CN111763803B - 一种氩氧精炼铁合金生产过程中的铁水温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氩氧精炼铁合金生产过程中的铁水温度控制方法,其方法为：步骤一、建立专家控制规则表；步骤二、将一炉冶炼时间分为五个子区间；步骤三、把估计模型设计为辅助通道的传递函数；步骤四、假定氧气和氩气储罐提供的气源压力恒定；步骤五、完成各时段的氩气恒流量控制，同时，PLC作为推理控制器，计算氧流量调节阀开度，并送给氧流量调节阀，完成针对主输出的推理控制，重复上述过程，直至到冶炼终点。有益效果：能够解决氩氧精炼铁合金生产过程冶炼温度不可测的难题，实现对冶炼温度的实时控制。可有效解决冶炼期内脱碳速率的时变性及不确定性对控制精度的影响，该方法计算量小，算法简单，控制的实时性好，容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁水温度控制方法，特别涉及一种氩氧精炼铁合金生产过程中的铁水温度控制方法。
背景技术
目前，AOD精炼技术的冶金原理是向炉内吹入氧气和惰性气体(Ar、N2)的混合气体,用Ar(或N2)稀释由脱碳反应产生的CO气体的分压,从而促进脱碳反应的进行,并抑制钢水中铬的氧化。AOD炉由于精炼温度高,冶炼周期长,气体搅拌剧烈,钢渣冲刷严重,炉内冶炼周期酸碱度变化幅度大等,炉内工作条件十分恶劣，因而其冶炼温度在线实时测量一直是件难题，这给冶炼温度实时控制带来更大困难。
针对炉温高对炉内耐火材料的影响。文献(王贵平等，太钢AOD炉龄的提高措施，《钢铁》，2004年2月，Vol.39，No.2)研究表明,当熔池温度在1700℃以上时温度每提高50℃,炉衬耐火材料的侵蚀速度就提高1倍。而AOD冶炼铁合金时,脱碳期熔池温度高达1800℃左右,且炉内耐火材料在高温下的工作时间也较长。因此AOD的脱碳期熔池温度和精炼时间对炉内耐火材料的寿命影响较大。导致目前的热电偶护套寿命较短，通常在几十小时范围内，不适应冶炼过程工业化连续生产的要求。当然缩短冶炼时间，避免耐火材料在高温下长时间侵蚀，间接提高耐火材料寿命也是一种补救方法，文献(石知机等，炉气分析终点控制技术在马钢转炉的应用，《钢铁》.2007,42(4).-24-26；)就研究了利用炉气分析判断终点，进而避免补吹，达到缩短冶炼时间的目的。
针对炉温变化大对耐火材料寿命的影响。首先,AOD生产是间歇式的,在等铁水期间,炉衬温度会下降至1300℃左右,而脱碳期熔池的炉衬温度高达1750℃以上,还原期则又降至1650℃左右；第二,供气元件都是气冷的,在等钢水期间,风枪周围炉衬耐火材料温度会急降至850℃以下；第三,冶炼过程中炉衬温度不均匀风眼区炉衬温度较高,而其他区域的炉衬温度较低；第四,由于在不锈钢精炼期间,需要向熔池内加入大量的造渣料、合金及金属等,会在较短时间内造成渣线部位炉衬温度的急剧下降。这些都使AOD的炉温变化较大,导致耐火材料剥落而影响其寿命，也给热电偶安装位置选择带来困难。文献(唐兴智等，步进梁式加热炉炉衬的施工与烘烤，《工业加热》.2004,33(5).-53-55)通过制定合理的AOD炉衬烘烤制度,使炉衬砖能够缓缓升至高温,并保证衬砖被烤透，在出现长时间等待钢水的情况下,也对炉衬进行烘烤,以避免炉衬耐火材料在接触钢水时急热,或长时间等钢水时温降过大而造成剥落。
针对气体及钢流严重冲刷对耐火材料寿命的影响。在AOD的整个操作过程中,都会向熔池吹入大量气体(1-2.5m3.min-1.t-1)。随着技术的不断发展,熔池的供氧强度、搅拌强度还在不断提高。这对熔池耐火材料造成了较强的冲刷,特别是AOD的后墙要承受很大的气流及钢流冲刷,这会降低耐火材料寿命。文献(张飞虎等，转炉溅渣护炉技术的开发与应用，《钢铁技术》.2007(4).-9-10,30)研究了溅渣护炉技术，通过从冶炼工艺、炉渣调节、工艺参数的调整，使得溅渣护炉技术对炉衬、炉型的维护起到了很好的效果，炉龄得到大幅提高。但该技术的普遍使用，给热电偶这种接触式测量方法的精度保证带来更大困难。
针对熔渣碱度波动大对耐火材料寿命的影响。AOD炉衬不仅要受熔渣的侵蚀和冲刷,而且在一个精炼周期内熔渣碱度的波动范围很大,其值在1.0-3.0内波动。特别是在还原期,渣中Si氧气含量突然升高,在氩气的搅拌下,渣中的Si氧气会与碱性耐火材料炉衬中MgO和CaO发生反应,生成低熔点的钙镁橄榄(CaO·MgO·Si氧气)和镁蔷薇辉石(3CaO·MgO·2Si氧气),同时破坏方镁石之间的结合。而这些低熔点产物在AOD精炼期间会发生软化和脱落,从而使耐火材料寿命降低。值得一提的是随着精矿数量的降低，贫矿数量的大幅增加，特别是贫矿中的硫、磷和硅的含量较大，使炉内酸碱度变化范围更大，这给热电偶护套使用的耐火材料的研究带来更大困难。文献(王贵平等，太钢AOD炉龄的提高措施，《钢铁》，2004年2月，Vol.39，No.2)试验发现,随着渣中CaF2含量的增加,炉衬寿命大大降低,而随着渣中MgO含量的增加,炉衬寿命相应提高。因此对还原渣的碱度及成分进行了调整,炉渣碱度CaO/Si氧气控制在1.8-2.0,(CaO+MgO)/Si氧气控制在2.0-2.4,且严格控制CaF2加入量及CaF2/CaO比值。
总之，由于能够耐高温、耐温差大、耐机械冲刷大和耐酸碱度变化范围大的热电偶护套材料尚不成熟，使得AOD炉(转炉)冶炼温度在线实时接触测量技术尚未成功，目前不得不采用副枪或投弹式的间歇测量方法，这些测量方法的主要特征是在冶炼初期、中期和末期通过副枪或投掷式方式向炉内投入热电偶，在获得此时铁水温度的同时，热电偶也随之融化于炉内。操作者依据测得的温度决定下步操作或者判定是否到达冶炼终点。这种方法显然不能获得实时的冶炼温度，这给温度实时控制带来巨大困难。本发明就是针对AOD炉冶炼温度不能实时测量的现状下，提供一种解决冶炼温度的实时控制方法，进而保证冶炼铁合金的质量。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的AOD炉冶炼温度不能实时测量的情况下，而导致的无法保证冶炼铁合金质量的问题而提供的一种氩氧精炼铁合金生产过程中的铁水温度控制方法。
本发明提供的氩氧精炼铁合金生产过程中的铁水温度控制方法，其方法如下所述：
步骤一、建立不同冶炼时期氩气与氧气的比值的关系曲线，将该曲线离散化后以表格的形式存入PLC中，称之为等脱碳速率专家控制规则表；
步骤二、将一炉冶炼时间分为五个子区间，即：△tmz-△tmin、△tmin与△t-△、△t-△与△t+△、△t+△与△tmax和△tmax与△tmm；每个区间分别表征冶炼开始期、冶炼初期、冶炼中期、冶炼末期和冶炼结束期；每个期间确定氧气和氩气比值分别为Qomax/QNmin、Qomid/QNmin、Qomid/QNmid、Qomid/QNmax和Qomin/QNmax,该比值的确定原则是随着脱碳反应的进行，炉内铁水碳含量的降低，供氧强度逐渐减弱，但随着CO浓度的增加，供氮强度逐渐增加，以降低CO分压，使脱碳反应速率恒定，为推理控制的顺利实施提供保证；
步骤三、把估计模型设计为辅助通道的传递函数，目的是估计出扰动对辅助输出的影响，估计器设计为扰动对主输出影响的扰动通道传递函数与扰动对辅助输出影响的扰动通道传递函数的比值，目的是估计出扰动对主输出的影响，推理控制器设计为带有滤波器的主通道传递函数的倒数，目的是抵消扰动对主输出的影响，同时保证输出跟踪输入；
步骤四、假定氧气和氩气储罐提供的气源压力恒定，在两气源与炉子之间的管路上分别安装两个调节阀和两个流量计，在PLC的控制下按采样周期在线检测氧气和氩气流量，氧气流量和氩气流量的调节由安装在供氧管路和供氩管路上的调节阀完成，PLC与供氧管路上的电磁流量计及调节阀构成PID恒氧气流量控制回路，类似的PLC与供氩管路上的电磁流量计及调节阀构成PID恒氩气流量控制回路，两个回路的给定分别来自于工控机，其值取决于冶炼过程控制规则表；
步骤五、首先由工控机计算总供氧量，然后按照等脱碳速率专家控制规则表分别计算各时段区间的供氧量和供氩量，送给PLC作为各时段给定值，PLC作为PID控制器，依据氩流量传感器测得的氩气流量和该时段给定值做PID运算，进而控制氩流量调节器的开度，完成各时段的氩气恒流量控制，同时，PLC作为推理控制器，计算氧流量调节阀开度，并送给氧流量调节阀，完成针对主输出的推理控制，重复上述过程，直至到冶炼终点。
AOD炉是指采用顶底复吹氧、氩混合气体的用于精炼不锈钢或铁合金的生产装置。
气源是存放于储气罐中具有特定温度和压力的液氧和液氩，某些情况，为降低成本，可以在冶炼初期和中期可以用氮气替代氩气。
冶炼过程控制规则表是指为保证在整个冶炼周期脱碳速率基本恒定而确定的氧气和氩气的比值，当碳含量介于8％-6％时，氧气和氩气比值为6:1，当碳含量介于6％-4％时，氧气和氩气比值为3:1，当碳含量介于4％-2％时，氧气和氩气比值为1:1，当碳含量介于2％-1％时，氧气和氩气比值为1:3，当碳含量介于1％-0.25％时，氧气和氩气比值为1:6。
混合气体是按冶炼过程控制规则表确定的具有固定氩氧比值的氩气和氧气的混合气体。
氩气恒流量控制是指安装在供氩气管路上的流量传感器和调节阀经由PLC构成的闭环控制回路，按工控机送来的给定流量经PID算法完成的氩气恒流量控制。
冶炼开始期、冶炼初期、冶炼中期、冶炼末期和冶炼结束期是将整个冶炼时间从开始到结束按等间距划分的五个冶炼工序，其具体对应的碳含量阶段为8％-6％、6％-4％、4％-2％、2％-1％和1％-0.25％。
把AOD炉冶炼一炉时间分为[△tmz，△tmin]、(△tmin，△t-△]、(△t-△，△t+△)、[△t+△，△tmax)和[△tmax，△tmm]5个子区间，量化区间划分的越细，脱碳速率越恒定，建立的数学模型精度越高，相应的冶炼温度控制精度也就越高。
控制程序是用Vc语言和梯形图语言编制的由工控机和PLC自动运行的氩气恒流量控制、抑制脱碳速率时变性的专家控制和冶炼温度推理控制的冶炼过程的应用程序。
本发明的有益效果：
本发明提供的氩氧精炼铁合金生产过程中的铁水温度控制方法以冶炼温度为主输出，以氧气流量为辅助输出，以未与碳反应的氧气量为扰动，通过建立主通道、辅助通道和扰动通道的数学模型，进而设计估计模型、估计器和推理控制器，能够解决氩氧精炼铁合金生产过程冶炼温度不可测的难题，实现对冶炼温度的实时控制。专家控制方法不需要建立繁琐的数学模型，仅需按照专家经验和离线实验，确定各冶炼区间氩氧比值，通过降低CO分压，来保证脱碳速率基本恒定，使该方法可有效解决冶炼期内脱碳速率的时变性及不确定性对控制精度的影响，该方法计算量小，算法简单，控制的实时性好，容易实现，其部分参数通过现场实验整定后可应用于冶炼过程的自动控制。
附图说明
图1为本发明所述供气系统结构示意图。
图2为本发明所述推理控制原理框图。图中Y(s)，Ys(s)分别为过程的主要输出和二次输出；Gp(s),Gps(s)分别为主控制通道和辅助控制通道的传递函数；R(s)为设定值；D(s)为过程的不可测扰动；A(s),B(s)为扰动通道的传递函数。
图3为本发明所用整个冶炼周期氩气与氧气的比值的关系曲线图。纵坐标表示流量，横坐标表示冶炼时间，图中的实线表示氧气流量，虚线表示氩气流量。
具体实施方式
请参阅图1至图3所示：
步骤一、首先按照AOD炉的冶炼吨位确定供气管路口径，再依据管路口径选择安装调节阀和流量计，调节阀和流量计必须满足气体流量调节和计量的要求，且其变送器采用485通讯协议，以简化控制器硬件电路设计。
步骤二、依据氧化反应放热原理建立主通道数学模型和扰动对主输出影响的扰动通道数学模型，再依据调节阀工作特性建立辅助通道数学模型，最后采用BP神经网络方法建立扰动对辅助输出影响的扰动通道数学模型。
步骤三、把估计模型设计为辅助通道的传递函数，估计器设计为扰动对主输出影响的扰动通道传递函数与扰动对辅助输出影响的扰动通道传递函数的比值，推理控制器设计为带有滤波器的主通道传递函数的倒数，本控制方法唯一可以调整的是滤波器的时间常数，当数学模型精度高且要求动态响应快时，可以选择小一点的滤波器时间常数，反之就要选择大一点，以保证控制系统的鲁棒性，当然该值也可以现场实验确定。
步骤四、依据专家经验和离线实验,建立等脱碳速率专家控制规则表，本例将整个冶炼周期划分为冶炼开始期、冶炼初期、冶炼中期、冶炼末期和冶炼结束期5个区间，并采用了等间距区间，实际实施时，也可以根据炉内铁合金原料铁水量及其初始碳含量的高低不同，选择划分更细的区间和不等距区间，以保证脱碳速率基本恒定。各区间氧气与量比重分别设计为6:1、3:1、1：1、1:3和1:6，氩气冶炼时期氩气与氧气的比值的关系曲线，将该规则以表格的形式存入工控机中。
步骤五、首先按照传统冶炼工艺，依据热兑铁水重量、初始碳含量、冶炼铁合金种类、初始铁水温度和目标铁水温度等参数由工控机计算总供氧量，然后按照等脱碳速率专家控制规则表分别计算各时段区间的供氧量和供氩量，并通过485总线送给PLC作为各时段给定值，PLC作为PID控制器，依据氩流量传感器测得的氩气流量和该时段给定值做PID运算，进而控制氩流量调节器的开度，完成各时段的氩气恒流量控制，同时，PLC作为推理控制器，按照图2所示推理控制传递函数框图和氧流量传感器测得的氧气流量及此时段给定值，计算氧流量调节阀开度，并通过485总线送给氧流量调节阀，完成针对主输出的推理控制。按照采样周期1s重复上述过程，直至到冶炼终点。
Claims (1)
1.一种氩氧精炼铁合金生产过程中的铁水温度控制方法，其特征在于：其方法如下所述：
步骤一、建立不同冶炼时期氩气与氧气的比值的关系曲线，将该曲线离散化后以表格的形式存入PLC中，称之为等脱碳速率专家控制规则表，控制规则表是指为保证在整个冶炼周期脱碳速率基本恒定而确定的氧气和氩气的比值，当碳含量介于8％-6％时，氧气和氩气比值为6:1，当碳含量介于6％-4％时，氧气和氩气比值为3:1，当碳含量介于4％-2％时，氧气和氩气比值为1:1，当碳含量介于2％-1％时，氧气和氩气比值为1:3，当碳含量介于1％-0.25％时，氧气和氩气比值为1:6；
步骤二、将一炉冶炼时间分为五个子区间，即：△tmz-△tmin、△tmin与△t-△、△t-△与△t+△、△t+△与△tmax和△tmax与△tmm；每个区间分别表征冶炼开始期、冶炼初期、冶炼中期、冶炼末期和冶炼结束期；冶炼开始期、冶炼初期、冶炼中期、冶炼末期和冶炼结束期是将整个冶炼时间从开始到结束按等间距划分的五个冶炼工序，其具体对应的碳含量阶段为8％-6％、6％-4％、4％-2％、2％-1％和1％-0.25％，每个期间确定氧气和氩气比值分别为Qomax/QNmin、Qomid/QNmin、Qomid/QNmid、Qomid/QNmax和Qomin/QNmax,该比值的确定原则是随着脱碳反应的进行，炉内铁水碳含量的降低，供氧强度逐渐减弱，但随着CO浓度的增加，供氮强度逐渐增加，以降低CO分压，使脱碳反应速率恒定，为推理控制的顺利实施提供保证；
步骤三、把估计模型设计为辅助通道的传递函数，目的是估计出扰动对辅助输出的影响，估计器设计为扰动对主输出影响的扰动通道传递函数与扰动对辅助输出影响的扰动通道传递函数的比值，目的是估计出扰动对主输出的影响，推理控制器设计为带有滤波器的主通道传递函数的倒数，目的是抵消扰动对主输出的影响，同时保证输出跟踪输入；
步骤四、假定氧气和氩气储罐提供的气源压力恒定，在两气源与炉子之间的管路上分别安装两个调节阀和两个流量计，在PLC的控制下按采样周期在线检测氧气和氩气流量，氧气流量和氩气流量的调节由安装在供氧管路和供氩管路上的调节阀完成，PLC与供氧管路上的电磁流量计及调节阀构成PID恒氧气流量控制回路，类似的PLC与供氩管路上的电磁流量计及调节阀构成PID恒氩气流量控制回路，两个回路的给定分别来自于工控机，其值取决于冶炼过程控制规则表；
步骤五、首先由工控机计算总供氧量，然后按照等脱碳速率专家控制规则表分别计算各时段区间的供氧量和供氩量，送给PLC作为各时段给定值，PLC作为PID控制器，依据氩流量传感器测得的氩气流量和该时段给定值做PID运算，进而控制氩流量调节器的开度，完成各时段的氩气恒流量控制，同时，PLC作为推理控制器，计算氧流量调节阀开度，并送给氧流量调节阀，完成针对主输出的推理控制，重复上述过程，直至到冶炼终点，氩气恒流量控制是指安装在供氩气管路上的流量传感器和调节阀经由PLC构成的闭环控制回路，按工控机送来的给定流量经PID算法完成的氩气恒流量控制。
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