涟钢转炉主副枪自动炼钢系统模型详细设计说明书.docx

1、涟钢转炉主副枪自动炼钢系统模型详细设计说明书涟钢转炉副枪计算机自动炼钢系统 详细设计说明书2008 年 07 月第一章 前 言 第二章 标准定义 第三章 网络、硬件和系统软件 第四章 工艺模型 第五章 生产计划 第六章 模型过程控制 第七章 与转炉二级机通讯接口数据 第八章 基础自动化通讯接口第一章 前言1.1 说明 转炉副枪计算机模型炼钢系统设计说明书是针对华菱涟钢即将实施的炼钢模型系统所涉及的控制范围和应用功能的详细说明和描述。该详细设计是受甲方的委托，并根据生产 工艺的要求、有关行业规定和用户特别需求等进行编写，将由华菱涟钢的有关领导和专家 进行审核，并将作为下阶段项目实施和软件编制的基

2、础。1.2 设计范围计算机模型炼钢系统的设计是针对华菱涟钢第一炼钢厂二座 210 吨转炉（1#和 2#）实 施的，设计应用控制功能范围包括从兑铁开始到转炉出渣结束等炼钢工序的全过程。1.3 设计要求 设计和应用转转炉计算机模型炼钢系统的优点有： D 提高操作效率D 提高终点C、T 双命中率D 减少补吹次数D 减少渣中铁含量D 延长炉衬寿命D 提高废钢融化效率 计算机炼钢的目的是节约能源和物料消耗，降低吨钢成本，跟踪管理转炉炼钢过程，提高生产管理水平，最终增产增效益。1.4 设计要求 应用软件具有良好的开放性和兼容性 控制系统稳定，可靠性高 系统面向实用，全部应用成熟技术和设备 操作人员具有熟练

3、的炼钢操作技能 转炉已装备底吹系统，并运行良好 使用动态控制炼钢模型时，转炉装备副枪测量系统并可以正常运行。1.5 工艺背景 华菱涟钢位于湖南省东部地区，是我国中部最重要的钢铁生产基地之一，其第一炼钢厂拥有二座公称容量 210 吨的大型转炉，将装配副枪系统，另外，还配备有混铁炉、KR脱硫、LF、RH 和大型双流板坯连铸机等高效的生产设备。由于管理科学，设备先进，生产规模不断扩大，在可预计的将来，华菱涟钢第一炼钢厂将成为中国最现代化的炼钢厂之 一。工艺路线：高炉铁水罐车混铁炉脱硫转炉吹氩LF 精炼连铸机 冶炼周期： 转炉采用顶底复吹工艺，底吹惰性气体，以加强熔池搅拌，缩短吹炼时间，提高金属收得率

4、和氧气利用率。采用副枪技术后，将可以通过动态过程控制提高终点命中率，缩短冶 炼周期，增加转炉生产能力。转炉平均冶炼周期：37min1.6 操作方式 对操作方式进行明确的定义对于模型控制和生产操作是非常必要的：手动方式 操作工对各个设备进行独立操纵。自动方式操作工通过 PLC 对各个设备进行自动顺序操作。 此时，副枪二级计算机没有向一级发送设定值，但操作完成后，部分实际数据将由一级系统向副枪二级计算机传送。计算机方式 副枪二级计算机向一级系统自动发送设定值，经确认后，一级系统将根据模型计算设定值自动完成操作。 操作完成后，实际数据将由一级系统向副枪二级计算机传送。1.7 参考资料 技术附件 计算

5、机软件产品开发文件编制指南 工艺操作说明书18 说明与约定为更形象描述各项功能，本设计以画面形式提供说明，并列有相关数据，这些 数据仅具参考价值，与本设计没有直接必然关系。第二章 标准定义2.1 工程单位 软件编制采用国际标准公制单位，下表为常用工程单位对照表：名 称单位缩写长度米m重量公斤Kg重量吨t时间秒S气体容积量标立方米Nm温度摄氏温度气体压力兆帕MPa电流安培A电压伏特V功率牛顿米Nm重力牛顿N22 专用术语动态吹炼：无特殊说明时，指副枪二级计算机通过副枪测量，不倒炉动态校正吹炼过程。+0 炉：即当前炉，指炼钢副枪二级计算机控制的从开吹到后续炉开吹之前的炉次。+1 炉：即将要冶炼的炉

6、次。+2 炉：+1 炉将要冶炼的下一炉次。23 缩写为提高效率和统一识别，在应用软件编制过程中，使用了部分英语缩写词。 缩写词 意 义 BOF 转炉 TORP 铁水罐DES 脱硫站AR 吹氩站 LF 钢包炉RH 或 VD 真空脱气装置 CCM 连铸ASCII 美国标准信息交换代码（American Standard Code Information Interchange） L1 或 BAS 一级自动化系统或者基础自动化L2 副枪二级计算机系统 L3 三级计算机系统SQL 数据库查询语言 HMI 人机接口PLC 可编程逻辑控制器 S7 西门子 S7 系列 PLCTCP/IP 文件控制传输协议/

7、因特网通讯标准2.3 基本要素 为了确保整个项目和软件模块的一致性，本节将对系统中所使用的一些最基本的要素进行定义，本节所列的要素定义内容，仅限于与模型炼钢有关的部分。 转炉号 转炉号是对单个转炉的唯一标示，在本设计中其取值为 1 和 2。 炉次号 目前,涟钢一炼钢厂在全厂范围内已运行计算机网络管理，因此炼钢生产计划是由调度系统按照合同自动预先形成，炉次号是炼钢生产计划中每个炉次的唯一标示。由 公司或炼钢厂调度系统自动按一定的规则形成，每个具体炉次信息的查询和使用，必 须以计划炉次号为索引关键字。计划炉次号由 8 个数字组成:第 1 位数字 当前年号最末 1 位，如 2008 年，则取“8”。

8、另外，从每年元 月 1 日零点起，当前年号最末 1 位按下一年度取值 。第 2 位数字 脱硫站号，分别取 1、2、3。第 3 位数字 转炉号，分别取 1 或 2。第 4 至 8 位数字 本年度炉次顺序号，如“08888”表示本年度的第 08888 炉， 顺序号的生成是同一座转炉每生产一炉后加 1，每年元月 1 日零点起，顺序号从 1 开始重新计数，最大值为 00000-99999。例如:81108888 为一完整的炉次号。 炉次状态 在转炉工序范围内，对于一个具体炉次的生产状态定义如下：状态码描 述0计划状态下的炉次1炉次开始2加料开始3加料结束4转炉吹炼开始5TSC 测量开始6TSC 测量结

9、束7转炉吹炼结束8TSO 测量开始9TSO 测量结束10转炉出钢开始11转炉出钢结束12出渣开始13出渣结束（炉次结束） GE-NO由 6 位字符组成，ERP 系统中表示钢种代码的唯一关键字。 钢种代码 钢种代码是对钢水类别的描述说明。 在应用软件系统中，钢种文件包含了钢水成分，钢水质量等重要信息，而钢种代码是钢种文件中的关键字，因此在钢种文件中钢种代码是唯一的。另外，每一个钢种代码 都附有相应的钢种描述。钢种代码由 20 个字符组成 铁水试样编码（待定） 炼钢试样编码（待定） 成分数据序号 标准名称 单位 格式 中文说明1C%9.9999碳2Si%9.9999硅3Mn%9.9999锰4P%9

10、.9999磷5S%9.9999硫6Al%9.9999铝7Ni%9.9999镍8Cu%9.9999铜9Cr%9.9999铬10Mo%9.9999钼11Als%9.9999溶铝12V%9.9999钒13Ti%9.9999钛14Nb%9.9999铌15Ca%9.9999钙16Co%9.9999钴17Pb%9.9999钎18W%9.9999钨19Mg%9.9999镁20Ce%9.9999铈21B%9.9999硼22As%9.9999砷23Sn%9.9999锡24Bi%9.9999铋25Sb%9.9999娣26Zr%9.9999锆27Cq%9.9999碳当量28Oppm9.9999氧气29Nppm9.9

11、999氮气30Hppm9.9999氢气 标准日期与时间根据 WINDOWS 操作系统的标准，以下列形式表示内部日期和时间： DD-MMM-YYYY HH：MM：SS 但在操作画面中，仍使用中国公民所习惯的时间表示。举例如下：2008 年 8 月 8 日 8 时 8 分 8 秒第三章 网络、硬件和系统软件3.1 概述 本节是对转炉炼钢副枪二级计算机服务器、操作站和工程师站的硬件、系统软件和网络结构的设计描述。 本项目的计算机设备系统设计所遵循的原则是尽可能统一设备型号，减少设备备件的种类，简化设备维修。在先进可靠和高性价比的前提下，确定 PC 服务器、PC 计算机终端 的型号，在可行的条件下，应

12、与钢厂其它计算机型号保持一致。3.2 网络结构说明：炼钢副枪二级计算机系统网络图按照中冶南方的计算机专业设计，炼钢全厂将形成非常完善的网络系统。因此,炼钢副枪二级计算机系统将成分利用全厂网络设施,与二级中心数据库和基础自动化相连接,使用 TCP/IP 协议通讯，网络中的服务器和操作站的 IP 地址由炼钢厂统一分配。3.3 设备说明-模型服务器 模型服务器设计为二台，安装在转炉计算机房内。序 号名 称数 量描 述1服务器硬件2Intel Pentium Xeon 3.2GHZ 双核 CPU 2 GBDDR 2*以太网接口(100/1000Mb) DVD-R/W- 4*72G SCSI 硬盘- R

13、AID 53*72G 硬盘19”LCD 显示器- PS2 标准键盘和 USB 光电鼠标- 冗余电源2系统软件21222Windows 2003 ServerOracle 10g防病毒软件Visual Studio .NET 与基础自动化通讯软件 客户端序 号名 称数 量描 述1硬件5PC Intel 酷睿双核 2.01G DDR 主存以太网接口(100/1000 Mb)CD-ROM160G 硬盘19“液晶显示器，标准键盘，鼠标2系统软件51Windows XP中文软件包,防病毒软件 Oracle Client 软件3激光打印机1A3 幅面,黑白,带有以太网接口4彩色打印机1A4 幅面,带有以太

14、望接口5网络设备1网络设备及电缆6机柜1国标 1.8 米高,色标待定3.4 电源所有计算机（包括服务器）和网络设备的设计供电为 220VAC/50Hz，所有的服务器、 操作站、网络设备都必须使用 UPS 电源。UPS 电源由用户提供，交接点均为设备就近的电 源插座。设备功耗如下表所示：设备类型部 件耗电（W）服务器类系统单元显示器45040PC 类系统单元 LCD 显示器350403.5 环境所有安装计算机和网络设备的室内必须安装有空调。计算机设备要求如下的使用环境 条件：温度（）：1030 湿度（%）： 20803.6 资料 硬件设备和系统软件资料均由设备厂家提供。第四章 工艺模型4.1 概

15、述 炼钢工艺模型主要包括主原料计算、静态模型和动态计算等转炉全部工艺的过程模型。模型的计算机理主要是基于熔池内各种元素的化学反应和由此带来的物料平衡和热平 衡。铁水的重量、温度和成分（C、Si、Mn、P、S）、废钢量、钢水量、终点温度、熔剂 加入量、渣量和供氧量等将作为物料平衡和热平衡的主要项。下面对转炉工艺模型的常规分类及通用机理作简要介绍。模型名称描述主原料计算根据钢种的要求选择熔剂组号，计算终渣的成分。并根据铁水量和出钢量决定废钢量熔剂和静态计算熔剂和供氧量的计算 根据终渣的成分要求和渣量来计算熔剂的量。 根据铁水和废钢量、终点成分温度的要求，在转炉静态自学习的基础上，根据相关的校正系数

16、来进行供氧量和冷却剂的计算。过程控制吹炼过程的枪位、氧流量、底吹流量和副枪测量的控制 吹炼过程的枪位、氧流量和底吹流量的控制是根据氧枪的设计、炉型的状况和终点成分的要求等来确定。副枪测量在吹炼氧量占总氧量 85左右开始。动态计算动态过程供氧量和冷却剂的计算副枪 1 测量以后，根据副枪 1 测量的温度和碳（TSC）以及终点钢水温度和 钢种成分的要求，计算供氧量和冷却剂（包括发热剂），并进行动态校正。4.2 参数维护系统 参数维护画面 参数维护画面主要包括计算边界条件、温度校正系数画面、静态计算系数画面（包含主原料计算系数的内容）、吹炼方式画面、动态计算系数画面、熔剂计算系数画面、出钢 合金计算系

17、数画面。相应维护参数的输入和修改都可以在对应的窗口中完成。模型参数调 整的权限仅为冶金工程师所有。所有参数调整后的值就作为常数使用，但静态模型和动态模型计算参数在作为常数使用的同时还在进行自学习功能的修正。具体系数调节的内容请见第六章 计算机过程控制中相应画面。 模型参数清单参数单位描述常规参数铁水数据铁水成分、温度和重量钢水成分钢水温度熔剂加料量Kg供氧量Nm3原材料参数主要指废钢、矿石（冷却剂）、石灰、轻烧白云石和其它熔剂收得率冷却效率动态和静态过程的冷却效率或升温效率要区别对待升温效率热力学参数平衡参数钢渣之间的 P、Mn 的分配系数冶金参数铁的收得率温度补偿系数不同因素造成的温度补偿系

18、数物理热损失物理原因造成的额外的热损失氧气的利用率氧气的利用率考虑炉型的变化和氧枪喷孔的变化动态降碳系数动态过程的降碳系数动态升温系数动态过程的升温系数渣中目标（MgO）渣中目标碱度（CaO）/（SiO2）4.3 主原料计算根据予先准备的铁水量和出钢量计算废钢量。 所需数据表所需数据名称单位描述实际过程数据钢水量 t 已设定铁水温度测量铁水成分化验钢种数据废钢方式已设定目标成分已设定熔剂方式已设定目标温度在设定的基础上已进行修正工艺数据冷却剂的加入量Kg包括静态加入量和动态过程的加入量（最大值、目标值、最小值） 计算结果计算结果单位描述废钢重量 t 废钢总重量和不同类型的废钢重量4.4 熔剂和

19、静态计算在完成主原料计算并将相关主原料数据进行输入后，伴随着熔剂的计算。操作工也可 根据操作的具体情况对熔剂的数据做出适当的修改。在完成熔剂计算以后，就可以进行静 态计算，即对吹炼静态氧量和冷却剂量的计算。 所需数据所需数据名称单位描述实际过程数据铁水量 t 已设定铁水温度测量铁水成分化验废钢重量 t 废钢的总重量和不同类型的废钢重量钢种数据目标终点温度已设定目标终点成分已设定熔剂方式（终渣方式）已设定熔剂特性数据熔剂的化学成分已设定熔剂的收得率已设定熔剂冷却剂当量系数已设定 功能描述根据实际入炉的铁水量、铁水成分、铁水温度、废钢量、钢种相关数据和熔剂的相关 数据进行熔剂计算和静态计算。熔剂具

20、体计算是在主原料计算的过程中完成，是同主原料计算同时进行的。但因主原 料计算时的条件（铁水成份、温度等均为预测值）或未完全按主原料计算模型计算结果最 终确定主原料的量，因而熔剂计算在主原料确定完后并根据实际的主原料条件再进行熔剂 计算。熔剂计算是根据主原料的计算和对应钢种的相关熔剂方式、废钢方式等进行的。第一 次熔剂计算以冷却剂为目标值、发热剂为 0，以碱度为目标终渣要求计算边界条件，得出 第一次熔剂的计算结果（包括计算得出的冷却剂量）。然后在第一次计算的基础上，以冷 却剂为允许范围、发热剂为 0，碱度为终渣碱度范围，再进行第二次熔剂的计算。对于主原料计算完全按主原料模型进行计算的炉次，熔剂的

21、计算只是一个确认过程或 是作少量的修改过程。但是在主原料计算未按主原料模型进行的炉次，第一次熔剂计算过 程同主原料未作修改的过程相同。第二次计算时，根据第一次计算的热平衡状况，决定冷 却剂或发热剂的量。在计算过程中，是通过调整终渣的控制范围（在要求内）再进行第二次熔剂计算和冷却剂（发热剂）的计算。如计算需加发热剂，则模型将终渣成分往下限调整，直到不需要加发热剂（终渣成份在控制范围内）或者终渣成份已在控制范围下限且需 要加发热剂。反之，需要加冷却剂的可采取增加熔剂的方式使冷却剂的加入量控制在目标 值的范围内（当终渣成份超上限时，采取增加冷却剂的方式来完成）。静态计算是用吹炼的冶金反应过程的热平衡

22、、物料平衡、氧平衡来进行计算。但因冶 炼过程对静态计算的影响是一个很复杂的系统问题，因而在进行静态计算时，同时必须利 用静态自学习模型中的参考炉次的特征数据和三大平衡来共同完成。计算原理如下：模型输入的数据：已设定的钢种、铁水和废钢 边界条件：目标终渣要求、发热剂为 0 计算结果：熔剂（其中包括冷却剂）模型输入的数据：钢种、初计算冷却剂量、铁水和废钢量 边界条件：目标终渣要求、发热剂为 0 或冷却剂在目标范围内 计算结果：熔剂（其中包括冷却剂或发热剂）模型输入的数据：钢种、计算的废钢、铁水、熔剂和冷却剂（发热剂）量和参考炉次 特征数据计算结果：总供氧量（可根据测量副枪的时机和静态供氧量推出）

23、铁平衡和热量平衡 此模型计算时有三个变量（钢水量、冷却剂重量、发热剂重量），并由这三个变量组成两个等式。系统初计算时的边界条件之一为发热剂的加入量为 0。计算结果为钢水重量 和冷却剂量。如计算结果冷却剂量为负，则说明需要加发热剂。那么该模型将以冷却剂为0 进行再次计算，通过调整终渣成份来调整热平衡。 氧平衡 在铁平衡和热平衡的基础上，根据冷却剂或发热剂的量和废钢方式进行静态计算。静态计算的相关参数可以通过工程师直接设置和自学习模型自动修正两种方式来共同完成。 计算结果计算结果单位描述熔剂加入量kg石灰、轻烧的加入量冷却剂（发热剂）kg冷却剂（发热剂）的加入量钢水量 t 计算吹炼终点的钢水量渣量

24、 t 计算吹炼终点的渣量总供氧量Nm3可根据静态过程的氧量进行总氧量的计算4.5 动态计算过程控制主要包括吹炼过程的枪位、氧流量、底吹流量和副枪测量的控制。过程控制 是以氧耗进程作为控制的参照标准的。吹炼过程的枪位、氧流量是根据氧枪的设计、炉型 的状况和终点成分的要求并对应氧耗进程等来确定。在整个吹炼过程（除副枪测量阶段外） 都采用均衡流量供氧。氧枪枪位的高度根据钢种的不同都已固定为吹炼模式。底吹控制过 程是根据不同钢种对复吹气体（N2/Ar）的不同要求，决定底吹气体的流量、底吹气体的种 类以及 N2/Ar 的切换时间和末期后复吹的后搅时间。副枪测量的启动时间是吹炼氧量达到 总氧量的 85左右

25、时开始，具体副枪的测量所需时间是由副枪的性能来决定的。在副枪测 量过程中，氧气流量为正常吹炼流量的 50，底吹流量也是正常吹炼时底吹流量的 50。当吹炼到总氧量的 85左右进行副枪 1 的测量。测量完副枪 1 以后，就进入了动态控 制的阶段。动态计算包括动态氧量、动态冷却剂（动态发热剂）重量等的计算。 所需数据所需数据名称单位描述废钢方式根据钢种已设定熔剂加入量kg副枪 1 之前的加入量过程测量数据副枪 1 温度副枪 1 测量副枪 1 的碳副枪 1 测量终点目标数据终点成份终点的目标成份终点目标温度主原料计算时已设定原材料数据加入料的成份冷却剂、发热剂、石灰等加入料的温降或发热系数 冷却剂、发热剂、石灰等 功能描述 动态计算是根据废钢方式不同对应不同的升温系数和根据不同的复吹状况和终点碳的要求对应不同的脱碳系数进行动态供氧量、冷却剂、发热剂的计算。模型输入的数据：已设定的钢种（废钢方式、终点要求、动态组别）、副枪 1 的温度 和碳边界条件：目标终点成份、冷却剂为 0计算结果：最初动态供氧量和终点温度模型输入的数据：已设定的钢种（废钢方式、终点要求、动态组别）、副枪 1 的温度 和碳和计算出的最初