基于PLC的脫硫自動噴吹系統設計

苗渤鈺

摘 要：介紹了鐵水脫硫自動控制系統的組成和設計點，實現噴吹自動化的必要條件，分析了脫硫噴吹關鍵工藝參數的優化配置，以及噴吹過程的常見故障和解決方法。

關鍵詞：脫硫；噴吹；控制流程；程序設計

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

1 脫硫系統組成及工藝

隨著現代工業和科技的飛速發展，對鋼材質量的要求日益提高。為降低連續鑄鋼所產生的內部裂紋，提高鋼坯表面質量，減少煉鋼的石灰消耗量等，在煉鋼之前有必要對鐵水進行脫硫工藝處理。

煉鋼脫硫系統包括鐵水罐車、噴吹系統、測溫取樣系統、扒渣機和液壓系統。噴吹系統作為脫硫的核心部分，主要由噴粉罐和噴槍構成。噴粉罐貯存用于脫硫的石灰（CaO）和顆粒鎂（Mg）。噴吹開始后，通過向噴槍吹入高壓氮氣將石灰和顆粒鎂噴入預脫硫的鐵水中。兩種脫硫劑在噴吹管線內按規定的比例混合在一起，通過對噴粉罐壓力和粉劑間噴吹速率的控制調節最終實現準確地命中目標硫。

2 噴吹控制系統設計

2.1 硬件設計

為實現噴吹系統的自動控制，采用西門子S7-400 PLC做主站，S7-300 PLC做從站，主站PLC控制噴槍上下動作、測溫取樣、扒渣和煙氣除塵。從站控制噴粉罐下料及稱重、液壓系統和鐵水罐車行走。

主站和從站之間采用Profibus DP協議實現通信，通過為現場各從站分配唯一的地址，實現數據交換和對現場設備的遠程控制。此外，主站PLC通過工業以太網和上位機（HMI）、工程師站以及二級服務器進行通信。

2.2 程序設計

采用Step7軟件編程，人機界面采用WinCC Flexible制作，程序設計根據系統結構分成公共系統控制和子系統控制兩部分。公共系統主要控制上料粉倉和氮氣系統。子系統控制各脫硫站的執行機構，如變頻器、升降電機、液壓機構、扒渣器、鐵水罐車行進、各種閥門開關和調節等。下面具體說明噴吹控制程序的設計實現。

（1）控制模式。脫硫控制模式包括自動、手動和就地操作三種模式。程序默認以自動模式初始化。自動模式的特點是，系統和所有設備由PLC直接控制，整個過程由程序設定的邏輯按步驟順序執行，操作人員干預量最小；手動模式需要操作人員通過HMI（人機界面）設定各種參數，并確認滿足各項條件后才可進行。就地操作模式通過機旁操作箱進行控制，該模式一般在設備檢修時使用。

（2）控制流程。程序采用逐層調用，首先由系統組織塊調用噴吹功能塊，噴吹功能塊中接著調用噴吹初始塊和噴吹步序塊，初始塊包括啟動條件、參數模型（如噴粉比、噴吹速率、粉氣比、下料重量、初始溫度）、中斷聯鎖條件、過程復位等。當條件滿足且設備狀態正常，噴吹步序塊被調用執行。噴吹過程按步進行（圖1），每完成一步通過相應條件觸發下一步，直到最后一步完成整個噴吹。

脫硫噴吹前必須滿足以下初始條件：氮氣壓力正常；系統處于自動模式；噴槍動作條件滿足；噴槍和測溫取樣槍處于上限位；鐵水罐車在工作位；擋煙門、渣坑關閉；扒渣機停止或扒渣臂處于減速位；鐵水罐處于水平位；噴吹系統的全部切斷閥和調節閥無故障報警；系統無急停信號；噴粉罐的罐壓無報警，稱重和料位均正常。以上條件滿足后，操作人員根據進站鐵水的含S量，輸入脫硫粉劑的用量，啟動噴吹進行脫硫。

3 設計要點

由于采用復合噴吹法，該技術核心涉及粉劑混合比、粉劑噴吹速率的控制和調節，通過合理設定脫硫劑的比率，優化調節噴吹速度，達到在設定時間內準確命中目標硫。程序設計中，緊緊圍繞這些要素進行展開。

3.1 粉劑比率優化

根據噴吹石灰粉（CaO）/鎂粉（Mg）數量對鎂粉利用率的影響，可見當石灰（CaO）/鎂粉（Mg）的比值在2.5～7.0范圍內時，鎂粉利用率呈現出上升->穩定->下降的趨勢，結合本廠的實際生產情況，將粉劑比限定在3.0～5.0區間比較合適，因此在程序設計時，將粉劑比設定在這一區間，同時允許操作人員根據實際情況在區間內對其調整，增加了靈活性。

3.2 噴吹速率控制

實際生產中，由于脫硫劑噴吹速率控制不佳經常影響到脫硫效果，為了使噴吹罐內的脫硫粉劑能夠均勻、平穩地噴入輸送管道，防止管道出現因栓塞而導致噴吹中斷，程序中針對噴吹罐下方出料口輸送調節閥的控制進行改進，通過在噴吹開始階段將輸送閥門給定一個初始開度，而不讓其處于關閉狀態，這樣有利于噴吹初期脫硫粉劑在管道中流動的均勻和穩定，之后在噴吹階段計算機根據二級服務器下發的模型（包括粉劑重量、粉劑比、噴吹速率）來控制其開度，在噴吹過程中計算機還可根據實際工況調整噴吹速率，使閥門開度保持在合理范圍內。

4 常見故障和處理方法

脫硫噴吹過程涉及的設備和步驟較多，各個環節銜接緊密，經常會由于某個環節出現問題而導致噴吹過程的中斷，如主氮氣流量過低、噴吹壓力和噴粉罐罐壓過大、助吹氣體流量過低、噴吹速率不穩等造成管道料栓而無法繼續噴吹。為了能夠及時發現和捕捉故障，在程序畫面中增加趨勢和報警記錄，通過查看趨勢圖，可以快速準確地定位故障點，方便維修人員及時處理。

5 結束語

鐵水脫硫自動化是煉鋼生產過程最基本的自動化，其為生產所必需，通過對噴吹氮氣壓力、噴吹罐差壓、噴吹速度、粉劑量、閥門開度的控制，使復雜的脫硫噴吹過程能夠實現精確控制的目的，最終提高硫的命中率，為生產純凈鋼提供了保障，也為企業帶來了效益。

參考文獻：

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