基于PLC的脱硫自动喷吹系统设计

    苗渤钰

    摘 要：介绍了铁水脱硫自动控制系统的组成和设计点，实现喷吹自动化的必要条件，分析了脱硫喷吹关键工艺参数的优化配置，以及喷吹过程的常见故障和解决方法。

    关键词：脱硫；喷吹；控制流程；程序设计

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.119

    1 脱硫系统组成及工艺

    随着现代工业和科技的飞速发展，对钢材质量的要求日益提高。为降低连续铸钢所产生的内部裂纹，提高钢坯表面质量，减少炼钢的石灰消耗量等，在炼钢之前有必要对铁水进行脱硫工艺处理。

    炼钢脱硫系统包括铁水罐车、喷吹系统、测温取样系统、扒渣机和液压系统。喷吹系统作为脱硫的核心部分，主要由喷粉罐和喷枪构成。喷粉罐贮存用于脱硫的石灰（CaO）和颗粒镁（Mg）。喷吹开始后，通过向喷枪吹入高压氮气将石灰和颗粒镁喷入预脱硫的铁水中。两种脱硫剂在喷吹管线内按规定的比例混合在一起，通过对喷粉罐压力和粉剂间喷吹速率的控制调节最终实现准确地命中目标硫。

    2 喷吹控制系统设计

    2.1 硬件设计

    为实现喷吹系统的自动控制，采用西门子S7-400 PLC做主站，S7-300 PLC做从站，主站PLC控制喷枪上下动作、测温取样、扒渣和烟气除尘。从站控制喷粉罐下料及称重、液压系统和铁水罐车行走。

    主站和从站之间采用Profibus DP协议实现通信，通过为现场各从站分配唯一的地址，实现数据交换和对现场设备的远程控制。此外，主站PLC通过工业以太网和上位机（HMI）、工程师站以及二级服务器进行通信。

    2.2 程序设计

    采用Step7软件编程，人机界面采用WinCC Flexible制作，程序设计根据系统结构分成公共系统控制和子系统控制两部分。公共系统主要控制上料粉仓和氮气系统。子系统控制各脱硫站的执行机构，如变频器、升降电机、液压机构、扒渣器、铁水罐车行进、各种阀门开关和调节等。下面具体说明喷吹控制程序的设计实现。

    （1）控制模式。脱硫控制模式包括自动、手动和就地操作三种模式。程序默认以自动模式初始化。自动模式的特点是，系统和所有设备由PLC直接控制，整个过程由程序设定的逻辑按步骤顺序执行，操作人员干预量最小；手动模式需要操作人员通过HMI（人机界面）设定各种参数，并确认满足各项条件后才可进行。就地操作模式通过机旁操作箱进行控制，该模式一般在设备检修时使用。

    （2）控制流程。程序采用逐层调用，首先由系统组织块调用喷吹功能块，喷吹功能块中接着调用喷吹初始块和喷吹步序块，初始块包括启动条件、参数模型（如喷粉比、喷吹速率、粉气比、下料重量、初始溫度）、中断联锁条件、过程复位等。当条件满足且设备状态正常，喷吹步序块被调用执行。喷吹过程按步进行（图1），每完成一步通过相应条件触发下一步，直到最后一步完成整个喷吹。

    脱硫喷吹前必须满足以下初始条件：氮气压力正常；系统处于自动模式；喷枪动作条件满足；喷枪和测温取样枪处于上限位；铁水罐车在工作位；挡烟门、渣坑关闭；扒渣机停止或扒渣臂处于减速位；铁水罐处于水平位；喷吹系统的全部切断阀和调节阀无故障报警；系统无急停信号；喷粉罐的罐压无报警，称重和料位均正常。以上条件满足后，操作人员根据进站铁水的含S量，输入脱硫粉剂的用量，启动喷吹进行脱硫。

    3 设计要点

    由于采用复合喷吹法，该技术核心涉及粉剂混合比、粉剂喷吹速率的控制和调节，通过合理设定脱硫剂的比率，优化调节喷吹速度，达到在设定时间内准确命中目标硫。程序设计中，紧紧围绕这些要素进行展开。

    3.1 粉剂比率优化

    根据喷吹石灰粉（CaO）/镁粉（Mg）数量对镁粉利用率的影响，可见当石灰（CaO）/镁粉（Mg）的比值在2.5～7.0范围内时，镁粉利用率呈现出上升->稳定->下降的趋势，结合本厂的实际生产情况，将粉剂比限定在3.0～5.0区间比较合适，因此在程序设计时，将粉剂比设定在这一区间，同时允许操作人员根据实际情况在区间内对其调整，增加了灵活性。

    3.2 喷吹速率控制

    实际生产中，由于脱硫剂喷吹速率控制不佳经常影响到脱硫效果，为了使喷吹罐内的脱硫粉剂能够均匀、平稳地喷入输送管道，防止管道出现因栓塞而导致喷吹中断，程序中针对喷吹罐下方出料口输送调节阀的控制进行改进，通过在喷吹开始阶段将输送阀门给定一个初始开度，而不让其处于关闭状态，这样有利于喷吹初期脱硫粉剂在管道中流动的均匀和稳定，之后在喷吹阶段计算机根据二级服务器下发的模型（包括粉剂重量、粉剂比、喷吹速率）来控制其开度，在喷吹过程中计算机还可根据实际工况调整喷吹速率，使阀门开度保持在合理范围内。

    4 常见故障和处理方法

    脱硫喷吹过程涉及的设备和步骤较多，各个环节衔接紧密，经常会由于某个环节出现问题而导致喷吹过程的中断，如主氮气流量过低、喷吹压力和喷粉罐罐压过大、助吹气体流量过低、喷吹速率不稳等造成管道料栓而无法继续喷吹。为了能够及时发现和捕捉故障，在程序画面中增加趋势和报警记录，通过查看趋势图，可以快速准确地定位故障点，方便维修人员及时处理。

    5 结束语

    铁水脱硫自动化是炼钢生产过程最基本的自动化，其为生产所必需，通过对喷吹氮气压力、喷吹罐差压、喷吹速度、粉剂量、阀门开度的控制，使复杂的脱硫喷吹过程能够实现精确控制的目的，最终提高硫的命中率，为生产纯净钢提供了保障，也为企业带来了效益。

    参考文献：

    [1]翟兴华.铁水预脱硫喷吹系统的优化设计[M].武汉钢铁设计研究院，1999.

    [2]王贵平.铁水炉外喷粉脱硫经验模型的研究[D].东北大学，2003.

    [3]贾新风.铁水脱硫喷吹自动化控制系统简介[M].唐山不锈钢有限责任公司，2015.

    [4]孙中强.铁水脱硫预处理的理论及工艺研究[M].东北大学，2006.