對高爐無料鐘爐頂精確布料的改進(jìn)
郭龍1， 張興中1， 岳利濤2， 馮常喜1
（1. 燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)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(shù)波動大的問題，對現(xiàn)場多種因素進(jìn)行調(diào)查分析，確定了造成該現(xiàn)象的根本原因是角機(jī)反饋角度與節(jié)流閥實(shí)際開度無法準(zhǔn)確對應(yīng)。根據(jù)原有角度反饋控制模式建立了對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并且創(chuàng)新性地提出節(jié)流閥的開度由角機(jī)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(nèi)部的方法，該傳感器線性誤差在量程300mm以內(nèi)可以小于150μm，而且不受外界環(huán)境干擾。改進(jìn)后，首秦高爐在實(shí)際生產(chǎn)中布料圈數(shù)穩(wěn)定性顯著提高，實(shí)際布料圈數(shù)與工長要求布料圈數(shù)誤差在±0.5圈以內(nèi)，滿足了高爐對裝料、布料制度的要求。
關(guān) 鍵 詞：高爐；布料圈數(shù)；節(jié)流閥；數(shù)學(xué)模型
近些年，由于鋼鐵產(chǎn)能過剩和環(huán)境惡化帶來的雙重壓力，鋼鐵廠競相降低成本以應(yīng)對萎靡的鋼鐵市場。為了進(jìn)一步降低生產(chǎn)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(tǒng)無法滿足生產(chǎn)新標(biāo)準(zhǔn)的操作要求，使得煉鐵生產(chǎn)中操作難度極大，高爐爐況十分不穩(wěn)定。
無料鐘爐頂布料系統(tǒng)有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、設(shè)備質(zhì)量輕、布料靈活和密封性能好等特點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形布料、螺旋形布料、定點(diǎn)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(xué)者都對這一系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[3]對并罐無料鐘爐頂布料的周向分布不均問題進(jìn)行了研究，推導(dǎo)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(tǒng)建立了布料模型，建立了布料矩陣調(diào)節(jié)的基本準(zhǔn)則，通過布料矩陣的不斷優(yōu)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(yùn)動和受力進(jìn)行分析，建立了料流軌跡運(yùn)動方程。來自上海寶鋼的于冬等[6]介紹了一種基于萬向節(jié)傳動結(jié)構(gòu)高爐布料器的電液控制方法，并推導(dǎo)了幾種布料方法的溜槽運(yùn)行軌跡數(shù)學(xué)模型，特別探討了螺旋布料時(shí)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(shù)比例關(guān)系。任廷志等[7]基于遺傳算法對無鐘高爐的布料參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，分析了溜槽傾角檔位數(shù)量以及布料總周數(shù)等參數(shù)對無鐘布料工藝的影響。趙國磊等[8]針對當(dāng)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(shí)溜槽內(nèi)爐料顆粒復(fù)合運(yùn)動的三維數(shù)學(xué)模型，并建立了爐料顆粒在空區(qū)下落過程數(shù)學(xué)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(shù)原理。此外，還有很多有關(guān)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(jìn)行模擬計(jì)算，而高爐在布料過程中料的流速和粒度等參數(shù)都是復(fù)雜多變的，無法將這些模型和參數(shù)實(shí)時(shí)地反應(yīng)到高爐操作中，缺乏一定的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。在高爐正常生產(chǎn)中，工長會根據(jù)爐況對焦炭和礦石要求一定的布料圈數(shù)，從而布出適合爐況的料型。目前對于多數(shù)鋼鐵公司而言，經(jīng)濟(jì)爐料的采用，要求工長操作精細(xì)化，經(jīng)常對焦炭和礦石的布料圈數(shù)進(jìn)行調(diào)整，甚至有時(shí)需要微調(diào)，這使很多高爐布料裝置很難達(dá)到要求，盡管控制精度很高，但是現(xiàn)實(shí)操作結(jié)果不理想，高爐的布料圈數(shù)總是達(dá)不到工長要求，并且多次出現(xiàn)偏離設(shè)定圈數(shù)很大的情況，導(dǎo)致高爐爐內(nèi)料柱透氣性差，煤氣分布不合理，進(jìn)而影響高爐順行穩(wěn)定。
1 現(xiàn)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(chǎn)于2004年6月，采用并罐式無料鐘爐頂布料。高爐工長會根據(jù)爐況對上料主控工下達(dá)改變料鐘圈數(shù)的指令從而改善爐內(nèi)爐料的分布，一般要求偏差±0.5圈。布料圈數(shù)的計(jì)算方法見式（1）。
N＝t/r （1）
式中：N為布料圈數(shù)；t為節(jié)流閥打開到料罐料空信號到來的時(shí)間（后文簡稱下料時(shí)間）；r為布料溜槽的轉(zhuǎn)速。
高爐爐頂布料圈數(shù)的實(shí)現(xiàn)依靠爐頂布料，其成套設(shè)備如圖1所示，在實(shí)現(xiàn)多種布料方式時(shí)，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(zhuǎn)動和傾動共同完成料的分布，主要通過3個角度實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)動角度β角，影響爐料周向分布；（3）節(jié)流閥曲柄轉(zhuǎn)速的角度γ角，直接影響節(jié)流閥的開度，影響料速，決定爐料在爐內(nèi)的起始位置和終止位置。
當(dāng)1號高爐北側(cè)料罐裝焦炭時(shí)，工長要求對其布置14圈，見表1。實(shí)際放入爐內(nèi)的料流的圈數(shù)和主控設(shè)定的圈數(shù)偏差較大，同一個節(jié)流閥開度，料流在爐內(nèi)的圈數(shù)也會有比較大的變化，即使將控制節(jié)流閥開度的角機(jī)精度提高到0.1°，實(shí)際圈數(shù)也會出現(xiàn)明顯的跳動。
由于θ角由直流電機(jī)與行星減速機(jī)進(jìn)行控制，電機(jī)參數(shù)見表2，轉(zhuǎn)速恒定，每次檢修都會進(jìn)行θ角參數(shù)校對，非常準(zhǔn)確，不存在圈數(shù)記錄錯誤的現(xiàn)象，因此，布料圈數(shù)主要由式（1）中下料時(shí)間t 決定。
影響下料時(shí)間的因素主要有：
（1）料重。每一罐料的質(zhì)量反映了料的多少，料的質(zhì)量不一樣，布料圈數(shù)也會不同，在其余參數(shù)不變的情況下，料重與圈數(shù)呈正比。料的質(zhì)量由料罐下料的皮帶秤進(jìn)行稱量，每周進(jìn)行校秤，不存在因?yàn)橘|(zhì)量記錄錯誤導(dǎo)致圈數(shù)不穩(wěn)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(jìn)而流速也不同，也會對圈數(shù)造成一定影響。料種受到客觀環(huán)境約束，并且由于料種類改變也會相應(yīng)主動調(diào)節(jié)布料圈數(shù)。
（3）溜槽。料罐里的料向下流動的溜槽，它與節(jié)流閥閥板構(gòu)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(shù)λ，影響流速進(jìn)而影響布料圈數(shù)，但是由于襯板比較耐磨，并且利用檢修都會進(jìn)行檢查、修補(bǔ)或者更換，保證了料流的穩(wěn)定。
（4）γ角。主要影響料速，料速一般以出口爐頂節(jié)流閥時(shí)的速度作為參考值，計(jì)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(shù)；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(jié)流閥開度的截面積A 和周長l控制，在上料主控工的計(jì)算機(jī)中主要由節(jié)流閥曲柄轉(zhuǎn)過的角度γ來控制。節(jié)流閥曲柄的轉(zhuǎn)動是由節(jié)流閥油缸進(jìn)行驅(qū)動的，圖2所示為爐頂節(jié)流閥油缸驅(qū)動現(xiàn)場實(shí)物圖，圖3所示為節(jié)流閥內(nèi)部原理圖。
節(jié)流閥的驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以簡化為一套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，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(diǎn)到缸頭銷軸的距離；a 為曲柄花鍵軸心到油缸耳軸固定點(diǎn)的距離；b 為曲柄花鍵軸心到油缸耳軸固定點(diǎn)的高度。
油缸行程變化量δx計(jì)算見式（4）。
式中：γ1為油缸第一位置時(shí)節(jié)流閥曲柄轉(zhuǎn)過的角度；γ2為油缸第二位置時(shí)節(jié)流閥曲柄轉(zhuǎn)過的角度。
1 號高爐北側(cè)料罐放礦石的相關(guān)參數(shù)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(jī)反饋后設(shè)置的度數(shù)均為42.6°，油缸的行程差了1.2cm，節(jié)流閥的實(shí)際開度發(fā)生了較大變化。根據(jù)式（4）可知，當(dāng)節(jié)流閥角機(jī)返回角度不變時(shí)，油缸行程也應(yīng)該不變。大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及表1 和表3 的部分?jǐn)?shù)據(jù)表明，同一批料、同樣的料重、同一個節(jié)流閥開度，節(jié)流閥油缸伸長量不同，布料圈數(shù)也有比較大的波動。可以看出，節(jié)流閥的實(shí)際開度與生產(chǎn)崗位計(jì)算機(jī)中的γ角無法一一對應(yīng)，這是造成高爐布料圈數(shù)不準(zhǔn)的根本原因。
2 原理簡介
節(jié)流閥主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損和控制機(jī)構(gòu)的精度都會影響節(jié)流閥的開度，影響料速，進(jìn)而影響到下料時(shí)間。
2. 1 結(jié)構(gòu)原理
高爐爐頂節(jié)流閥是由液壓缸驅(qū)動曲柄帶動內(nèi)部搖臂，進(jìn)而由節(jié)流閥板對八角溜槽開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(jié)流閥軸與內(nèi)部搖臂采用花鍵軸過渡配合，搖臂與節(jié)流閥板采取螺絲固定安裝的形式。利用高爐檢修的機(jī)會對節(jié)流閥裝配的各個間隙進(jìn)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(jié)流閥開度的調(diào)節(jié)過程依靠計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行自動控制，如圖5所示。
控制信號由計(jì)算機(jī)通過放大板控制換向比例閥，由液壓缸帶動曲柄轉(zhuǎn)動一定角度，通過一次角機(jī)反饋到過程站的二次角機(jī)，二次角機(jī)通過編碼器反饋到控制模塊，然后通過對比角度完成閉環(huán)控制，直到角度滿足設(shè)定要求，比例閥回到中位，油缸長度保持不變，調(diào)節(jié)完畢。現(xiàn)場針對各個控制單元進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)，控制反饋過程中有兩個角機(jī)進(jìn)行角度傳遞，一次角機(jī)在爐頂現(xiàn)場，采用的是軟連接，如圖6（a）所示，二次角機(jī)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(jié)流閥板的開度無法一一對應(yīng)，主要原因如下：（1）由于現(xiàn)場環(huán)境一次角機(jī)軸心與機(jī)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(zhuǎn)動慣性，轉(zhuǎn)動角度誤差明顯存在。（2）在送電的情況下，手動轉(zhuǎn)動一次角機(jī)、二次角機(jī)存在一定的轉(zhuǎn)動間隙，也帶來角度誤差。
3 模型建立
根據(jù)式（1）和式（2），推導(dǎo)出圈數(shù)N 與節(jié)流閥γ角的關(guān)系，見式（5）。
式中：W 為每一批料的質(zhì)量；ρ 為料密度；R 為節(jié)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(shù)經(jīng)過前述分析，并不是影響布料圈數(shù)準(zhǔn)確的主要因素。由于節(jié)流閥開角度γ 的測量和反饋均不準(zhǔn)確，因此根據(jù)式（3）和式（4）修改該數(shù)學(xué)模型，由原來的角度測量創(chuàng)新為位移直線測量，由x 直接控制布料圈數(shù)N，采取油缸的行程去反饋調(diào)節(jié)節(jié)流閥的實(shí)際開角度γ。建立新的數(shù)學(xué)模型見式（6）。
油缸的行程反映的是位移，采用位移傳感器內(nèi)置油缸缸桿的辦法，省去編碼器和角機(jī)，直接反饋到控制模塊，控制流程如圖7所示。
4 實(shí)施與試驗(yàn)
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(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號，在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電流即返回脈沖，通過測量起始脈沖與返回脈沖之間的時(shí)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(nèi)可以小于150μm，并且置于油缸內(nèi)部，不受外界環(huán)境干擾。對原有節(jié)流閥油缸活塞缸桿進(jìn)行簡單的加工后將磁滯位移傳感器置于活塞杠桿內(nèi)，安裝簡便，節(jié)約成本。裝配圖如圖8所示，實(shí)物圖如圖9所示。
由于原有角機(jī)控制同樣依靠電流進(jìn)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(jī)控制梯形圖的基礎(chǔ)上增加一個位移傳感器控制模塊即可，省去了一次角機(jī)、二次角機(jī)、編碼器等環(huán)節(jié)[14-15]。為了確保高爐操作的穩(wěn)定性，在新控制模式的基礎(chǔ)上保留了原有控制模式，在崗位計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)控制與位移傳感器控制形成互補(bǔ)，互相參考，如果位移傳感器出現(xiàn)故障，只需切換模式就可恢復(fù)角機(jī)控制，如圖10所示。
利用高爐檢修的機(jī)會將首秦1 號高爐北側(cè)料罐的2條節(jié)流油缸更換為新型的帶有磁滯位移傳感器的油缸，并調(diào)試成功后應(yīng)用于后續(xù)的生產(chǎn)過程。在生產(chǎn)試驗(yàn)過程中截取了大量數(shù)據(jù)，如圖11 所示。由圖11 可以看出：（1）油缸實(shí)際行程和程序設(shè)定的油缸行程一致，這說明傳感器及其控制精度能達(dá)到生產(chǎn)要求，在現(xiàn)場觀察油缸定位迅速，沒有反復(fù)找位現(xiàn)象。（2）使用傳感器油缸后，布料圈數(shù)穩(wěn)定性顯著提高，實(shí)際布料圈數(shù)與工長要求布料圈數(shù)差距在±0.5 圈以內(nèi)，滿足使用要求，不用人工進(jìn)行調(diào)節(jié)，反饋準(zhǔn)確，監(jiān)測多批次放料，均沒有出現(xiàn)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(yàn)證角機(jī)返回角度是否準(zhǔn)確，大大降低了人為在爐頂監(jiān)測油缸行程的工作量。
5 結(jié)論
（1）針對首秦高爐爐頂布料圈數(shù)波動大的現(xiàn)象，對現(xiàn)場多種因素進(jìn)行調(diào)查分析，找到了角機(jī)反饋角度與節(jié)流閥實(shí)際開度無法對應(yīng)的根本原因。并針對原有角度反饋控制模式建立了對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，創(chuàng)新性地提出由角度控制更改為油缸直線位移控制，依據(jù)新建立的數(shù)學(xué)模型和控制模型，論證了該創(chuàng)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(shù)穩(wěn)定性顯著提高，滿足使用要求，并且基本不用人工進(jìn)行調(diào)節(jié)，反饋準(zhǔn)確。將計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行更改，把角機(jī)控制作為備用方式，與磁滯位移傳感器油缸控制互補(bǔ)、互相參考，進(jìn)一步加強(qiáng)對高爐爐料的控制，并且對高爐控制形成了雙保險(xiǎn)，給高爐工長的精細(xì)操作提供了可靠保障。
（3）油缸只需在下線修復(fù)時(shí)增加簡單加工程序，不需另外定制新備件，程序增加模塊調(diào)整，僅有傳感器產(chǎn)生費(fèi)用，改造成本低，改造效果好。
（4）首秦公司已經(jīng)將1號高爐兩側(cè)料罐的節(jié)流閥油缸和控制程序更改完畢，布料圈數(shù)一直處于可控范圍，高爐工長操作有了保障，在爐料情況復(fù)雜的情況下，兩座高爐精確布料，實(shí)時(shí)調(diào)整，煤氣流分布合理，兩座高爐的焦炭負(fù)荷長時(shí)間保持在5.0及以上的水平，焦比控制在315 kg/t以下，實(shí)現(xiàn)了高爐長時(shí)間的低焦比高冶煉強(qiáng)度生產(chǎn)。
參 考 文 獻(xiàn)：
[ 1 ]周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011（.ZHOU Chuan-dian. Production Technical Manual of BF[M]. Beijing：Metallurgical Industry Press，2011.）
[ 2 ]劉云彩. 高爐布料規(guī)律[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2005.（LIU Yun-cai. Regular Pattern about Burden Distribution of BF[M]. Beijing：Metallurgical Industry Press，2005.）
[ 3 ]ZHAO Hua-tao，ZHU Ming-hua，DU Ping，et al. Uneven distributionof burden materials at blast furnace top in bell- less topwith parallel bunkers[J]. ISIJ International，2012，52（12）：2177.
[ 4 ]李傳輝，安銘，高征鎧，等. 高爐無料鐘爐頂布料規(guī)律探索與實(shí)踐[J]. 鋼鐵，2006，41（5）：60.（LI Chuan- hui，AN Ming，GAO Zheng-kai，et al. Research and practice of burden distributionin BF[J]. Iron and Steel，2006，41（5）：6.）
[ 5 ]邱家用，高征鎧，張建良，等. 無料鐘爐頂高爐中爐料流動軌跡的模擬[J]. 過程工程學(xué)報(bào)，2011，11（3）：368（. QIU Jia-yong，GAO Zheng-kai，ZHANG Jian- liang，et al. Simulation of burdentrajectory in a bell-less top blast furnace[J]. The Chinese Journal
of Process Engineering，2011，11（3）：368.）
[ 6 ]于冬，周硯，林申銘. 一種高爐布料器模型的電液控制方法研究[J]. 寶鋼技術(shù)，2015（5）：53.（YU Dong，ZHOU Yan，LINShen-ming. Electro-hydraulic control method study on distributormodel for blast furnace[J]. Baosteel Technology，2015（5）：53.）
[ 7 ]任廷志，馬財(cái)生. 基于遺傳算法的無鐘高爐布料工藝優(yōu)化[J].鋼鐵，2016，51（6）：26（. REN Ting-zhi，MA Cai-sheng. Optimizationof burden distribution process for blast furnace with belllesstop based on genetic algorithm[J]. Iron and Steel，2016，51（6）：26.）
[ 8 ]趙國磊，程樹森，徐文軒，等. 高爐中心加焦?fàn)t料分布機(jī)理及布料方式探討[J]. 鋼鐵，2016，51（6）：10.（ZHAO Guo-lei，CHENG Shu- sen，XU Wen-xuan，et al. Mechanism of burdendistribution in central coke charging process and exploration oncharging pattern in blast furnace[J]. Iron and Steel，2016，51（6）：10.）ing，2011，28（1）：39.）
[ 9 ]SHI Lin，WEN You-bin，ZHAO Guang-sheng，et al. Recognitionof blast furnace gas flow center distribution based on infraredimage processing[J]. Journal of Iron and Steel Research，International，2016，23（3）：203.
[ 10 ]ZHOU Ping，SHI Peng-yu，SONG Yan-po，et al. Evaluationof burden descent model for burden distribution in blast furnace[J]. Journal of Iron and Steel Research，International，2016,23(8)：765.
[ 11 ]管孝群. 馬鋼2 500 m3高爐無料爐頂節(jié)流閥特性的研究[J].煉鐵，1995，14（3）：37.（GUAN Xiao-qun. Characteristics of irisflow control valve of bell-less top for the new No.1BF at MaanshanIron and Steel Co[J]. Ironmaking，1995，14（3）：37.）
[ 12 ]王平. 串罐無料鐘料流軌跡與寬度測定及其分析[J]. 鋼鐵，2003，38（3）：8.（WANG Ping. Measurement and analysis ofburden flow trajectory and width bell-less top with two concentricvertical hoppers[J]. Iron and Steel，2003，38（3）：8.）
[ 13 ]于成忠，金昕. 無鐘高爐布料器布料規(guī)律研究[J]. 冶金設(shè)備，2007（4）：15（. YU Cheng-zhong，JIN Xin. Development on distributionregular of charge distributor of bell- less top BF[J].Metallurgical Equipment，2007（4）：15.）
[ 14 ] Kaijmasa Y，Jimbo T，Komatani A，et al. Application of simulationmodel for burden distribution to actual operation[J]. TransISIJ，1984，24（5）：379.
[ 15 ] 畢學(xué)工. 高爐過程數(shù)學(xué)模擬及計(jì)算機(jī)控制[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1996.（BI Xue-gong. Mathematical Simulation andComputer Control About BF Process[M]. Beijing：MetallurgicalIndustry Press，1996.）