廖海歐①
（馬鞍山鋼鐵股份公司 安徽馬鞍山 243000）
摘 要：高爐煉鐵是鋼鐵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，高爐爐容不斷大型化、冶煉風(fēng)溫、風(fēng)壓、風(fēng)量持續(xù)提升。熱風(fēng)爐換爐操作時，應(yīng)力波動峰值高達(dá) 20×106牛頓，存在波紋補(bǔ)償器爆炸、出口爐殼燒穿、熱風(fēng)總管斷裂等風(fēng)險，已經(jīng)成為高爐熱風(fēng)系統(tǒng)安全運行痛點。數(shù)字化技術(shù)發(fā)展，實時準(zhǔn)確采集高爐熱風(fēng)管系應(yīng)力波動數(shù)據(jù)，應(yīng)用PLC 精準(zhǔn)控制技術(shù)，針對高爐煉鐵熱風(fēng)爐交替換爐的特殊工藝，采用智能控制實現(xiàn)高爐熱風(fēng)換爐應(yīng)力平穩(wěn)線性上升，解決了熱風(fēng)換爐過程沖擊壓力導(dǎo)致的設(shè)備頻繁破損技術(shù)難題，也為低碳煉鐵技術(shù)進(jìn)步提供有力保障。
關(guān)鍵詞：智能；線性；應(yīng)力；波動
1 前言
高爐煉鐵是鋼鐵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，目前仍是現(xiàn)代鋼鐵主要生產(chǎn)方式。隨著我國鋼鐵工業(yè)快速發(fā)展，高爐爐容不斷大型化、冶煉風(fēng)溫、風(fēng)壓、風(fēng)量持續(xù)提升。熱風(fēng)爐換爐操作時，6000～7000m3風(fēng)量、450kPa壓力、45m／s風(fēng)速度，換爐應(yīng)力波動范圍高達(dá)5×106～20×106N，導(dǎo)致每座熱風(fēng)爐出口鋼殼結(jié)構(gòu)瞬時位移高達(dá)15～20mm，易造成熱風(fēng)閥法蘭松動漏風(fēng)、多處耐材松動脫落、波紋補(bǔ)償器發(fā)紅、總管鋼結(jié)構(gòu)發(fā)紅、熱風(fēng)爐出口松動脫落及熱風(fēng)爐出口區(qū)域大墻磚破損等系列問題。更有波紋補(bǔ)償器爆炸、出口爐殼燒穿、熱風(fēng)總管斷裂等惡性事故發(fā)生的案例。其降溫修復(fù)需要200天左右時間，期間風(fēng)溫降低，燃料比升高，故熱風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行直接關(guān)系到當(dāng)期鋼鐵生產(chǎn)的低碳冶煉。
隨著數(shù)字化智能控制技術(shù)不斷發(fā)展，以問題解決為目標(biāo)，采集運行狀態(tài)下未知關(guān)鍵數(shù)據(jù)，建立實時數(shù)據(jù)監(jiān)測模型，掌握特殊工藝運行數(shù)據(jù)規(guī)律，結(jié)合設(shè)備破損機(jī)理，制定智能調(diào)節(jié)響應(yīng)策略，實現(xiàn)智能控制目標(biāo)，替代人工操作無法完成的精準(zhǔn)操控任務(wù)，保障設(shè)備滿足特殊生產(chǎn)工藝需求更透明、更主動、更可信、更優(yōu)化。
針對大型高爐熱風(fēng)系統(tǒng)運行熱點、難點問題，應(yīng)用精準(zhǔn)控制技術(shù)，準(zhǔn)確采集高爐熱風(fēng)管系實時應(yīng)力波動數(shù)據(jù)，分析換爐應(yīng)力波動與各閥門動作的對應(yīng)關(guān)系，研發(fā)換爐閥門開關(guān)動作過程數(shù)學(xué)控制模型，實現(xiàn)換爐應(yīng)力線性均勻上升智能控制，保障熱風(fēng)設(shè)備安全穩(wěn)定運行，降低設(shè)備疲勞負(fù)荷、延長使用壽命，已成為實現(xiàn)高質(zhì)量長壽熱風(fēng)爐，低碳生產(chǎn)、穩(wěn)定運行、本質(zhì)安全的迫切需求。
2 研發(fā)大量程拉桿應(yīng)力采集裝置
現(xiàn)代化大型工業(yè)生產(chǎn)具有強(qiáng)負(fù)荷、高壓力、快速度、急流量的生產(chǎn)運行特點，針對該現(xiàn)狀可通過實時監(jiān)測壓力設(shè)備、容器、管道的保護(hù)拉桿超大拉應(yīng)力變化情況，準(zhǔn)確表現(xiàn)其對應(yīng)設(shè)備實時運行狀況。結(jié)合設(shè)備運行工藝特點，對應(yīng)力波動趨勢進(jìn)行預(yù)判，制定精準(zhǔn)控制設(shè)備運行參數(shù)對策，有效控制沖擊應(yīng)力載荷，保障設(shè)備安全平穩(wěn)運行，降低疲勞負(fù)荷、延長檢修周期、減少維修費支出、提升設(shè)備壽命、實現(xiàn)高效生產(chǎn)、達(dá)成本質(zhì)安全、保障經(jīng)濟(jì)運行。
實踐在壓力管道、容器、設(shè)備的加強(qiáng)保護(hù)拉桿中，按照牛頓第三定律原理，接入法蘭及螺栓組合結(jié)構(gòu)的壓力式應(yīng)力傳感器，實時監(jiān)測拉桿超大拉應(yīng)力變化情況，建立設(shè)備應(yīng)力波動實時監(jiān)測模型，準(zhǔn)確掌握對應(yīng)設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)工藝設(shè)備運行趨勢透明直觀。見圖1應(yīng)力傳感器檢測拉力裝置原理圖。
大量程拉桿應(yīng)力采集裝置具體應(yīng)用及調(diào)試方法如下：實踐的壓力式應(yīng)力傳感器 ５選用壓力式稱重傳感器。常用壓力式稱重傳感器量程可高達(dá) 5×106牛頓。通常應(yīng) 力設(shè)備四周均勻安裝2～8個拉桿。每個拉桿中間安裝同一型號壓力式稱重傳感器。數(shù)個傳感器之和為設(shè)備應(yīng)力量模擬數(shù)據(jù)。
實踐其左側(cè)螺母式拉桿連接法蘭2與左側(cè)安全保護(hù)拉桿采用螺紋連接方式，便于調(diào)整。左側(cè)螺母式拉桿連接法蘭2與右側(cè)應(yīng)力傳感器連接安裝法蘭3，通過螺栓應(yīng)力傳感器調(diào)整固定螺栓4連接固定。左側(cè)螺母式拉桿連接法蘭螺栓全部從奇數(shù)號法蘭孔穿過。
實踐其右側(cè)螺母式拉桿連接法蘭5與左側(cè)應(yīng)力傳感器連接安裝法蘭3，通過螺栓應(yīng)力傳感器調(diào)整固定螺栓4連接固定。右側(cè)螺母式拉桿連接法蘭螺栓全部從偶數(shù)號法蘭孔穿過。
全部法蘭孔為偶數(shù)且均勻設(shè)置。應(yīng)力傳感器調(diào)整固定螺栓4交替均勻布置，保障應(yīng)力傳感器5受力均勻。所有螺栓緊固到傳感器有數(shù)據(jù)顯示，并將全部栓螺通過調(diào)整螺母6，調(diào)整為等應(yīng)力。最后緊固鎖緊螺母7。每個拉桿初始顯示傳感器的數(shù)據(jù)保持一致。
現(xiàn)場實踐中安全保護(hù)拉桿也不限于圓形拉桿，當(dāng)超大設(shè)備安全保護(hù)拉桿為箱形梁時螺母式拉桿連接法蘭，可為法蘭式拉桿連接過渡，只要螺栓數(shù)量足夠多、足夠大，滿足超大應(yīng)力安全需求亦可，同時還方便現(xiàn)場安裝與調(diào)整，其適應(yīng)性廣泛、實用性超強(qiáng)。
3 研發(fā)壓力管道實時應(yīng)力監(jiān)測模型
由于高壓力管道、容器等設(shè)備都配套設(shè)計保護(hù)拉桿組，研究的實時應(yīng)力監(jiān)測模型方案是在每個保護(hù)拉桿中，介入安裝法蘭及螺栓組合結(jié)構(gòu)大量程實時應(yīng)力檢測裝置；建立壓力管道、容器設(shè)備的實時應(yīng)力檢測模型，可直觀到壓力管道、容器等設(shè)備工作應(yīng)力波動趨勢，結(jié)合設(shè)備生產(chǎn)運行工藝特點，可透明的了解對應(yīng)設(shè)備運行狀況；對設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)力變化趨勢進(jìn)行預(yù)判，依靠PLC系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型精準(zhǔn)調(diào)控設(shè)備運行進(jìn)程參數(shù)，有效控制壓力管道的應(yīng)力變化趨勢，緩解沖擊載荷波動，保障設(shè)備安全平穩(wěn)運行。
3.1 開發(fā)壓力管道應(yīng)力監(jiān)測模型結(jié)構(gòu)，見圖2管道應(yīng)力
傳感器的模型示意圖。圖2管道應(yīng)力傳感器的模型示意圖中高壓力管道1，通常都設(shè)計安裝了對稱的保護(hù) N×2件拉桿21。在每個保護(hù)拉桿21，中間安裝大量程應(yīng)力實時檢測裝置31。每個應(yīng)力檢測裝置按照工藝要求，按照每1秒周期 Ｎ＝1，2，3，4，5……采集應(yīng)力數(shù)據(jù)。壓力管道的實時應(yīng)力數(shù)據(jù) F總 ＝（f1＋f2＋……fＮ）。壓力管道實時應(yīng)力監(jiān)測模型應(yīng)力值可達(dá) n×106牛頓。
3.2 建立壓力管道實時應(yīng)力監(jiān)測模型（見圖３）
現(xiàn)場實施時通過現(xiàn)場儀表顯示箱，調(diào)整傳感器調(diào)整固定螺栓4，保證每個應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)相同。完成模型初始計算模型數(shù)值設(shè)定。完成模型標(biāo)定數(shù)值確認(rèn)。
研發(fā)的該結(jié)構(gòu)保證了圖2中每個保護(hù)拉桿21受力均勻的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步的發(fā)揮了多拉桿的協(xié)同效應(yīng)。通過現(xiàn)場儀表顯示，調(diào)整圖1中固定螺栓4保障應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)一致，用量化的數(shù)據(jù)保證大直徑壓力管道的受力均勻，進(jìn)一步提升了穩(wěn)定性、安全性。
3.3 標(biāo)定應(yīng)力監(jiān)測模型 F總值流程
按照計算設(shè)備應(yīng)力的13倍數(shù)據(jù)，調(diào)整設(shè)備穩(wěn)定運行時儀表顯示初始值 F總１。當(dāng)設(shè)備停機(jī)檢修時系統(tǒng)顯示 F總２。
設(shè)備穩(wěn)定運行的實際應(yīng)力模擬數(shù)據(jù)：
F標(biāo) ＝F總１ －F總２
設(shè)備再次穩(wěn)定運行時以 Ｆ標(biāo)數(shù)值為系統(tǒng)基準(zhǔn)值，重新調(diào)整緊固螺栓4完成應(yīng)力模擬數(shù)值的標(biāo)定。
4 控制壓力管道安全穩(wěn)定運行數(shù)學(xué)模型
4.1 應(yīng)力安全保護(hù)控制方法
當(dāng)設(shè)備運行工作狀態(tài)變化時設(shè)定應(yīng)力閾值F閾≥nF標(biāo) 。
（１）當(dāng)設(shè)備運行工作狀態(tài)變化時若 n＝15～19，發(fā)出控制指令閥門等操作暫停（或緩行）。
（２）當(dāng)若n＝11～14，發(fā)出控制指令閥門等操作恢復(fù)（或正常快行）。
（３）當(dāng)若 n連續(xù) ３次≥15～19，發(fā)出控制指令間緊急關(guān)閉閥門、停止操作。
實現(xiàn)實時應(yīng)力數(shù)據(jù)監(jiān)測，精準(zhǔn)控制設(shè)備運行閥門等操作，保障工作應(yīng)力峰值安全可控，杜絕事故故障危害。見圖 ４。
4.2 應(yīng)力上升線性控制方法
監(jiān)測采集工作應(yīng)力最小值 Fmin及工作應(yīng)力最大 Fmax。
設(shè)定應(yīng)力采集周期為1秒。
F閾 ＝（Fｍａｘ －Fｍｉｎ）／T
式中：T—為換爐閥門動作時間（ｓ）。
每1秒應(yīng)力上升值 △F＝F新 －F前
式中：F新 —為實時采集應(yīng)力（kN）；
F前 —為前１秒實時采集應(yīng)力。
當(dāng)△F≤F閾 ，工作設(shè)備持續(xù)動作。
當(dāng)△F＞F閾 ，工作設(shè)備停止動作，待下一個循環(huán)。
當(dāng)△F≤F閾 ，工作設(shè)備重新恢復(fù)動作。
通過應(yīng)力上升線性控制，實現(xiàn)設(shè)備操作時，應(yīng)力線性的平穩(wěn)上升到峰值，降低沖擊載荷，減少疲勞損傷。
５ 智能線性控制高爐熱風(fēng)換爐應(yīng)力波動場景
該研究模型控制結(jié)構(gòu)，針對現(xiàn)代大型高爐熱風(fēng)管系運行出現(xiàn)熱風(fēng)閥法蘭松動漏風(fēng)、波紋補(bǔ)償器發(fā)紅、耐材松動脫落、總管發(fā)紅、熱風(fēng)爐出口松動脫落及熱風(fēng)爐出口區(qū)域大墻磚破損等系列問題，提供了高爐熱風(fēng)管系換爐應(yīng)力線性調(diào)節(jié)應(yīng)用場景。
通過實時檢測熱風(fēng)爐出口短管運行應(yīng)力數(shù)據(jù)，并對應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)換爐閥門的運行速度，實現(xiàn)換爐動應(yīng)力波動平穩(wěn)均勻控制，保障高爐熱風(fēng)管系長周期安全平穩(wěn)運行，實現(xiàn)高爐熱風(fēng)爐長壽目標(biāo)。
根據(jù)熱風(fēng)爐工藝布置特點，在每座熱風(fēng)爐與熱風(fēng)總管連接的熱風(fēng)出口安裝建立熱風(fēng)出口應(yīng)力檢測模型系統(tǒng)。通過應(yīng)力變化曲線找到冷風(fēng)閥、熱風(fēng)閥動作的對應(yīng)關(guān)系，制定換爐應(yīng)力波動線性控制目標(biāo)。編制數(shù)學(xué)線性控制模型程序；精準(zhǔn)控制閥門開關(guān)液壓伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)換爐應(yīng)力波動線性化。大型高爐 ４座熱風(fēng)爐，換爐應(yīng)力線性運行框圖見圖6。
5.1 熱風(fēng)管系應(yīng)力線性控制模型
是在高爐生產(chǎn)送風(fēng)狀態(tài)下運行，即最少有一座熱風(fēng)爐的熱風(fēng)閥和冷風(fēng)閥同時開啟狀態(tài)。控制模型讀取投送風(fēng)熱風(fēng)爐出口應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)，按照應(yīng)力線性控制模型依次控制各閥門開關(guān)進(jìn)程。正常送風(fēng)時熱風(fēng)管系的應(yīng)力波動基本穩(wěn)定。
5.2 熱風(fēng)管系應(yīng)力線性控制模型研究
主要是調(diào)節(jié)每次“換爐”熱風(fēng)爐出口應(yīng)力波動，即可有效實現(xiàn)四座熱風(fēng)爐換爐時應(yīng)力線性均勻上升的應(yīng)用場景實踐。完成了四座熱風(fēng)爐換爐應(yīng)力線性控制的協(xié)同，就實現(xiàn)了高爐熱風(fēng)管系換爐應(yīng)力線性波動。
高爐熱風(fēng)管系實時應(yīng)力監(jiān)測模型，檢測到高爐熱風(fēng)出口在生產(chǎn)換爐操作時，沖擊應(yīng)力造成出口波紋管頻繁破損，檢測到保護(hù)拉桿應(yīng)力，計算出管道波動盲板應(yīng)力從6×105牛頓突增到18×105牛頓，300秒增加了3倍，其中有40秒左右應(yīng)力突增2倍多，是導(dǎo)致耐材破損的關(guān)鍵、燒紅波紋管的要因。見圖7。
采集到的高爐熱風(fēng)爐出口短管應(yīng)力波動曲線，對照換爐操作各閥門開關(guān)過程，得出投入熱風(fēng)爐冷風(fēng)閥開啟應(yīng)力突變明顯；可通過液壓系統(tǒng)精度升級，以出口短管實時應(yīng)力數(shù)據(jù)變化為依據(jù)，精準(zhǔn)控制閥門開啟進(jìn)程的方式建立數(shù)學(xué)模型見圖8，以 PLC程序給出指令，由伺服閥實現(xiàn)智能應(yīng)力上升線性控制換爐操作閥門，降低換爐過程中波動的關(guān)鍵沖擊載荷，鋼殼結(jié)構(gòu)的位移量從15～20ｍｍ降低到了3～5ｍｍ設(shè)計要求的范圍以內(nèi)，保障出口波紋管耐材不在松動、不破損，使用壽命大大延長，保障了熱風(fēng)管系鋼殼結(jié)構(gòu)與波紋補(bǔ)償器關(guān)鍵高壓生產(chǎn)設(shè)備安全穩(wěn)定運行。
馬鋼 Ａ高爐的實踐驗證，大型高爐熱風(fēng)爐管系，通過壓力式應(yīng)力傳感器實時檢測熱風(fēng)爐出口短管運行應(yīng)力數(shù)據(jù)變化，建立熱風(fēng)管系實時應(yīng)力監(jiān)測模型以及換爐應(yīng)力智能線性上升控制模型，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)換爐閥門運行過程控制，完成換爐產(chǎn)生的動應(yīng)力波動有效控制，實現(xiàn)了應(yīng)力均勻上升。為此大幅降低了換爐應(yīng)力沖擊載荷，減少了設(shè)備沖擊疲勞負(fù)荷、保障耐材穩(wěn)定工作、大幅延長鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備使用壽命，實現(xiàn)了熱風(fēng)爐長壽目標(biāo)，為低碳煉鐵提供智能技術(shù)保障措施。見圖9。
其線性上升影響通過智能“自學(xué)習(xí)”功能，積累大數(shù)據(jù)可以無限逼近應(yīng)力上升的均勻性線性目標(biāo)。馬鋼 Ａ高爐2021年12月大修結(jié)束投入生產(chǎn)，2022年10月熱風(fēng)換爐應(yīng)力智能線性控制系統(tǒng)投入運行，Ｂ高爐 2022年 12月大修結(jié)束投入生產(chǎn)，暫沒有投入熱風(fēng)換爐應(yīng)力智能線性控制系統(tǒng)；2023年6月實時對比2座高爐熱風(fēng)管系紅外監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)，運行18個月的 Ａ高爐優(yōu)于運行6個月的 Ｂ高爐，平均溫度低1325℃，最高溫度低26℃，（見圖10）運維優(yōu)勢明顯。馬鋼點檢維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求大于250℃時必須采取降溫措施。
6 結(jié)論
創(chuàng)新針對高爐生產(chǎn)運行中歷史難題、以及高爐大型化傳統(tǒng)難題升級為行業(yè)痛點問題。按照數(shù)字化創(chuàng)新路徑采集未知數(shù)據(jù)，發(fā)掘特殊生產(chǎn)工藝的數(shù)據(jù)規(guī)律，結(jié)合設(shè)備破損機(jī)理建立數(shù)據(jù)監(jiān)測模型，制定智能控制調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型，集成機(jī)電儀液控實現(xiàn)智能控制目標(biāo)，替代人工操作無法完成的精準(zhǔn)操控任務(wù)，保證設(shè)備滿足特殊生產(chǎn)工藝需求更主動、更透明、更可信、更優(yōu)化，提供了經(jīng)典案例。
創(chuàng)新應(yīng)用成熟、可靠、經(jīng)濟(jì)的檢測設(shè)備，應(yīng)用壓力式稱重傳感器，發(fā)明大量程拉力檢測裝置，準(zhǔn)確采集到換爐的沖擊拉應(yīng)力，開發(fā)壓力管道應(yīng)力實時監(jiān)測模型，成功的揭示了高爐熱風(fēng)爐換爐特殊工藝產(chǎn)生的特別應(yīng)力波動特征，也是智能制造的首選場景，更是傳統(tǒng)制造業(yè)應(yīng)用數(shù)字技術(shù)解決難題的當(dāng)期唯一路徑。
順應(yīng)高爐熱風(fēng)爐換爐應(yīng)力波動曲線特性，開發(fā)智能線性控制的對策，通過對冷風(fēng)閥開啟液壓伺服系統(tǒng)精度升級，開發(fā)智能線性數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)換爐應(yīng)力線性均勻上升，保障熱風(fēng)爐長周期安全穩(wěn)定運行，也契合了當(dāng)前低碳煉鐵技術(shù)進(jìn)步的智能制造需求。
參考文獻(xiàn)
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