冶金生产工业自动化综述

1、冶金工业自动化技术发展综述前言：我们复兴的伟大目标，2020年我国实现GDP翻两番。钢铁材料必定成为我国社会经济发展的必选材料。钢铁工业的健康持续发展是我国GDP翻两番和实现新型工业化的重要支撑条件。在强劲市场需求的推动下，近年来我国钢产量以超过20的增幅高速增长，2003年达2.234亿吨，连续8年位居世界第一。我国已成为全球最大的钢铁生产国和消费国，钢铁业高速发展也造成了我国能源紧张，制约了钢铁工业的持续发展。我国钢铁行业消耗的能源占整个工业总量的10，能源消耗比发达国家高15%20%，节能不仅是企业降低成本、提高产品市场竞争力的重要途径，更是企业必须承担的促进全社会资源永续利用的重要责任

2、，也是促进企业以及整个国民经济可持续发展的永恒主题，因此，利用冶金自动化系统做好钢铁业的节能工作对我国经济和社会的可持续发展具有十分重要的意义。 中国冶金自动化产业伴随着现代化钢铁工业的发展而发展。就首钢而言，从1919年成立至今已经九十年了，前四十年受历史时代的影响，首钢冶金自动化工作几乎没有发展，从1959年算起，水银整流器、直流调速装置等开始应用于钢铁生产，这也标志着首钢自动化应用开始走入人们的视野。1. 冶金自动加热控制技术 加热炉是热轧厂内不可缺少的设备，其工作状态将对热轧产品质量和生产成本产生直接的影响。目前尽管整体上国内冶金企业中加热炉的自动控制水平已有很大提高，但仍有一定数量的

3、加热炉的控制水平比较落后，难以保证钢坯的加热质量，同时还造成燃料浪费及烟气污染环境等问题。为解决这些问题提高加热炉的控制水平，必须加速自动化加热控制技术的应用与更新。2.1 DCS 系统在冶金加热炉中的应用DCS( Distributed Control System) 系统是一种在功能上分散, 管理上集中的新型控制系统, 与常规仪表相比具有可靠性高, 控制功能丰富, 自动化整体性能好等优点。随着微电子技术的发展, DCS 系统的控制功能更加完善。DCS 双交叉温度控制系统用于冶金加热炉燃烧控制, 较好地解决了传统温度控制燃料热损失大、热效率低、环境污染严重的缺点, 提高了劳动生产率、降低了能

4、源消耗, 极大地提高了生产的自动化水平和管理水平。 图1 表示出了以重油为燃料的轧钢加热炉燃烧过程中空气过剩系数、热损失和燃烧效率关系。 图2 为改进型双交叉调节原理图。这种改进型双交叉调节原理是在双交叉调节的基础上, 为克服双交叉调节系统响应速度慢的缺点而采取的一项改进措施。 2.2 集散控制系统在连续式加热炉中的应用 为实现控制分散、危险分散、操作与管理集中的目的，系统采用集散控制方式。根据加热炉结构，控制系统由一台管理监控计算机MC 和若干台智能数字控制器SDC 组成。 管理监控计算机可对控制系统中各项控制参数及加热炉的各项过程参数进行管理，操作和监视。通过各种外设提供的与炉内各段温度、

5、燃料流量及空气流量有关的数据、图像、曲线、报表等资料为操作人员实时掌握炉内燃烧状态并进行正确的操作提供了依据，同时为生产管理人员统计分析加热炉的生产技术指标带来极大的方便。 各台 SDC 通过组合形成加热炉内各加热段和均热段的温度自动控制系统。为提高系统的动、静态指标和抗干扰能力，各段控制均采用双闭环结构。内环由两个并行的回路组成，即燃料流量调节回路和空气流量调节回路，分别对燃料流量和空气流量进行控制外环为温度环实现对炉内各段温度的控制，从而保证各段的温控精度及升降温速度。由于内环的调节作用使系统对燃料流量与空气流量的波动有较强的抑制作用，从而大大减小了由于二者的波动而引起的温度波动，提高了系

6、统的温控精度及抗干扰能力。3.对冶金系统转炉、连铸、连轧机的基础自动化和过程自动化控制系统3.1 转炉自动化控制系统氧气转炉冶炼周期短、产量高、反应复杂，但用人工控制钢水终点温度和含碳量的命中率不高，精度也较差。为了充分发挥氧气转炉快速冶炼的优越性，提高产量和质量，降低能耗和原料消耗，需要完善的自动化系统对它进行控制。典型的氧气转炉自动化系统由过程控制计算机、微型计算机和各种自动检测仪表、电子称量装置等部分组成。按设备配置和工艺流程分为供氧系统，主、副原料系统，副枪系统，煤气回收系统，成分分析系统和计算机测控系统。转炉基础自动化系统的控制范围包括：散状料、转炉本体、汽化冷却、烟气净化及风机房五

7、部分。有些大型的转炉自动化系统除了有转炉本身的控制系统外，还包括有铁水预处理系统、钢水脱气处理系统和铸锭控制系统等。3.2 连铸自动化连铸自动控制系统主要由生产管理级计算机、过程控制级计算机、设备控制计算机、各种自动检测仪表和液压装置等组成。它能完成7种控制功能：中间罐和结晶器液面控制；结晶器保护渣装入量控制；二次冷却水控制；拉坯速度控制；铸坯最佳切割长度控制；铸坯跟踪和运行控制；连铸机的自动起铸和停止控制。3.3 连轧机控制系统随着人们对产品质量和产量的要求日益提高，如轧制每卷重45吨的冷连轧薄带钢卷，要求厚度公差为±（550）微米，冷连轧机最高轧速达40米秒以上，热连轧年产量达

8、500万吨以上，冷连轧年产达100万吨以上，对连轧机控制系统提出了更高的要求。图6为5机架冷连轧机利用17台计算机组成集散控制系统，在主控制台的控制下，分为过程监控、操作监控和设备监控三级，包括各种自动检测仪表、电子装置、液压装置等组成的局部控制系统。按功能来分，整套轧机控制系统分为速度调节系统、压下位置控制系统、轧制力调节系统、张力调节系统、厚度调节系统，以及自动制动系统、弯辊数字控制系统、板型控制系统、侧导板自动控制系统、自动换辊系统、进出料自动控制系统等。从上卷、穿带、轧制参数设定直到轧制厚度控制和数据记录打印等已全部实现自动化。4.水资源自动循环利用与分析技术4.1 炼钢RH 精炼装置

9、循环水系统 梅钢一炼钢2 号RH 精炼装置软水闭路循环水系统主要为RH 精炼装置的顶枪、预热枪、真空槽、气冷器、液压站等主体设备提供冷却水，水质为软水，水量为250 m3 /h，供水压力1. 0 MPa。经上述设备使用后的水仅提高了水温，循环冷却回水利用余压经过蒸发空气冷却器冷却，冷却后的水通过3 台循环供水泵( 二用一备) 加压后送用户使用。蒸发空气冷却器自带喷淋泵和风机，自成喷淋循环水系统。整个闭路循环水系统补水量为8 m3 /h，通过两台补水泵( 一用一备) 向循环供水泵吸水管内补充软水。为确保系统的的水质稳定，系统中设置自动加药装置，给系统投加缓蚀剂。 顶枪、预热枪、真空槽、气冷器等设

10、备事故用水的水质、水压要求均不同。真空槽、气体冷却器事故用水要求: 水质为生产新水、压力0. 3 MPa、水量70 m3 /h，这部分事故水采用室外生产新水管网直接供水方式，接管管径为150 mm，停电时迅速打开管路气动阀即可安全供水。顶枪、预热枪事故用水要求: 水质为软水、压力0. 3 MPa、水量为80m3 /h，这部分事故水采用安全水箱的供水方式，此水箱既作为安全水箱又作为系统的稳压水箱，水箱设置高度40 m，有效容积45 m3，其中35 m3 作为事故状态30 min 用水，5 m3 作为闭路系统水量膨胀变化用水，停电时迅速打开管路气动阀即可安全供水。事故水箱一般设置在室外水处理区域，

11、本工程事故水箱设置在2 号RH 精炼装置的加料及抽真空系统主厂房屋顶( 标高40 m) 上。4.2浊循环水系统例如，梅钢一炼钢2 号RH 精炼装置浊循环水系统主要为其蒸汽冷凝器提供冷却水，冷却水经过冷凝器后温升16 ，悬浮物( SS) 平均增加量为70mg /L。本系统循环供水量为1 400 m3 /h，回水量1 430 m3 /h( 含30 m3 /h 蒸汽冷凝水) 。冷凝器回水通过直径700 mm 回水管从主厂房重力流至室外浊循环水系统热水池，热水池的水经上塔扬送泵组送冷却塔冷却，冷却后的水回冷水池，再通过系统供水泵组送至冷凝器。为满足用户对水质的要求，系统设置2 台处理能力为800 m3

12、 /h 的高速过滤器进行全过滤。为减少冷却塔水池中的细菌和藻类，在浊循环水泵房内设置1 套加药装置。4.3 水仪表 水处理系统所用的仪表大致可以分为两大类: 一类属于检测生产过程物理参数的仪表，如检测温度、压力、液位、流量的热电阻、压力变送器、液位变送器和流量计; 另一类属于检测水质的分析仪表，如检测水的浊度、酸碱度、电导率的浊度仪、pH 仪和电导率仪以及检测有机碳和氧化还原的TOC 计和ORP 计。 例如，ORP( Oxidation-Reduction Potential) 计是测量氧化还原电位差的仪表。氧化还原电位能帮助我们了解水体中存在什么样的氧化物质或还原物质及其存在量，是水体的综合

13、指标之一。氧化还原电位差是一个物质与另一个物质产生反应作用时吸收电子而产生的电位差，氧化还原电位可用能斯特方程式表示:Eh = Eh0 + ( 2. 303RT /nF) × log( Ox /Red)式中，Eh0为标准电极电位; Ox为氧化物溶液的浓度; Red为还原物溶液的法与pH 计相同: 比较被测量液中金属电极( 金或铂) 电位与比较电极电位的电位差。目前冷轧废水区域有两台美国德菲公司产品，型号为T23-ORP /A-Vm 的ORP 分析仪用来测量含铬废水。5.大型物料输送自动控制系统 举例介绍中冶京诚自主集成的大型物料输送自动控制系统及在秦皇岛港煤五期项目中的应用，在硬件配

14、置、软件设计、算法研究与应用等几个方面对系统组成进行了详细的阐述，实际的生产运行情况证明了该系统设计的先进性和稳定性。 秦皇岛港煤五期工程自动控制系统主要由现场安全检测元件( 拉线开关、跑偏开关、撕裂开关、堵塞开关、料流开关、欠速开关、温度开关等) 、控制单元( PLC) 、监控系统构成。主要包括: 胶带机流程控制系统、大机控制系统、洒水系统、除尘系统、生产数据管理系统、工业电视和大屏幕显示系统、火灾报警系统、自动广播系统、皮带秤管理系统和电能量管理系统等子系统。以美国AB 公司ControlLogix 系列可编程控制器( PLC) 、新型检测元件、现代化的总线技术和专门开发的标准化、模块化的

15、控制软件包为核心，针对装卸工艺特点制订而成。主要完成工艺流程操作所要求的流程顺序启动、顺序停止、故障停机、流程切换及系统操作、监控等功能。图1 控制系统网络结构示意图6.钢卷库管理系统物流合理化 钢卷库管理系统是钢厂制造执行系统的子系统, 主要负责对钢卷库内进行物流管理, 作业管理和设备跟踪和控制。 钢卷库的物流主要是钢卷从入库到发货经过钢卷下线、卸车、检验、保管、包装、捡出、装车、发运等作业环节, 整个作业在计算机管理系统的控制下进行 2 。在热轧生产线下线的钢卷经过称重和喷印后, 轧线过程控制计算机系统立即向钢卷库管理系统传送钢卷的信息。操作人员根据钢卷的属性(原料卷或直发卷)、取样状态和

16、去向, 对钢卷进行垛位的预约。库工选择运输钢卷入库的车辆, 制定运输单。运载车辆司机根据运输单, 将车停靠在钢卷垛位所在的区域。库内指车工根据库内天车任务量, 指派天车将钢卷放入垛位。任务完成后以批处理的方式更新系统信息。同一批次入库的钢卷进行取样质检, 质检合格的钢卷信息存入生产库。生产库的库工对库内的钢卷进行巡查,判断钢卷的外形和包装是否合格以及垛账信息与实物信息是否对应, 然后对钢卷进行打捆、贴标签, 将钢卷信息转入销售库。在销售库质检合格的钢卷进行发货作业, 不合格的钢卷转到中间库。钢卷库物流流程如图1所示。图1􀀁 钢卷库物流流程图7.结论我国钢铁企业生产状况、技术装备水平和企业管理水平各不相同，建设能源管理中心时，现代