CN106191380A - 基于质谱仪的rh钢包精炼温度预报系统及预报方法 - Google Patents

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李娜
高建军
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Abstract

本发明提供一种基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统及预报方法。本发明的基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统，其特征是：包括过程控制系统L2、基础自动化系统L1以及L1-L2通信模块，所述的L1-L2通信模块通过以太网采用TCP/IP协议实现L2与L1的通信；所述的过程控制系统L2，用于生产控制的过程控制、参数设定、过程数据收集与存储；所述的基础自动化控制系统L1，用于通过PLC控制设备的相关动作。本发明能够精确预报钢水温度，温度误差在（-100C，100C）范围内命中率可达85%以上，达到降低成本、提高钢水质量的目的。

Description

基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统及预报方法
技术领域：
本发明涉及一种基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统及预报方法，属于冶金控制技术领域。
背景技术：
RH钢包精炼的过程中，涉及加入各种合金、吹氧、抽真空处理以及自然温降和钢包对温度的影响，导致钢水温度控制的难度加大，如何精确预报钢水温度成为冶炼过程的主要关注点。确保钢水温度的目标要求，精确预报钢水的过程温度，显得十分重要。
发明内容:
本发明的目的是提供一种基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统及预报方法，通过该方法，精确预报钢水温度，温度误差在（-100C，100C）范围内命中率可达85%以上，达到降低成本、提高钢水质量的目的。
上述的目的通过以下技术方案实现：
基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统，包括过程控制系统L2、基础自动化系统L1以及L1-L2通信模块，所述的L1-L2通信模块通过以太网采用TCP/IP协议实现L2与L1的通信；所述的过程控制系统L2，用于生产控制的过程控制、参数设定、过程数据收集与存储；所述的基础自动化控制系统L1，用于通过PLC控制设备的相关动作。
所述的基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统，所述的过程控制系统L2包括：L2计算参数模块：用于存储温度实时计算的相关参数； L2数据收集模块：用于收集生产炉次的相关过程数据；L2温度实时预报模块：根据钢水的初始条件和相关的过程数据，计算钢水实时温度；L2参数自学习模块：根据实际钢水的初始条件、过程数据以及终点数据，计算相关参数；L2 CRT模块：用于显示预测温度的显示画面。
所述的基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统，所述的基础自动化控制系统L1包括质谱仪控制模块：用于实时分析RH抽真空过程中的废气成份；废气流量计控制模块：用于实时计量废气的流量；合金加料控制模块：用于控制RH加入合金控制以及计量的控制模块；温度测量控制模块：用于钢水温度测量的控制模块；顶枪吹氧控制模块：用于控制并计量吹氧量流。
一种基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）抽真空开始时，启动质谱仪模块和启动废气流量计模块；
（2）质谱仪模块实时分析废气成份；废气流量计模块实时计量废气流量；L1-L2通信模块将实时废气成份和废气流量发送至L2数据收集模块；
（3）顶枪吹氧控制模块实时采集吹氧量；L1-L2通信模块将实时的吹氧量发送至L2数据收集模块；
（4）合金加料控制模块判断是否有合金参入钢水事件，若有L1-L2通信模块将加入的合金数据发送至L2数据收集模块；
（5）温度测量控制模块判断是否有钢水温度测量事件，若有L1-L2通信模块将钢水测温数据发送至L2数据收集模块；
（6）L2数据收集模块收集数据；
（7）启动L2温度实时预报模块进行温度计算；
（8）L2 CRT模块实时显示时间测量温度、时间以及L2温度实时预报模块预测的实时温度；
（9）判断抽真空是否结束，若否，延时10-30秒后转（2）；
（10）温度测量控制模块收集终点测量的钢水温度，L1-L2通信模块将终点测量的钢水温度信息发送至L2数据收集模块；
（11）L2数据收集模块收集数据，启动L2参数自学习模块自学习参数。
有益效果：
通过该方法，精确预报钢水温度，温度误差在（-100C，100C）范围内命中率可达85%以上，达到降低成本、提高钢水质量的目的。
具体实施方式：
本实施例的基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统，包括过程控制系统L2、基础自动化系统L1以及L1-L2通信模块，所述的L1-L2通信模块通过以太网采用TCP/IP协议实现L2与L1的通信；所述的过程控制系统L2，用于生产控制的过程控制、参数设定、过程数据收集与存储；所述的基础自动化控制系统L1，用于通过PLC控制设备的相关动作。
所述的基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统，所述的过程控制系统L2包括：L2计算参数模块：用于存储温度实时计算的相关参数； L2数据收集模块：用于收集生产炉次的相关过程数据；L2温度实时预报模块：根据钢水的初始条件和相关的过程数据，计算钢水实时温度；L2参数自学习模块：根据实际钢水的初始条件、过程数据以及终点数据，计算相关参数；L2 CRT模块：用于显示预测温度的显示画面。
所述的基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统，所述的基础自动化控制系统L1包括质谱仪控制模块：用于实时分析RH抽真空过程中的废气成份；废气流量计控制模块：用于实时计量废气的流量；合金加料控制模块：用于控制RH加入合金控制以及计量的控制模块；温度测量控制模块：用于钢水温度测量的控制模块；顶枪吹氧控制模块：用于控制并计量吹氧量流。
一种基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）抽真空开始时，启动质谱仪模块和启动废气流量计模块；
（2）质谱仪模块实时分析废气成份；废气流量计模块实时计量废气流量；L1-L2通信模块将实时废气成份和废气流量发送至L2数据收集模块；
（3）顶枪吹氧控制模块计量实时的吹氧量流；L1-L2通信模块将实时的吹氧量流发送至L2数据收集模块；
（4）合金加料控制模块判断是否有合金参入钢水事件，若有L1-L2通信模块将相关信息（加入合金的时间、种类和加入量等）发送至L2数据收集模块；
（5）温度测量控制模块判断是否有钢水温度测量事件，若有L1-L2通信模块将相关信息（温度、测量时间等）发送至L2数据收集模块；
（6）L2数据收集模块收集相关数据；
（7）启动L2温度实时预报模块进行温度计算；
计算公式：
Ti+1 = Ti + TKTB + TDC + TALLOY + TAlDO + TAlComp + TNATURAL + TELSE + TVACUUM
其中：
Ti+1：当前预测的温度；
Ti：前一计算周期预测的温度；
TKTB：吹氧带走的温度损失；
TDC：真空脱碳增加的温度；
TALLOY：加入合金（除铝以外）合金化带来的温度变化；
TAlDO：铝脱氧（升温）增加的热量；
TAlComp：铝合金化（变成钢水成份的铝）带来的温度影响；
TVACUUM：抽真空过程中由于抽真空带来的温度损失；
TNATURAL：自然温降；
TELSE：其他对温度的影响。
（1）Ti取值
Ø Ti取上一计算周期计算的结果
Ø 当首次计算时，Ti取钢水的初始温度减去自然温降，即
Ti = TInit - σTNATURAL * （ti+1 - tInit）
其中：
TInit：钢水初始温度；
σTNATURAL：自然温降系数，即单位时间温度损失；
ti+1：当前时刻；
tInit：初始温度测量的时刻；
Ø 如果在两次计算周期中间有测温时间，则Ti取测量实际温度。
（2）TKTB计算公式
TKTB = σTKTB∫Folw_Odt / Steel_Weight
其中：
σTKTB：单位氧量影响每吨钢水的温度系数；
Folw_O：氧气流量；
Steel_Weight：钢水重量；
积分时间的为上一次计算到本次计算之间的时间差。
（3）TDC的计算公式
TDC = σTDC∫（CO_COMP + CO2_COMP）*FLOW_GAS dt / Steel_Weight
其中：
σTDC：脱碳反应脱去单位[C]影响每吨钢水的温度系数；
CO_COMP：当前废气中CO的含量；
CO2_COMP：当前废气中CO2的含量；
FLOW_GAS：当前的废气流量；
Steel_Weight：钢水重量；
积分时间的为上一次计算到本次计算之间的时间差。
（4）TALLOY的计算公式
TALLOY = (ΣWEIGHT_ALLOYM * σTALLOYM) / Steel_Weight
其中：
WEIGHT_ALLOYM：M类型合金加入量；
σTALLOYM：M类型合金每千克合金使吨钢的温度改变量；
Steel_Weight：钢水重量；
由于合金化需要在钢水一个循环周期内完成，所以合金化对温度影响应分布在一个循环周期内。每座RH炉的循环周期固定，则循环周期内的计算次数为：
Time = Cycle / （ti+1 - ti）
此处进位Time取整。则TALLOY的计算公式优化为：
TALLOY = (ΣWEIGHT_ALLOYM * σTALLOYM) / Steel_Weight / Time
该计算量需要在以后的（Time - 1）的计算周期中重复计算。
（5）TAlDO和TAlComp的计算公式
由于铝用于脱氧和合金化，而铝首先与氧反应然后再合金化。所以计算脱氧铝的量。
WeightAlDO = (O_samp - O_Aim) / 3 * 2 /100 * Steel_Weight / (Per_Al/100)
其中：
O_samp：钢水过程样分析氧含量（%）；
O_Aim：钢水目标成份氧含量（%）；
Steel_Weight：钢水重量（kg）；
Per_Al：铝线的收得率，即真正参与反应的铝的百分比。
如果WeightAlDO >= WeightAladd时
WeightAlDO = WeightAladd
WeightAlAlComp = 0
否则，WeightAlAlComp =WeightAladd - WeightAlDO
TAlDO和TAlComp的计算公式为
TAlDO = σTALDO *WeightAlDO / Steel_Weight
TAlComp = σTalcomp *WeightAlAlComp / Steel_Weight
考虑到合金化和铝脱氧升温需要在钢水一个循环周期内完成，所以合金化和铝脱氧升温对温度影响应分布在一个循环周期内。每座RH炉的循环周期固定，则循环周期内的计算次数为：
Time = Cycle / （ti+1 - ti）
此处进位Time取整。则TAlDO和TAlComp的计算公式优化为：
TAlDO = σTALDO *WeightAlDO / Steel_Weight / Time
TAlComp = σTalcomp *WeightAlAlComp / Steel_Weight / Time
该计算量需要在以后的（Time - 1）的计算周期中重复计算。
（6）TVACUUM的计算公式
分为两种：轻处理和本处理（轻处理和本处理的区别就是真空度不同，真空处理分为轻处理和本处理两种真空度）
轻处理计算公式：
TVACUUM= σTsoft ∫dt / Steel_Weight
本处理计算公式：
TVACUUM= σTforce ∫dt / Steel_Weight
其中：
σTsoft ：轻处理时单位时间使吨钢的温度改变量；
σTforce ：本处理时单位时间使吨钢的温度改变量；
Steel_Weight：钢水重量；
积分时间的为上一次计算到本次计算之间的时间差。
（7）TNATURAL的计算公式
TNATURAL= σTNATURAL∫dt / Steel_Weight
其中：
σTNATURAL：单位时间自然温降使吨钢的温度改变量；
Steel_Weight：钢水重量；
积分时间的为上一次计算到本次计算之间的时间差。
（8）TELSE的计算公式
TELSE= σTELSE∫dt / Steel_Weight
其中：
σTELSE：单位时间其他因素温降使吨钢的温度改变量；
Steel_Weight：钢水重量；
积分时间的为上一次计算到本次计算之间的时间差。
由于其他因素温降使吨钢的温度改变量难以确定，设定为固定参数；由于其他影响因素手RH炉本身影响较大，而相对时间内RH炉本身变化不大，所以利用L2数据收集模块的自学习功能进行调整。
以上所有计算中，由于加入合金、脱碳等处理对钢水重量影响很小，故假定钢水重量始终不变。
（8）L2 CRT模块实时显示时间测量温度、时间以及L2温度实时预报模块预测的实时温度；
（9）判断抽真空是否结束，若否，延时20秒转（2）；
（10）温度测量控制模块收集终点测量的钢水温度，L1-L2通信模块将相关信息（温度、测量时间等）发送至L2数据收集模块；
（11）L2数据收集模块收集相关数据，启动L2参数自学习模块自学习相关参数。
采用从中间过程最后一次测温的时间点开始到终点测温时间点结束，进行自学习计算。设中间过程最后一次测温的时间点为t1，温度为T1，终点测温时刻为t2，温度为T2。则
TELSE = T2 - T1 -（TKTB + TDC + TALLOY + TAlDO + TAlComp + TNATURAL + TVACUUM）/ （（t2-t1） / Cycle）
其中，公式中的TKTB 、 TDC 、TALLOY 、 TAlDO 、 TAlComp 、 TNATURAL 、 TVACUUM计算公式和步骤（7）中的计算公式一致。
实施例1：
①　抽真空开始时，启动质谱仪模块和启动废气流量计模块；
②　质谱仪模块实时分析废气成份；废气流量计模块实时计量废气流量；L1-L2通信模块将实时废气成份和废气流量发送至L2数据收集模块；
③　顶枪吹氧控制模块实时采集吹氧量；L1-L2通信模块将实时的吹氧量发送至L2数据收集模块；
④　合金加料控制模块判断是否有合金参入钢水事件，若有L1-L2通信模块将相关信息（加入合金的时间、种类和加入量等）发送至L2数据收集模块；
⑤　温度测量控制模块判断是否有钢水温度测量事件，若有L1-L2通信模块将相关信息（温度、测量时间等）发送至L2数据收集模块；
⑥　L2数据收集模块收集相关数据；
⑦　启动L2温度实时预报模块进行温度计算，进行周期计算（20秒计算一次），计算结果见下表(单位：0C)：
循环次数 预测温度 循环次数 预测温度
1 1602 14 1602
2 1610 15 1615
3 1622 16 1629
4 1627 17 1625
5 1623 18 1621
6 1609 19 1608
7 1607 20 1606
8 1605 21 1615
9 1614 22 1623
10 1612 23 1612
11 1611 24 1610
12 1610 25 1609
13 1609 26 1608
⑧　L2 CRT模块实时显示时间测量温度、时间以及L2温度实时预报模块预测的实时温度；
⑨　抽真空结束，停止循环计算；
⑩　温度测量控制模块收集终点测量的钢水温度，L1-L2通信模块将相关信息（温度、测量时间等）发送至L2数据收集模块；
L2数据收集模块收集相关数据，启动L2参数自学习模块自学习相关参数。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上所作出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统，其特征是：包括过程控制系统L2、基础自动化系统L1以及L1-L2通信模块，所述的L1-L2通信模块通过以太网采用TCP/IP协议实现L2与L1的通信；所述的过程控制系统L2，用于生产控制的过程控制、参数设定、过程数据收集与存储；所述的基础自动化控制系统L1，用于通过PLC控制设备的动作。
2.根据权利要求1所述的基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统，其特征是：所述的过程控制系统L2包括：L2计算参数模块：用于存储温度实时计算的相关参数； L2数据收集模块：用于收集生产炉次的相关过程数据；L2温度实时预报模块：根据钢水的初始条件和相关的过程数据，计算钢水实时温度；L2参数自学习模块：根据实际钢水的初始条件、过程数据以及终点数据，计算相关参数；L2 CRT模块：用于显示预测温度的显示画面。
3.根据权利要求1货2所述的基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报系统，其特征是：所述的基础自动化控制系统L1包括质谱仪控制模块：用于实时分析RH抽真空过程中的废气成份；废气流量计控制模块：用于实时计量废气的流量；合金加料控制模块：用于控制RH加入合金控制以及计量的控制模块；温度测量控制模块：用于钢水温度测量的控制模块；顶枪吹氧控制模块：用于控制并计量吹氧量流。
4.一种基于质谱仪的RH钢包精炼温度预报方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）抽真空开始时，启动质谱仪模块和启动废气流量计模块；
（2）质谱仪模块实时分析废气成份；废气流量计模块实时计量废气流量；L1-L2通信模块将实时废气成份和废气流量发送至L2数据收集模块；
（3）顶枪吹氧控制模块实时采集吹氧量；L1-L2通信模块将实时的吹氧量发送至L2数据收集模块；
（4）合金加料控制模块判断是否有合金参入钢水事件，若有L1-L2通信模块将加入的合金数据发送至L2数据收集模块；
（5）温度测量控制模块判断是否有钢水温度测量事件，若有L1-L2通信模块将钢水测温数据发送至L2数据收集模块；
（6）L2数据收集模块收集数据；
（7）启动L2温度实时预报模块进行温度计算；
（8）L2 CRT模块实时显示时间测量温度、时间以及L2温度实时预报模块预测的实时温度；
（9）判断抽真空是否结束，若否，延时10-30秒后转（2）；
（10）温度测量控制模块收集终点测量的钢水温度，L1-L2通信模块将终点测量的钢水温度信息发送至L2数据收集模块；
（11）L2数据收集模块收集数据，启动L2参数自学习模块自学习参数。
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