智能控制在转底炉控制上的初步应用

朱学良

摘要：本文介绍了智能控制技术在转底炉控制上的初步应用。针对转底炉工艺特点和控制特点，在基础自动控制基础上，首次采用多种先进算法和控制策略实现了转底炉控制的智能化。本文介绍了智能控制系统的平台搭建和方法，并在项目中得到了应用和验证，为后续智能控制推广积累了一定经验。

关键词：智能控制;算法;数据库;PLC

引言

随着钢铁产量的迅猛发展，钢铁企业所产生的固废与日俱增，带来了巨大的环境和资源压力。各类固废中含Fe、Zn、C的尘泥约占12%。根据不同的原料条件对含锌固废进行处理的工艺包括湿法、火法及联合法。湿法是通过酸、碱溶液浸出分离Zn、Pb等物质，但是存在浸出率低、成本高、废水难以处理等问题。火法是在高温条件采用还原剂对金属氧化物进行还原，回收有价元素的一种处理方法，具体有回转窑法、竖炉法、转底炉法及熔融分离法，其中回转窑法存在易结圈、作业率低、能耗高、污染大的缺点，竖炉存在原料适应性差、回收ZnO品位低的缺点，熔融分离法应用范围较窄。

1工艺介绍

钢铁生产各工序中，均产生大量的粉尘和污泥，主要包括转炉灰、高炉二次灰、电炉灰、OG泥等含铁、锌的冶金尘泥。转底炉工艺主要用于处理这些冶金尘泥，通过预处理、原料配料、混料、压球、生球烘干、焙烧还原、成品冷却输送等工序，实现了冶金尘泥的还原和再利用，其主要产品金属化球团供高炉冶炼使用，锌粉直接外销。转底炉实现了含铁冶金尘泥的资源再利用，因处理能力强、效果好而得到各大钢厂的广泛应用。文中以国内某钢厂2×25万t/a转底炉生产线为例进行介绍。

该厂基础自动化系统采用西门子PLC，其主要控制系统包括1号转底炉电气控制系统、1号转底炉仪表控制系统、1号转底炉余热锅炉控制系统、2号转底炉电气控制系统、2号转底炉仪表控制系统、2号转底炉余热锅炉控制系统、公辅控制系统和其他控制系统，每套控制器CPU均采用S7416-2DP，并配有CP443-1工业以太网。上位机由INTOUCH软件开发，供操作人员监视和操作设备用。该厂还配有独立的过程控制系统L2，用于转底炉的过程控制并接收L3下发的指令和各类化验数据，系统之间的通讯主要采用TCP/IP方式。系统的网络结构简图如图1所示。

图1网络结构简图

2智能控制在转底炉控制上的初步应用

2.1除尘灰中锌及铁的还原机理

除尘灰中铁的最高价氧化物是赤铁矿Fe2O3，在570℃以上的还原按照Fe2O3-Fe3O4-FeO-Fe的顺序逐级还原。还原温度对球团金属化率和铁氧化物还原率影响较为明显，温度越高，反应速率越快，铁氧化物还原达到平衡时的金属化率和还原率所需时间越短。除尘灰中Zn以ZnFe2O4及ZnO等形式存在，氧化锌具有纤锌矿的四面体晶体结构，热稳定性较好，沸点较高，并且在沸点以下基本不挥发。金属锌的沸点是906℃，较容易挥发，氧化锌还原为金属锌后挥发为蒸汽状态，进入烟气后被氧化为ZnO。因此，进行Zn的脱除需要将锌从化合物状态还原出来，常用的还原剂有C、CO和H2，实际在转底炉进行还原过程中同时存在这三种还原剂的不同作用。虽然碳颗粒与锌和铁氧化物接触密切，但工业生产实践表明，ZnO和铁氧化物的还原以CO为主，这是由于碳还原氧化锌、氧化铁的反应为固固反应，反应的进行受界面制约。从氧势图看，CO还原反应的标准自由能曲线斜率是负值，与ZnO曲线交叉点出现在950℃。当温度达到950℃时ZnO开始被CO还原。ZnO曲线在约900℃时出现拐点，随着温度的升高还原更容易。在1200℃时ZnO曲线与FeO曲线出现交叉，在1200℃以下ZnO的还原难度高于FeO，温度超过1200℃时ZnO的还原难度低于亚铁的还原，在转底炉几个还原区温度达到1250℃的温度环境中，锌及铁有相似的还原难度。但在实际的煅烧条件下，反应产生的Zn单质可以快速通过球团的孔隙扩散出去，气态Zn单质分压迅速降低，使得Zn优先于Fe被还原出来。铁酸锌的还原过程也遵循逐级还原规律，C/O摩尔比0.6以下在800℃时即可分解为Fe3O4和ZnO。

2.2监控(HMI)系统

监控系统为智能控制系统应用服务器，其中监控系统HMI系统硬件采用PC机，操作系统采用Windows1064位专业版操作系统，HMI开发软件采用InTouch中文单机版。主要在保留原有工程师站和HMI服务器操作站的基础上，新增加2台工程师站PC服务器，1台作为智能控制系统的配料算法模型搭建及运行的应用服务器、1台作为智能控制系统的人机界面运行的数据服务器，这两台服务器主机集中放置于机柜，其中在应用服务器上组态配料系统监控画面，并且将监控显示至于中央控制室，主机与显示器、鼠标连接采用KVM延长器方式。新增的工程师站操作系统采用Windows1164位专业版。在原来的L1控制系统的监控系统中，将项目算法模型研究的配方参数，以及项目相关的操作命令在HIM系统中进行画面组态，达到项目所需的要求

2.3采集服务器

采集服务器承担了数据采集、数据发送、与控制服务器协同工作、智控系统人机界面等工作，是智控系统数据处理、通讯接口等不可或缺的一部分。数据采集主要针对西门子PLC和L2系统，其中与西门子PLC通过TCP通讯方式进行数据交换。西门子采用私有TCP方式通讯，故需解读其通讯规约并进行充分测试。另外与L2系统的DB2数据库直接通讯，实现读取L2数据功能。智控系统人机界面主要由原料系统、烟气系统和转底炉系统组成，主要用于操作人员监视使用;其他系统中包括智控系统参数设置、系统管理等，主要用于工程师对系统的调整和调试。关系型数据库MySQL为采集服务器和控制服务器共用，实现了采集到的数据和运算好的数据快速存储和管理，主要涉及有控制数据、化验数据、质量数据、系统数据、参数数据等。中间件ＲabbitMQ实现了接收、存储和转发消息数据，衔接了采集服务器与控制服务器之间，采集服务器内数据库与通讯、人机界面之间的消息队列。

2.4增加沉降室改善烟气系统堵塞

某钢厂转底炉原烟气处理系统设计方案不成熟，烟气中粉尘颗粒物含量过高，达到6～16g/m3，烟尘颗粒物中碱金属氯化物含量高达50%以上，碱金属氯化物在穿过换热器管束时，会在低温的管束上富集析出。烟气中ZnO和其他固体颗粒以碱金属氯化物为附着点析出，导致余热锅炉通风截面积减小，造成余热利用系统及除尘器除尘压力过大，严重影响生产顺行。2012年对转底炉的烟气系统进行了改造，新建了烟气出口降尘室，利用降尘室降低烟气流速，促使烟气中大颗粒沉降，减轻了系统堵塞。改进后，转底炉作业率由不到50%大幅提升至89%，投料量也由160t/d提升至350t/d。

结语

冶金尘泥处理装置转底炉是较新的工艺设备，其基础自动控制已采用了目前较新的控制系统，由于其特有的生产特点，导致生产中人工参与较多。近几年智能控制的发展和国家数字化转型的需求，促使从实际出发，针对转底炉进行智能控制的研究。目前，该智能控制系统已在国内某钢厂搭建完成，并正在实施转底炉智能原料的调试工作，已初见成效，同时在积极策划烟气炉和转底炉本体的智能控制。

参考文献

［1］杨双平，王苗，折媛，等.直接还原与熔融还原冶金技术［M］.北京：冶金工业出版社，2013.

［2］佘雪峰，薛庆国，董杰吉，等.钢铁厂典型粉尘的基本物性与利用途径分析［J］.过程工程学报，2009（9）：7-12.