了RH真空精炼技术的进步;同时, RH真空精炼技术的进步提升了产品的质量并为新品种的开发创造了良好的工艺实现条件。目前, RH真空精炼的各项单元技术已经日臻成熟, 形成了多功能RH真空精炼成套装备和工艺技术, 成功实现了技术输出。RH真空精炼技术的发展完全符合RH处理的高效化、多功能化和环境友好的发展但也有一些方面仍需要不断改进。

进一步提高处理效率, 保证生产和质量的稳定等是为了匹配连铸生产的需要, 更好地实现物流的控制。除了工艺优化以外, 需要进一步缩短RH真空处理的辅助作业时间, 如更多地采用双工位处理技术、采用多个待机位、优化物流等都可以为提高效率作出贡献。钢水成分、温度和生产节奏的精确控制也可以为生产效率的提高作出贡献。随着钢质量要求的提高、品种钢的生产、生产节奏的加快, 钢水成分、温度和时间的控制范围越来越窄, 对RH真空精炼工艺技术和操作水平提出更严格的要求, 每一个环节都会对生产效率产生重要影响。因此, 快速精炼工艺的研究开发将是今后的工作重点之一。在生产和质量的稳定方面, 需要减少经验的影响, 采用模型控制技术有利于生产和质量的稳定。在专线生产方面, 大批量的品种, 如IF钢、硅钢、镀锡板、管线钢、厚板钢等, 需要实现一定时期的专线生产, 对稳定质量、提高效率、降低成本等都很有利。

RH国产化要立足于自主创新, 同时也应高度重视国外的创新成果, 坚定地将国产化系统优化的目标确定为:设计、建设与各种不同板带产品为主流程 (包括型材、特钢) 的RH工艺与设备;能选择合理的总图布置, 并配有高水平的计算机控制模型与硬件配置, 配套提供低廉无碳长寿耐材、特殊铁合金、快速高精度检测仪器, 形成适应性广泛的RH系列装置及相应工艺软件, 进而实现工程承包能力的系统化和服务的及时性。

4 结束语

在中国钢铁工业快速发展并开始出现结构变化的条件下, 企业要从原理、功能优化与流程优化的各工序匹配人手, 选准相应的产品大纲, 全面提高RH的工艺装备的水平, 推动RH生产的健康发展, 为中国钢铁工业流程优化与产品结构优化作出新的贡献。

参考文献

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RH真空精炼 篇2

RH真空精炼炉运用于炼钢生产可提高产品质量、增加产品品种。某钢轧厂RH真空精炼炉真空排气系统由PLC控制,实现钢水在真空环境下循环流动以均匀钢水成分和温度,同时通过添加物料使钢水脱氧、脱碳、脱硫、脱磷和成分微调等,实现了品种钢的多样化。

1 系统硬件构成

RH真空精炼炉真空排气系统采用AB contronlogix的1756系列PLC,由1个主站和3个远程站组成,主从站间通过Controlnet网进行通信。HMI采用Server/Client的结构形式,作为画面服务器的Server与主PLC间通过以太网进行通信,作为画面客户端的Client通过以太网从画面服务器读取数据。系统硬件配置如图1所示。

2 系统主要控制功能

2.1 主/辅泵子系统控制

主泵子系统由B1增压泵+B2增压泵+B3增压泵+C1冷凝器+S4A喷射泵+C2冷凝器+水环泵(P1/P2/P3)等构成。辅泵子系统由S4B喷射泵+C2冷凝器+水环泵等构成。主泵子系统主要用于实现真空系统在600kg/h抽气量下67Pa的真空度指标,以满足RH处理后期高真空度的要求;而辅泵子系统则用于增加从大气压至8.5kPa间的抽气量,以缩短真空系统的启动时间,并满足低真空下吹氧的需要。

进入各级增压泵和喷射泵的蒸汽均由蒸汽分配器通过相应的蒸汽管道供应。在各级泵的蒸汽管道上均设有气动开关阀,用于控制该级泵的启闭。

进入各级冷凝器的冷却水则由冷凝器冷却水分配器通过相应的冷却水管道供应。为充分利用冷却水,C1、C2冷凝器的进水分别由该冷凝器的上部和下部进水管供应。这些进水管配置相应的气动开关阀,用于控制冷凝器的进水量。

真空排气系统有中央自动和中央手动两种操作模式。

(1)自动模式。开启各级泵,达到预真空度(见表1)。开始时,根据HMI设定的真空度目标值,按各级泵排气能力上限,依次由后往前启动各级泵,直至相应泵的排气能力在目标真空度范围内,然后停止后续前级泵的启动。设定新目标真空度时,若目标值大于正在启动的最前级泵的排气能力,则依次关闭前级泵,直至相应泵的排气能力在目标真空度范围内;若目标值小于正在启动的最前级泵的排气能力,则根据各级泵的排气能力依次打开前级泵,直至相应泵的排气能力在目标真空度范围内。打开某泵前,需先打开其对应的冷凝器进水阀。

(2)手动模式。在HMI上,通过相应的按钮对B1、B2、B3增压泵,S4A、S4B喷射泵的蒸汽气动开关阀,P1、P2、P3水环泵,C1、C2冷凝器的上下进水气动开关阀进行单独控制。

2.2 主真空阀控制

主真空阀控制方式分为自动和手动,其操作模式与排气操作模式相关。若排气系统为自动控制方式,则主真空阀的自动、手动控制方式均有效;若排气系统为手动控制方式,则主真空阀也采用手动控制方式。

2.3 热井回水泵控制

C1、C2冷凝器回水送到热井后,再由热井后面的回水泵返送到水处理池。热井设置液位检测仪表,当热井水位到达上上限时,将停运真空排气系统。回水泵在自动控制模式下,由该仪表的水位检测结果控制其启停。

热井回水泵有3台,1台为优先启动泵,1台为备用泵,1台为次优先启动泵。

2.4 复压控制

脱气处理结束后,应对真空槽和真空管道进行复压处理。复压气体种类根据不同工况而定,可采用大气或N2。复压有中央自动控制方式和中央手动控制方式。

(1)自动控制方式。当HMI发出处理停止指令时,若真空度小于6.5kPa,则采用大气复压;若真空度大于6.5kPa或废气中CO含量过高,则采用N2复压。

(2)手动控制方式。由操作人员直接操作复压。在紧急复压或顶枪紧急提升时,采用N2复压。

大气复压和N2复压顺序不同。

(1)大气复压。打开破真空阀站中气动破真空阀,将大气放入主真空阀前的真空系统和主真空阀后的真空主管,然后按顺序逐步关闭各级泵和冷凝器:关B1泵→关B2泵→关B3泵→关C1冷凝器上/下部进水-关S4A泵→关C2冷凝器上部进水→关闭蒸汽总阀→关水环泵进气阀→关水环泵进水阀→关水环泵。

(2)N2复压。为了避免精炼废气中CO含量过高,在破坏真空时CO与大气中的氧化合而发生爆炸,系统设置了充氮破真空子系统。在精炼结束破坏真空时,打开破真空阀站中气动破真空阀,将N2放入主真空阀前的真空系统,同时将大气放入主真空管道。

中央辅助操作台设有紧急复压按钮,用于实现排气处理时的紧急复压。控制系统启动流程如图2所示。

3 画面监控系统

画面服务器采用RSView Supervisor Edition监控软件,画面客户端采用RSView SEClient监控软件,工程平台采用RSView Factory Talk监控软件。

4 结束语

系统自投运以来运行良好、控制灵活、性能稳定、功能完善,便于操作、维护和管理,提高了产品产量和质量,满足了企业生产需要。

摘要：介绍某钢轧厂RH真空精炼炉真空排气系统硬件组成,阐述真空排气过程中的主要控制点。

RH真空精炼 篇3

转炉炼钢的汽化冷却系统会产生大量饱和蒸汽, 这些蒸汽随着转炉吹氧的节奏、压力、温度而波动较大, 多弃之为废, 当前很多冶金企业对转炉余热蒸汽利用一直局限于澡堂、取暖、食堂等利用率很小的地方。需要进一步研究采取各项技术措施将余热蒸汽再利用于RH/VD精炼装置以满足抽真空的需要。安阳钢铁股份有限公司第二炼轧厂通过技术改造, 使3座150t转炉所产饱和蒸汽用于RH和VD真空精炼装置, 为转炉蒸汽的最大经济效利用寻到了合适的途径。

1 存在问题分析

安钢第二炼轧厂现有1台VD真空精炼装置, 炼钢抽真空用汽由快速燃气锅炉供应, 从冷启动到具备生产条件需120min, 蒸汽成本约为95元/t。

2008年, 由于品种结构调整的需要, 该厂决定新建2台RH。为解决RH生产抽真空用蒸汽, 需配套建设2台35t/h快燃蒸汽锅炉。由于现场没有建设锅炉房的位置, 加之安钢的煤气资源紧张, 蒸汽的供应成了RH真空精炼是否设立的条件, 同时也决定抽真空炼钢的成本大小。

2 解决方案

安钢第二炼轧厂有3座150t转炉, 各配1套汽化冷却系统和2座192m3蓄热器。每座转炉冶炼周期37min, 吹氧时间15 min, 3座转炉汽化冷却烟道生产饱和蒸汽, 瞬间最大蒸发量112.7t/h, 每炉钢产汽量13.5t, 冶炼周期平均产汽量20t/h。汽包实际工作压力<2.2MPa, 工作温度225℃, 单台汽包全容积V=71m3。3座转炉汽化冷却系统生产饱和蒸汽约60t/h。

考虑3座150t转炉汽化冷却产生的大量蒸汽无法利用, 从降低成本和循环经济的角度出发, 将转炉余热蒸汽作为一个倾向性的备选方案。

经过询证、分析, 最终确定了以下两个方案, 对比如表1所示。

分析3座转炉炼钢、2座RH和1座VD真空精炼生产节奏情况, 以及生产蒸汽和使用蒸汽情况 (时间、频率) , 决定采用综合利用转炉余热蒸汽方案;同时为确保生产用汽稳妥、连续, 需从动力厂130t锅炉站引DN150的中温中压蒸汽管道, 供汽量0～20t/h。

3 实施过程

根据上述确定的方案, 安钢第二炼轧厂在现有2座192m3蓄热器的基础上又增设了1座192m3蓄热器, 并在3座蓄热器的上部搭建了2层平台;同时针对1座VD真空精炼和2座RH真空精炼增设了3套蒸汽调压和加热装置。经过1年建成运行后, 效果较为理想, 能满足2座RH和1座VD精炼抽真空生产用汽要求。

(1) 蓄热器蒸汽加热站生产运行管理的基本方案。

a.蒸汽汽源:主要依靠转炉炼钢的汽化余热蒸汽;热备蒸汽为动力厂用中温中压蒸汽。

b.蒸汽用户:2座RH和1座VD生产用汽。

c.根据炼钢生产计划安排情况, 及时安排蓄热器蓄热和确保供汽。

转炉余热蒸汽充足、用汽量较少时, 超过蓄热器上限压力, 可自动放散。

通常情况下, 蓄热器蒸汽加热站与转炉汽包之间的电动阀保持关闭。当转炉蒸汽高于蓄热器蒸汽压力时, 自动打开单向阀向蓄热站内注入蒸汽;达到压力平衡时, 自动关闭。当转炉停产或生产极少时, 自身的余热蒸汽不足维持转炉的保养、热备用的情况下, 则开启电动阀, 向转炉汽化冷却系统适量供汽。

(2) 在正常生产情况下, 即按照2座RH、1座VD、3台转炉正常生产情况下, 完全能够满足RH、VD生产用汽。

(3) 中温中压蒸汽几乎处于热备用状态。

(4) 蓄热器蒸汽参数的维持:压力1.2MPa, 基本维持在1.2～2.1MPa, 超过2.1MPa即放空。

(5) 供生产用汽参数:0.9～1.2MPa、温度200～210℃ (过热温度值:10～15℃) 。

(6) 通过蓄热器储存蒸汽、蒸汽加热装置加热控温和控压, 很好地满足了用汽需求。

a.供汽及时:冷启动蒸汽加热装置, 40min具备供汽条件;蒸汽加热装置处于热备用状态时, 随时可向RH、VD精炼供汽。

b.供汽压力稳定:蒸汽压力的调节采用国外进口FISHER蒸汽调节阀, 保证汽压力稳定。

c.供汽温度稳定:蒸汽温度的调节采用国外进口FISHER煤气调节阀, 保证过热度10～15℃。

d.供汽流量稳定:根据RH、VD用汽量大小, 自动调节供给量, 满足用汽量及其调整的需要。

e.在冬季, 因需要采暖而低压蒸汽用量比较大, 蓄热站可持续地向公司蒸汽管网供汽。

(6) 经过1年的调试生产后, 该系统稳定, 能耗、生产运行成本低, 停用了原18t/h快速燃气锅炉。

4 经济效益分析

(1) 转炉余热蒸汽利用率得到较大提高, 达到70%。

(2) 响应用户用汽迅速, 冷启动时30min内响应, 热备用时随时响应。

(3) 该过热系统能耗很小, 比快速炉节能。

系统热备用时, 能耗为约10kW、85m3/h煤气。运行时, 能耗约为快燃锅炉的3%。

(4) 系统布置、设置更为简洁, 更趋向稳定、安全, 操作更为简化、便捷。

(5) 该过热系统方案经济效益明显。节约建设投资约1100万元, 节约建设用地2000m2, 直接节约生产成本 (能耗) 约1755万元, 该投资约经14个月完全收回。

若以回收的蒸汽计算, 回收蒸汽3×20t/h, 90元/t蒸汽, 年有效生产5000h, 则年节约2700万元, 投资回收期不到8个月。

5 结语

安钢转炉汽化余热蒸汽独辟蹊径利用于RH/VD真空精炼技术, 降低了产品成本, 结合转炉煤气的回收, 实现了负能炼钢。这项技术在国内冶金行业中也是为数不多的, 经过长期运行取得了较好的效果, 积累了很好的技术和管理经验, 具有很大的经济效益和推广价值。

摘要：介绍安阳钢铁股份有限公司第二炼轧厂3座150 t转炉余热蒸汽经过控温控压用于RH和VD真空精炼装置的改造实例, 通过该节能改造措施, 使得转炉蒸汽得到了有效的利用, 是实现转炉负能炼钢的有效途径之一。

RH精炼系统的过程控制 篇4

关键词：RH,过程控制,网络连接

0 引言

RH真空精炼法是一种用于生产优质钢的钢水二次精炼工艺。唐钢第一钢轧厂于2006年筹备组建RH真空环流脱气装置并采用双工位系统, 主要功能为自然脱碳和强制脱碳、脱氢及去杂质、温度和成分调节、升温等。整个钢水冶金反应是在砌有耐火衬的真空槽内进行的。真空槽的下部是两个带耐火衬的浸渍管, 上部装有热弯管, 气体由热弯管经气体冷却器至真空泵系统。由于其具有处理钢水迅速、效果显著及易操作等优点, 现在已经被许多大中型钢铁企业采纳并作为一道必不可少的生产工序。

1 RH精炼系统

1.1 主要设备

RH系统的主要工艺设备包括:钢包运输台车2台 (钢包台车走行设置3个工位, 分别为待机位置、保温剂投入位置、处理位置) 、钢包升降装置2套、液压系统1套、真空槽4套及热弯管4个、真空槽移送台车4台、顶枪装置2套、真空泵系统1套、预加热装置4套、合金输送装置1套、合金料仓20个、合金称量料斗5台、真空料斗2套、保温剂投入设备2套、自动测温取样定氧设备2套、喂丝机2台、吹氩装置2套、风动送样装置1套等。

三电包括设备传动、控制, 能源介质检测、调节控制和过程控制。RH系统设置过程计算机, 用于RH的在线控制和管理, 主要完成基础数据管理、过程数据收集、过程监控、画面及报表处理等功能。

1.2 工艺流程

钢水处理前, 先将浸渍管浸入待处理的钢包钢水中。当真空槽抽空时, 钢水表面的大气压力迫使钢水朝浸渍管里流动。与真空槽连通的两个浸渍管, 一个为上升管, 一个为下降管。上升管不断向钢液吹入氩气, 相对没有吹氩的下降管产生了一个较高的静压差, 使钢水进入上升管并通过真空槽流向下降管;在真空状态下, 流经真空槽钢水中的氩气、氢气、一氧化碳等被抽走;脱了气的钢水再经下降浸渍管流入钢包, 依此不断循环反复。同时, 进入真空槽在低压环境状态下的钢水, 还进行一系列的冶金反应, 如碳氧反应。为满足钢种要求、精确控制钢水成分, RH处理后期还需进行合金化处理。铁合金材料经合金料仓、称量料斗、真空料斗、合金溜槽, 在真空状态下通过真空槽进入钢水, 完成合金化工艺。

2 RH精炼L2系统配置及网络连接

L2系统的硬件结构由服务器、操作站、工程师站、打印机及网络设备组成。服务器采用HP Pro Liant ML570 G3塔式, 操作终端采用HP Compaq Business Desktop DC7100立卧可转换微型立式台式机。软件方面, 服务器采用Oracle 9i for Windows 2k标准版数据库, 中间软件则采用Plature99和Multi Link。

L2系统通过以太网与基础自动化级连接, 实时采集基础自动化的数据并将数据通过以太网传递给三级系统。由于L3系统和L2系统都采用Oracle9i作为后台数据库系统, 所以通信采用DBLINK方式, 并且采用传送方主动方式:L3传送给L2的数据由L3系统将数据直接写入L2系统为L3系统设置的专用通信表中;相应L2系统传给L3的数据也直接写入L3系统为L2设置的通信数据表中。

系统逻辑架构如图1所示。

3 RH过程计算机模型

RH精炼炉过程控制系统主要由5个模型组成:温度预报模型、静态脱碳模型、动态脱碳模型、成分预报模型、合金最小成本模型。温度预报模型是指系统实时监测钢水温度的变化值, 为操作人员提供参考, 可有效降低测温次数, 节省成本。合金最小成本模型是指为满足钢水成分的要求, 控制系统自动计算所需加入合金的最小量, 从而降低生产成本。静态脱碳模型和动态脱碳模型都是为RH冶炼钢水脱碳这一重要环节设计的控制模型, 其中动态脱碳模型是通过分析烟气中CO、CO2、O2等气体含量值和初始钢水碳含量分析值等, 实时预报钢水中的碳含量, 是对静态脱碳模型有效的补充和延伸。

4 过程控制计算机系统功能

4.1 质量标准数据

L3生产管理系统对与炼钢生产相关的质量要求数据和操作标准化数据进行管理和维护, 包括:各个生产阶段 (铁水预处理、转炉、精炼、连铸) 的成分, 冶炼产品的判定成分, 工艺路径, 吹炼、精炼和连铸过程中的温度控制目标值, 冶炼时间, 浇铸板坯的拉速, 二冷却制度等标准数据。当质量标准信息发生新增、修改或删除时, L3生产管理系统要通知RH过程计算机系统进行相应调整。

4.2 炉次计划

系统根据总调度室下发的日生产订单数据和热轧提交的浇次和炉次生产计划, 按质量生产标准和生产设备状况确定具体的生产工艺路线。L3生产管理系统完成炼钢侧的炉次计划后通知RH过程计算机系统。炉次计划的内容包括:炉次号、钢种、连浇号、连浇序号、RH开始时刻和结束时刻、上工序和下工序等信息。如果L3系统因故无法下发炉次计划, 为了不影响RH的正常作业, 可由专人在RH过程计算机系统的炼钢计划画面中进行RH计划的排定, 系统将自动在RH操作实绩中标注计划的来源。接受炉次计划后, 系统自动检查该炉次是否合法, 若不合法则认为计划无效并报警;对有效的炉次计划进行整理, 生成、修正数据库中的各个炉次的炉次计划信息。每一炉次的炉次计划有效期从计划排定开始到精炼处理结束。炉次计划排定后, 一旦RH侧钢包到达, 则这个炉次的炉次计划不可被删除。

4.3 材质信息及钢包称量信息管理

开工时, 由工艺人员通过L2画面输入材质信息到RH计算机系统中, 包括材质代码、名称、单价、堆比重、所含的成分等信息, 可以新增、更改、删除。在精炼结束后, 天车磅将RH精炼后的钢包重量传入L3生产管理系统, RH过程计算机系统可从L3生产管理系统中获得该信息, 并更新RH作业实绩。如果L3系统因故无法下发钢包重量信息, 可由操作人员在RH过程计算机系统画面中人工录入该信息。

4.4 成分分析

RH过程计算机系统从L3生产管理系统中获取转炉、LF炉、连铸以及RH的成分分析信息。

5 RH精炼的过程跟踪控制

L2的过程跟踪控制涵盖从一炉钢水进站一直到冶炼处理结束、钢水出站为止的各个生产过程。在此过程中, L2系统实时采集和处理钢水相关信息, 如钢包到达时间、真空处理用时、测温计化验数据和钢包调走时间等。L2的跟踪操业流程如图2所示。

RH真空精炼 篇5

关键词：RH精炼,二次精炼,过程控制,控制模型

0引言

RH精炼炉,是介于炼钢与连铸之间的一个钢水精炼设备,其作用是提高钢水质量,满足大批量生产无间隙原子钢(通常称IF钢)等高难度、高附加值产品的需要。它具有脱碳、脱氧、脱气、脱硫、合金化成分调整、温度调整等功能[1]。随着用户对钢材的质量、品种与性能的要求不断提高,以RH,LF与CAS为代表的二次精炼设备在国内的使用逐渐增多,对精炼的过程控制也提出了相应的要求,借助于过程控制模型的精确计算与过程信息预报,可实现过程控制的进一步优化。

RH模型是实现精炼过程自动控制的重要基础,它涉及冶金工艺、自动控制、计算机、数学等多门学科,过程控制模型通常嵌在过程控制计算机系统中,主要包括模型本体以及与模型相关的画面、通用数据库接口、模型调度、模型维护工具等功能模块。随着国内RH精炼炉的大量建造,如何使模型的软件架构能够适应各种过程机应用系统结构就显得十分重要。宝山钢铁股份有限公司研究院自动化研究所从2000年开始RH模型的研发,2002年初,温度模型首次在宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司3#RH上得到成功应用,2002年底静态脱碳模型、动态脱碳模型、合金模型、成分预报模型首次在宝钢集团上海梅山钢铁股份有限公司新建RH精炼炉成功在线应用,至2007年底宝钢股份研究院自动化所自主研发的RH模型已在宝钢分公司多个RH精炼炉、宝山钢铁股份有限公司不锈钢分公司新建RH精炼炉中在线应用,并已与国内多个钢厂签订合同进行在线应用。

1 RH模型功能及原理

RH模型是建立在RH真空精炼冶金机理的基础上,结合现代自动控制技术,采用先进的算法开发的成套过程控制模型。RH模型由静态脱碳、动态脱碳、温度推定、合金最小成本及成分预报5个模型组成。

1.1 静态脱碳模型

静态脱碳模型的主要功能是预测处理过程中随真空度的逐步下降,钢液中碳含量和游离氧含量的变化规律。静态脱碳模型分为预报模块和推定模块。预报模块根据每一炉处理开始获得的初始碳、游离氧含量、钢液温度和真空排气模式等信息,在处理初期即给操作人员提供为达到一定目标碳含量所必须的处理时间和吹氧操作等综合指导信息;推定模块是在得到钢水基本信息和操作量信息(如吹氧量、铝材投入量等)以后,推算处理结束时的碳含量和游离氧含量。两个模块的综合使用能够逐渐优化RH的操作工艺。

静态脱碳模型是从冶金学碳氧平衡原理出发,在一定的假设基础上建立的模型。RH真空脱碳是钢液中的碳和游离氧反应的过程,在真空度和温度一定的情况下,如果脱碳反应达到平衡,碳含量和游离氧含量的乘积为一常数;同时假定参与脱碳反应的氧的固定百分比(RCO)来自于钢液,而其他部分来自于钢渣中金属氧化物的被还原,则钢液中碳和游离氧含量的下降遵从特定的比例关系,由以上两个规律综合可以求得平衡碳和平衡氧含量。在RH真空脱碳过程中,近似认为碳和游离氧含量按指数规律逼近平衡碳和平衡氧含量,方程式为[2]:

式中,ρ(C)tl为t时刻钢包内钢液中碳的质量浓度,%;ρ(C)ev为真空槽平衡碳的质量浓度,%;ρ(C)sl为钢包初始碳的质量浓度,%;T为脱碳时间常数,min。

1.2 动态脱碳模型

动态脱碳模型主要功能是根据废气中CO,CO2等气体的在线分析值、初始碳分析值和废气流量,实时预报钢水中碳含量。依靠先进的检测装置及检测手段及时获取真空脱碳过程中的废气信息及处理前初始碳含量,处理过程中的碳含量、游离氧含量、钢水重量、钢水温度等数据,迅速准确地预报钢水中当前碳含量、脱碳速度及脱碳总量。

动态脱碳模型是基于分析碳及抽真空产生的废气信息,结合自适应控制技术实时预报钢水碳含量的模型。该模型可以大大提高如质谱仪、红外分析仪等设备的利用率和实际效果。

模型原理如下:

式中,ρ(C)result为当前推定碳的质量浓度,%;ρ(C)origin为分析碳的质量浓度,%;qgas为废气流量,m3/min;Wst为钢水重量,kg;φ(CO)为废气中CO体积分数,%;φ(CO2) 为废气中CO2体积分数,%;T1,T2为变化时间,min。

模型在画面上实时显示真空脱碳过程的许多相关信息,并在画面上动态演示整个过程。为操作人员更好地实时控制RH真空脱碳过程提供较为详细的参考,并可以优化RH脱碳工艺。

1.3 温度模型

温度模型的主要功能有:(1)根据处理开始时的首次测温信息预报钢水温度的变化趋势;(2)根据RH处理中的测温信息、实际合金投入量、吹氧量以及操作工设定的信息,实时推定钢水温度变化;(3)操作人员根据温度预报值,可以有效地对处理过程进行控制,提高处理终了温度的命中率;(4)在已镇静钢水获取第1个测温信息后,计算需要增加的冷材量或吹氧量。

温度模型是建立在人工智能技术与冶金学机理基础上的混合模型,由3个子模型构成,包括人工智能模型、冶金机理模型、信息管理模型。其中,冶金机理模型和信息管理模型均为比较简单的初等代数数学模型,我们把RH精炼过程中复杂的非线性因素都归结到人工智能模型中,用AIMT软件来处理和建立针对RH精炼复杂过程的模型。AIMT软件是由宝钢股份研究院自动化所开发的通用智能自动建模软件,具有人工神经网络建模及模糊逻辑建模工具。我们对AIMT工具建立的人工神经网络模型和模糊逻辑模型用实际生产数据进行反复的测试比较,最终采用AIMT建立的人工神经网络模型作为RH温度人工智能模型,取得了令人满意的结果。图1为RH温度预报模型原理示意图。

1.4 合金最小成本模型及成分预报模型

合金最小成本模型根据生产计划及钢种要求计算成本最低的合金投入组合及投入量,需要添加的元素量由目标出钢成分、钢水初始成分、各元素收得率以及钢水量等决定。主要功能有:(1)操作工可以对各参数进行人工设定修正,如各元素目标成分、初始成分、收得率及合金投入限制量等;(2)可以屏蔽指定的若干元素的成分约束,忽略其成分要求,使之适应特定情况下的求解;(3)允许操作工设定一种或几种合金量,模型可对其余的合金继续作最小成本计算。

合金最小成本模型的目的是根据钢种元素需求、元素收得率、钢水成分分析值等信息,计算出一组成本最低的合金组合和合金投入量。目前国际上提供的炼钢合金模型基本上是建立在线性规划算法的基础上,该方法的好处是除了给出满足生产要求的合金投入配比外,还能使合金投入的总成本CT(X)最小。下面是合金模型LP部分的数学描述:

s t

式中,Cj为合金j的单价;Xj为合金j的投入量;Aij为合金j中元素i(i=1,2,…,m)的含有率;Bi为元素i的需要量;Bui为元素i的需要量上限;Bli为元素i的需要量下限;Xset为合金设定投入量,Xlmt为合金使用限制量;m为合金中的各种元素;n为所用的各种合金;c1,c2,…,cs ∈[1,n],用于某些合金有设定投入量和使用限制量时的特殊约束表达式中。

成分预报模型从原理上讲是合金最小成本模型的反模型。该模型具有成分预报功能,它根据假设的各合金设定投入量按标准收得率、设定收得率来预报添加合金后各元素成分、钢水增重等,使操作工试算十分方便。同时该模型根据最新的钢水成分、最新钢水成分取样后所添加的合金量计算钢水的当前成分。

2 系统设计与实现

模型从研究到应用,主要经历了算法研究、实验室仿真、现场离线考核等过程,最后进行在线过程机软件的开发。模型的研发不能仅仅关注于模型本体的研发,模型的开发、测试及在线应用必须有一套有效的软件系统,这样才能提高模型的开发效率和应用效果。因此模型系统架构需考虑模型算法、模型操作画面、数据接口、模型调度、模型维护工具等技术。

2.1 系统结构

RH精炼炉过程控制模型的系统结构如图2所示,模型系统主要由模型接口程序、模型计算程序、模型画面操作程序、模型调度程序及数据库组成。模型操作画面程序安装在操作终端上,其它均安装在服务器中。模型画面操作程序采用Visual Basic 6.0控件+Oracle Form的方式实现,模型调度程序采用Visual C++实现,也可以采用应用系统的进程调度系统,模型计算程序采用Fortran语言开发,模型接口程序采用Oracle ProC和Visual Basic 6.0语言开发,数据库为Oracle数据库。服务器可以是Windows系统,也可以是Unix操作系统,操作终端为Windows系统。

2.2 系统功能

RH模型系统的主要功能有:

(1)数据接口。建立模型与工艺标准、生产实绩应用系统的数据接口,通过数据接口实现与各种应用系统的数据连接。

(2)模型算法。是模型系统的核心,包括静态脱碳模型、动态脱碳模型、温度模型、合金最小成本与成分预报模型的算法程序库。

(3)模型进程调度。采用事件触发模型启动。

(4)模型操作画面。系统提供友好、易于操作的模型操作画面,画面中主要包括:必要的生产过程信息、操作设定信息、模型计算结果信息。

(5)模型常数维护。为工艺工程师提供模型常数维护工具。

(6)模型运行跟踪。记录模型运行过程的关键信息,便于模型的运行跟踪及维护。

2.2.1 数据接口

模型的所有输入数据都是实际生产的工艺标准数据和生产过程实绩数据,不同的过程机应用系统由于系统结构及开发工具的不同会有很大的区别,因此模型系统为了适应各种应用系统的结构,需要通过数据接口进行数据转换。根据我们多年的研发经验,在一个新建的精炼炉设备刚投产时,生产过程实绩数据会存在各种问题,很多过程数据应用系统只进行数据收集,并无进一步的应用,因此没有对数据进行细致的校核,给模型的在线调试带来许多问题。因此要建立数据接口及测试工具,尽可能减少模型本体程序的修改,仅仅是在需要优化或工艺条件变化时进行修改。

2.2.2 模型计算程序结构

在系统设计时,充分考虑核心模块的扩充性以及整个系统的易于维护性,将核心计算模块设计成相对独立的模块,与相关系统的接口简明、清晰。计算模块不负责数据收集,它以标准模型输入输出文件作为数据接口,与具体的生产现场数据隔离,相对独立。系统开发中,始终把握将数据与算法分离和各功能块、算法过程独立的原则。

模型计算程序结构分为三层,如图3所示。模型输入层即数据接口层,主要是与应用系统的数据接口;模型本体层为模型的核心,其中又将模型数据预处理与模型算法分离,使得模型核心算

法可以独立进行优化,而且也是较好的知识产权保护手段;模型输出层就是模型的操作维护接口。

2.2.3 模型进程调度

在RH精炼处理过程中,各模型通过生产过程中的事件触发启动,达到过程控制目的。RH处理过程中主要有钢包到达、处理开始、测温、取样、吹氧、合金添加、处理结束等事件。图4所示为各模型大致的启动时间、顺序与相互联系[3]。

2.2.4 画面设计

模型的画面设计必须与相关的过程控制计算机应用系统的风格保持一致,因此模型画面在不同的应用系统中会有一定的修改,一般会有两大类完全不同的画面设计。一类是基于大中型机器的字符型终端,比如宝钢的DEC Alpha 2100S服务器,操作系统为DEC OpenVMS 6.1,画面需采用专用的中间件开发,画面的通用性不强;另一类是基于Windows的图形操作终端,画面采用OCX控件开发,画面的通用性很好,可以嵌入各种应用系统框架中,图5就是将温度模型画面的OCX控件嵌入到Oracle Form画面中,与应用系统风格保持一致,而且应用于不同的工程时画面的修改工作量很小。

2.2.5 模型常数维护

模型投运后,模型开发人员由于各种原因无法时刻关注实际生产工艺条件的变化,而工艺人员又缺乏计算机、算法、控制方面的专业知识,很难对模型进行调整及维护,这就造成模型的使用效果逐渐变差,无法满足实际生产的需要。因此模型工程师必须开发各种工具便于工艺工程师对模型进行维护。

RH模型系统中需要维护的模型常数包括三种类型:(1)生产中所用材料的系数, 随每次采购的不同会有所变化,主要有合金元素含量、合金价格、合金温降系数等,这类常数工艺工程师比较熟悉,通过常数维护画面很容易进行维护;(2)机理模型等代数数学模型中用到的模型常数,主要是模型工程师建立模型时所用系数,如碳氧平衡校正常数、钢水比热容、钢水中氧与碳反应比例、按钢种组的模型校正系数等,此类常数需要模型工程师对现场工艺人员进行相关指导,也是通过常数维护画面进行维护;(3)人工智能模型常数维护,如温度模型中的神经网络模型系数维护。冶金工程师可以在模型维护画面上进行工艺参数设定,通过我们自主开发的具有源代码级技术的自动智能建模工具重新建立模型,并由冶金工程师确认后自动投入在线运行。有了模型在线维护工具,模型调整就不需要很多的软件及控制知识,使冶金工程师可以在画面上按照一定的生产及冶金知识调整控制模型,这样就使得模型维护方便、快捷。

2.2.6 模型运行跟踪

一般在生产投产初期由于设备不稳定以及操作不熟练等原因,生产实绩会不稳定,而且过程控制模型的实时性较强,模型工程师也无法实时看到模型的运行过程,因此为了提高模型的调试效率必须将模型运行过程信息写入日志文件中,模型工程师可以离线分析模型的运行情况,而不会影响实际生产。在生产稳定顺行后,可减少写入日志文件中的信息,只保留必要运行过程信息。

3结论

RH模型的在线应用,有效地提高了RH精炼处理的过程控制水平,提高了生产效率,降低了生产成本。其中温度模型在实际应用中取得了较高的精度,如图6所示。根据在线应用数据统计,对连续的205炉数据进行统计,除去30炉异常数据,在处理过程中有一次温度调整的条件下,预报温度与实测温度偏差在±5 ℃的命中率为82%,偏差在±8 ℃的命中率为96%。

宝钢自主研发的RH精炼炉过程控制模型系统,在系统设计时充分考虑了核心模块的独立性和可扩充性,以及整个系统的可维护性,使得模型研发人员可以集中精力进行模型本体算法的研究和开发,提高模型研发效率,降低模型研发成本。同时建立基于数据库的与在线系统基本一致的实验室模型仿真测试平台,极大降低模型在线工业应用的调试及维护成本。

参考文献

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[2]黄可为.RH精炼控制模型[J].冶金自动化,2003,27(增刊):66-69.

RH精炼炉系统的自动控制研究 篇6

纵观钢铁发展历程, 钢铁炉外精炼技术已成为炼钢生产过程中的一项重要技术。而现代炼钢的最佳工艺流程包括钢水的预处理、转炉复合吹炼、RH精炼 (炉外精炼) 和连铸。其中RH精炼技术能够显著提高炼钢产量和改善出钢品质, 并且有效降低生产成本, 已逐渐成为炼钢生产工艺中的一种重要手段。

从德国最初使用RH精炼技术以来, 至今全世界已有100余台RH精炼炉。并且西方一些国家炼钢企业已经开始普遍使用RH精炼技术, 而在所有亚洲国家中仅日本就已有40余台RH精炼炉, 并且也开始全部引进RH真空精炼炉[1]。我国从1965年才开始从原西德引进70t的RH精炼真空精炼炉[2], 随后逐渐得到各大钢铁企业的认可。

文章以RH精炼炉系统为研究目标, 分析基于PLC的RH精炼炉控制系统的工作原理及生产需求。设计实现基于PLC的RH精炼炉综合自动化控制系统其系统架构、子系统的基础自动化、子系统的计算机过程控制和PID控制真空槽环流气体等功能模块。最后测试验证并分析了该系统的可行性和有效性。

1 RH精炼炉生产设计分析

1.1 基本工艺概述

RH系统装置是一种二次精炼生产装置, 可以生产优质的钢水, 需在生产装置真空槽内内置耐火材料[3,4,5], 防止高温钢水流过时烧穿真空槽, 如图1所示。真空槽两侧下浸渍管内壁同样附着耐火材料, 用于浸没于钢水中, 真空槽上部安装有一个热弯管, 用于将真空槽炉内抽掉的高温气体排出。

该装置工作原理如下:处理钢水时, 将浸渍管浸入钢水包中, 随后用真空泵持续抽走真空槽内的气体, 用于减小槽内钢水表面的大气压, 造成真空槽装置内外气压差, 从而趋使钢水由浸渍管流入到真空槽内。真空槽下部浸渍管分为上升管和下降管, 前者用于将氩气不断的吹入到真空环流系统中正在处理的钢水, 造成与下降管相比较高的静压差, 使得外界钢水可以不断的由真空槽上升管进入然后在重力作用下从下降管流出, 完成一次钢水的循环流动。

1.2 RH真空槽环流气体控制

真空槽环流气体控制分为脱气处理和非脱气处理两种:前一种通过浸渍管不断送入氩气 (或氮气) 等不活跃气体驱动钢水在真空槽内环形流动;后一种将氮气作为保护气体来使用。对于不同的钢种冶炼种类中的不同生产工艺流程阶段会选用不同的环流气体流量作用于真空槽内。对钢水循环脱气处理时, 真空槽内环流气体的流动平稳度直接决定钢水真空处理后的质量。

真空槽环流系统的设备主要有:氩气、氮气压力检测总管;真空槽环流气体流量总管1、2、3和4氩气、氮气管切断阀;真空槽环流气体流量支管1、2、3和4。

位于真空槽上输送气体 (包括氩气和氮气等) 的环流气体总管会配备1个量程为0~2MPa的气体压力检测变送器, 用于检测气压状况。同时, 在装置上会装有相应气动切割阀做为总开关, 控制不同气体的切换。真空槽中环流气体的实时流量可以由具备单只气体流量调节阀和单只孔板流量检测装置支管来完成。这种支管又分多路支管, 每一路有一个流量检测开关, PLC系统对超出流量限制的支路支管做报警响应。

对钢水进行RH处理时, 系统会根据所需的不同处理过程有选择性的打开氩气或氮气开关来加以利用, 另一方面, 需要实时对各支路支管的环流气体流量进行控制与总的环流气体流量平衡。

2 控制系统设计与实现

2.1 RH系统总体架构

采用两级控制方式是RH控制系统的典型特征, 分为基础自动化控制 (L1) 系统和过程计算机控制 (L2) 系统两部分。一级控制系统主要承担系统的一些基本控制功能, 包括现场电气元件的逻辑顺序控制、现场设备的运转、过程回路控制等;二级系统比较独立, 主要管理和优化RH系统的整个生产过程, 为高级计算机管理信息系统预留接口, 设备之间通过以太网通信。RH网络结构如图2所示。

2.2 L1子系统的设计与实现

考虑系统实际应用需求, 使得布置分散、传输距离远的各设备能够相互通信, 提高系统的抗干扰能力及数据交互稳定性[6,7]。依据设计系统的控制结构 (本地I/O控制和分布式I/O控制) , 对于分布式I/O控制系统, 选用抗干扰性能好的Profi Bus电缆连接, 抑制杂波干扰。系统选用工业级透明冗余控制器, 利用冗余技术和多总线技术实现各模块冗余连接, 提高可靠性和稳定性, 采用PROFIBUS总线连接交流传动系统和控制系统, 实现通讯协议栈之间的数据交换, 保证数据快速准确到达。

按照工业工艺和实际生产要求, 设计控制系统时, 选用2套PLC, 并且在上位机设计2台HMI服务器作为彼此之间的热冗余备用, 避免其中一台出现故障, 导致整个系统的瘫痪, 另外系统中设置了2台PC客户机连接到L2交换机上, 对生产过程控制。工程师站主要完成对L1级系统的软件开发和维护工作, 上位机采用高速以太网与PLC通信。

厂房中设置控制柜, 用于安装电气和仪表设备, 方便引出的信号线连接到系统过程控制单元中的I/O模块。所有电磁阀和电机控制都由PLC继电器输出端或辅助继电器控制。在RH基础自动化控制系统中, 控制系统接入信号主要包括数字信号和模拟信号两种类型, 分别分为输入和输出端口:数字信号输入/输出端、模拟信号输入/输出端。

RH基础级控制系统主要负责对现场设备的实时控制、数据信号采集、信息处理和设备逻辑状态判断等功能。本系统PLC控制软件选用西门子公司Step7 V5.4编程软件完成。PC机监控画面选用VC++6.0或Win CC6.2完成, 实时监测和控制生产过程。

2.3 L2子系统的设计与实现

设计L2级过程自动化系统主要依靠基于PC的标准软件包完成。在对系统进行控制时, 首先设计RH的工艺模型, 使得炼炉与炼炉之间保持均匀的真空通气环境, 提高钢水质量。一般情况下, 服务器与各个客户PC机之间选择以太网通信, 服务器采用RS232串口的方式与控制系统中子传输系统通讯, 而与L1级自动化系统之间的通信则以高速工业以太网的方式为优, 与各个终端之间以OPS方式进行通信。

开发出的软件系统要求操作界面简单, 通过人工简单的点击鼠标即可完成控制设备的目的, 通过选择菜单下拉选项、弹出子窗口的显示及进入信息、各操作界面之间的切换完成自动控制系统中各个子系统的功能。

L2系统模型包括各个子功能模块模型:

对温度的预报:采用预测机制, 依据生产过程中采集的历史钢铁水的温度、含氧量、生产过程中的耗氧量、生产过程中的铝消耗量及其他合金的消耗量等数据预测目前的钢水温度。

对碳的静态推定:采用合适的预测手段, 依据冶钢过程中采集的历史钢水起始数据关系, 预测当前生产钢水中的含碳量。

对碳的动态推定:同上, 也需要根据历史钢水起始含碳量及排放气体的含碳量, 预测当前钢水中的碳的含量。

合金计算函数:需要测试钢水中的成分含量, 然后根据测出的当前值和预期值, 计算所加各类合金成本值达到最低的成分重量。

产品成分检测:根据经验值, 利用最初钢水中各种成分及所需添加的合金量等数据信息, 计算出当前生产钢水中的成分。

3 测试与验证

3.1 测试环境

L1子系统有2套西门子PLC控制站, 2台HMI服务器和2套公用客户PC机且装有Win CC监控软件。1套装有Step7编程软件的工程师站, L1子系统的控制站分为主战与分站, 由PROFIBUS网络方式进行通讯, 而控制站与HMI服务器及HMI服务器与客户PC机之间则以以太网的方式进行通信。

3.2 软件模块测试

(1) 系统软件测试

在测试环境中选用装有Windows XP操作系统的HMI服务器、客户PC机及工程师站, 所有设备配备齐全, 并且装完所需系列软件后, 工作人员对各种实验操作进行相应测试, 检查其工作状态。

(2) CPU冗余切换测试

为达到系统冗余控制的要求, 并且减少系统停机的时间, 需要检查系统正常运行的CPU出现故障时, 系统是否能够切换到另一CPU。

(3) 通讯功能测试

PC上位机与PLC之间通信由上位机监控界面观测设备状态变化及工作情况判断, 通过上位机界面操作控制判断工程师站与PC上位机之间的通讯, 而判断控制系统中主战点与次站点则是由各工作部分指示灯来判断。

(4) 测试模拟信号输入

由信号发生器从输入端送入模拟信号量, 然后利用Step7软件的参数变量监测各输入端的输入信号是否正常, 或通过监测界面中显示的各终端的模拟信号显示值来判断输入模拟信号的正确与否。

(5) 测试模拟信号输出

由手动控制监测界面中开关阀门的开关度, 观察开关阀门的反馈值是否与预先设定的数值相一致, 利用这种方式判断模拟信号的输出和相应的系统控制回路是否正确, 简化了操作。

(6) 测试数字信号输入

人工操作系统现场设备箱上的控制开关或现场设备, 通过观察设备箱上相应的状态指示灯、上位机监控界面中的操作方式及工作状态等信息, 判断整个设备及输入回路的工作状态。

(7) 测试数字信号输出

通过Step7软件控制各输出端口, 并观察相应状态指示灯, 进而由继电器控制现场设备, 判断继电器当前开关状态, 确认设备当前工作状态是否正常, 从而判断数字信号的输出端和现场设备之间的连线是否工作正常。

(8) 测试PLC操作程序

根据流程工艺及对设备的要求, 由操作人员通过现场放置的操作装置或Win CC监测界面完成相应操作, 可以通过Step7编程软件对控制程序进行监控检查判断是否满足控制功能。

3.3 测试结果及分析

对于测试部分, 文章只针对几个重要测试内容的测试结果进行分析。

(1) CPU冗余切换功能

人为为系统某一正常运行的CPU制造故障, 如果系统工作正常且并无信息丢失或报警/冲突信息丢失, 则表明系统已经迅速及时的切换到另一CPU。测试结果表明, 添加冗余的PLC控制系统能够降低系统故障概率, 提高系统可靠性。

(2) 模拟信号输入

选择1#PLC中的11#次站系统中的第一块模拟信号输入端口为例, 分析该模拟信号输入端口测试结果, 假定输入端输入信号为4~20m A的模拟信号。测试结果如表1所示:

测试结果表明, 该设备模板端口模拟信号输入工作情况正常, 现场设备之间连线正确, 系统的工作过程正常。

(3) 真空泵开关状态

真空泵工作在真空模式下, 通过它实现冶金过程中各模式下的真空状态。通过测试确保真空泵正常工作, 操作人员只需从上位机监控界面观测各控制设备阀门工作状态即可, 并与现场人员记录的开关状态对比, 测试结果如表2所示:

测试结果表明, 处于真空状态下的设备阀门工作的状态完全符合工艺生产标准要求。

4 结束语

探讨分析RH精炼炉自动控制系统的工艺流程、工作原理、功能需求、工作流程等。详细分析自动控制系统框架、一级子系统和二级子系统的设计方法及网络结构, 并对部分功能进行测试, 结果表明, RH精炼炉自动控制系统具备高可靠性和实时性。

参考文献

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[6]陈家祥.炼钢常用图标数据手册[M], 北京, 冶金工业出版社, 1984.

RH真空精炼 篇7

随着企业的不断扩大和对产品质量要求的不断提高,莱钢于2006年底新上一座120吨RH精炼炉来对钢水进行净化处理,从而提高钢水的品质,为提高企业竞争力打下基础。RH(即真空循环脱气)系统设备是一种用于生产优质钢的钢水二次精炼工艺装备。整个钢水冶金反应是在砌有耐火衬的真空槽内进行的。真空槽的下部是两个带耐火衬的浸渍管,上部装有热弯管。被抽气体由热弯管经气体冷却器至真空泵系统排到厂房外。

钢水处理前,先将浸渍管浸入待处理的钢包钢水中。当真空槽抽真空时,钢水表面的大气压力迫使钢水从浸渍管流入真空槽内。(真空槽内大约0.67 mbar时可使钢水上升1.48m高度)。与真空槽连通的两个浸渍管,一个为上升管,一个为下降管。由于上升管不断向钢液吹入氩气,相对没有吹氩的下降管产生了一个较高的静压差,使钢水从上升管进入并通过真空槽下部流向下降管,如此不断循环反复。在真空状态下,流经真空槽钢水中的氩气、氢气、一氧化碳等气体在钢液循环过程中被抽走。同时,进入真空槽内的钢水还进行一系列的冶金反应,比如碳氧反应等如此循环脱气精炼使钢液得到净化。RH工艺流程可用图1所示。

1 系统配置

1.1 网络结构

系统网络包括基础级和管理级网络。基础级包括两台相互冗余的服务器、一台工程站和两台客户端,服务器为双网卡,一个网卡与PLC冗余系统进行数据交换,另一个网卡与客户端进行实时通讯。管理级包括一台服务器和两台客户端,基础级与管理级之间采用OPC通讯技术进行数据的实时交换。既保证了通讯的实时性、可靠性,又保证了系统之间的安全性隔离。网络结构示意图如图2所示。

1.2 硬件配置

管理级主要采用C/S模式,即服务器客户端形式。通过OPC技术和基础级系统完成包括成分传输、计划下达等数据的通讯。服务器采用IBM工业用服务器,性能稳定可靠,最大限度满足生产的需求。

基础级系统由2套西门子系列PLC控制器S7-400H,20套ET200远程站组成,控制器与ET200远程站点之间采用PROFIBUS-DP现场总线方式进行数据传输和通讯。监控系统采用西门子监控软件Win CC进行画面编制,与PLC采用TCP/IP协议进行实时通讯。图3所示为一个控制站的PLC系统硬件配置示意图。

2 系统功能

RH精炼炉设备主要包括几个部分部分:钢包台车系统、测温取样及破渣枪系统、喂丝及吹氩搅拌系统、真空槽台车系统、液压系统、真空槽环流系统、真空排气系统、顶枪系统、预热系统、合金系统以及离线烘烤等系统,由于系统比较多,根据控制要求和最大限度的满足生产需要,将这些设备分别由两套分贝相互冗余的控制站进行控制,具体功能如下。

2.1 1#控制站

1#控制站主要控制的设备以及功能:钢包台车行走以及升降、破渣枪升降、保温剂控制、真空槽控制及真空槽环流等。

2.1.1钢包台车控制

钢包台车的行走由变频器进行驱动,变频器与PLC之间通过PROFIBUS-DP总线进行通讯,控制速度快,精度高。而钢包台车的升降控制是靠液压系统控制来完成的。

2.1.2破渣枪

该设备有双向直接启动电机进行驱动,使得设备在正反两个方向都可运动,2个上限和下限监控破渣枪的行程范围,上极限和下极限保证了设备的使用安全。

2.1.3保温剂控制

保温剂的投入量由PLC程序自动进行设定,需要投入的时候,满足条件自动打开闸板阀,而达到设定值后,闸板阀自动关闭。

2.1.4真空槽控制

真空槽台车走行是由两台变频进行驱动,同钢包台车一样,变频器与P L C之间也是通过PROFIBUS-DP总线进行通讯。

2.1.5真空环流气体

环流气体是在真空脱气过程中,从浸渍管吹入氮气或氩气,驱动钢水的环流。在非脱气处理的时候,氮气或氩气作为保护气体用。氮气、氩气的选择切换应相互连锁。浸渍管环流气体分氮气和氩气两种,针对不同情况选择不同的气体。同时在处理的不同阶段应有不同的流量控制。控制模式分为计算机模式、自动模式和手动模式。正常生产情况下用计算机模式进行环流气体的切换和调节。

2.2 2#控制站

2#控制站用于合金系统、顶枪系统和预热枪系统等设备的控制。

2.2.1合金系统

合金系统控制功能包括:高位料仓料位检测和下料控制,称量料斗重量检测和控制,合金真空料斗压力检测和破真空控制、进料和出料控制,碳真空料斗料位检测和控制,铝真空料斗重量检测和控制,合金投入控制。

2.2.2顶枪、预热枪系统

系统设有两套顶枪和两套预热枪系统,分别完全独立控制。顶枪装置安装在处理工位,真空槽的上部,枪体通过热弯管上的枪孔进入真空槽。顶枪装置具有吹氧脱碳、化学加热和喷吹燃气对真空槽的加热功能。顶枪装置在真空处理的间隔或在处理期间进行加热作业,使槽内耐火材料能保持较高的温度,以减少冷钢的粘附,也可降低处理后钢业的温度损失。

3 技术特色与技术创新点

3.1 高精度的全数字交流传动技术

在该项目中我们采用了西门子70系列变频器,变频器与PLC控制系统之间通过PROFIBUS-DP现场总线网络进行数据传输和通讯,减少了电缆的敷设,并提高了信号传输的速率,使得变频器的控制更加精确可靠。

3.2 高速以太环网通讯技术

控制器之间、控制器与监控站之间、监控站之间、服务器与客户机之间都采用光纤以太环网通讯,环网中的一个节点损坏,不影响整个系统的数据通讯,满足了系统的高可靠性要求,高速的数据传输满足了控制器之间数据交换的要求。

3.3 冗余CPU的使用

采用某公司S7-400H冗余系统,极大降低了由于PLC自身故障引导致影响生产的可能性。

3.4 动画模拟

通过数据库组态、C脚本的开发应用,使得能够在主控室监控画面上显示精炼炉各设备的运行情况,实时模拟现场设备的运行状态,既真实反映了设备当前的工作状况,又给枯燥、单调的工作增添了不少的活力。

3.5 分布式网络的应用

根据现场的实际需求,充分利用了分布式网络的特点和远程站的优点,减少了电缆的敷设,方便了维护和检修,降低了维护的工作量。

3.6 OPC通讯技术的应用

3.6.1 RH精炼与LF精炼系统的通讯

由于RH精炼炉和LF炉共用一套合金加料系统,这样就需要在LF和RH精炼炉之间做通讯,以保证两套设备和系统计能够正常生产又能够互不影响。考虑到数据通讯的可靠性和易操作性,根据现场实际情况,我们采用了OPC通讯技术,在原来的基础上进行了网络和设备改造,并在两套采用WINCC监控系统之间利用OPC通讯方式进行实时数据通讯,使合金加料部分可以在两套系统中应用,确保了LF和RH系统的及时准确加料和正常生产,节约了成本,提高了生产效率。

3.6.2基础级与管理级之间的通讯

在基础级(一级)和管理级(二级)之间也采用了OPC通讯技术,使得数据传输准确快速,极大提高了系统的稳定性,完全具备了免维护功能。

3.7 管控分开

管理网与工控网实现“管控分开”,管理网与莱钢骨干网直接相连进行通讯,通过防火墙与和现场生产网络系统进行实时数据的交换,这样既确保了数据的快速传输,也保证了整个系统的安全,并为下一步实施的远程控制和维护打下了良好的基础。

4 应用效果

RH精炼炉系统经过两年的运行,设备运行安全稳定可靠,确保了生产的顺行,取得了极好的经济效益,为莱钢提升自身实力和行业竞争力打下了坚实的基础。该冗余系统具有一定的扩展功能,在本行业及其他相关行业具有很高的推广价值。

参考文献