底吹氩控制设计书

底吹氩控制设计书第1页共30页1绪论1.1选题的背景随着科技的发展,用户对钢材的质量提出了越来越高的要求。电弧炉是目前国内外主要的炼钢设备之一。然而电弧炉炼钢过程中存在一个不足之处是熔池内部及钢渣之间的搅拌作用差，致使传质、传热速率低，从而带来熔化速度和氧化反应速度慢，钢液成分和温度不均匀，脱硫、脱磷速度低，工人劳动强度大，能耗高，冶炼时间长等一系列问题。从技术上看，钢材的质量主要表现在其纯洁度高、各相异性小、合金成分偏差范围小等方面。钢中杂质含量高，加上钢的各相异性差别大，必然导致钢材的力学性能在不同的方向上有较大差异。传统的炼钢工艺和装备难以满足高质量要求，因此必须采用炉外精炼技术。近年来炉外精炼技术的不断发展，要求炉外精炼的效果要好，时间要短，要具备能够和转炉匹配的快工艺节奏。精炼炉底吹氩炼钢技术具有成本低、操作方便、搅拌效果好的优点，并由此产生了一系列极其有益的冶金效果。它可以明显缩短冶炼时间、降低能耗、提高脱硫脱磷能力，促进合金均匀化。冶炼不锈钢时可促进去碳保铬，增加合金收得率，并且可大大降低工人的劳动强度。底吹氩技求被国内的大多数精炼炉所采用，但是由于该过程的不仅涉及到气体与高温液体间的传热、传质及动量的传递，而且还涉及到钢液的湍流流动与混合、合金添加剂的熔化和钢渣化学反应的热力学与动力学等，因此，从系统的观点看，在精炼炉底吹氩过程中，由于被控对象的非线性、数学模型的不确定性及系统工作点的剧烈变化等因素，要采用常规的控制策略难以实现对氩气流量进行精确控制。底吹氩精炼技术在石钢公司的LF炉中已经使用，并取得一定效果，但一直是人工手动操作，氩气的流量、压力的控制要依靠人动手动调节，取得的精炼效果不明显。本文论述的智能底吹氩优化工艺项目就是针对石钢转炉底吹氩系统进行改进和完善,可以基本实现吹氩的自动控制.对石钢的45#钢,40Cr,20CrMo,60Si2Mn等品种的钢的质量提升将会起到一定的作用。底吹氩控制设计书第2页共30页1.2本文的结构本文从软件开发前的准备工作，理论基础，开始实现以及对该软件的展望作了详细的阐述。第一章是绪论；第二章是LF精炼炉底吹氩原理、应用与现状；第三章是精炼炉底吹氩控制系统的需求分析；第四章是精炼炉底吹氩系统的硬件选型；第五章是精炼炉底吹氩系统控制方案的实现;第六章是关于开发平台;第七章是软件系统的设计开发。底吹氩控制设计书第3页共30页2Lf精炼炉底吹氩原理、应用与现状2.1精炼炉底吹氩的发展和现状电弧炉是目前国内外主要的炼炉设备之一。随着工业的发展，废钢及其他原料的增加，电弧炉炼钢技术更加显示出其重要地位。然而电弧炉炼钢过程中存在一个不足之处是熔池内部及钢渣之间的搅拌作用差，致使传质、传热速率底，从而带来熔化速度和氧化反应速度慢，钢液成分的温度不均匀，脱硫、脱磷速度低，工人劳动强度大，能耗高，冶炼时间长等一系列问题。为了降低工人劳动强度，提高熔池搅拌效果，1933年瑞典ASEA公司提出了在电弧炉底安装电磁装置搅拌熔池的技术，并得到了不少电弧炉钢厂的重视和采用，我国少数厂家也引进该技术和设备。但由于该设备投资大、事故多并且维修复杂，熔池搅拌强度调节范围小，从而未能得到推广。为此开发与推广一种成本低、见效快、生产中实用的电弧炉搅拌技术是十分必要的。随着转炉复吹技术、钢包底吹氩技术等的发展及其在冶金上去的的明显效果，人们认识到底吹气体搅拌熔池的优越性，并且积累了大量的经验。为此，如日本等国早在70年代末、80年代初就开始研究电弧炉底吹氩气搅拌技术。到80年代中后期，由于技术上可行，特别是在冶金和经济上获得了较大的效果。一些主要产钢国开始对这项技术给与极大的重视，并且纷纷开发和推广电弧炉底吹氩气炼钢新技术。精炼炉底吹氩炼钢新技术具有成本低、操作方便、搅拌效果好的优点，并由此产生了一系列极其有益的冶金效果。它可以明显缩短冶炼时间、降低能耗、提高脱硫脱磷能力，促进合金均匀化。冶炼不锈钢时可促进去碳保铬，增加合金收得率，并且可大大降低工人的劳动强度。可以肯定，电弧炉底吹搅拌技术用于炼钢生产，同电弧炉技术一起，将能极大地推进电弧炉技术的发展。80年代以后，由于引进一批二次精炼装置以极其先进的自动化系统与PCL、DCS硬件等，从而使我国二次精炼装置自动化水平大大提高。其中冶金部钢铁研究总院于1988年开始在实验室进行电弧炉底吹氩技术的研究工作。1991年该项目列为冶金部重点科研项目。1992年上旬，钢铁研究总院于长城特殊钢公司合作在该公司进行底吹试验，并于同年投入生产。1998年月宝钢从日本川崎公司制铁株式会社引进底吹氩气控制技术，并建成投入运行，取得较好的效果。目前，虽然国内所采用的精炼技术中大多数采用钢包底吹氩控制设计书第4页共30页底吹氩气法，但由于该套设备价格比较昂贵、维护成本高而且对操作人员的要求高，所以国内大对数厂家基本上采用人工直接操作的控制方法。这种方法虽然实现了底吹氩的基本目的―――搅拌作用，但由于自动化程度低，无法实现脱氮、脱磷的作用，而且好氩量和耗电量高，包龄短，并易造成钢水二次氧化等。因此，与国外相比有相当大的差距。2.2精炼炉底吹氩基本原理图2-1LF精炼炉底吹氩原理图LF（ladefurnace）精炼炉是通过分布在极心圆上的3根电极产生电弧对熔池表面的钢水加热，并将热量通过渣层和熔池表面的钢水向熔池内部传递的电弧炉，如图2－1所示。氩气是一种惰性气体，是制氧时的一种副产品。由于在炼钢时大量使用氧气,氩石墨电极钢包盖碱性渣钢液钢包透气塞吹入Ar底吹氩控制设计书第5页共30页气比较容易获得。在精炼时将氩气通过钢包底部的多孔透气砖不断吹入熔池中，使得氩气在熔池中形成大量的小气泡。由于在这些小气泡内钢水中的有害气体氮、氢的分压力几乎等于零，因此这些小气泡对氮氢来说，相当一个“真空室”。于是溶解在钢液中的有害气体不断的向氩气泡中扩散。虽然随着氩气泡的上浮，氢和氮在氩气泡中得分压力不断增加，但又由于氩气泡在钢液中上浮时受热膨胀，体积增大，因而氢与氮的分压力仍保持较低水平，故仍能继续吸收氢和氮，直到最后随氩气泡上浮溢出钢液而被除。钢包底吹氩法从动力学来看，氩气上浮会产生“气泡泵效应”，会对钢液起到搅拌作用，这样不仅提供了气相成核和夹杂颗粒碰撞的机会，有利于气体级夹杂的排除，而且提高熔池成分和温度的均匀性，因此有更大地优越性。LF精炼炉炼钢所需的能量是由电弧产生的，通过渣层和熔池表面向熔池内部传递的。由于精炼炉熔池内部和钢渣间的搅拌极其微弱，使钢液成分和温度不均匀，这一直是电弧炉炼钢存在的一大难题。精炼炉底吹气体改变了熔池内部和钢渣间的传热、传质速率，从而影响到与此有关的炼钢反应。从转炉和炉外精炼的实践中可知，向熔池深处吹入气体可轻易的获得比机械法和电磁法要大得多的搅拌效果。在一定熔池深度下，熔池的比搅拌能与底吹的气体量成正比，即28.5lg(1)1.48QTHW式中，――比搅拌能，W/t;Q――底吹气体流量，m3/min;H――熔池深度，m;T――熔池温度，K；W――钢液重量，t;因此，通过调节底吹气体流量可很好的控制熔池搅拌强度。向电弧炉中以0.06的供气强度底吹氩气时，其比搅拌能可达375～400w/t。而向钢液插管吹氧（深度35cm），碳含量从0.4％降到0.1％时，其比搅拌能只有70w/t,在其他不吹气体期间电弧炉的比搅拌能则仅有1～3w/t。由此可见精炼炉底吹气体后可大大改善炉内的搅拌状况。熔池混合情况与熔池的搅拌强弱有关。对这一问题人们进行了大量的研究。有关研底吹氩控制设计书第6页共30页究表明，熔池中的传质系数和截面积的乘积与比搅拌能的0.4次方成正比，传热系数与比搅拌能的0.2次方成正比。很显然，加强熔池搅拌，可加快熔池中的传质、传热速率。这一点在脱硫、废钢和铁合金熔化等的结果种可充分反映出来。总之，精炼炉底吹氩系统品质的好坏关键取决于对压气流量的精确控制，也只有这样才能充分的发挥底吹氩的优势，才能进一步提高国内钢材质量，创造良好的经济效益。2.3精炼炉底吹氩的意义随着转炉炉外精炼的发展，诸如LF炉、VD炉、RH、SKF等电冶金技术、真空冶炼技术不断和转炉-连铸-连轧工艺相结合，因此要求炉外精炼的效果好，时间短。具备和转炉匹配的快工节奏功能，底吹氩技术具有强搅拌力，并有均匀成分、温度等良好的冶金特点。石钢转炉炼钢厂的吹氩技术从无到有，从低吹发展到顶吹，现在已做到吹氩透气砖寿命和钢包同步。但对氩气的流量、压力等方面一直采用人工操作，从未实现自动控制。从控制角度来看,过程控制系统的品质，是由组成系统的结构和被控过程与检测仪表各环节的特性决定的。被控过程的数学模型，对系统的分析、实现生产自动化都有着十分重要的意义，而且是最大限度的发挥设备的生产潜力，提高收取率和降低能耗的关键。为了能更好的控制一个过程，则需要知道当控制量变化一个已知量时，被控量如何改变并最终将改变多少以及向哪个改变方向、被控量的变化将需经历多长时间、被控量将随时间变化的曲线形状等。这些均依赖于过程的数学模型。因此一个过程系统的优劣，主要取决于对生产工艺的了解和建立被控过程的数学模型，同时，过程的数学模型是分析和设计过程控制系统的基本依据。因此，建立准确的底吹氩控制系统数学模型是该过程控制系统成败的关键。虽然底吹氩技术被国内的大多数精炼炉所采用，但由于该过程不仅涉及到气体与高温液体的传热、传质及动量的传递，而且还涉及到钢液的湍流流动与混合、合金添加剂的熔化和钢渣化学反应的热力学与动力学等。因此，从系统观点看，在精炼炉底吹氩过程中，由于被控对象的非线性、数学模型的不确定性及系统工作点的剧烈变化等因素，要采用常规的控制策略难以实现对被控量---氩气流量进行精确控制。所以，尝试在操作人员控制经验的基础上，运用模糊控制理论以及过程控制策略来实现对氩气流量的精底吹氩控制设计书第7页共30页确控制。这不仅有利于低吹技术的发展和完善，而且有利于多学科之间的相互交融与促进。采用智能底吹氩工艺优化技术对转炉炼钢分厂2#LF炉底吹氩工艺所进行的改造和完善，可以实现吹氩的自动控制。该技术不仅可提高石钢转炉炼钢厂45#钢、40cr、40crmo、60si2Mn等品种钢的质量，而且对国内其他企业的生产指导也能起到促进作用。总之,该台智能底吹氩装置的研制成功，不仅对提高我国钢材的品种和质量，而且能提高炼钢的机械化和自动化水平，促进国有冶金企业的技术改造。底吹氩控制设计书第8页共30页3精炼炉底吹氩控制系统的需求分析3.1精炼炉底吹氩控制系统结构本控制系统能实现手动控制和机算计自动控制两种功能。一方面，底吹氩系统正常工作时,被控的氩气由正常支路吹入精炼炉,实现吹氩过程；在启动吹氩工作时,能够提供较大的压力来吹开堵塞的透气砖,以保证吹氩工作正常开始。另一方面,为了增加系统的可靠性,以防止在吹氩过程中控制系统发生故障后,能及时切换倒手动操作状态,确保生产的正常运行，特增加一条事故支路，保障系统安全运行。如图3－1所示。图3-1精炼炉底吹氩系统结构图正常支路由正常支路电磁阀、压力控制执行机构、压力缓冲罐、流量控制执行机构、PIC101FIC101至LFP2P1F压力缓冲罐PI101PI102安全阀氩气瓶底吹氩控制设计书第9页共30页逆止阀、压力及流量检测装置和输送管道。正常支路电磁阀决定正常支路的开启与关闭。压力控制执行机构、流量控制执行机构均为电动执行机构，压力缓冲罐保证管道压力的恒定，为流量控制创造前提条件。流量检测装置采用质量流量计，。逆止阀是为了防止事故支路的高压气体进入正常支路，损坏正常支路的器件。其中：1)压力缓冲罐的作用是保证输出气体的流速是均匀的、连续的。2)管道中安装由逆止阀、流量变送器以及快速接头。其中，逆止阀是防止事故支路的高压气体进入正常支路，损坏正常支路的器件；流量变送器是输出流量的检测元件；快速接口是与钢包的接口元件。3.1被控对象的组成与分析要分析一个系统的动态性能，首要的工作就是建立合理、适用的数学模型，这也是控制系统分析过程中最为重要的内容。数学模型是所研究系统的动态特性的数学表达式，更具体