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大型高炉无钟炉顶布料控制技术的研究与开发
（评审材料）
武 汉 钢 铁 公 司 炼 铁 厂
二 〇 〇 七 年 十二 月
2 一、 课题研究的背景及决策分析
在高炉炼铁的上料系统中，以齿轮箱驱动旋转溜槽进行布料的无钟炉顶系统以其布料控制的灵活性和多样性而处于绝对领先地位，无钟炉顶已取代钟阀炉顶而成为高炉布料的主流设备。如何充分发挥无钟炉顶的优越性，强化高炉的上部调剂功能，则是摆在我们面前的一项极具挑战性的课题。
武钢十分注重对无钟炉顶布料特性的研究，通过不断改进和提高无钟炉顶的操作和控制，武钢的炼铁技术不断进步，冶炼水平不断提高，炉况维护不断改善，高炉利用系数从最初不足2.0上升到2.5，各项经济技术指标节节攀升。
武钢希望通过新建的七高炉进一步优化和完善无钟炉顶的布料操作与控制，丰富和创新大型高炉无料钟炉的上部调剂功能，为各项炼铁经济技术指标的进一步提升创造条件，特别要求七高炉的利用系数要在六高炉攻关目标2.5的基础上再上新台阶。大型高炉无钟炉顶布料控制技术的研究与开发正是在这一背景下制定和展开的。
七高炉利用系数要在六高炉攻关目标2.5的基础上再上新台阶，首先要解决高炉的上料速度问题，如果仍按六高炉最大6.5批/小时的上料速度，按90吨批重计算，最高日产量只能达到8900吨，利用系数将很难大幅度突破。同时高炉会因各种原因引起低料线，如果上料能力不够，就没有赶料线的余地，高炉就不得不减风降压。提高上料能力能为高炉赶料线创造条件，降低低料线引起的铁损和燃料消耗。无钟炉顶布料控制优化的首要目标是提高无钟炉顶装配料效率及布料速度，使七高炉上料速度提升到7.5批/小时，生铁日产量达到10000吨以上。 3 原料品种的堆比重、粒度、流动性以及料罐压力和称量值的波动对高炉布料控制的影响是显而易见的，它直接产生布料流量的偏移性振荡，导致实际布料时间、布料环及每环布料份数与工作矩阵不一致，即改变了炉料分布，造成了布料偏析。布料偏析会导致高炉顶温异常，炉况恶化；同时过长的布料时间也会影响上料主皮带的正常运行，耽误炉顶上料。这一切都不利于高炉上部调剂，给高炉高产低耗和稳定顺行造成威胁。对于大型高炉，这种影响尤其突出。目前武钢各高炉的布料偏差一般控制在10--15%，已成为高炉上部调剂和经济技术指标进一部提升的瓶颈。无钟炉顶布料控制的优化力争把布料控制的稳定性和布料精度都提高到95﹪以上，为七高炉等大型高炉的炉况维护和经济技术指标的进一步提升打开空间。
经济技术指标的提升必须以良好稳定的炉况和合理有效的上部调剂作为基础，布料控制的优化必须充分发掘无料钟炉顶的潜力，进一步优化和完善无钟炉顶布料的操作和控制，并开发出适合大型高炉炉况调剂的多种布料调节方式，使高炉布料调剂操作形式多样、简捷明快、实时有效。
围绕七高炉无钟炉顶布料控制的优化，课题研究要实现以下3个目标：
1. 提高炉顶装配料效率及布料速度，使高炉上料速度由以往的6.5批/小时提升到7.5批/小时以上;
2. 提高布料控制的稳定性和布料精度，使布料误差由以往的15%减少到7%以内;
3. 优化和完善无钟炉顶布料的操作和控制，开发新型布料控制方式，使无钟炉顶布料和上部调剂操作形式齐全(多样)、简捷明快、实时有效。 4 二、 课题研究的方案及措施
无钟炉顶布料控制优化的基本方案是：
优化无钟炉顶的工艺配置和功能配置，简化和完善工艺控制程序，实现稳定高效快速的布料控制；提高布料精度，达到精确的布料调节控制；优化和完善炉顶布料的操作和控制， 实现型式多样的布料操作调节与控制。
为实现这些目标，课题组主要采取以下措施：
1. 建立无钟炉顶料流跟踪模型，实现数字化的料流跟踪与控制，使料流信号更加直观，克服检测点波动导致的料流数据混乱，从而达到完善料流控制、方便高炉操作和监控的目的，大幅度减少无钟炉顶的故障停机。
2. 建立无钟炉顶步序控制模型，优化和完善无钟炉顶的工艺控制，使炉顶装料、排料程序简洁明快，布料过程稳定高效快速。
3. 建立无钟炉顶流量控制模型，引入流量反馈功能，实现布料流量的自动调节与控制， 提高布料调节控制的精度。
4. 建立无钟炉顶操作控制模型，优化和完善无钟炉顶布料的操作和控制，并开发新型布料操作控制方式，使无钟炉顶的布料操作与控制更加充实丰富、布料调剂手段更加准确有效。
三、 课题研究的技术细节
(一)、 无钟炉顶的料流跟踪方案
实践表明，单纯通过硬点检测无钟炉顶的料流信号，其可观测性差，出错率高。建立料流跟踪模型使料流信号更加直观，能有效克服检测点波动所导致的料流数据混乱，既完善了料流控制，又方便了高炉操作和监控，同时也可大 5 幅度减少故障停机现象。
料流跟踪模型的设计要点是通过硬点检测（检测点）和软点控制（料流）来描述炉料在高炉上料环节(主皮带、翻板、料罐、溜槽、炉内料面)的运行，从而达到数字化的料流跟踪与控制的目的。
料流数据模型定义为:批号﹑矩阵号﹑步号﹑料种﹑重量﹑时间﹑方向﹑角度角位布料份数﹑料头﹑料尾。
例1：主皮带的料流跟踪方案
1 料流在主皮带上的运行状况以时间(秒)标定，并通过集中斗闸门和三个检测点的动作来检测和修正。料流跟踪模型最多可跟踪主皮带上的三个料。
2 主皮带上的料流信号控制分硬点控制和软点控制。硬点控制方式下软点用于料流检验和报警，软点控制方式下硬点用于料流检测修正和报警。硬点控制和软点控制可切换使用，一般选择软点控制比较可靠。
3 料罐要料时，BLT向BP发要料信号，若集中斗有备料并且前一个料的料尾离开二检点或前一个料的料尾时间＞料流间隔时间，BP就可以开启集中斗闸门向主皮带排料，直到集中斗排空，延时关闸门。
4 当料头到达二检点或料头剩余时间≦装料准备时间+5秒时，BLT启动装图1 皮带供料系统料流跟踪模型 主皮带 移动受料斗斗
焦矿集中斗 三检点
二检点
一检点 料流长度 料流间隔 料流长度 料头剩余时间
装料准备时间 料头时间
料尾时间 料尾剩余时间
皮带带料时间 6 料准备程序，使移动受料斗及下面对应的料罐处于可受料状态，BLT不具备这种选择则报警。
5 当料头到达三检点或料头剩余时间≦装料准备时间，BLT在受料之前无法完成装料准备工作，这时BLT发指令停主皮带并报警。
例2：溜槽的料流跟踪方案
炉料通过旋转溜槽以一定角位分布到料面上。料流跟踪模型按角度﹑角位两种方法设定和切换无钟炉顶布料控制方式。一般将料面分割为11个角位。
由于炉料的抛物线运动，角度--角位的对应关系并不是一成不变的，它随料线的高低而有所不同，料流跟踪模型通过角度--角位对照表和角度--角位转换的经验公式实现角度--角位的不间断映射。
布料方式设定的目标始终是炉内料面的环型区域，用角位布料无疑更直观，而用角度布料将得到连续的径向布料区间。
无钟炉顶布料角度--角位对照表
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
焦
炭 0—2米 53 49 46 38 33 29 25 21 17 15 12
2—4米 49 45 40 35 30 26 23 19 16 14 11
4—6 米 45 42 38 33 29 25 20 18 14 12 10
大
烧 0—2米 53 49 46 38 33 29 25 21 17 15 12
2—4米 49 45 40 35 30 26 23 19 16 14 11
4—6 米 45 42 38 33 29 25 20 18 14 12 10
小
烧 0—2米 53 49 46 38 33 29 25 21 17 15 12
2—4米 49 45 40 35 30 26 23 19 16 14 11
4—6 米 45 42 38 33 29 25 20 18 14 12 10
图2 角度--角位对照表 角位
角度 品
种 线 料 7 例3：炉内料面的料流跟踪方案
料流跟踪模型设计了无钟炉顶布料报表，用来跟踪描述布料过程中实际料流在料面的的物理分布，以便于高炉操作者对布料状况进行实时监控。
无钟炉顶布料报表
装料时间 批
号 矩阵
号 步
号 罐
号 品
种
排料时间 开
度 流
量 角位角度布料重量
11 10 9 9 7 6 5 4 3 2 1
另外，每布完一罐料，料流跟踪模型要求BLT--PLC将实际的矩阵号﹑批号﹑步号﹑料种﹑布料方向﹑布料时间﹑布料角度﹑角位及其相应角位上的布料份量传送到上位计算机，形成历史报表供高炉操作者查寻分析。
无钟炉顶系统引入料流跟踪模型，完善了料流控制，方便了无钟炉顶的布料操作和监控，并大幅度减少了无钟炉顶系统的故障。
(二)、 无钟炉顶工艺控制的改进
无钟炉顶的工作状况直接影响到高炉炉况的稳定，建立无钟炉顶步序控制模型对增强炉顶工艺控制的稳定性、提高布料控制的速度和效率是必要的。
1 工艺控制任务单元化：将炉顶装排料流程细分成众多基本单元，单元的编图3 无料钟炉顶布料报表 8 程具有模块化﹑标准化﹑通用化的特点。
2 工艺控制过程分层配置、异步调用，实现工艺控制多线程作业。
3 优化控制链：以安全生产和快速布料为原则，根据控制设备及生产工艺链接基本单元，在安全联锁条件下，同级工艺顺序的动作同时启动。
4 人工干涉布料控制：出现布料异常，在安全连锁条件下，允许链接某些布料操作的人工干预而不改变自动方式的控制参数和状态。
5 装排料全过程引入时间预估﹑时间检测﹑时间控制，并以此为基础控制要料请求信号的发放。
例1 ：无钟炉顶装料程序
由BLT-PLC发出要料请求信号打开集中斗闸门，将原料排到主皮带上，通过主皮带上一号检测点开始料流跟踪信号显示，当料到达2#点时，炉顶开放散阀，料罐压力放散好，开上密封阀，上密封阀开到位后将翻板打到该罐并关放散，同时向槽下PLC发出准备好信号；原料到3#点后检查炉顶状态，如果炉顶没有准备好则停主皮带。否则对料罐进行装料，料尾信号来，延时关上料门，关上密封阀。并将翻板打到水平位，完成整个装料过程。 装完料 开始装料
装料准备好
手动选罐 料流跟踪 二检点
罐位 装料准备指令
翻板 放散信号 关放散阀
开上密阀 开放散阀
选进料路径 翻板打至料罐 翻板打至水平 关上密阀
选罐 皮带空延延时
图4 无料钟炉顶装料程序