關(guān)鍵詞：高爐 布料 料流調(diào)節(jié)閥 液壓伺服比例系統(tǒng)
PID調(diào)節(jié) γ角
一、 概述
隨著冶金工業(yè)的飛速發(fā)展，作為鋼鐵冶煉過(guò)程中的重要組成部分——煉鐵爐也產(chǎn)生了幾次大的變革。從100米3~300米3的小高爐發(fā)展到現(xiàn)在1750米3、3800米3甚至到4200米3大型高爐，從最初的雙料鐘爐頂?shù)浆F(xiàn)在已經(jīng)普遍使用的無(wú)料鐘爐頂，無(wú)料鐘爐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)方式也分為串罐式和并罐式, 等等?，F(xiàn)在的無(wú)料鐘爐頂主要有BT型、PW型、SS型等幾種形式。
二、無(wú)料鐘爐頂實(shí)現(xiàn)精確布料的原理
現(xiàn)代化的高爐為了最大限度的提高冶煉效率，均采用了料流調(diào)節(jié)閥加布料溜槽的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)礦、焦在爐內(nèi)的精確布料，料流調(diào)節(jié)閥和布料溜槽控制布料的原理如圖一和圖二所示。
高爐爐料（燒結(jié)礦、球團(tuán)礦或焦炭等）經(jīng)過(guò)槽下配料工藝后先進(jìn)入到爐頂?shù)纳狭隙泛拖铝隙?，在高爐接到布料指令后，其下料斗的料流調(diào)節(jié)閥首先按工藝要求開(kāi)到給定的開(kāi)度（即γ角），這時(shí)爐料按一定的流量經(jīng)布料滾筒后流到布料溜槽上，此時(shí)布料溜槽已經(jīng)按工藝要求升到一定的傾動(dòng)角度（即α角），同時(shí)布料溜槽還在水平面方向上進(jìn)行著勻速旋轉(zhuǎn)（即β角）。這樣爐料就可以均勻的布到高爐的料面上了。
從上面爐頂布料的基本控制原理可以看出，只要控制好α、β、γ三個(gè)角度，就可以把爐料按任意的形式布到爐內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)高爐的布料方式有環(huán)形布料、扇形布料和定點(diǎn)布料等幾種形式。最多使用的是環(huán)形布料，即一批料以不同的傾動(dòng)角度布到爐內(nèi)，形成以爐中心為圓心的數(shù)個(gè)圓環(huán)，使?fàn)t料均勻的布在爐內(nèi)。根據(jù)環(huán)形布料的環(huán)數(shù)的多少還分為單環(huán)布料和多環(huán)布料，最常用的為一環(huán)到四環(huán)布料。如果在冶煉過(guò)程中出現(xiàn)爐內(nèi)料面不均勻的情況，則可以利用扇形布料或定點(diǎn)布料來(lái)彌補(bǔ)?；蛘郀t長(zhǎng)根據(jù)爐況需要，為改善透氣性、保護(hù)爐壁使其溫度不致過(guò)熱等等原因，也需要采用扇形或定點(diǎn)布料的方法來(lái)改善爐內(nèi)爐料的分布狀態(tài)。
在爐頂布料控制中，下料斗料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制（即γ角的控制）是至關(guān)重要的，因?yàn)橹挥笑媒强刂频木_，才能有效地控制好下料的料流量，進(jìn)而更準(zhǔn)確的控制好每批料布料的厚度、環(huán)數(shù)及布料的起點(diǎn)和終點(diǎn)。
三、料流調(diào)節(jié)閥的控制現(xiàn)狀
現(xiàn)在的無(wú)料鐘高爐爐頂，其料流調(diào)節(jié)閥的控制基本有三種：
1、 普通電機(jī)加齒輪減速機(jī)構(gòu)來(lái)控制料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。這種方式控制設(shè)備簡(jiǎn)單，但精度很難提高，系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間也較長(zhǎng)，不利于提高高爐生產(chǎn)的節(jié)奏。另外，齒輪減速機(jī)構(gòu)中的機(jī)械間隙對(duì)γ角精度的影響也很難消除，因此在大型高爐上基本不使用這種控制方式。
2、 使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥。這種驅(qū)動(dòng)方式能較好的保證γ角的精度，但驅(qū)動(dòng)力矩受到一定的限制，另外其動(dòng)作時(shí)間也比較長(zhǎng)，不利于提高生產(chǎn)節(jié)奏，一般在450米3及以下的高爐上應(yīng)用較多。
3、 采用液壓系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥。這用方式最大的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力矩較大，可以使系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間大幅縮短，另外其控制也比較簡(jiǎn)單，即使用兩個(gè)常規(guī)的液控單向閥來(lái)控制液壓缸的開(kāi)度，進(jìn)而達(dá)到控制γ角開(kāi)度的目的，如圖三所示。一般大型高爐大都采用這種方式。
1 換向閥 2 液控單向閥 3 單向節(jié)流閥 4油缸
圖三 普通液壓系統(tǒng)控制料流閥的原理圖
但這種方式的缺點(diǎn)也很明顯。其一是普通液壓系統(tǒng)控制的液壓缸，其推力受系統(tǒng)壓力的影響比較大，容易形成沖擊，對(duì)料流閥的壽命有著一定的影響；其次也是比較重要的，就是其精度很難控制，這是因?yàn)榱狭鏖y在開(kāi)到給定角度時(shí)，由于里面充滿了爐料，必須要求一次到位而不能反復(fù)調(diào)節(jié)，而普通的液壓系統(tǒng)是不能滿足這種要求的。而利用液壓缸一次定位的精度誤差又比較大，一般在1.5~2.0度，有時(shí)竟達(dá)到2.5~3.5度。 這樣的精度在高爐布大粒度料（例如20mm以上的燒結(jié)礦或焦炭）的時(shí)候可能影響不是太嚴(yán)重，但是在需要布小粒度料的時(shí)候，尤其是小于5mm的碎礦或碎焦時(shí)，就很難控制甚至無(wú)法控制了。
四、利用液壓伺服比例系統(tǒng)控制料流調(diào)節(jié)閥的可行性
鑒于以上原因，在大型高爐上，如果能充分利用液壓系統(tǒng)推力大、動(dòng)作速度快的特點(diǎn)，又能最大限度的消除系統(tǒng)壓力變化對(duì)推力的影響，減小對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊，同時(shí)把控制精度大幅提高，那是再理想不過(guò)的了。
基于以上思路，我們?cè)跐?jì)鋼一煉鐵廠1#1750米3高爐上采用了液壓伺服比例控制系統(tǒng)來(lái)代替原先的普通液壓系統(tǒng)控制料流調(diào)節(jié)閥，獲得了理想的效果。
五、液壓伺服比例系統(tǒng)控制料流調(diào)節(jié)閥的原理
1、液壓伺服比例系統(tǒng)的控制如圖四所示：
蓄能器 圖四 液壓伺服比例系統(tǒng)控制料流閥的原理圖
伺服比例閥通過(guò)自帶的集成放大器，可以連續(xù)的調(diào)節(jié)伺服比例閥的開(kāi)度，這是與普通的液控單向閥的最大不同。由于伺服比例閥的開(kāi)度是連續(xù)可調(diào)的，因此供給油缸的油的流量也是連續(xù)可調(diào)的，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)油缸的速度、推力的連續(xù)調(diào)節(jié)和控制。
2、電氣控制系統(tǒng)，采用了施耐德公司的QUANTUM系列PLC控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集爐頂料流調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開(kāi)度返回值（由自整角機(jī)或光電編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成實(shí)際角度），接收爐頂控制系統(tǒng)發(fā)出的γ角開(kāi)度大小和動(dòng)作指令。在經(jīng)過(guò)分析處理后，把開(kāi)度指令轉(zhuǎn)換成4~20mA的電信號(hào)發(fā)給伺服比例閥的集成放大器,用來(lái)控制伺服比例閥的開(kāi)度。為了使系統(tǒng)既能有較大的推力和快速性，又能夠達(dá)到較理想的準(zhǔn)確度，在控制方式上采用了PID開(kāi)環(huán)控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的方法，
其程序流程如圖五所示。
圖五 液壓伺服比例系統(tǒng)電氣控制流程圖
PID調(diào)節(jié)的全稱(chēng)是比例積分微分控制調(diào)節(jié)器。PLC控制系統(tǒng)首先檢測(cè)γ角的給定值和實(shí)際返回值，并計(jì)算出他們的差值δ, 當(dāng)δ值大于某個(gè)角度（比如2度），這時(shí)給定伺服比例閥較大的開(kāi)度值，使油缸高速大推力運(yùn)行；當(dāng)δ值小于某個(gè)角度、即γ角接近給定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入PID調(diào)節(jié)控制狀態(tài)，即隨著δ值的減小，控制系統(tǒng)給定伺服比例閥的開(kāi)度值也按比例減小，直至為零。當(dāng)料流調(diào)節(jié)閥到達(dá)給定位置后（γ角的給定值與實(shí)際返回值之差<0.1度），啟動(dòng)液壓鎖(電磁球閥動(dòng)作，使得夜空單向閥動(dòng)作，切斷油缸進(jìn)油和出油回路)，使油缸定位。這樣使得液壓油缸推動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥既能快速的到位，又能減小對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊，并保證較高的精度。圖六是完成以上控制流程的一段局部梯形邏輯程序。
需要注意的是，由于液壓伺服比例系統(tǒng)本身具有較高的放大系數(shù)，另外還有機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的影響，因此如果PID調(diào)節(jié)的各項(xiàng)參數(shù)（如比例、微分、積分系數(shù)，延時(shí)時(shí)間，偏移量等）調(diào)整的不好的話，系統(tǒng)極易產(chǎn)生振蕩，因此各項(xiàng)PID參數(shù)的設(shè)置需要反復(fù)試驗(yàn)，以達(dá)到最好的效果。
六、實(shí)際應(yīng)用及效果
濟(jì)鋼一煉鐵廠1#1750高爐是濟(jì)鋼第一座大型高爐，原來(lái)的爐頂料流調(diào)節(jié)閥采用的是普通液壓缸控制，其γ角精度較低，誤差最大時(shí)達(dá)到2.8度，而且在料流調(diào)節(jié)閥全開(kāi)和全關(guān)時(shí)機(jī)械沖擊較大。為了解決這一問(wèn)題，我們對(duì)料流調(diào)節(jié)閥的控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，依照上述原理及方法，新上了一套液壓伺服比例控制系統(tǒng)，伺服比例閥選用了BOSCH-REXROTH公司的高頻響伺服比例閥。電氣控制系統(tǒng)采用了QUANTUM系列的CPU53414。
經(jīng)過(guò)改造后，實(shí)際效果非常理想。γ角的精度達(dá)到了0.1度，全行程動(dòng)作時(shí)間小于4秒，系統(tǒng)在整個(gè)行程上動(dòng)作平穩(wěn)，不再產(chǎn)生較大的機(jī)械沖擊。
七、結(jié)束語(yǔ)
隨著這幾年我國(guó)鋼鐵行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，煉鐵原料尤其是燒結(jié)礦的供需矛盾越來(lái)越突出。就一座1750米3的高爐來(lái)說(shuō)，每年的燒結(jié)礦需求約為160萬(wàn)噸，而燒結(jié)礦中0~5mm粒級(jí)的所謂“碎返礦”約占燒結(jié)礦總量的20~30%，即30~40萬(wàn)噸。這部分“碎返礦”原來(lái)的處理方法是返回?zé)Y(jié)機(jī)重新進(jìn)行燒結(jié)，這不僅客觀上降低了燒結(jié)礦的產(chǎn)量，還造成了能源的極大浪費(fèi)，不利于資源的循環(huán)利用。經(jīng)過(guò)對(duì)料流調(diào)節(jié)閥的相應(yīng)改造后，由于其γ角可以在較小的角度上精確控制，這就為高爐添加這部分“碎返礦”提供了必要的條件，經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)“碎返礦入爐”。這樣一座1750米3高爐每年可以多消化燒結(jié)礦30~40萬(wàn)噸，按每噸燒結(jié)礦加工成本40元計(jì)算，年經(jīng)濟(jì)效益就接近1500萬(wàn)元。另外，“碎返礦”精確地布到爐內(nèi)靠近爐壁的位置，還可以降低爐壁溫度，提高高爐的一代爐齡壽命，其間接經(jīng)濟(jì)效益也非?？捎^。
因此在大型高爐上提高料流調(diào)節(jié)閥的精度具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。筆者認(rèn)為，在大型高爐爐頂布料控制過(guò)程中，用液壓伺服比例控制系統(tǒng)代替普通液壓控制系統(tǒng)控制料流調(diào)節(jié)閥還是很有推廣價(jià)值的。
參考文獻(xiàn): 1 modicon concept V2.5編程手冊(cè) 施耐德自動(dòng)化公司 2000
2 Modicon Quantum Automatoin Scries Hardware Reference Guide施耐德自動(dòng)化公司 1998
3 高等學(xué)校教學(xué)用書(shū)《液壓伺服系統(tǒng)》 東北工學(xué)院 曹鑫銘 冶金工業(yè)出版社 1991年5月第一版
（轉(zhuǎn)載）
