数学百科：转炉自动化

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　　转炉自动化

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　　氧气转炉冶炼周期短、产量高、反应复杂，但用人工控制钢水终点温度和含碳量的命中率不高，精度也较差。为了充分发挥氧气转炉快速冶炼的优越性，提高产量和质量，降低能耗和原料消耗，需要完善的自动化系统对它进行控制。典型的氧气转炉自动化系统由过程控制计算机、微型计算机和各种自动检测仪表、电子称量装置等部分组成。按设备配置和工艺流程分为供氧系统，主、副原料系统，副枪系统，煤气回收系统，成分分析系统和计算机测控系统。有些大型的转炉自动化系统除了有转炉本身的控制系统外，还包括有铁水预处理系统、钢水脱气处理系统和铸锭控制系统等。

　　供氧系统 在转炉吹炼中，供氧系统主要用于控制吹氧量和氧枪位置(即氧枪与钢水液面的距离)，完成以下功能： ①测量氧气压力、流量、氧耗量、氧纯度等参数，并对氧流量进行闭环控制。②测量氧枪冷却水温度、压力和流量。③采用电子逻辑或微型机控制装置在吹炼不同阶段改变氧枪位置，其定位精度为±10毫米。

　　主、副原料系统 转炉主原料(铁水和废钢)和副原料(石灰、白云石、矿石、萤石、铁皮等)的称重误差和成分误差，直接影响炼钢终点命中率和钢的质量。这个系统用以保证主、副原料的准确称量。它包括 3个部分。①电子秤：用以对铁水、废钢、铁合金和钢水进行称重，并能自动去皮;②副原料称重和上料控制：当高位料仓中的副原料用光时，可自动地将地下料仓的副原料送入高位料仓，它采用料位检测器检出料仓料位信号，用皮带秤称重，用电子逻辑或微型机控制上料;③副原料自动配料控制：根据人工设定和计算机设定的副原料的配比，入炉副原料由料斗秤称量后自动按量装入。

　　副枪系统 在吹炼过程中用于测量钢水温度和含碳量的检测装置,主要包括两个部分。①测温定碳装置:它由测温定碳和测液面复合探头、温度和碳变送器、微型机和阴极射线管显示器等组成。测试时，副枪将探头插入钢水内测温、取样，测出的温度和含碳量信号经微型机处理后，在显示器上显示并传送到过程计算机。②副枪顺序控制装置：它由探头、电子逻辑线路或微型机构成。副枪系统自动给出所需的探头，自动装探头，检查探头是否接通，然后自动快速下枪，移动到变速点时则由快速改成慢速，当移动到测试点时便准确停车，定位精度为±10毫米。待取样完成后，快速提升，到变速点时改为慢速提升，到达最高点时则自动停车。待定碳信号出现后，则自动拔掉旧探头。

　　煤气回收系统 用以保证煤气回收正常运行，它由各种变送器、分析仪和微型机组成。首先进行炉口微压差(±50帕)测量和自动控制，炉中微压差经变送器变成标准电信号后,由调节器控制煤气管道的闸板阀,使炉口保持正压，防止吸入空气。其次进行煤气中CO、O2含量的分析和CO回收的自动控制，采用红外线CO分析仪、磁氧分析仪(精度为±1%)或质谱仪分析CO、O2含量,用可编程序控制器来控制煤气回收的操作。最后进行煤气流量测量。所用方法是先在废气管道中取出差压信号，然后再用差压变送器将此信号变为电信号进行测量。

　　成分分析系统 用直读光谱仪或 X荧光分析仪来分析铁水和钢水的成分。 X荧光还能分析矿石、炉渣的成分。专用计算机对分析值进行处理后将结果打印出来，

　　并将它们传送到过程控制计算机，为控制作准备。钢水中的溶氧量则用氧化锆定氧探头测出。

　　计算机测控系统 用计算机控制铁水和废钢的准备、吹炼以及钢水成分调整的冶炼全过程。检测出来的各个工艺参数一并输入计算机中。计算机根据冶炼钢种的不同要求和数学模型计算出装入炉内的铁水和废钢的重量以及吹炼中加入的副原料重量和吹氧量，选定合适的供氧制度和造渣制度,自动进行吹炼直至终点。出钢后,计算机还计算出应加入钢水的铁合金量，以保证成品钢的成分合格。计算机控制的主要要求是保证在吹炼终点时，钢水温度和含碳量都同时命中目标值，有静态和动态两种控制方式。静态控制是根据大量冶炼操作数据，按照热平衡和物料平衡原理，通过理化计算、统计回归分析或按操作经验建立起的数学模型进行预测控制。它实际上是按照前一段冶炼炉次的操作规律来对本炉次进行控制。这种控制方式对生产条件和操作方法的变动适应性较差，终点命中率较低，最高仅达60～70%。动态控制是通过某些动态测试手段(如副枪)在吹炼过程中测得钢水温度和含碳量，按动态模型对控制参量进行修正。这种方式的适应性较强，终点命中率较高，可达90%以上。在生产中，这两种控制方式常常结合使用;在吹炼前期和中期按静态控制;在吹炼后期用副枪测温定碳，进行动态控制。

展望 为了进一步提高转炉的生产效率和质量，用计算机实现动态控制越来越引起人们的重视。转炉自动化的范围也从控制吹炼过程本身扩大到整个转炉车间，形成以计算机为中心的全车间综合自动化系统。除控制转炉车间各工艺过程外，还增加了协调生产作业等管理功能。随着转炉对自动化要求的提高以及计算机技术的发展，转炉计算机系统在结构上也有所变化。过去对三吹二的转炉一般都采用一台过程控制计算机进行集中控制,现代已开始采用信息集中化控制分散化的集散式系统或分级式计算机系统进行控制。各检测装置和局部控制装置都用微型机或带微型机的过程控制器来收集数据和进行控制。由它们得到的信息传送到上级计算机(过程机)，进行数学模型计算、信息管理，并对下级机监控。为了与其他工艺流程配合，转炉过程计算机还与炼铁、连铸、初轧等车间的过程计算机进行数据通信。有关信息还传送到生产管理计算机去进行生产管理计算。

　　转炉冶炼工艺不断发展，除氧气顶吹转炉外，相继出现了底吹和顶底吹相结合的转炉。这些新型的转炉对自动化都有些特殊的要求，如除要求控制吹氧外，还要求控制吹氮(或氩)，并要求控制它们的切换等。