對高爐無料鐘爐頂精確布料的改進
郭龍1， 張興中1， 岳利濤2， 馮常喜1
（1. 燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北秦皇島066004；
2. 秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北秦皇島066000）
摘 要：為了解決首秦高爐爐頂布料圈數波動大的問題，對現場多種因素進行調查分析，確定了造成該現象的根本原因是角機反饋角度與節流閥實際開度無法準確對應。根據原有角度反饋控制模式建立了對應的數學模型，并且創新性地提出節流閥的開度由角機角度控制更改為油缸直線位移控制；采用將磁滯位移傳感器置于油缸內部的方法，該傳感器線性誤差在量程300mm以內可以小于150μm，而且不受外界環境干擾。改進后，首秦高爐在實際生產中布料圈數穩定性顯著提高，實際布料圈數與工長要求布料圈數誤差在±0.5圈以內，滿足了高爐對裝料、布料制度的要求。
關 鍵 詞：高爐；布料圈數；節流閥；數學模型
近些年，由于鋼鐵產能過剩和環境惡化帶來的雙重壓力，鋼鐵廠競相降低成本以應對萎靡的鋼鐵市場。為了進一步降低生產成本，鋼鐵廠普遍采購二級焦炭和低品位礦石，不均勻的粒度和成分等因素使得高爐原有布料系統無法滿足生產新標準的操作要求，使得煉鐵生產中操作難度極大，高爐爐況十分不穩定。
無料鐘爐頂布料系統有設備結構簡單、傳動效率高、設備質量輕、布料靈活和密封性能好等特點，并且可以實現環形布料、螺旋形布料、定點布料和扇形布料等多種方式，因此逐步被各大鋼鐵廠所采用[1- 2]。許多學者都對這一系統進行了深入的研究。文獻[3]對并罐無料鐘爐頂布料的周向分布不均問題進行了研究，推導了料流分布的方程，并且指出料罐輪流裝焦炭和鐵礦石可以改善布料偏析的問題。李傳輝等[4]對串罐無料鐘爐頂布料系統建立了布料模型，建立了布料矩陣調節的基本準則，通過布料矩陣的不斷優化，使高爐的順行狀況得到改善。邱家用等[5]對爐料顆粒的運動和受力進行分析，建立了料流軌跡運動方程。來自上海寶鋼的于冬等[6]介紹了一種基于萬向節傳動結構高爐布料器的電液控制方法，并推導了幾種布料方法的溜槽運行軌跡數學模型，特別探討了螺旋布料時速度的控制方法，即隨著布料半徑的增加，布料溜槽的角速度與布料半徑呈一定的函數比例關系。任廷志等[7]基于遺傳算法對無鐘高爐的布料參數進行了優化，分析了溜槽傾角檔位數量以及布料總周數等參數對無鐘布料工藝的影響。趙國磊等[8]針對當前高爐中心加焦操作模式，首次建立了中心加焦過程中溜槽螺旋布料時溜槽內爐料顆粒復合運動的三維數學模型，并建立了爐料顆粒在空區下落過程數學模型以及料面形狀和徑向礦焦比分布模型，深入闡述了中心加焦技術原理。此外，還有很多有關高爐布料模型的研究[9-10]，但是這些研究都是基于高爐模型進行模擬計算，而高爐在布料過程中料的流速和粒度等參數都是復雜多變的，無法將這些模型和參數實時地反應到高爐操作中，缺乏一定的實踐應用價值。在高爐正常生產中，工長會根據爐況對焦炭和礦石要求一定的布料圈數，從而布出適合爐況的料型。目前對于多數鋼鐵公司而言，經濟爐料的采用，要求工長操作精細化，經常對焦炭和礦石的布料圈數進行調整，甚至有時需要微調，這使很多高爐布料裝置很難達到要求，盡管控制精度很高，但是現實操作結果不理想，高爐的布料圈數總是達不到工長要求，并且多次出現偏離設定圈數很大的情況，導致高爐爐內料柱透氣性差，煤氣分布不合理，進而影響高爐順行穩定。
1 現狀分析
秦皇島首秦金屬材料有限公司1號高爐容積為1200m³，投產于2004年6月，采用并罐式無料鐘爐頂布料。高爐工長會根據爐況對上料主控工下達改變料鐘圈數的指令從而改善爐內爐料的分布，一般要求偏差±0.5圈。布料圈數的計算方法見式（1）。
N＝t/r （1）
式中：N為布料圈數；t為節流閥打開到料罐料空信號到來的時間（后文簡稱下料時間）；r為布料溜槽的轉速。
高爐爐頂布料圈數的實現依靠爐頂布料，其成套設備如圖1所示，在實現多種布料方式時，要求料流流速合理，在爐料下降的過程中伴隨著布料溜槽的轉動和傾動共同完成料的分布，主要通過3個角度實現控制：（1）布料溜槽傾動角度θ角，影響爐料徑向分布；（2）布料溜槽轉動角度β角，影響爐料周向分布；（3）節流閥曲柄轉速的角度γ角，直接影響節流閥的開度，影響料速，決定爐料在爐內的起始位置和終止位置。
當1號高爐北側料罐裝焦炭時，工長要求對其布置14圈，見表1。實際放入爐內的料流的圈數和主控設定的圈數偏差較大，同一個節流閥開度，料流在爐內的圈數也會有比較大的變化，即使將控制節流閥開度的角機精度提高到0.1°，實際圈數也會出現明顯的跳動。
由于θ角由直流電機與行星減速機進行控制，電機參數見表2，轉速恒定，每次檢修都會進行θ角參數校對，非常準確，不存在圈數記錄錯誤的現象，因此，布料圈數主要由式（1）中下料時間t 決定。
影響下料時間的因素主要有：
（1）料重。每一罐料的質量反映了料的多少，料的質量不一樣，布料圈數也會不同，在其余參數不變的情況下，料重與圈數呈正比。料的質量由料罐下料的皮帶秤進行稱量，每周進行校秤，不存在因為質量記錄錯誤導致圈數不穩的情況。
（2）料種。料的種類，焦炭與礦石的粒度不同，成分不同，進而流速也不同，也會對圈數造成一定影響。料種受到客觀環境約束，并且由于料種類改變也會相應主動調節布料圈數。
（3）溜槽。料罐里的料向下流動的溜槽，它與節流閥閥板構成的面積是料流動通過的面積，它的磨損直接影響到漏料系數λ，影響流速進而影響布料圈數，但是由于襯板比較耐磨，并且利用檢修都會進行檢查、修補或者更換，保證了料流的穩定。
（4）γ角。主要影響料速，料速一般以出口爐頂節流閥時的速度作為參考值，計算方法見式（2）。
式中：v為爐料出口截面的流速；λ為漏料系數；α為料流軸線與水平夾角；g 為重力加速度；A 為下料口開度截面積；l 為下料口開度周長[11-13]。
由式（2）可以看出，料速直接由爐頂節流閥開度的截面積A 和周長l控制，在上料主控工的計算機中主要由節流閥曲柄轉過的角度γ來控制。節流閥曲柄的轉動是由節流閥油缸進行驅動的，圖2所示為爐頂節流閥油缸驅動現場實物圖，圖3所示為節流閥內部原理圖。
節流閥的驅動結構可以簡化為一套曲柄滑塊機構，如圖4所示。由圖4可以得出式（3）。
式中：x 為油缸耳軸固定點到缸頭銷軸的距離；a 為曲柄花鍵軸心到油缸耳軸固定點的距離；b 為曲柄花鍵軸心到油缸耳軸固定點的高度。
油缸行程變化量δx計算見式（4）。
式中：γ1為油缸第一位置時節流閥曲柄轉過的角度；γ2為油缸第二位置時節流閥曲柄轉過的角度。
1 號高爐北側料罐放礦石的相關參數見表3，
可以看出，第4批料和第6批料礦重為28.40和28.49t，相差很小，角機反饋后設置的度數均為42.6°，油缸的行程差了1.2cm，節流閥的實際開度發生了較大變化。根據式（4）可知，當節流閥角機返回角度不變時，油缸行程也應該不變。大量的生產數據以及表1 和表3 的部分數據表明，同一批料、同樣的料重、同一個節流閥開度，節流閥油缸伸長量不同，布料圈數也有比較大的波動。可以看出，節流閥的實際開度與生產崗位計算機中的γ角無法一一對應，這是造成高爐布料圈數不準的根本原因。
2 原理簡介
節流閥主要包括執行機構和控制機構。執行機構的磨損和控制機構的精度都會影響節流閥的開度，影響料速，進而影響到下料時間。
2. 1 結構原理
高爐爐頂節流閥是由液壓缸驅動曲柄帶動內部搖臂，進而由節流閥板對八角溜槽開度進行調節，如圖2和圖3所示。油缸與曲柄連接銷軸為軸孔過渡配合，節流閥軸與內部搖臂采用花鍵軸過渡配合，搖臂與節流閥板采取螺絲固定安裝的形式。利用高爐檢修的機會對節流閥裝配的各個間隙進行檢查，配合完好，沒有明顯的間隙和晃動，問題更多地集中在控制和反饋問題上。
2. 2 控制原理
節流閥開度的調節過程依靠計算機程序進行自動控制，如圖5所示。
控制信號由計算機通過放大板控制換向比例閥，由液壓缸帶動曲柄轉動一定角度，通過一次角機反饋到過程站的二次角機，二次角機通過編碼器反饋到控制模塊，然后通過對比角度完成閉環控制，直到角度滿足設定要求，比例閥回到中位，油缸長度保持不變，調節完畢。現場針對各個控制單元進行排查發現，控制反饋過程中有兩個角機進行角度傳遞，一次角機在爐頂現場，采用的是軟連接，如圖6（a）所示，二次角機在高爐操作室過程站中，采用硬連接；如圖6（b）所示，γ 角度的測量與節流閥板的開度無法一一對應，主要原因如下：（1）由于現場環境一次角機軸心與機械軸心采用軟連接，雖然防止了震動等帶來的誤差和折斷，但是由于轉動慣性，轉動角度誤差明顯存在。（2）在送電的情況下，手動轉動一次角機、二次角機存在一定的轉動間隙，也帶來角度誤差。
3 模型建立
根據式（1）和式（2），推導出圈數N 與節流閥γ角的關系，見式（5）。
式中：W 為每一批料的質量；ρ 為料密度；R 為節流閥搖臂長度。
可以看出，式中只有γ 是可控制的自變量，其余各參數經過前述分析，并不是影響布料圈數準確的主要因素。由于節流閥開角度γ 的測量和反饋均不準確，因此根據式（3）和式（4）修改該數學模型，由原來的角度測量創新為位移直線測量，由x 直接控制布料圈數N，采取油缸的行程去反饋調節節流閥的實際開角度γ。建立新的數學模型見式（6）。
油缸的行程反映的是位移，采用位移傳感器內置油缸缸桿的辦法，省去編碼器和角機，直接反饋到控制模塊，控制流程如圖7所示。
4 實施與試驗
位移傳感器選用磁滯伸縮位移傳感器，采用磁滯伸縮的原理，通過兩個不同磁場相交產生一個應變脈沖信號，在線圈兩端產生感應電流即返回脈沖，通過測量起始脈沖與返回脈沖之間的時間差來精確地確定被測位移位置，這種傳感器線性誤差在量程300 mm以內可以小于150μm，并且置于油缸內部，不受外界環境干擾。對原有節流閥油缸活塞缸桿進行簡單的加工后將磁滯位移傳感器置于活塞杠桿內，安裝簡便，節約成本。裝配圖如圖8所示，實物圖如圖9所示。
由于原有角機控制同樣依靠電流進行反饋，因此，對于控制模塊而言，只需將該傳感器輸出的4～20mA信號直接傳至PLC模塊，在原有角機控制梯形圖的基礎上增加一個位移傳感器控制模塊即可，省去了一次角機、二次角機、編碼器等環節[14-15]。為了確保高爐操作的穩定性，在新控制模式的基礎上保留了原有控制模式，在崗位計算機上增加了切換按鈕，防止新控制模式在使用過程中給高爐帶來不利的影響，在上料主控的崗位計算機操作畫面上，不僅增加了位移控制模塊，而且增加程序使原有角機控制與位移傳感器控制形成互補，互相參考，如果位移傳感器出現故障，只需切換模式就可恢復角機控制，如圖10所示。
利用高爐檢修的機會將首秦1 號高爐北側料罐的2條節流油缸更換為新型的帶有磁滯位移傳感器的油缸，并調試成功后應用于后續的生產過程。在生產試驗過程中截取了大量數據，如圖11 所示。由圖11 可以看出：（1）油缸實際行程和程序設定的油缸行程一致，這說明傳感器及其控制精度能達到生產要求，在現場觀察油缸定位迅速，沒有反復找位現象。（2）使用傳感器油缸后，布料圈數穩定性顯著提高，實際布料圈數與工長要求布料圈數差距在±0.5 圈以內，滿足使用要求，不用人工進行調節，反饋準確，監測多批次放料，均沒有出現較大偏差。（3）使用位移傳感器油缸后控制精度明顯提高，并且可以通過電腦驗證角機返回角度是否準確，大大降低了人為在爐頂監測油缸行程的工作量。
5 結論
（1）針對首秦高爐爐頂布料圈數波動大的現象，對現場多種因素進行調查分析，找到了角機反饋角度與節流閥實際開度無法對應的根本原因。并針對原有角度反饋控制模式建立了對應的數學模型，創新性地提出由角度控制更改為油缸直線位移控制，依據新建立的數學模型和控制模型，論證了該創新的可行性。
（2）采用帶有磁滯位移傳感器的油缸后，布料圈數穩定性顯著提高，滿足使用要求，并且基本不用人工進行調節，反饋準確。將計算機程序進行更改，把角機控制作為備用方式，與磁滯位移傳感器油缸控制互補、互相參考，進一步加強對高爐爐料的控制，并且對高爐控制形成了雙保險，給高爐工長的精細操作提供了可靠保障。
（3）油缸只需在下線修復時增加簡單加工程序，不需另外定制新備件，程序增加模塊調整，僅有傳感器產生費用，改造成本低，改造效果好。
（4）首秦公司已經將1號高爐兩側料罐的節流閥油缸和控制程序更改完畢，布料圈數一直處于可控范圍，高爐工長操作有了保障，在爐料情況復雜的情況下，兩座高爐精確布料，實時調整，煤氣流分布合理，兩座高爐的焦炭負荷長時間保持在5.0及以上的水平，焦比控制在315 kg/t以下，實現了高爐長時間的低焦比高冶煉強度生產。
參 考 文 獻：
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