（控制理论与控制工程专业论文）采用vod法不锈钢冶炼过程实用化自动控制方法的研究.pdf

1、j at h e s i sf o rt h e d e g r e e o fm a s t e ri n c o n t r o l t h e o r ya n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g r e s e a r c ho fa u t o m a t i o n a p p l i c a t i o ni nv o d r e f i n i n g p r o c e s sf o rs t a i n l e s ss t e e lm a k i n g b yd o n gj i a n t i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gj i n k u a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j e n u a r y2 0 0 8 m 4删8删7 iiii-m 48叭1y it，l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名： 踅龟廷一 签字 日期 ：刁彤驴i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：_ 董建建导师签名：学位论文作者签名：重建，廷导师签名： 签字日 期：b 3 v s - i 签字日期： 厂 ，奎_ 东北大学硕士学位论文摘要 采用v o d 法不锈钢冶炼过程实用化自动控制方法的研究 摘要 不锈钢冶炼是一个复杂的过程，真空吹氧精炼法，简称v o d 法( v a c u u mo x y g e n d e c a r b u r i z a t i o n ) 是冶炼高品质不锈钢的重要方法。其具有冶炼工艺复杂，控制参数易变， 影响因素多等特点。针对该特点，设计人员提出过很多控制方法，如p i d 控制，专家系 统，学习系统等。 本文深入研究了v o d 冶炼的工艺发展历史，和冶炼工艺的具体要求，系统分析了 控制平台的软硬件设计要求。针对系统具有的时变性强，影响因素多，对快速性要求高 的特点，提出了各功能单独编译统一调用的方案，在现场运行具有运行稳定，冶炼效果 良好的特点。 吹氧控制系统是冶炼系统中的关键部分，具有时变性，同时对快速性也有很高的要 求。为了解决这一问题，采用模糊控制作为系统中吹氧部分的控制算法。在认真研究工 艺要求的基础上，在现场调试中采集了大量可靠的数据资料，在离线状态下通过总结专 家的经验并结合数据进行反复推算，最终总结出有效的模糊控制规则。通过m a m d a n i 极大极小法对模糊规则进行推断后，最终形成模糊决策，满足了吹氧系统对实时性，快 速性的要求。 在系统实际运行中，真空度的误差符合要求，氧气流量控制达到设计标准，不仅在 连续生产中取得了良好的效果，而且为同类型的冶炼控制提供了良好的借鉴。 关键词：v o d ；真空系统；吹氧系统；模糊控制； 一i i 一 卜 ii一 _j、-l r e s e a r c ho fa u t o m a t i o na p p l i c a t i o ni nv o d r e f i n i n gp r o c e s s f o r s t a i n l e s ss t e e lm a k i n g a b s t r a c t t h er e f i n i n go fs t a i n l e s ss t e e li sac o m p l i c a t e dp r o c e s s v a c u u mo x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ( v o d ) ，i st h em a i nw a yt or e f i n eh i g hq u a l i t ys t a i n l e s ss r e e l ，i nw h i c ht h e t e c h n o l o g yi sv e r y c o m p l i c a t e d ，t h ec o n t r o lp a r a m e t e r i si n s t a b l e ，a n dh a sm a n yi n f l u e n c i n gf a c t o r s m 锄y m e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e dt os o l v et h i sp r o b l e m ，s u c ha s p i dc o n t r o l ，e x p e r ts y s t e m ， l e a r n i n gs y s t e ma n d s 0o n 一一 t h i sm e s i sr e s e a r c h e dt h ed e v e l o p m e n th i s t o r y o fv o da n dt h er e q u i r e m e n to ft h e t e c c sd e e p l y 姐da n a l i z e dr e q u i r e m e n t so f t h ec o n t r o lp l a t f o r m ，i n c l u d i n gb o t hh 盯d w a r e a 1 1 ds o r w a r ep 叭s s i n c et h es y s t e mh a v et h eh i g hr e q u i r e m e n tt ot h et i m ev a r i a b i l i t ya n d r a p i di ss e n s r i v et ot h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s t h ep r o j e c ti s p r o p o s e d ，i nw h i c hf u n c t l o n s 1 s c o m p l i t e di n d i v i d u a l l yw h i l ec a l l e du n i f o r m l y i nt h e i n d u s t r i a lf i e l d ，t h ep r o j e c tp e r f o 珊s s t a b l y b i o w i n g0 x y g e nc o n t r o ls y s t e m i st h ek e yo ft h ep r o c e s s ，w h i c hi st i m e - v a r i a b l e ，a n dh a s l l i g hr e q u i r e m e n tt os p e e d af u z z yc o n t r o l i sp r o p o s e dc o n t r o la l g o r i t h no ft h eb l o w i n g o x y g e ns y s t 哪t os o l v et h i sp r o b l e m a f t e rr e s e a r c h i n gt h et e c h n i c sa n ds e l e c t i n gd a t a , 廿l e e x p e r t ，se x p e r i e n c ei s c o n c l u d e da n dd e d u c e dr e p e a t l y , a n dt h ee f f e c t l y f u z z yr u l e sw e r e a c h i e v e d6 n a l l y t h r o u g hm a m d a n im a xa n dm i nr u l e s ，t h ef u z z yd e c i s i o ni s f o r m e d ，w h l c h s a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to fr e a l t i m ea n d f o rs y s t e m m l e nt h es y s t e mw o r k s ，t h ee r r o ro ft h ev a c u u mm e e tt h et e c h n o l o g i c a lr e q u l r e m e n t ， a n dt h ec o n t r o l l i n go ft h eo x y g e nf l o wu pt od e s i g hs t a n d a r d t h es y s t e m n o to n l yw o r k sw e 儿 t op r a c t i c “p r o d u c t i o n ，b u ta l s op r o v i d e sag o o dr e f e r e n c e f o r t h es m e l t i n gc o n 仃o lo t 龇 s a m et y p e k e yw o r d s ：v o d ，v a c u u ms y s t e m ，o x y g e ns y s t e m ，f u z z yc o n t r o l i i i 7 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究的意义l 1 2 不锈钢冶炼工艺发展历史l 1 2 1 传统的不锈钢冶炼方法一a o d 法l 1 2 2 现代的不锈钢冶炼法- - v o d 法2 1 2 3 其他不锈钢冶炼方法3 1 3v o d 炉控制特点及其控制现状4 1 4 本文的主要工作4 第二章v o d 冶炼工艺。5 2 1v o d 法的用途和特点5 2 2v o d 法冶炼工艺原理5 2 3v o d 精炼炉结构5 2 4 冶炼操作过程7 2 4 1 准备7 2 4 2 抽真空7 2 4 3 吹氩。7 2 4 4 吹! 善c 8 2 4 5 力口料9 2 4 6 破空9 2 4 7 喂丝，冶炼结束9 2 5v o d 冶炼过程中主要控制参数及其工艺要求。1 0 第三章自动控制系统的总体设计1 1 3 1 总体设计参数1 l 3 2 系统开发平台1 l 3 2 1 计算机控制系统1l 3 2 2 控制系统的硬件平台1 2 3 2 3 系统的软件平台1 4 3 3 硬件组态1 6 第四章模糊控制器的研究与设计1 7 一i v 东北大学硕士学位论文 目录 4 1 吹氧系统1 7 4 2 模糊控制原理17 4 2 1 模糊控制原理1 7 4 2 2 模糊控制理论的特点l8 4 3 模糊控制原理1 9 4 3 1 模糊控制器设计1 9 4 3 2 模糊控制的具体步骤1 9 4 4 吹氧模糊控制器的实现2 3 4 4 1 模糊控制器的选择2 4 4 4 2 输入量模糊化2 4 4 4 3 模糊规则库及模糊推理2 4 4 4 4 输出逆模糊化2 8 第五章系统程序设计与实现3 1 5 1 总体程序设计思想31 5 2p l c 控制系统的设计3 l 5 2 1 吹氧控制系统3 l 5 2 2 真空控制系统3 8 5 2 3 罐盖车控制系统3 8 5 2 4 加料控制系统3 9 5 2 5 氧枪控制系统3 9 5 3 人机界面的设计4 2 5 3 1 监控系统所要监控的主要变量4 2 5 3 2 工艺参数的历史曲线4 5 5 3 3 工艺参数的历史曲线4 5 5 3 4 读写工艺参数功能用户权限分配4 6 第六章v o d 真空系统的调试与运行4 7 6 1 系统的调试运行4 7 6 2 系统实际运行效果分析4 9 第七章结论与展望5 3 参考文献5 5 致 射。5 9 一v 一 叫丫f ， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 “ 不锈钢是建筑生产及日常生活中必不可少的工业原料，在世界范围内一直处于增长 _ 1 的趋势。西方国家的增长率为1 4 ，日本年增长率为11 ，今后全世界平均年增长率预 期为5 6 。为了不断提高不锈钢的冶炼质量，开发新的品种，降低生产成本，不锈 钢的冶炼技术在不断发展【i 】。 近年来，我国国内对不锈钢的需求一直处于非常强劲的势态，但目前我国不锈钢的 生产已不适应市场的需求，为此，国家有关部门已将不锈钢生产作为国家“十五 计划 的发展重点【2 1 。传统的不锈钢转炉冶炼法是a o d 法，即氩氧脱碳法，是在大气压力下 向钢水吹氧的同时，吹入惰性气体，通过降低以实现脱碳保铬。但此种方法只能冶 炼低碳钢，对于含炭量低于0 1 的超低炭钢则没有办法冶炼。因此现在冶炼超低炭钢 多采用v o d 冶炼法。v o d 精炼原理是在低真空下用氧枪向熔池吹氧，降低钢包自由空 间内c o 的分压，使钢水中碳氧进一步反应，从而达到脱碳并冶炼超低碳钢的目的。 在用v o d 法冶炼超低炭钢的过程中，吹氧是非常关键的一个环节，直接影响到最 终冶炼的效果，因此吹氧系统的控制显得尤为重要。本文以3 0 t v o d 炉的实际工程为背一 景，研究将先进控制算法加入到吹氧系统中的可行性，对今后系统的开发研究是非常有 意义的。 1 2 不锈钢冶炼工艺发展历史 一近些年来，随着人们生活水平的提高，不锈钢消费量越来越大，其应用逐步拓展到 i了许多领域，并正在向新的应用领域发展，比如建筑工程用钢、楼房用钢、结构钢、汽 i 车产业、轨道车辆、运输业方面以及机械加工制造业领域等。应用领域的扩展和不锈钢 需求量的增加对不锈钢的质量也提出了越来越高的要求，所以不锈钢企业也必须努力保 持其利润水平，削减生产成本、掌握技术优势和加强经营战略，这也促使不锈钢的冶炼 工艺在不锈钢短暂的数十年发展历史中涌现出众多的冶炼方法和工艺流程【2 1 。 1 2 1 传统的不锈钢冶炼方法一a o d 法 a o d ( a r g o no x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ) 法即氩氧脱碳法，是在大气压力下向钢水吹氧 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的同时，吹入惰性气体，通过降低炭含量以实现脱碳保铬。1 9 5 4 年美国u c c 公司( u m o n c a r b i d ec o r p o r a t i o n ) 的克里夫斯( w k r i v s ) 开始研究这种方法，1 9 6 8 年在乔斯林钢公司 ( j o s l y ns t e e l ) 研制成功世界上第一台1 5 t a o d 炉。近几十年来，国内p b a o d 炉发展很快， 现己遍布世界各地。目前a o d 法仍然是冶炼不锈钢的主要方法。据统计，目前世界上约 有1 1 8 5 t a o d 炉1 5 5 台，其中1 2 在不锈钢厂，另夕1 , 1 2 在铸造厂【3 】。 1 a o d 法的优点： a o d 法与传统的电弧炉单炼法相比，a o d 法具有“三高 即产量高( 生产率大约是 v o d 法的1 5 倍) 、质量高、铬收得率高，还有“三低”即成本低、投资低、劳动强度低。 ( 1 ) 可用1 0 0 废不锈钢，或廉价的高碳铬铁及废普碳钢来配料，使原料中含铬量达 到成品规格要求，从而可省去绝大部分在采用电炉返回吹氧工艺时所必须补加的微碳铬 铁或金属铬，降低了原料成本。 ( 2 ) 采用电炉和a o d 炉双联法生产不锈钢时，电炉中只进行熔化和升温，因而生产 率可提高1 0 - - 1 5 。 ( 3 ) 与其它的不锈钢二次精炼法相比，a o d 法设备简单，基建投资少，在国外条件 下，约相当于v o d 法的1 3 。 ( 4 ) 过程控制比较简单。a o d 法可在大气下稀释脱碳，可以造渣、测温、取样，相 比之下要方便得多。此外与电炉返回吹氧法比较，a o d 法更易于冶炼超低碳不锈钢，且 可较稳定地实现过程自动控制。 ( 5 ) a o d 法冶炼的不锈钢，质量并不亚于电炉单炼，且钢中气体含量略有降低3 1 。 2 a o d 法的缺点 a o d 法虽然具有上述优点，但是仍存在一些问题，主要有： ( 1 ) 随着钢中碳含量的降低，钢中铬的烧损明显增加【3 1 。 ( 2 ) 在低碳区精炼阶段，其脱碳能力显著下降，而通过大量氩气使c o 分压降低的方 法可以达到降碳保铬的目的，但由于氩气消耗量大，因而操作费用较高2 1 。 1 2 2 现代的不锈钢冶炼法一v o d 法 1 v o d 法的诞生 不锈钢的真空吹氧精炼法，简称v o d 法( v a c u u mo x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ) 系联邦德 国魏登特殊钢厂( e d e l s t a h l w e r k ) 和标准迈索公司( s t a n d a r dm e s s o ) 于19 6 7 年共同研制成 功的，故有时又称为魏登法( w i t e n ) 。早在1 9 3 9 年w a c k e r 就提出专利，认为用感应炉熔 一2 4 3 ， 已-_-_l 东北大学硕士学位论文第一章绪论 化高碳铬铁，在大气下进行吹氧，能把钢中的碳降到1 5 而铬没有严重氧化损失。再继 续脱碳则铬会大量氧化，如果在【c 】小于0 4 5 时在减压下吹氧，则能降碳脱n o 0 6 。 尽管这个专利的设想已具有真空吹氧脱碳的雏形，但要投入工业生产是很困难的。因而 直到六十年代，当大抽气量的真空泵、透气砖吹氩搅拌钢液、优质耐火材料、以及气体 浓差电池定氧技术条件都具备后，v o d 法才得到问世。这种方法是向处在真空脱气罐内 钢包中的不锈钢钢水进行项吹氧和底吹氩搅拌精炼。v o d 精炼不锈钢的主要目的是降碳 保铬、成分微调优化、降低冶炼成本、提高冶金质量【3 1 。 2 v o d 法的特点 v o d 法的主要特点： ( 1 ) 降炭保铬效果好，通过控制真空度，可在铬基本不被氧化的情况下进行脱炭。脱 炭后用于还原渣中的c r , 0 3 的还原剂用量小。 ( 2 ) 由于是在钢包炉中精炼，精炼后不吸收n ：，这更适合冶炼超低氮的不锈钢。 3 v o d 法不锈钢冶炼现状和发展前景 v o d 法和a o d 法几乎是同时投入到工业应用的。在它们开始发展的前5 年，两者已建 的数目大致相当( a o d 法2 3 套，v o d 法2 2 套) 。但1 9 7 3 年以后，a o d 法发展迅速， 而v o d 法则发展相对迟缓。究其原因，显然是a o d 法原料适应性较强，投资及操作 费用较低廉。但近年来随着超低炭，氮含量的超纯铁素体不锈钢的优异抗蚀性能和加工 性能逐渐被人们认识，v o d 法作为可生产超纯不锈钢的精炼手段，正日益受到广大冶 金工作者的重视【3 1 。 1 2 3 其他不锈钢冶炼方法 1 s s - v o d ( s t r o n gs t i r r e d - v o d ) 该工艺是从钢包底部多个透气塞吹入大量心气，强烈搅拌熔池来冶炼超低【c 】、 n 】 不锈钢【1 1 。 2 v o d - p b ( v o d p o w d e rb l o w i n g ) 该工艺是在真空条件下向熔池吹粉状精炼剂( 如铁矿粉等) ，粉剂进入熔池后促进脱 c 】、脱 n 】反应进行。这种工艺有时也可以用h 2 代替粉剂从熔池吹入【i 】。 3 v c r ( v a c u u mc o n v e r t e rr e f i n e r ) 该工艺是在a o d 装置中附加真空机能，这样能节省高价的心气，同时使【c 】、u n 】 降得更低【。 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3v o d 炉控制特点及其控制现状 v o d 法冶炼不锈钢具有工艺过程复杂，使用设备多，环节多，影响被控对象的因 素多，被控对象本身具有不确定性和时变性的特点。这样的系统，如果采用人工手动控 制更会增加冶炼的难度，冶炼效果也并不会太好。 自动化仪器仪表的发展为v o d 冶炼提供了便捷、准确的操作手段，而二级计算机 系统的开发能帮助操作和科研人员准确地控制、记录冶炼过程，并及时进行炉次分析【4 】。 目前在真空冶炼的过程中，计算机能够进行整体控制，但在具体的工艺炉次判断上则还 是需要操作人员根据经验进行判断。 1 4 本文的主要工作 本文以安徽应流集团3 0 t v o d 炉为背景，主要研究了不锈钢的冶炼工艺，炉体组成 及计算机控制等问题。 第一章介绍了不锈钢的用途及发展前景，不同的冶炼方法，并重点阐述v o d 法。 第二章介绍v o d 方法的冶炼工艺，其中包括v o d 法的工艺原理，v o d 精炼炉的 结构，及冶炼的操作过程。第三章的主要对自动控制系统进行整体设计，根据工艺要求， 以及控制系统的设计参数，搭建了控制系统的硬件平台，并且对硬件进行组态。 第四章、第五章、第六章是本文的主要研究成果，采用模糊控制的方式对吹氧系统 中的氧气流量进行控制。在第四章中，介绍了模糊控制的基本理论，以及模糊控制器的 设计原理，并且根据吹氧控制的特点设计了控制氧气流量的模糊控制器。第五章介绍了 系统的整体程序设计，根据具体功能不同划分为以下几个方面，真空控制系统、罐盖车 控制系统、加料控制系统及氧枪控制系统。第六章介绍了整个控制器实际应用的控制效 果，实际运行的效果证明满足设计要求。在结论部分对在控制中存在的其他问题也进行 了讨论，提出了可以进一步研究的问题。 一4 一 j 东北大学硕士学位论文 第二章v o d 冶炼工艺 第二章v o d 冶炼工艺 2 1v o d 法的用途和特点 众所周知，在金属学中，钢和铁统称为铁碳合金。把含碳量少于0 0 0 6 的铁碳合金 称为工业纯铁，把含碳量在0 0 0 6 - - 2 0 6 之间的铁碳合金称为钢，把含碳量在2 0 6 。一6 6 7 之间的铁碳合金叫自口铁。通常所说的不锈钢一般系不锈钢和耐酸钢的总称， 其中不锈钢是指耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的钢，而耐酸钢是指耐酸、碱、盐等化 学侵蚀性介质腐蚀的钢。不锈钢与耐酸钢在合金化程度上有较大的差异。不锈钢虽然具 有不锈性，但并不一定耐，而耐酸钢一般则均具有不锈性。但上述两类钢有一个共同特 点，即钢中铬含量一般均在1 2 以上才具有不锈和耐蚀性能。因此降低钢水中炭含量， 提高铬含量成为冶炼不锈钢的关键因素川。 v o d 法( v a c u u mo x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ) 系联邦德国魏登特殊钢厂( e d e l s t a h l w e r k ) ， 和标准迈索公司( s t a n d a r dm e s s o ) 于1 9 6 7 年共同研制成功的，故有时又称为魏登法 ( w i t e n ) 。这种方法是向处在真空脱气罐内钢包中的不锈钢钢水进行顶吹氧和底吹氩搅拌j 精炼。其降炭保铬的效果较好，而且冶炼出的钢水中杂质较a o d 法要少，因此多用来 冶炼高品质钢【7 1 。 2 2v o d 法冶炼工艺原理 金属溶解气体是一种普遍现象，溶解气体的金属其性能往往会发生变化。现代冶金 中改善金属性能的重要措施之一就是在真空中使金属脱气，经脱气处理的金属不但在熔 铸时不会因放出气体影响金属锭的结构，而且还因为减少了晶粒边界的杂质，而能明显 提高金属的强度及若干物理性能【1 9 1 。 。v o d 法作为众多真空脱气法中的一种，通过向钢水中吹氧的办法达到降低钢水中 炭含量的作用。同时在真空条件下又能够使钢水脱气，达到提高金属性能的效果。 2 3v o d 精炼炉结构 v o d 精炼炉是采用v o d 法冶炼不锈钢的具体装置，其主要由真空炉体，罐盖车， 真空泵系统组成。 真空炉体是圆桶形的刚性焊接结构，其底部由一个冲压而成的半椭圆形封头构成。 内衬耐火材料。炉体上设有水冷密封法兰，底部装有漏钢用铝帽，当发生漏钢事故时， 一5 一y 东北大学硕士学位论文 第二章v o d 冶炼工艺 事故钢水沿罐体下部的事故流槽进人隔离式事故坑内，达到保护设备的目的。炉体底部 装有钢包吹氩用软管和快速接头【6 】。冶炼时将钢包吊入炉体中，盖上炉盖后进行抽真空 处理，使整个炉体内部保持高真空状态。同时底部吹氩系统对钢包中的钢水进行吹氩搅 拌，使钢水中的成分能够反应得更加均匀。炉盖则集中了冷却水系统、真空加料装置、 顶吹氧系统。罐盖上设有人工观察装置、电视摄像装置、真空加料装置、水冷氧枪装置、 一 各种管孔法兰、盖板及支架等。罐盖下方设有链条吊挂、封头状的防溅盖。在真空罐合 一 盖时位于钢包上部，以阻挡钢液飞溅及减缓温降。防溅盖须定期维护与更换，更换位即 。 为罐盖台车的待机位。罐盖与防溅盖间隙之间，设有盘管式水冷挡板，用于保护氧枪。 罐盖需冷却的部位有：罐盖法兰背部、氧枪孔、真空料斗接口法兰、人工窥视孔、t v 摄像孔、水冷挡板、吊装口等，均采用设备冷却水强制冷却。 图2 1v o d 炉基本结构 f i g2 1s t r u c t u r eo f t h ev o df u r n a c e 真空加料装置位于炉盖顶部，真空加料装置由真空料斗、真空锁、上部料斗翻盖、 卸料溜管及相应的管路、控制仪表、阀门等组成。真空加料为步进式加料机构，实现不 破坏罐内真空条件下向炉内加料。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第二章v o d 冶炼工艺 吹氧系统由氧枪装置和吹氧控制阀站、管线、支架等组成。其作用是将工作介质( 氧 气) 通过喷嘴产生超音速气流，并在真空条件下吹向钢液表面，从而达到吹氧脱碳的目 的。 2 4 冶炼操作过程 2 4 1 准备 检查各机械设备系统，确认其处于可工作状态：给电器控制柜，操作台，计算机供 电；检查真空罐口水槽，注水至没过密封圈；启动液压站，使其工作正常：检查罐盖车 是否在停车位，若不在停车位，开至停车位；打开真空泵水包进水总阀门，再打开各冷 凝器水阀；启动循环水冷却系统；打开氩气供气总阀；氧气供气总阀；将钢包掉入罐中， 将罐盖车开至工作位，落盖，开始吹氩搅拌。 2 4 2 抽真空 抽真空过程主要通过真空泵的工作，使得罐内的真空度达到要求。本真空系统确定 为五级喷射泵系统( - - 级增压器+ 二级喷射器) 。炼钢废气从v o d 真空罐抽至气体冷却除 尘器，气体经冷却粗除尘器和精除尘器后进入真空泵。主泵f 1 4 ( b l + b 2 + b 3 + e 4 a + e 5 a ) 组成： 辅泵眭l ( e 4 b + e 5 b ) 组成，辅泵( e 4 b + e 5 b ) 与主泵的喷射泵( e 4 a + e 5 a ) 并联，组成变量泵机组。 其中b l 、b 2 、b 3 表示一级泵、二级泵和三级泵；e 4 a 、e 5 a 、e 4 b 、e 5 b 表示四级主泵， 辅泵；五级主泵，辅泵。同时为了提高真空系统的启动速度，设计了启动泵( e c ) 。冷凝 器的作用是将前级泵排出的蒸汽冷凝成水以提高后级喷射泵的效率。抽真空的步骤如下 所示： ( 1 ) 依次打开五级主泵阀、五级辅泵阀、启动泵阀。 ( 2 ) 当真空度达到3 2 k p a 时，关启动泵阀，开四级主泵阀、四级辅泵阀。 ( 3 ) 当真空度达到8 k p a 时，依次关真空泵切换阀、四级辅泵阀、五级辅泵阀、辅冷 凝器进水阀，依次开一冷上进水阀、一冷下进水阀、三级泵阀。 ( 4 ) 当真空度达到2 2 k p a 时，开二级泵阀。当真空度达到4 8 0 p a 时，开一级泵阀、 一级泵保温阀。当真空度达到要求6 7 p a 时系统保持真空。 2 4 3 吹氩 氩气系统是钢包底吹氩供气控制、调节系统。由氩气控制阀站和气体输送管线组成。 正常吹氩是通过氩气控制回路、透气砖来实现钢包底吹氩，对钢水进行搅拌，以提高钢 一7 一 东北大学硕士学位论文 、 第二章v o d 冶炼工艺 水冶金动力学功能，促进钢渣上浮，提高冶炼效果。事故支路的高压开吹，其主要用于 当开始吹氩出现异常，正常使用的氩气压力不能满足要求时，用事故支路的高压氩气压 力开吹，吹开后，再转入正常支路吹氩。 2 4 4 吹氧 图2 2 吹氧过程中气液反应区示意图 f i g2 2s c h e m a t i cd r a w i n go fr e a c t i o nz o n e si no x y g e ns t a g e 吹氧是整个冶炼过程的重要组成部分，是降低钢水中炭含量的重要环节。主要由水 冷氧枪实现对钢水的吹氧操作。水冷氧枪位于炉体顶部，采用单孑l 拉瓦尔喷嘴、外层为 水冷方式的结构。吹氧控制阀用于自动调节氧气流量、压力和流量检测，以及自动断氧、 过滤阻燃、事故断水与冷却水流量、温度、压力的检测。 当真空度达到3 2 k p a 时开始进行吹氧操作。用操作台的控制按钮使氧枪下降到指定 高度，打开氧气通路开关。虽然氧气给定压力不变，但随着炉内真空度的变化并不能保 证吹氧控制阀两边的压力差不变，因此造成流量的变化，这就需要通过改变阀门的开度 来对流量进行调整，另外由于冶炼不同钢种的具体工艺的不同要求，吹氧流量也会经常 修改，同样也需要调整阀门开度。在本次工程中为了防止在吹氧时钢液飞溅，在刚刚开 始吹氧时，氧气流量不会很大。此时钢液处于剧烈活动期，随着抽真空的进行，钢液逐 渐稳定，这时根据工艺的要求加大氧气的流量，使氧气与钢水中的炭充分反应。 氧气吹入炉体内后会在钢液表面产生一个冲击坑，化学反应主要发生在冲击坑表面 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章v o d 冶炼工艺 的以下两个区域内：m gz o n e ，即顶吹氧气射流所产生的冲击坑界面；m sz o n e ， 即炉内的渣金界面【l 】。在冲击坑的气液界面发生的反应为： f 】+ p 】一( 幻) ( 2 1 ) 式中，i 为c ，c p ，s i ，m n ，f e 。随着冶炼脱碳的进行，炭的浓度降低，炭在钢液中 传质速度减小，此时渣金界面主要发生如下脱碳反应【1 1 ： 、 ( c r 2 0 3 ) + 3 【c 】= 2 c r l + 3 c 0 】( 2 2 ) 当通过流量计以及气体分析判断吹氧结束后，关闭氧气通路和吹氧控制阀门，将氧 枪上升到顶端，整个吹氧操作结束。 2 4 5 加料 合金加料装置由真空料斗、加料平衡阀、加料放气阀、上部料斗翻盖、卸料溜管及 相应的管路、控制仪表、阀门等组成。真空加料为步进式加料机构，实现不破坏罐内真 空条件下向炉内加料。 合金加料装置安装在真空罐盖的支架上，并随罐盖一起上下运动。上部真空翻盖及 真空料斗的启闭由气缸实现。加料前，关闭真空料斗，打开上部翻盖，旋转溜槽向上料 斗加载合金料；加料后，关闭翻盖，上料斗通过三通阀控制与真空罐连通，上下料斗真 空平衡后打开真空料斗，合金料加入至钢液中。之后，关闭真空料斗，三通阀将上料斗 与大气相连，等待下一次加载合金料。至此，一个加料过程完毕。 根据工艺需要，钢液处理过程允许多次批料添加。 2 4 6 破空 所谓破空就是将真空状态恢复到常压状态，是真空冶炼结束时必不可少的关键步 骤。在破空时为了减小空气对金属的影响，一般都先将惰性气体( 多采用2 ) 吹入真空罐 中，等待压力恢复到相应的水平后在吹入氧气。具体操作步骤如下： ( 1 ) 钢液处理结束后，关主真空截止阀，开氮气破空阀。 ( 2 ) 当真空度达到2 k p a 时，关氮气破空阀，打开空气压破空阀。 ( 3 ) 当罐内压力达到大气压时，开盖吊包。停泵，依次关一级泵，一级泵保温阀， 二级泵阀，三级泵阀，四级主泵阀，五级主泵阀、一冷上进水阀、一冷下进水 阀、总进水阀。 2 4 7 喂丝，冶炼结束 当破空结束后，恢复到常压状态，将罐盖吊起，加入所要添加的其他金属，之后吊 - - 9 - - 东北大学硕士学位论文第二章v o d 冶炼工艺 包出炉，此次冶炼结束。 2 5v o d 冶炼过程中主要控制参数及其工艺要求 1 影响因素 在冶炼过程中很多因素会影响到最终的冶炼效果，其中最重要的两个就是真空度是 以及吹氧过程的氧气流量。当漏气或者真空泵能力不足时，真空度不能达到工艺要求， 因此钢水中必然存在气泡以及残留的杂质，钢水的脱气效果不好。此外，如果吹氧过程 中氧气的流量没有达到相应的要求，在钢水表面不会形成满足要求的气体冲击坑，钢水 中的炭与氧气反应不充分，使得最终炭的含量达不到要求，不能达到降炭保铬的目的， 从而影响了最终成品不锈钢的抗腐蚀性。影响氧气流量的因素很多，包括氧气供给的压 力，真空罐内的压力以及氧气阀门的开度等。另外，由于冶炼过程中使用设备多，功能 多，从而容易发生设备之间配合不当、信号混乱的问题，影响到最终冶炼的效果。 2 解决方案 基于以上工艺要求，本文选择真空度和氧气流量作为主要的被控参数。通过对这两 个参数的控制，可以取得较为理想的控制效果。 根据冶炼的经验和炉体的大小以及所选择的真空泵的功率，必须满足真空罐内的极 限真空度达到l o o p a 以下。针对该特点，在设计方案时，采用根据真空度的变化将不同 等级的真空泵分别启动的方案。使得每组真空泵能够在最短的时间内发挥其最大的能 力，且不互相干扰，保证了冶炼过程具有较好的真空度。 氧气流量是是影响到最终冶炼效果的另一个重要因素。由于吹氧系统本身具有很强 的时变性，同时对快速性要求也很高，针对系统这一特点，为了保证氧气流量满足工艺 要求，在设计时采用模糊控制作为氧气流量的控制算法。通过实际调试中得到的经验， 总结出有效的模糊控制规则，再输入计算机进行运算，最终形成模糊决策，将控制量输 出执行机构。在实际应用中，氧气流量满足要求，输出稳定，钢水脱碳效率达到工艺要 求。 此外针对冶炼中设备多，功能杂的特点，在设计时采用对各功能单独设计、总体调 用的方法，使其能够独立工作，互不干扰。最终系统连续运行的效果表明，以上的设计 都满足了工艺的要求，系统运行稳定，产品质量达到工艺标准。 一1 0 一 东北大学硕士学位论文 第三章自动控制系统的总体设计 第三章自动控制系统的总体设计 3 1 总体设计参数 根据上面的分析，以及电气设计上的需要，得到以下主要工艺参数，根据这些参数 及现场的要求对整个控制系统进行设计。 表3 13 0 t v o d 炉主要性能参数 t a b l e3 1p a r a m e t e ro f t h e3 0 tv o df u r n a c e 参数数值 钢包额定容量t 钢包直径m m 钢包高度m m 变压器额定容量k v a 电极直径m m 钢包自由空间m m 电极分布圆直径m m 钢水升温速度r a i n 真空罐直径m m 真空罐高度m m 真空罐盖直径m m 吹氩压力m p a 氩气流量l m i n 真空抽气能力k e g h 工作极限真空度p a 抽空时间m i n v o d 处理周期m i n 供氧设备技术参数 供氧压力 1 2m p a ( 调节范围：o 7 1 2m p a ) 供氧强度m a x0 5 4n m 3 m i n t 氧气流量 m a x 1 2 0 0n m 3 h ( 调节范围：6 0 0 - - 1 2 0 0 n m 3 h ) 3 2 系统开发平台 3 2 1 计算机控制系统 一1 l 一 0 0 o ) o ) 5 0 o o ， 旧 9 如 姗 姗 姗 姗 姗 姗 ： 彻 删 舢 抛 一 6 一 东北大学硕士学位论文第三章自动控制系统的总体设计 对v o d 炉顶吹氧系统进行设计时，采用以p l c 进行底层控制，通过p r o f i b u s 网络与上位机进行通讯，通过上位机对系统进行监控。这种设计方案具有数据自动采集 快速而准确，对吹氧系统重要工艺参数如氧枪的位置、氧气压力、流量，v o d 炉内真 空度，冷却水温度等进行监控及报警。对吹氧系统的参数进行记录，生成实时和历史趋 势曲线。操作人员在监控室对吹氧系统流量的调节。显示系统采用液晶显示，能显示表 格，曲线和实时数据，具有抗电磁干扰能力。 系统硬件包括下位机p l c ，上位工控机，测温仪表，流量测试仪，控制氧枪升降的 矢量控制变频器。系统的控制框图如图3 1 所示。p l c 通过模拟量模块采集仪表的信息， 再通过p r o f i b u s 与工控机进行通信。p l c 由各种模块组成，其中主要有c p u ，模拟量 输入模块，模拟量输出模块，开关量输入模块，开关量输出模块，高速计数模块组成。 上位机采用工业控制计算机，其配置为p i v c u p ，2 8 g h z 主频，5 1 2 m b 内存，6 4 m 显卡，1 2 0 g 硬盘，1 7 ”液晶显示器。两个u s b 接口，一个1 4 4 m b 软驱，并配置h p s l 0 0 打印机。系统软件工作平台为w i n d o w s 2 0 0 0 ，p l c 编程软件为s i e m e n s 公司的s t e p 7 ， 监控软件为s i e m e n s 公司的w i n c c 6 2 。 接入现场设备 图3 1 系统控制框图 f i g3 1s t r u c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m 3 2 2 控制系统的硬件平台 西门子的s 7 3 0 0 系列p l c 是德国西门子公司生产的模块化中小型p l c 系统，能满 足中等系统的应用。该系统具有大范围的功能化模块可以非常好的满足和适应自动控制 一1 2 一 计