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科技新进展:转炉自动出钢运行超万炉

一、项目背景

目前国内大型转炉基本已经实现了基于副枪或烟气分析技术的智能化吹炼,转炉终点命中率得到了革命性的改善,炼钢智能化水平跨上新台阶。

然而作为炼钢关键控制环节的出钢工序,仍然沿用着依赖操作经验的人工控制模式。出钢时需要操作员时刻关注转炉、钢流及钢包状态,存在着高温、灼烫风险,同时也承受着噪声、粉尘危害,作业环境相对较差,与工业4.0时代发展要求显得不相适应。人工操作失误甚至会造成安全生产、质量管控、设备稳定方面的不利影响。

为实现炼钢全过程的智能化控制,降低操作岗位劳动强度,提高炼钢过程控制的稳定性,首钢迁钢公司开发转炉自动出钢控制技术。

二、技术原理及控制思路

自动出钢控制技术是将转炉出钢相关的所有设备,包括转炉本体、钢水车、合金溜槽以及挡渣机构等按照预定义的程式和逻辑进行关联,以实现出钢过程的全自动控制。其中,钢水车采用激光测距技术进行实际位置的精准定位,合金溜槽通过编码器控制以实现定位旋转,转炉倾动采用有级调速。在单体设备固有运行逻辑基础上,通过预定义的安全可靠PLC程式实现相关设备的联动控制,辅之以视频监控系统,达到自动出钢的目的。具体控制思路如图1所示。

图1 自动出钢控制思路

出钢过程中转炉倾动和钢水车运行是同步进行的,任意时刻均需要确保钢水车的位置和转炉倾动的角度相互匹配以确保钢包能够安全的盛接钢水。因此需要将转炉倾动与钢水车的运行的匹配关系定义成可控PLC控制的关系曲线,简称出钢曲线;具备出钢条件时,操作员通过HMI点击“开始出钢”按钮,钢水车及转炉将按照预选的出钢序列(出钢曲线)自动进行,视频监控系统对炉口状态、钢包状态进行实时图像分析,自动修正和调整出钢曲线。

为了保证自动出钢过程的安全稳定,需要对设备的单体运行、联动运行并结合工艺要求做出逻辑判断,即建立安全控制模块。基于安全控制模块,在出钢过程中自动出钢系统对整个过程进行全面监控,实时跟踪分析设备运行状态,并具备预防、报错、应急反馈能力,确保出钢过程安全。自动出钢控制理念如图2所示。

图2 自动出钢控制理念

  三、主要技术内容

1、安全控制模块

由于倾动设备和作业环境的特殊性,出钢操作无论自动与否均存在固有风险,为了保证安全稳定运行,自动出钢系统首先要建立可靠的安全控制逻辑。通过安全控制逻辑,自动出钢系统利用全流程的监控和智能判断,能够第一时间发现设

备突发性问题,同时禁止设备带病运行,保证了自动出钢的安全可靠。

2、出钢曲线的设计

自动出钢控制技术拥有三类出钢曲线,可根据不同的工况条件选择出钢曲线使用类型。

(1)时间控制曲线

基于时间控制的出钢模式是指预定义的出钢控制曲线以时间为单位进行转炉与钢水车的联动控制,出钢口孔径的大小将会直接影响出钢时间。新安装的出钢口由于耐材未曾侵蚀,出钢时间较长,随着冶炼炉数的增加,出钢口孔径逐渐变大,出钢时间逐炉渐短。使用滑板挡渣机构的转炉,出钢时间亦受滑板耐材孔径的限制,因此,以出钢时间为基准绘制的标准时间曲线必须考虑出钢口的变化,并以此扩展到出钢口全寿命周期。

(2)重量控制曲线

出钢重量模式是指预定义的出钢控制曲线以出钢重量为单位,进行转炉与钢水车的联动控制,出钢重量模式必须涵盖不同的炉龄阶段因炉衬的侵蚀而导致的转炉倾角的变化,因此首先应建立针对某一个炉龄阶段的标准重量曲线,并根据转炉全炉役过程中的炉衬侵蚀速率进行动态回归。

(3)模型控制曲线

模型控制曲线建立在重量控制曲线的基础之上,同时要求具有高频次、高精度的转炉炉衬测量技术。基于激光测厚得出的炉衬数据以及炼钢二级模型对转炉终点的预测(包括钢水重量、炉渣重量),建立数学模型,仿真出钢角度曲线有效范围,以出钢过程钢水静压力最大为目标进行积分计算,最终确定最优出钢曲线,并应用于自动出钢系统,达到高效、稳定出钢的目的。

3、图像识别技术

(1)炉口下渣检测系统

出钢过程中偶尔会出现炉口下渣现象,但持续的炉口下渣不仅会对设备造成损伤,更存在安全隐患。通过炉口摄像监控,运用图像分析技术,自动出钢系统能够识别炉口下渣并及时作出调整。如图3所示。

图3 炉口下渣监控

自动出钢系统对炉口下渣程度进行实时检测并智能判断,当下渣程度达到一定范围时,自动回调转炉倾角,如果炉口下渣得到缓和,系统判断安全后,转炉角度自动恢复到序列位置。炉口下渣检测系统对出钢全过程进行监控,确保了转炉摇炉过程的稳定,极大降低了炉口下渣的比例。

(2)钢包净空识别系统

由于钢包包况的差异或者转炉出钢量的波动,出钢结束钢包净空过小会给精炼工序带来不利影响。通过钢包摄像检测,运用图像分析技术,自动出钢系统能够实时识别钢包净空大小,当钢包净空判断小于设定值时,系统结束出钢。钢包净空检测见图4。

图4 钢包净空检测

四、应用效果

(1)自动出钢控制技术于2019年2月25日在迁钢4#210t转炉正式投产使用,炉次投入比例为100%,综合30条时间控制曲线,30条重量控制曲线,1套完整的数据模型控制曲线的运用,能够实现全炉役范围不同炉况条件下的自动出钢;

(2)自动出钢控制技术拥有完善可靠的安全控制逻辑,利用全流程的监控和智能判断,能够第一时间发现设备突发性问题,同时禁止设备带病运行,保证了自动出钢的安全可靠;

(3)自动出钢控制技术的投用将人工操作经验优化为PLC控制出钢曲线,辅助以图像识别技术,大幅度提高了出钢控制的稳定,减少了炉口下渣,进一步提高了钢水质量,同时杜绝了人工操作失误造成的设备损伤和安全隐患;

(4)截止到2020年6月底,自动出钢控制技术已在迁钢稳定运行超过10000炉。该技术的投用,降低了操作岗位劳动强度,改善了作业环境。

信息来源:首钢集团迁钢公司

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