涟钢转炉主副枪自动炼钢系统模型详细设计说明书

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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

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目

录

第一章 前 言

第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章

标准定义 网络、硬件和系统软件 工艺模型 生产计划 模型过程控制

与转炉二级机通讯接口数据

基础自动化通讯接口

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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 D

提高终点[C]、T 双命中率 减少补吹次数 减少渣中铁含量 延长炉衬寿命

D

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

D

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

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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：37min

1.6 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。

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

——自动方式

— 技术附件

— 计算机软件产品开发文件编制指南

— 工艺操作说明书 1．8 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。

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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：

2．2 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：即将要冶炼的炉次。

+2 炉：+1 炉将要冶炼的下一炉次。

2．3 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 BOF TORP

意 义 转炉 铁水罐

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DES 脱硫站 AR LF RH 或 VD CCM

吹氩站 钢包炉 真空脱气装置 连铸

ASCII 美国标准信息交换代码

（American Standard Code Information Interchange）

L1 或 BAS L2 L3 SQL HMI PLC S7

一级自动化系统或者基础自动化 副枪二级计算机系统 三级计算机系统 数据库查询语言 人机接口 可编程逻辑控制器 西门子 S7 系列 PLC

TCP/IP 文件控制传输协议/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

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:

计划是由

第 1 位数字 当前年号最末 1 位，如 2008 年，则取“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。

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第 3 位数字 第 4 至 8 位数字

转炉号，分别取 1 或 2。

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：

— 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。

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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 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999

9.9999

9.9999

中文说明 碳 硅 锰 磷 硫 铝 镍 铜 铬 钼 溶铝

钒 钛 铌 钙 钴 钎 钨 镁 铈 硼 砷

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

C Si Mn P S Al Ni Cu Cr Mo Als V Ti Nb Ca Co Pb W Mg Ce B As

% % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % %

9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999

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23 24 25 26 27 28 29 30

Sn Bi Sb Zr Cq O N H

% % % % % ppm ppm ppm

9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999 9.9999

锡 铋 娣 锆 碳当量 氧气 氮气 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

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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，应与钢厂其它计算机型号保持一致。 3.2 网络结构

炼钢副枪二级计算机系统网络图

说明：

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,

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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。

— 客户端

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涟钢 2*210T 转炉副枪计算机炼钢系统－设计说明书 冶金模型

3.4 电源

，所有的服务器、 所有计算机（包括服务器）和网络设备的设计供电为 220VAC/50Hz

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：

3.5 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（℃）：10～30 湿度（%）： 20～80

3.6 资料 硬件设备和系统软件资料均由设备厂家

提供。

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第四章 工艺模型

4.1 概述 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。

4.2 参数维护系统

数画面（包含

— 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

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

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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

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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

— 计算结果

4.4 熔剂和静态计算

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

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— 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

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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、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

·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）

果：熔剂（其中包括冷却剂）

·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）

— 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 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

量），并由这三个变量组

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

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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

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加入料的温降或发热系数 况和终点碳

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

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动态供氧量和终点温度

边界条件：目标终点成份和温度的要求 计算结果：动态供氧量和发热剂（或冷却剂）的量 — 计算结果

4.6 模型常用计算公式

4.6.1 炉渣计算 转炉吹炼到终点，熔池内的钢液成分和渣的成分基本处于稳定和平衡。 转炉终渣渣相中主要是六大主要成分（FeO、CaO、SiO2、P2O5、MnO 和 MgO）。在吹 炼过程中，渣中（FeO）和其它成分的含量是不断变化的，同时也影响钢中 P 和 S 的含量 的变化，最终使钢中的 P、S 含量最大程度的满足要求值。 说明：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nbei.html