PLC在氧气转炉炼钢温度控制中的应用;电气学院;刘孝勇;2

安徽工业大学PLC在氧气转炉炼钢温度控制中的应用共2页第1页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊PLC在氧气转炉炼钢温度控制中的应用自动化专业刘孝勇（079064368）指导老师：张捍东教授摘要钢铁厂采用转炉冶炼过程中的温度控制是整个转炉炼钢系统的核心控制部分之一，它具有温度惯性、大的延迟时间等特性，对过程控制造成非常大的困难。在对钢铁厂进行了实地考察并充分了解钢铁冶炼工艺之后，对冶炼的部分过程进行了合理的简化。为了达到比较理想的控制效果，经过比较和分析，这里采用西门子公司的S7-300系列PLC设备，配以上位机监控系统，并以PID控制为理论基础，建立了一个简单的小型工业控制系统，对氧气转炉炼钢时的温度进行控制，使之满足炼钢的基本工艺要求。该系统使用STEP7和WinCC软件进行编程，在仿真器上进行的模拟调试以及利用组态画面进行的试验都获得了成功，可以证明这种方案符合基本工艺需求，是实际可行的，可以以此为炼钢厂的技术人员提供应用参考。关键词：PLC；氧气转炉；PID控制；温度控制系统安徽工业大学PLC在氧气转炉炼钢温度控制中的应用共2页第2页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊TheApplicationofPLCinTemperatureControlofOxygenConverterSteelmakingABSTRACTThetemperaturecontrolofoxygenconverteristhecentralpartofthewholeoxygenconvertersystem.Whichhaslargetemperatureinertia,andthelargedelaytimeandothercharacteristicsofcontrolandthatcausedgreatdifficultiesinthesystems.Withtheinternshipatthesteelmakingfactoryandfullyunderstandingofthesmeltingprocessofironandsteel,wereasonablysimplifiedpartsofthesmeltingprocess.Inordertoachievethebettercontroleffect,whereusetheSiemensS7-300seriesPLCequipment,togetherwiththehostcomputercontrolsystem,basedonthePIDcontroltheoryandestablishedasimplesmall-scaleindustrialcontrolsystemtocontrolthetemperatureofoxygenconvertersoastomeetthetechnologicalrequirementsofsmeltingprocessofsteel.ThesystemiseditedbySTEP7andWinCCsoftware,thesuccessfulofthedebugonthesimulatorandthetestscarriedoutbytheconfigurationscreens,whichcanprovedthatthisdesignandtheprogrammeetsthepolytechnicandfeasible,whichoffersthereferencetopracticalengineersinthefactoryofironandsteel.Keywords:PLC，OxygenConverter，PIDcontrol，Temperaturecontrolsystem安徽工业大学PLC在氧气转炉炼钢温度控制中的应用共1页第1页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊前言转炉炼钢是钢铁工业的重要组成环节，该环节由多个相互关联的子控制系统组成，温度控制系统就是其中的核心部分。温度控制的好坏，直接影响出钢的质量，进而对后续环节造成影响。同时，由于钢种不同，所用工艺不同，温度的控制也不相同。本文：PLC在氧气转炉炼钢温度控制中的应用，就是用PLC设备建立一个简单的温度控制系统，该系统将转炉温度控制方面的工艺进行简化，保留核心工艺环节——氧枪高度控制，这样可以简洁、直观的将炼钢过程表现出来，为工程技术人员提供参考，这也是我选择本课题的缘由。本文的指导思想是PID控制理论，该理论成熟、应用范围广，但相较国外先进钢铁厂的控制思想来说，又过于简单，控制精度有限。不过对于本文中简化的系统，还是可以达到最低工艺要求的。提高控制精度，改善工艺，是工程技术人员一直追求的目标，同时也是整个工业行业的发展趋势、工程学术领域的研究方向。安徽工业大学PLC在氧气转炉炼钢温度控制中的应用共47页第1页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1炼钢工业简介炼钢是整个钢铁工业的核心组成部分，它将由高炉冶炼得到的铁水放到炼钢炉内按一定工艺熔炼，即得到钢。钢是铁与C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)以及少量的其他元素所组成的合金。其中除Fe(铁)外，C的含量对钢的机械性能起着主要作用，故统称为铁碳合金。它是工程技术中最重要、用量最大的金属材料。铁碳合金分为钢与生铁两大类，钢是含碳量为0.03%～2%的铁碳合金。碳钢是最常用的普通钢，冶炼方便、加工容易、价格低廉，而且在多数情况下能满足使用要求，所以应用十分普遍。按含碳量不同，碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。随含碳量升高，碳钢的硬度增加、韧性下降。合金钢又叫特种钢，在碳钢的基础上加入一种或多种合金元素，使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些特殊性能，如高硬度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性，等等。经常加入钢中的合金元素有Si、W、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti等。含碳量2%～4.3%的铁碳合金称生铁。生铁硬而脆，但耐压耐磨。根据生铁中碳存在的形态不同又可分为白口铁、灰口铁和球墨铸铁。白口铁断口呈银白色，质硬而脆，不能进行机械加工，是炼钢的原料，故又称炼钢生铁。碳以片状石墨形态分布的称灰口铁，断口呈银灰色，易切削，易铸，耐磨。若碳以球状石墨分布则称球墨铸铁，其机械性能、加工性能接近于钢。1.1炼铁与炼钢的流程主要的原材料：铁矿石和煤，经过烧结和焦化处理后得到烧结矿和焦炭。再经高炉冶炼得到铁水。这就是炼铁的基本过程，流程如图1.1所示。安徽工业大学PLC在氧气转炉炼钢温度控制中的应用共47页第2页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图1.1炼铁过程图得到的铁水经由鱼雷形铁水车的运输，到达炼钢厂，再经由转炉的冶炼，得到钢水，我们目前所见的钢材，就是通过加工钢水来得到的。炼钢的流程如图1.2所示。图1.2炼钢轧钢过程图安徽工业大学PLC在氧气转炉炼钢温度控制中的应用共47页第3页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1.2炼钢法介绍钢的产品有钢锭、连铸坯和直接铸成各种钢铸件等。通常所讲的钢，一般是指轧制成各种钢材的钢。一般从大范围来说，炼钢有三种方法，即平炉、转炉和电炉。平炉炼钢最早可追溯到1864年，法国人P.马丁利用有蓄热室的火焰炉，以废钢、生铁为原料成功地炼出钢液，这种方法直到1960年一直是世界上的主要炼钢方法，不过平炉炼钢法的缺点很明显：炉体庞大，冶炼时间长，炉墙散热损失和高温废气带走的热量大，从节能，效率以及环保的角度考虑，从60年代起平炉就逐渐被淘汰了，现在炼钢都是用转炉或是电炉。电炉是采用电能作为热源进行炼钢的炉子的总称，目前世界上电炉钢产量的95%以上都是电弧炉生产的，因此电炉炼钢主要指电弧炉。传统的电弧炉炼钢法是以废钢为主要原料，以三相交流电作为电源，使电流通过石墨电极与金属之间，产生高温电弧，以此来加热、融化炉料。目前电炉是用来生产特殊钢和高合金钢的主要方法。电炉如图1.2.1所示[2]。图1.2.1电炉转炉，顾名思义，可以转动，炉体圆筒形，架在一个水平轴架上，转炉炉体用钢板制成，呈圆筒形，内衬耐火材料，吹炼时靠化学反应热加热，不需外加热源，是最重要的炼钢设备。它主要是以液态生铁为原料，靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。转炉如图1.2.2所示。安徽工业大学PLC在氧气转炉炼钢温度控制中的应用共47页第4页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图1.2.2转炉倾倒现场图1.3氧气转炉炼钢法的发展概况据报道，2008年全世界产钢13.279亿吨。到目前为止，氧气转炉仍然是炼钢的主要方法。其中转炉钢及电炉钢产量占90%。氧气顶吹转炉炼钢法从出现至今已有100多年历史了。早在10世纪，就有人提出过利用纯氧炼钢的设想，但是受困于当时落后的制氧技术，没能实现。到了20世纪20年代后期，以空气液化和分馏为基础的制氧技术开发成功，可以为工业提供大量的廉价的氧气，氧气炼钢才又为冶金界所注意。此后各国的学者和技术人员对这一方法进行了研究与实验室实验，并在1948年由丢勒尔(R.Durrer)等在冯·罗尔(VonRoll)公司建成2.5t的焦油白云石衬的试验转炉，成功将生铁炼成优质钢水。从实验室研究向工业化试验的进一步发展是由奥地利的沃埃施特(VOEST)公司完成的。他们根据丢勒尔的设计，先后在2t，10t，15t的转炉上进行氧气顶吹炼钢法的工业试验，最终于1952年在林茨（Linz）城建成30t氧气转炉并正式投入工业生产，1953年又在多那维茨（Donawiz）城建成两座30t氧气顶吹转炉。由于该法最先在这两个城市得以应用，所以取这两个城市名称的首字母L-D（LD）作为氧气顶吹转炉炼钢法的代称。安徽工业大学PLC在氧气转炉炼钢温度控制中的应用共47页第5页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊美国人得知氧气转炉炼钢的消息之后，凭借战后所积累的巨大工业资本，迅速建成一个35t的氧气顶吹转炉车间并投产，随后又于1957年建成当时世界上最大的（80t级）氧气顶吹转炉。但是美国人没有购买奥地利的专利，由此引发了关于该技术的专利权的纠纷，最终美国方面胜诉。BOF法（BasicOxygenFurnace的首字母）成为北美对该法的习惯称呼[1]。日本对于发展氧气转炉炼钢非常关注，经过多次考察，且进行了一系列小型的工业试验之后，决心向奥地利方面购买专利特许权，于1957年在八幡建设第一个LD车间，其后又对顶吹转炉炼钢法进行了深入研究和技术创新，在扩大炼钢品种、改进炉衬耐火材料、提高炉龄、炉气回收技术、用副枪测取冶炼信息和计算机自动控制、分解炼钢操作功能使转炉冶炼更加简化、配合连铸机实现全连铸炼钢生产等方面做出了巨大的贡献。日本已成为氧气转炉炼钢技术最发达的国家。1.4氧气转炉炼钢法的吹炼过程因为以生铁为原料炼钢，需要氧化脱碳；钢中的P、S含量过高分别造成钢的“冷脆”性和“热脆”性，炼钢过程应脱出P、S；钢中的氧含量超过限度后会加剧钢的热脆性，并造成大量氧化物杂志，因而要脱氧；钢中含有氢、氮会分别造成钢的氢脆和时效性，应该降低钢中有害气体含量；夹杂物的存在会破坏钢基体的连续性，从而降低钢的力学性能，也应该去除；炼钢过程应设法提高温度达到出钢要求，同时还要加入一定种类和数量的合金，使钢的成分达到所炼钢种的规格。综上所述，炼钢的基本任务包括：脱碳、脱磷、脱硫；去除有害气体和杂质；提高温度；调整成分。炼钢过程通过供氧，造渣、加合金、搅拌、升温等手段完成炼钢基本任务。1.4.1具体流程前一炉钢出完钢后，倒净炉渣，如炉体正常，即堵出钢口，加废钢，兑入铁水，将炉体转到直立位置，边降枪边供氧；降到规定