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(wèn)題剖析

國(guó)內(nèi)大部分鋼廠轉(zhuǎn)爐工序仍為手動(dòng)出鋼，人工手動(dòng)操作搖爐同時(shí)操作鋼包車，工作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，整個(gè)過(guò)程對(duì)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(shí)加合金料，需要人工操作旋轉(zhuǎn)溜槽、手動(dòng)按鈕加料，部分物料手動(dòng)加入的工作強(qiáng)度大。同時(shí)，人工手動(dòng)出鋼殘鋼控制不穩(wěn)定，工藝操作完全依賴操作工的個(gè)人水平，不利于保證出鋼質(zhì)量。此外，人工手動(dòng)出鋼適應(yīng)不了智慧制造對(duì)于煉鋼集控、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)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(dòng)出鋼的諸多弊端，近幾年國(guó)內(nèi)少數(shù)大型鋼廠如寶鋼、首鋼等企業(yè)開(kāi)始陸續(xù)研究轉(zhuǎn)爐自動(dòng)出鋼，其中最具代表性的自動(dòng)出鋼模式有三種：轉(zhuǎn)爐角度基于出鋼時(shí)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(jì)算的控制方式?；诔鲣摃r(shí)間的控制方式[2]需要投入的成本最低、維護(hù)量小，但是需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定每步序傾動(dòng)角度和停留時(shí)間，出鋼曲線較為固定，受出渣泡沫化等實(shí)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(dòng)出鋼，存在投入率低的問(wèn)題?；阡撍亓康目刂品绞叫枰獙?duì)鋼包車改造加裝稱重系統(tǒng)，優(yōu)勢(shì)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(shí)稱重系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求高，爐下維護(hù)難度大，稱重系統(tǒng)受損就無(wú)法使用自動(dòng)出鋼。最后一種是基于出鋼模型計(jì)算的方式，依托歷史出鋼數(shù)據(jù)和自學(xué)習(xí)模式，傾動(dòng)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(chǎng)情況干擾大，并且很多鋼廠轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)變頻器控制精度達(dá)不到連續(xù)的要求。

根據(jù)上述問(wèn)題，本文通過(guò)出鋼時(shí)間控制和模型計(jì)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(shí)際情況開(kāi)展了自動(dòng)出鋼功能研究。在基于出鋼時(shí)間控制方式基礎(chǔ)上，增加傾動(dòng)和鋼車微調(diào)功能，手動(dòng)微調(diào)不退出自動(dòng)出鋼能夠大大提高自動(dòng)出鋼投入率，避免發(fā)泡和渣量等問(wèn)題影響，同時(shí)結(jié)合出鋼模型計(jì)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(dòng)下發(fā)基于時(shí)間的出鋼設(shè)定曲線，利用視覺(jué)技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)爐口、鋼包、底吹等狀態(tài)，最后實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、出鋼車、合金加料、鋼包吹氬和滑板擋渣系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，并在唐鋼新區(qū)1#200t 轉(zhuǎn)爐進(jìn)行了投入和應(yīng)用。

2 基于出鋼時(shí)間和模型計(jì)算的技術(shù)方案

技術(shù)方案分為三部分研究：基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)（L1）、出鋼模型計(jì)算（L2）以及視覺(jué)檢測(cè)輔助系統(tǒng)。

2.1 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)

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

2.1.1 傾動(dòng)和鋼車實(shí)時(shí)微調(diào)功能

基于出鋼時(shí)間控制的自動(dòng)出鋼，本文將傾動(dòng)和鋼車設(shè)定曲線分成45 步，如圖1 內(nèi)容，通過(guò)設(shè)定傾動(dòng)角度、保持時(shí)間、鋼車位置、傾動(dòng)速度等參數(shù)完成自動(dòng)出鋼曲線。本文提出了一種傾動(dòng)和鋼車實(shí)時(shí)微調(diào)功能，傾動(dòng)實(shí)時(shí)微調(diào)功能，微調(diào)會(huì)中斷當(dāng)前傾動(dòng)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(shí)際傾動(dòng)角度實(shí)時(shí)匹配傾動(dòng)設(shè)定表，最后跳轉(zhuǎn)到該設(shè)定步序。鋼車實(shí)時(shí)微調(diào)功能，可以根據(jù)當(dāng)前鋼車實(shí)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(yùn)行。傾動(dòng)和鋼車實(shí)時(shí)微調(diào)功能的實(shí)現(xiàn)，可以避免因出鋼曲線不合適造成的自動(dòng)退出問(wèn)題，提高自動(dòng)出鋼使用率，并為模型計(jì)算系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 自動(dòng)出鋼參數(shù)設(shè)定表（截取部分）

2.1.2 合金下料自動(dòng)控制

如圖2，合金自動(dòng)下料實(shí)現(xiàn)了基于出鋼百分比和出鋼絕對(duì)時(shí)間兩種合金自動(dòng)下料控制，旋轉(zhuǎn)溜槽根據(jù)下料時(shí)間自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，下料時(shí)機(jī)更精準(zhǔn)，同時(shí)設(shè)定了鋼車和傾動(dòng)允許的加料范圍，增加了下料最大時(shí)間連鎖，避免了下錯(cuò)料翻包等安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 自動(dòng)下料參數(shù)設(shè)定畫(huà)面

2.1.3 鋼包底吹氬自動(dòng)控制

鋼包底吹氬通過(guò)使用質(zhì)量流量控制器實(shí)現(xiàn)吹氬系統(tǒng)精準(zhǔn)自動(dòng)控制，鋼包座包后，先自動(dòng)進(jìn)行15 秒測(cè)試，自動(dòng)檢查流量反饋和壓力反饋，對(duì)堵塞、漏氣等問(wèn)題進(jìn)行報(bào)警，然后根據(jù)鋼車位置和各階段傾動(dòng)角度，分別根據(jù)工藝要求設(shè)定不同的低吹強(qiáng)度，出鋼完成后轉(zhuǎn)為自動(dòng)靜吹，鋼包吊走后自動(dòng)停止。

2.1.4 自動(dòng)出鋼安全連鎖

自動(dòng)出鋼安全是第一要?jiǎng)?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(xiàng)啟動(dòng)連鎖、18 項(xiàng)運(yùn)行連鎖，主要是傾動(dòng)與鋼車速度積分保護(hù)、傾動(dòng)位置連鎖保護(hù)、失速控制保護(hù)、編碼器故障保護(hù)、單步超時(shí)保護(hù)等安全連鎖。

圖3 自動(dòng)出鋼起動(dòng)和運(yùn)行安全連鎖

2.2 出鋼模型計(jì)算

出鋼時(shí)動(dòng)態(tài)模型依賴于現(xiàn)場(chǎng)工況，投入率低且風(fēng)險(xiǎn)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(duì)下一爐每步序的傾動(dòng)目標(biāo)角度和等待時(shí)間進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)修正，同時(shí)具備出鋼數(shù)據(jù)管理功能，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出鋼設(shè)定參數(shù)顯示、修改和下發(fā)、實(shí)時(shí)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?jī)?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(gè)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(shí)間、二級(jí)計(jì)算出鋼量、二級(jí)計(jì)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(shí)間。通過(guò)修正后的數(shù)據(jù)可以得到傾動(dòng)開(kāi)始出鋼角度、結(jié)束角度、出鋼時(shí)間，最后轉(zhuǎn)換成各步序傾動(dòng)角度和等待時(shí)間離散設(shè)定曲線下發(fā)到基礎(chǔ)自動(dòng)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(dòng)角度步長(zhǎng)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(jué)檢測(cè)輔助系統(tǒng)

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

圖5

2.3.1 爐口渣線檢測(cè)

判斷轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼渣的液位，實(shí)現(xiàn)鋼渣從轉(zhuǎn)爐大口溢出前的預(yù)警、以及溢出后報(bào)警，為轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)角度調(diào)整提供依據(jù)。該檢測(cè)系統(tǒng)主要用于傾動(dòng)控制的安全連鎖，能夠防止傾動(dòng)過(guò)度搖爐，提醒崗位進(jìn)行傾動(dòng)人為干預(yù)或微調(diào)。

2.3.2 鋼包液位檢測(cè)

通過(guò)攝像機(jī)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(cè)系統(tǒng)主要用于鋼包車的安全連鎖，對(duì)鋼車溜車、卡阻、動(dòng)作異常等問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警。

2.3.3 底吹氣眼分析

通過(guò)攝像頭圖像識(shí)別，判定12 個(gè)鋼包底吹氣眼大小尺寸面積，氣眼的演變趨勢(shì)，作為工藝維護(hù)的依據(jù)。該檢測(cè)系統(tǒng)主要用于自動(dòng)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(bào)警提示崗位打旁通閥等應(yīng)急操作。

3 設(shè)備現(xiàn)狀及實(shí)施效果

3.1 設(shè)備現(xiàn)狀及工藝流程

本文研究的自動(dòng)出鋼方案在唐鋼新區(qū)1#200t 轉(zhuǎn)爐進(jìn)行測(cè)試和應(yīng)用。轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)為西門(mén)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(dòng)變頻器采用西門(mén)子G130，過(guò)程控制二級(jí)系統(tǒng)為普銳特公司開(kāi)發(fā)。本文通過(guò)編寫(xiě)西門(mén)子PLC 程序、C#程序、python 得以實(shí)現(xiàn)。

本文自動(dòng)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(dòng)連鎖）-L2 模型靜態(tài)參數(shù)修正-參數(shù)計(jì)算并下發(fā)到L1-L1 執(zhí)行自動(dòng)出鋼主程序-實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行連鎖和安全連鎖——傾動(dòng)和鋼車過(guò)程動(dòng)態(tài)微調(diào)（如需要）-自動(dòng)下料和底吹運(yùn)行-下渣滑板自動(dòng)關(guān)閉-傾動(dòng)回?fù)u自動(dòng)出鋼結(jié)束。

3.2 實(shí)施效果

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

結(jié)束語(yǔ)

本文自動(dòng)出鋼的研究與實(shí)踐，彌補(bǔ)了基于出鋼時(shí)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(hù)量，同時(shí)增強(qiáng)了出鋼過(guò)程的安全性，大大提高了轉(zhuǎn)爐自動(dòng)出鋼的投入率；模型計(jì)算功能的投入，系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況自動(dòng)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。