一种炼钢厂RH精炼设备自动控制系统

摘要

本发明提供了一种炼钢厂RH精炼设备自动控制系统，包括：参数采集输入模块、脱碳控制模块、合金加入模块、温度控制模块和终端控制模块；其中，参数采集输入模块用于获取或输入钢水初始和目标数据；脱碳控制模块用于根据钢水初始和目标数据中的碳含量配置脱碳处理时间和脱碳吹氧量参数；合金加入模块用于根据接收的钢水初始和目标数据配置合金加入量以及钢水酸熔铝量参数；温度控制模块用于根据接收的钢水初始、目标数据和合金加入量参数配置升温吹氧量、升温加铝量或废钢加入量参数；终端控制模块用于接收上述各模块配置的参数，根据接收的参数配置控制指令，并分别发送至RH精炼设备的氧枪系统、真空泵系统和合金系统。

说明书

技术领域

本发明涉及控制技术领域，具体涉及一种炼钢厂RH精炼设备自动控制系统。

背景技术

真空精炼是目前钢铁生产中普遍采用的精炼手段，可以生产出高纯净度的优质钢种，满足社会发展对钢材性能的要求。目前，RH精炼技术已经从原来单一的脱气发展到脱碳，均匀钢水温度和成分，脱硫，脱磷等多功能炉外精炼技术，成为很多高品质钢种冶炼必不可少的精炼工序。由于RH精炼中高温冶金反应发生在密闭的真空室内，过程相当复杂，涉及流动、传热和复杂反应等过程，人们对它的认识相当困难，对于精炼过程中的反应机理、反应行为、反应过程都只能通过分析，估计来判断。而目前对这种精炼过程的分析和判断都主要是依靠人工操作，尤其是在RH吹氧脱碳和合金化冶炼过程需要每隔一个时间段取样测温分析再确定操作过程来调节钢液成分，温度，这种人工操作既繁琐，又不准确，而且不利于降低成本，已经不能满足现在炼钢的要求了。

与国外先进的生产和研究水平相比，我国在RH过程控制模拟开发和应用上还有不小的差距，且基本上没有属于自己的RH精炼模拟控制成套的技术。而在实际生产中，从国外直接购买的与设备相配套的过程控制工艺模拟软件非常昂贵，同时存在与具体的RH精炼设备的配合问题，配合不好反而影响精炼过程。且随着精炼水平的不断进步，生产工艺和原材料水平不断发生变化，使引进模型的调整相对困难。近年来这些问题引起了越来越多冶金工作者的高度重视，认识到结合国内实际生产工艺开发出经济适用的预测模拟软件就显得尤为迫切，特别是在线控制技术，而解决这些问题对提高我国RH精炼水平和促进炼钢技术发展将产生重要的意义。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种炼钢厂RH精炼设备自动控制系统，以进行RH精炼设备的预测模拟和自动控制。

为了解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：

一种炼钢厂RH精炼设备自动控制系统，包括：

参数采集输入模块、脱碳控制模块、合金加入模块、温度控制模块和终端控制模块；其中，

所述参数采集输入模块用于通过传感器获取钢水初始数据，以及接收或基于查表获取的钢水目标数据；

所述脱碳控制模块连接参数采集输入模块，用于根据钢水初始数据和钢水目标数据中的碳含量配置脱碳处理时间和脱碳吹氧量参数；

所述合金加入模块连接参数采集输入模块，用于根据接收的钢水初始数据和钢水目标数据配置合金加入量以及钢水酸熔铝量参数；

所述温度控制模块连接参数采集输入模块和合金加入模块，用于根据接收的钢水初始数据、钢水目标数据和合金加入量参数配置升温吹氧量、升温加铝量或废钢加入量参数；

所述终端控制模块分别连接脱碳控制模块、合金加入模块和温度控制模块，用于接收上述各模块配置的参数，根据接收的参数配置控制指令，并分别发送至RH精炼设备的氧枪系统、真空泵系统和合金系统。

进一步的，所述参数采集输入模块包括取样单元、钢种信息输入单元、脱碳参数输入单元、温控参数输入单元和钢水成分输入单元。

进一步的，所述钢水初始数据包括钢种信息、钢水初始成分、初始温度、钢水初始碳浓度、钢水初始氧浓度及初始重量，所述钢水目标数据包括钢水目标成分、目标温度、钢水目标碳浓度、脱碳结束后钢液游离氧浓度及目标重量。

进一步的，所述脱碳控制模块包括：

模式选择单元，用于基于钢种信息选择泵模式；

强制吹氧判断单元，用于根据接收的钢水初始数据和预设算法判断是否强制吹氧脱碳；

脱碳处理时间计算单元，用于根据预设算法计算脱碳处理时间；

以及脱碳吹氧量计算单元，用于根据预设算法计算脱碳吹氧量。

进一步的，所述温度控制模块包括：

预报温度计算单元，用于根据接收的钢水初始数据、钢水目标数据和合金加入量参数计算预报温度并与目标温度比较；

升温吹氧量计算单元，用于当预报温度小于等于目标温度时根据预设算法计算升温吹氧量；

升温加铝量计算单元，用于当预报温度小于等于目标温度时根据预设算法计算升温加铝量；

以及废钢加入量计算单元，用于当预报温度大于目标温度时根据预设算法计算废钢加入量。

进一步的，所述终端控制模块包括：

总吹氧量计算单元，用于根据接收的脱碳吹氧量和升温吹氧量参数计算总吹氧量；

总铝丸加入量计算单元，用于根据接收的升温吹氧量、升温加铝量及钢水酸熔铝量参数计算总铝丸加入量；

指令配置单元，用于根据接收的总吹氧量、脱碳处理时间、废钢加入量参数及泵模式配置脱碳处理指令，并于脱碳结束后配置保持时间和加铝指令，以及于加铝结束后根据接收的合金加入量参数配置合金加入指令；

以及指令发送单元，用于向RH精炼设备的氧枪系统、真空泵系统和合金系统发送所述指令配置单元配置的指令。

本发明的有益效果：能够基于通过传感器检测或由工作人员输入的钢水初始数据和钢水目标数据，以及工艺过程中的中间检测/输入数据，实现RH精炼过程中各个工艺控制参数的计算/模拟，以及相关控制指令的生成，从而实现RH精炼设备的高效预测模拟和自动控制，大大提高了模拟和生产效率，具有良好的经济效益。

附图说明

图1为RH精炼设备的组成示意图。

图2为本发明的控制系统组成示意图。

图3为本发明控制系统实施例的单元模块组成及连接示意图。

图4为本发明控制系统实施例的控制流程示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

如图1所示为RH精炼设备的组成示意图，其包括钢包1，真空室2以及氧枪系统3，真空泵系统4和合金系统5，其中氧枪系统3包括氧枪31、冷却水单元32和配气单元33，合金系统5包括合金料仓51和称重52等。由于RH精炼设备的具体结构和组成已为本领域技术人员所熟知，故在此不作详细说明。

如图2所示，本发明提供了一种炼钢厂RH精炼设备自动控制系统，该控制系统包括：

参数采集输入模块、脱碳控制模块、合金加入模块、温度控制模块和终端控制模块；其中，

参数采集输入模块用于通过传感器获取钢水初始数据，以及接收或基于查表获取的钢水目标数据；

脱碳控制模块连接参数采集输入模块，用于根据钢水初始数据和钢水目标数据中的碳含量配置脱碳处理时间和脱碳吹氧量参数；

合金加入模块连接参数采集输入模块，用于根据接收的钢水初始数据和钢水目标数据配置合金加入量以及钢水酸熔铝量参数；

温度控制模块连接参数采集输入模块和合金加入模块，用于根据接收的钢水初始数据、钢水目标数据和合金加入量参数配置升温吹氧量、升温加铝量或废钢加入量参数；

终端控制模块分别连接脱碳控制模块、合金加入模块和温度控制模块，用于接收上述各模块配置的参数，根据接收的参数配置控制指令，并分别发送至RH精炼设备的氧枪系统、真空泵系统和合金系统。

如附图3所示为本发明控制系统实施例的单元模块组成及连接示意图，下面结合如图4所示的流程示意图对本发明的控制系统作进一步详细说明。

作为优选实施方式，参数采集输入模块包括取样单元、钢种信息输入单元、脱碳参数输入单元、温控参数输入单元和钢水成分输入单元，其获取、接收或查询得到的钢水初始数据包括钢种信息、钢水初始成分Sj、初始温度T₀、钢水初始碳浓度[C]₀、钢水初始氧浓度[O]₀及初始重量，钢水目标数据包括钢水目标成分、目标温度T_目标、钢水目标碳浓度[C]_aim、脱碳结束后钢液游离氧浓度[O]_end及目标重量W_steel等。

其中，初始温度T₀和钢水初始氧浓度[O]₀由取样测量获得，钢种信息、钢水初始成分Sj和钢水初始碳浓度[C]₀由查询质检表获取，钢水目标数据由操作人员根据相关要求输入。

作为优选实施方式，脱碳控制模块包括：

模式选择单元，用于基于钢种信息选择泵模式。具体可根据下表进行选择：

表0脱碳模型公式系数

强制吹氧判断单元，用于根据接收的钢水初始数据和预设算法判断是否强制吹氧脱碳；此处预设算法可选为：

如果：[O]₀≥([C]₀-[C]_aim)×1.33+[O]_end式(1)

则不吹氧；否则，吹氧。

脱碳吹氧量计算单元，用于根据预设算法计算脱碳吹氧量；此处预设算法可选为：

其中，为强制脱碳需要吹氧量，β为吹氧效率参数。

以及脱碳处理时间计算单元，用于根据预设算法计算脱碳处理时间；此处预设算法可选为：

[C]_t＝[C]₀exp(-k_c·t_脱碳时间)式(3)

其中，[C]_t为t时刻钢液的碳浓度，k_c为脱碳速度常数，

t_脱碳时间＝k_c^-1ln([C]₀/[C]_aim)式(3-1)

作为优选实施方式，温度控制模块包括：

预报温度计算单元，用于根据接收的钢水初始数据、钢水目标数据和合金加入量参数计算预报温度并与目标温度比较；其中预报温度可选为通过下式计算：

T_预报＝T₀+T_DEO+T_DEC+T_ALLOY+T_VAC+T_LADLE式(4)

其中，TDEO为氧脱碳温度变化，T_DEC＝([C]₀-[C]_aim)×K_co，Kco为每100ppm的C造成的温度变化；T_DEC为铝脱氧温度变化，T_DEO＝[O]_end×q_Al-o/100，q_Al-o为

每脱100ppm的O造成的温度变化；T_ALLOY为合金加入造成的温降(不包括铝丸)，TALLOY＝∑(W_j×K_j)/1000，W_j为加入合金量，K_j为合金的温降系数；TVAC为真空

室状态造成温降，统计分析炼钢厂不同真空情况，给出人工设定值，一般取值2-3℃，T_LADLE为钢水罐自然温降，T_LADLE＝K_LADLE×t_处理时间，K_LADLE为钢包温降系数，t_处理时间为RH处理时间。

废钢加入量计算单元，用于当预报温度大于目标温度，即T_预报＞T_目标时根据预设算法计算废钢加入量；此处预设算法可选为：

W_废钢＝[(T_目标-T_预报)×1000]/K_SCARP式(5)

其中K_SCARP为洁净废钢温降系数。

升温吹氧量计算单元，用于当预报温度小于等于目标温度即T_预报≤T_目标时，根据预设算法计算升温吹氧量；此处预设算法可选为：

其中，q_o2为吹1m³O₂钢液温度变化参数。

以及，升温加铝量计算单元，用于当预报温度小于等于目标温度即T_预报≤T_目标时，根据预设算法计算升温加铝量；此处预设算法可选为：

作为优选实施方式，终端控制模块包括：

总吹氧量计算单元，用于根据接收的脱碳吹氧量和升温吹氧量参数计算总吹氧量：

总铝丸加入量计算单元，用于根据接收的升温吹氧量、升温加铝量及钢水酸熔铝量参数计算总铝丸加入量；可选为通过下式计算：

W_AL＝W_S-AL+W_DE-AL+W_Als-0.15W_TiFe式(10)

其中，W_DE-AL为脱氧剂加铝量，

W_DE-AL＝1.127×10^-3[O]_end×W_steel式(8)

W_Als为钢水酸熔铝量，

W_ALs＝(M_Als-S_Als)×W_steel×1000式(9)

M_Als为钢水目标Al含量，S_Als为钢水初始Al含量，W_TiFe为钛铁合金计算量。

另外，合金加入模块计算合金加入量时，必须根据冶炼钢种标准对相关元素进行目标值设定，并且知道到站样和前一道工序结束样成分；合金加入量计算公式可选为：

W_j＝(M_i-S_i)×W_steel×1000/(η_i-j×￡_j)式(11)

其中，M_i为钢水元素目标值，S_i为钢水元素初始值，η_i-j为合金成分含量，可通过合金成分表1查询得到，￡_j为合金收得率，可通过合金元素收得率表2查询得到。

表1合金成分表

表2合金元素收得率表

合金SiAlTiCa收得率符号收得率％低碳硅铁76￡_FeSi97增碳剂￡_C96金属锰￡_M-Mn98低碳锰￡_LC-Mn96中碳锰￡_MC-Mn94铝丸99￡_AL96钛铁60￡_FeTi94低碳铬铁￡_LC-CrFe92磷铁￡_P-Fe90硼铁￡_B-Fe85

最后，终端控制模块还包括：

指令配置单元，用于根据接收的总吹氧量、脱碳处理时间、废钢加入量参数及泵模式配置脱碳处理指令，并于脱碳结束后配置保持时间和加铝指令，以及于加铝结束后根据接收的合金加入量参数配置合金加入指令；

以及指令发送单元，用于向RH精炼设备的氧枪系统、真空泵系统和合金系统发送指令配置单元配置的指令，以控制RH精炼设备完成吹氧、脱碳及各种合金加入操作。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。