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1、目 录引 言11 济南钢铁集团介绍22 钢铁生产工艺流程42.1 铁前主要生产工艺52.1.1烧结矿生产工艺62.1.2球团矿生产工艺82.1.3炼焦生产工艺92.2炼铁主要生产工艺102.2.1高炉炼铁基本流程112.2.2炼铁设备概要122.3 炼钢及其主要产品的生产工艺142.3.1转炉炼钢生产工艺142.3.2连铸生产工艺152.4轧钢及其主要产品的生产工艺172.4.1热轧工艺172.4.2冷轧工艺173 济钢各生产工艺流程中电气设备的使用情况和控制系统的使用情况193.1 烧结工艺的生产电气设备及其控制系统193.1.1烧结工艺的人工智能193.1.2烧结厂的配电系统223.1.3
2、烧结的三级网络223.2 炼铁工艺的生产电气设备及其控制系统243.3 炼钢工艺的生产电气设备及其控制系统273.3.1转炉电气控制系统273.3.2连铸电气控制系统323.4中厚板工艺的生产电气设备及其控制系统353.4.1中厚板厂电气设备的应用373.4.2 AGC厚度控制393.4.3变频器的控制433.5热连轧工艺的生产电气设备及其控制系统443.5.1扎线物料跟踪系统453.5.2电气传动系统463.5.3液压伺服系统464 典型对象控制系统设计484.1预测控制概述494.1.1发展状况与应用494.1.2 基本控制原理494.2伺服电机的数学模型建立524.2.1伺服电机物理模型
3、524.2.2控制对象建模和约束条件544.3基于M P C工具包的MATLAB仿真544.3.1设定对象模型544.3.2设置MPC TOOL564.4结果及其分析574.5结语62参 考 文 献63指导教师意见64引 言今年暑假，在自动化学院领导和老师的组织下，我们很荣幸能够去济南钢铁集团进行实习、参观。此次实习为期4周，主要是对钢铁的生产、制造过程有细致的认识和了解。并根据将学校的理论知识应用到实际生产生活中，给我们大学的学习进行了更全面、更充实的拓展和补充。4周的实习，从观看钢铁生产的视频到济钢工程师们的讲解再到亲临现场的考察。一整套学习过程循序渐进、理论与实际的结合，让我们对钢铁生产
4、进行了全方位的学习。首先，观看了4天的教学视频，其中包括国内钢铁生产的现状、钢铁生产的流程、鞍钢先进的生产技术等等。接着，为期一周的自主学习，从图书馆、网站等地方查找资料，巩固视频学习的知识。然后是为期一周的外出实习，在济南钢铁集团的现场，对理论知识进行了实践。在那儿里，我们学习了济钢烧结厂的工艺、高炉炼铁的工艺、转炉炼钢的工艺、中厚板生产流程以及热连轧的工艺等，并且去了包括烧结厂、高炉、转炉、中厚板厂、热连轧厂以及能源动力厂在内的6个现场。回到学校的最后一周，是报告撰写和复习巩固阶段。此次实习，不仅让我们学到了钢铁的生产和技术流程，以及自动化领域在实际中的应用，更重要的是，一个企业是如何将技
5、术转化为生产力，一个国家是如何迫切需要先进的技术力量作为支撑。在当下， 我国的技术力量还不够发达，许多核心设备仍然需要从外国进口，我们应当看到这个不足，抓紧研发最新的技术，使得我国在技术力量上达到世界先进水平。1 济南钢铁集团介绍济钢始建于1958年。现有职工3.68万人。产品以中板、中厚板、热轧薄板、冷轧薄板为主。目前主要装备有： 31750m313200m3高炉共4座；445t3120t1210t转炉共8座；2500mm双机架中板生产线、3500mm双机架厚板生产线、4300mm双机架宽厚板生产线、1700ASP生产线、冷轧双机架生产线、小型材生产线各1条。1991年济钢钢产量突破100万
6、吨；2003年超过500万吨；2005年钢产量达到1042万吨（其中主体区产量800万吨），从一个默默无闻的地方钢厂成长为一个具有千万吨级生产能力的特大型钢铁联合企业，济钢人实现了做大的理想。2008年3月，山东省为推进全省钢铁产业结构调整，组建了山东钢铁集团有限公司，济钢作为山钢集团的主要成员之一，迎来了新的发展时期。2009年以来，210吨转炉、4300毫米宽厚板轧机和3200立方米高炉相继投产，标志着济钢“十一五”技术改造主体框架基本完成，从此踏上了由大到强的转型发展之路。近年来，济钢致力于发展循环经济，积极推进节能减排，先后荣获国家环境友好企业、山东省优秀循环经济企业等荣誉称号。被确定
7、为国家第一批循环经济试点单位，列为国家“十一五”规划重点建设的循环经济示范企业。国际金融危机爆发以来，国内钢铁工业遭到重创，企业盈利困难，效益直线下滑，全行业走进微利时代。由于历史的原因，济钢与其他企业比，在钢铁行业困难时期，缺乏原料优势、地域优势和产品优势，受危机冲击更加严重。面对先天不足和行业激烈竞争形势，济钢端正认识，不怨天尤人，直面现实，奋起自救，以前所未有的决心和勇气，大力转变思想观念、大力创新管理思路、大力变革体制机制、大力打造“产品服务”销售模式、大力推进降本增效，牢牢掌握工作主动权，推动了济钢在克服困难、适应市场中稳定健康发展。2011年生产钢834万吨、铁877万吨、钢材86
8、2万吨。“十二五”时期，济钢将牢牢把握科学发展主题和产业结构调整主线，加快转型发展，实现在发展方式上由追求产量扩张向追求品种、质量、效率、效益提升转变；产业结构上由注重钢铁主业发展向拉长产业链、多元发展转变；盈利模式上由主业靠产量创利、辅业靠内部市场向主业提升产品档次、辅业向外打造新的利润增长点转变，建设现代服务型钢厂，不断创造新的业绩，为把山钢集团建设成为具有国际竞争力的世界一流钢铁强企做出积极贡献。2 钢铁生产工艺流程现代社会人类对钢材的需求量十分巨大，钢材有其他各种材质所无法取代的，硬度、延展性、稳定性、强度和可加工性，以及取得较容易，产量大等特点。得到了人类的特殊青睐。广泛应用于有人类
9、活动存在的各个领域。已经成为一种不可取代的和不可或缺的基础材料，正是基于这种巨大的社会需求，人类几千年来都在发明发展制造钢材。据估计，2005年中国的钢材产量达到2.5亿吨以上，成为全球第一钢材消耗国。制造钢材的过程是庞大而复杂的，所谓的制造钢材就是将自然界中存在的易取得的资源，经过特殊方法制造为人类需求的各种材质、尺寸的钢材，如线、管、板、特型钢等。一套完整的钢铁生产流程包括几个部分：采矿选矿炼铁炼钢轧钢。就一般钢铁厂而言，采矿一般由国内收购或国外进口，不在集团运作范围内。从选矿开始到成品出产，其主要流程如图2.1所示。图2.1钢铁生产的主要流程2.1 铁前主要生产工艺铁前工艺主要是指从采矿
10、、选矿开始，到炼铁以前的主要工艺。炼铁需要优质的原材料，包括优质的矿石、焦炭、煤粉等等。而一般来说，从矿山挖掘出来的矿石不能达到炼铁的品质要求，特别是在中国，采得的矿石以贫矿为主。而直接从国外进口优质原材料又比较昂贵，因此铁前工艺是十分重要的一步，其中主要报包含了：烧结矿、球团矿、炼焦等工艺。2.1.1烧结矿生产工艺（1）造块的概念造块是将粉状物料聚结成块状,并实现其物理化学性能优化的过程。现代冶金造块不仅为冶炼提供优质炉料，而且也逐渐成为由冶金原料及二次资源直接提取分离有价元素、制备新材料的过程，是实现高效优质低耗冶金生产与资源循环再生的重要径。此外，造块技术在煤炭、化工、建材、医药等领域也
11、获得广泛应用。我国的铁矿石大部分都是贫矿，贫矿直接入炉炼铁是很不合算的，因此必须将贫矿进行破碎、选出高品位的精矿后，再将精矿粉造块成为人造富矿才能入高炉冶炼。所以，粉矿造块是充分合理利用贫矿的不可缺少的关键环节。而富矿的开采过程中要产生粉矿，直接使用富矿冶炼也会导致粉矿直接入炉，引起高炉不顺，恶化高炉技术经济指标，因此粉矿也必须经过造块才能入炉。造块的方法有很多，其中主要的方法就是烧结矿和球团矿。此外，还有压制方团矿、辊压团矿、蒸养球团、碳酸化球团，其成球方式和固结方法与球团矿不同，还有小球烧结，国外称为HPs球团化挠结矿，界于球团和烧结之间；还有铁焦生产，是炼焦和粉矿造块相结合。造块工艺在钢
12、铁生产中有着不可或缺的地位，它与传统钢铁工艺紧密相连，其基本流程如图2.2所示。图2.2造块工艺在炼钢流程中的作用（2）烧结工艺“烧结”就是指粉状物料加热到熔点以下而粘结成固体的现象。烧结方法主要有吹风烧结法和抽风烧结法两大类。吹风烧结有平地堆挠、饶结识、挠结盘，抽风烧结有路式侥结、艰面步进式烧绍机、带式烧结机、环形挠结电机即日本矢作式。国内外普遍采用的是常式抽风烧结机，在我国地方小铁广还有相当一部分用平地吹风堆烧和箱式抽风烧结。比外，还有回转窑浇结法、悬浮烧结法。烧结矿主要针对贫矿，利用含铁20%-30%的矿石制作成人造富矿，产生的是碱性矿石。在炼铁过程中，与酸性的球团矿一起熔炼。基本的烧结
13、原则有四部分：配料、混合、烧冷、整粒。其流程图如图2.3所示。此外，国外现在已经有了取消烧结工序的成功先例。但是结合国内铁矿资源以及多少年的烧结技术发展和经验，取消烧结工艺在国内外任何一个钢铁厂都是不可能的。而单纯对于烧结工艺来说，还有许多的尖端技术需要进一步开发；相应的，如何在有限的条件下合理利用资源，进行更好的控制，实现利益的最大化，保护环境，都还远达不到说完美的程度。总之，烧结及相应工作，将来的发展还大有可为。图2.3烧结矿的基本流程2.1.2球团矿生产工艺20世纪70年代，各种球团技术已得到大力推广和发展，其中以链篦机回转窑球团生产线的发展最为显著。它具有对原料条件适应性强、产品质量好
14、、能耗低、无污染，并适合大规模生产。球团矿原料主要有：磁铁矿或赤铁矿铁精粉，膨润土。燃料则用炉煤气、天然气、煤粉等。其主要流程如图2.4所示。图2.4球团矿生产流程图球团矿是一种高品质的高炉原料，俗称高炉的“顺气丸”。含铁品位较高，有害元素少。粒度均匀，冷态强度大，无热爆现象、可用于较长时间的贮存和远距离运输。球团矿主要是针对富矿，大约60%-70%左右的含铁的矿石，将其做成酸性矿石。在高炉中与烧结矿搭配使用，可大大降低高炉焦比（），提高高炉质量，使高炉炉料结构合理化，最终使高炉达到优质、高产、低耗、高效之目的。目前，国内正在研制酸性的烧结矿，以取消球团矿，从而降低富矿的成本。2.1.3炼焦生
15、产工艺 高炉生产前的准备除了准备铁矿石（烧结矿和球团矿）外，还需要准备好必需的燃料，焦炭。焦炭是高炉冶炼的主要燃料，焦炭在风口前燃烧放出大量热量并产生煤气，煤气在上升过程中将热量传给炉料，使高炉内的各种物理化学反应得以进行。焦炭在高炉冶炼中作为发热剂、还原剂、料柱骨架、渗碳剂等作用，其中，前三个是高炉反应的核心，因此，高质量的焦炭是炼铁不可或缺的重要工艺。现代的焦炭冶炼分为洗煤、配煤、炼焦和后期处理几部分，如图2.5所示。洗煤：原煤在炼焦之前，进行洗选，目的是降低煤中所含的灰分和去除其他杂质。配煤：将各种结焦性能不同的煤按一定比例配合炼焦，目的是在保证焦炭质量的前提下，扩大炼焦用煤的使用范围，
16、合理地利用国家资源，并尽可能地多得到一些化工产品。炼焦：将配合好的煤装入炼焦炉的炭化室，在隔绝空气的条件下通过两侧燃烧室加热干馏，经过一定时间，最后形成焦炭。后期处理：将炉内推出的红热焦炭送去熄焦塔熄火，然后进行破碎、筛分、分级、获得不同粒度的焦炭产品，分别送往高炉及烧结等用户。当然，在炼焦过程中还会产生炼焦煤气及多种化学产品。其中，焦炉煤气是烧结、炼焦、炼铁、炼钢和轧钢生产的主要燃料。图2.5炼焦工艺流程图2.2炼铁主要生产工艺制造钢材是由许多工序联合完成的，而炼铁是大型钢铁联合企业的中心环节，炼铁是将化合物的铁矿石转化为单质铁的一个过程,设备复杂庞大、技术含量高、工艺复杂。炼铁技术经过几千
17、年的发展，发展为两个大的派别：1 高炉炼铁；2 直接还原铁。高炉占所有出铁产量的90以上，直接还原铁技术不成熟。尘铁质量差，因而各国普遍采用的是高炉炼铁。2.2.1高炉炼铁基本流程高炉炼铁的工艺流程主要有配料、加料、中间环节、出铁等几个环节。首先，炼铁是一个连续的过程，当上一炉铁水还没炼好，下一炉已经要开始配料。中心化验室会对炼铁原料（铁矿石、烧结料）的成分检测、造渣料（石灰石、生白云石、熟白云石）的成分检测、燃料（焦炭）的成分检测，将检测结果送至炼铁配料处；配料处根据这些检测数据和配料公式来计算炼铁原料、造渣料、燃料的具体加入量。再通过皮带秤从料场打料过来，配好的料批经小车不断地加入料仓。热
18、风炉不断将冷风和氧气经过加热升温到12001300度之间，送入风口，供焦炭燃烧。同时煤粉仓的的煤粉送入喷吹站，由喷吹站送入高炉风口。最后是等待铁水出炉，由鱼雷罐车装载并运往炼钢厂。具体流程如图2.6所示。图2.6高炉炼铁流程图2.2.2炼铁设备概要炼铁设备总体来说，是以高炉为核心，共有7大部分组成。从上料到炼铁再到出铁，以及余热、多余煤气的回收利用，他们的作用相辅相成，共同组成了一个循环炼铁系统。（1）高炉本体高炉本体是各种矿石、燃料的反应容器。烧结矿、球团矿、杂矿、生矿等原料的铁元素，在还原剂焦炭燃烧产生CO和大量热量作用下（辅助有煤粉、富氧、热风、冷风等），在炉本体内发生反应还原成铁水和铁
19、渣沉入炉缸，渣铁混合物经过炉前铁口放出，铁水和铁渣经炉前铁沟大闸(渣铁分离器)分离，铁水装入鱼雷罐运入炼钢厂进行继续冶炼,铁渣经水冲渣系统处理，变成细沙，送下道工序造水泥。其主要设备有：煤气切断阀、煤气放散阀、重力除尘器、减压阀组、混风调节阀、探尺、煤气分析仪等。（2）高炉槽下槽下系统是将各种矿石和焦炭进行筛分、称量、配混，送入炉顶料罐中。其矿石系统主要有：萤石、巴西矿、澳矿、烧结矿、球团矿、矿粉。焦炭系统主要有：湿焦炭、干焦炭、焦丁。（3）高炉炉顶炉顶子系统主要功能是控制炉顶设备，设定布料矩阵，与槽下系统一起控制上料，将炉料正确地装入料罐，完成向高炉装料和按照布料矩阵进行布料。同时对炉顶的液
20、压、水冷系统进行控制和监视。设备包括炉顶上、下料罐（包括上料闸、下料闸、上密封阀、下密封阀、均压及均压放散阀）、布料器、炉顶水冷系统、液压站等设备。（4）热风炉即是一个换热器，将冷风加热（约1250）后经热风管道送入高炉。助燃空气和煤气（或混合煤气）经预热器预热后送入热风炉，以顶部燃烧的方式(顶燃式)加热格子砖，冷风从格子砖外部进入热风炉，通过换热器使冷风加热。被加热（1250）后的热风经热风管道管道送入高炉。（5）喷煤粉器原煤经磨机磨成煤粉，经袋式收尘器，送到煤粉仓，经过氮气输送至高炉炉内。主要经过三个步骤：搬运、制粉、喷吹。（6）TRT发电该设备是利用高炉炉顶产生的剩余高压煤气，经除尘，进
21、入透平发电机组发电。主要有两部分组成：煤气净化、透平发电。煤气净化可以分湿式除尘和干式除尘。由于湿式除尘占地面积大，浪费大量水资源等缺点，已经不常用了。而干式除尘则得以广泛应用，如布袋除尘法。而透平发电，是将高炉炉顶煤气具有的压力能和热能，用透平膨胀机膨胀做功，驱动发电机发电。（7）辅助系统辅助系统主要包括原燃料供应、除尘、水冲渣等。可以使高炉连续不断使用，而且能大大提高废气、废渣、废水的回收和利用。2.3 炼钢及其主要产品的生产工艺钢是一种具有很好的物理、化学性能与力学性能的材料，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛。用途不同对钢的性能要求也不同，从而对钢的生产也提出了不同的要求
22、。石油、化工、航天航空、交通运输、农业、国防等许多重要的领域均需要各种类型的大量钢材，我们的日常生活更离不开钢。总之，钢材仍将是21世纪用途最广的结构材料和最主要功能材料。首先，我们应该明白什么是钢。根据碳的含量，理论上，一般把碳含量小于2.11%的铁称之钢，它的熔点在1450-1500，而生铁的熔点在1100-1200。在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。炼钢的方法有很多。从最早出现的坩埚炼钢法，是将生铁和废铁装入由石墨和粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。此法几乎无杂质元素的氧化反应。而后，英国人又发
23、明了酸性空气底吹转炉炼钢法。解决了用铁水直接冶炼钢水的难题，从而使炼钢的质量得到提高，但此法要求铁水的硅含量大于0.8%，而且不能脱硫，目前已被淘汰。后来，德国人发明了酸性平炉炼钢法，其对原料的适应性比转炉更强，一时间应用很广。到了近现代，英国人托马斯发明了碱性炉衬的底吹转炉炼钢法、美国人发明了完全依靠废钢为原料的电弧炉炼钢法、瑞典人又尝试成功了氧气顶吹转炉炼钢。后来这三种方法，在现在的应用中极为广泛。其中转炉炼钢是主流。占了世界产钢的60%以上。因此，我们这里简单介绍一下转炉炼钢的技术。2.3.1转炉炼钢生产工艺转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许多小孔（风口）
24、，压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。如果空气是从炉低吹入，那就叫做低吹转炉。转炉在冶炼和精炼处理中，虽然可以脱硫，但是难度较大，作业时间长，与铸机不好配合；高炉炼铁要获得低硫铁水，必须精料，增大焦比，提高碱度，炉况就难以顺行，产量降低，这是不可取的。实践证明，炉外铁水脱硫才是最为经济合理的优选工艺。转炉采用低硫铁水冶炼，减轻了转炉冶炼和炉外精炼的脱硫负担，减少了石灰消耗、喷溅和渣量，提高金属收得率和生产效率。同时，也提高了钢水质量，并能扩大品种范围，增强市场竞争能力。铁水预处理进行后，炼钢开始了。首先转炉处于水平，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并
25、转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化物(FeO，SiO2，MnO)生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。当磷与硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需15分钟左右。每一炉钢水出炉后，都需要
26、进行补炉，以便保证下一炉钢水的质量。其基本流程如图2.7所示。2.3.2连铸生产工艺制造好的钢水，我们需要进一步处理。钢水的成形有两种方法，传统的模注和连铸。模注是将钢水倒入模具内，冷却后形成钢坯。还需要进一步加工才能成为钢材。而连铸是一项把钢水直接浇铸成形的新工艺，即直接成为了初步的钢材。这大大减少了不必要的流程，节约了成本，提高了效率。图2.7转炉炼钢、电炉炼钢生产流程其基本流程如下：将装有精炼好钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。结晶器是连铸机的核心设备之一，它使铸件成形并迅速凝固结晶。拉矫机与结晶振动装置共同作用，将
27、结晶器内的铸件拉出，经冷却、电磁搅拌后，切割成一定长度的板坯。如图2.8所示。图2.8连铸工艺流程图2.4轧钢及其主要产品的生产工艺从炼钢厂出来的钢坯在旋转的轧辊间改变钢锭，这种钢坯形状的压力加工过程叫轧钢。原来的半成品（钢坯）经过轧钢厂进行轧制以后，成为了合格的产品。其作用一方面是为了得到需要的形状；另一方面是为了改善钢的内部质量。就轧钢时温度而言，轧钢工艺可以大致分为两类：热轧和冷轧。根据板材的工艺需求分，还可以分为：带钢热轧、中厚板材、线材冷轧等等。我们这里只简单介绍热轧和冷轧。2.4.1热轧工艺热轧是在钢的再结晶温度以上进行的轧制。热轧时金属塑性高，变形抗力低，大大减少了金属变形的能量
28、消耗。所以热轧能显著降低能耗，降低成本。此外热轧能改善金属及合金的加工工艺性能，即将铸造状态的粗大晶粒破碎，显著裂纹愈合，减少或消除铸造缺陷，将铸态组织转变为变形组织，提高合金的加工性能。其基本流程如下：从炼钢厂送过来的连铸坯，首先是进入加热炉，然后经过初轧机反复轧制之后，进入精轧机。轧钢属于金属压力加工，说简单点，轧钢板就像压面条，经过擀面杖的多次挤压与推进，面就越擀越薄。在热轧生产线上，轧坯加热变软，被辊道送入轧机，最后轧成用户要求的尺寸。轧钢是连续的不间断的作业，钢带在辊道上运行速度快，设备自动化程度高，效率也高。从平炉出来的钢锭也可以成为钢板，但首先要经过加热和初轧开坯才能送到热轧线上
29、进行轧制，工序改用连铸坯就简单多了，一般连铸坯的厚度为150250mm，先经过除磷机再到初轧机，经辊道进入精轧轧机，精轧机由多架多辊式轧机组成，机前装有测速辊和飞剪，切除板面头部。精轧机的速度可以达到数十米每秒。热轧成品分为钢卷和锭式板两种，经过热轧后的钢轨厚度一般在几个毫米,如果用户要求钢板更薄的话，还要经过冷轧。2.4.2冷轧工艺与热轧相比，冷轧厂的加工线比较分散，冷轧产品主要有普通冷轧板、涂镀层板也就是镀锡板、镀锌板和彩涂板。冷连轧是用热轧钢卷为原料，经酸洗去除氧化皮。其成品为轧硬卷，由于连续冷变形的冷作硬化使轧硬卷的强度、硬度上升、韧塑指标下降，因此冲压性能将恶化，只能用于简单变形的零
30、件。轧硬卷可作为热镀锌厂的原料，因为热镀锌机组均设置有退火线。一般冷连轧板、卷均应经过连续退火（CAPL机组）或罩式炉退火消除冷轧硬化及轧制应力，达到相应标准规定的力学性能指标。 由于冷轧工艺，根据需求的不同，有不同的步骤和流程，这里就简单介绍一下，冷轧带钢卷的工艺。主要经过酸洗、冷轧、工艺润滑、退火、平整等几个工序，如图2.9所示。图2.9冷轧工艺流程图先用连续的酸洗机组去除热轧带卷的表面氧化铁鳞。酸洗后，进行清洗、烘干、剪边和分卷。酸洗后的带坯经过冷轧机扎到需求的厚度。再用起润剂进行润滑和冷却，一般是一些冷却性能较好的乳液。为了消除冷轧的加工硬化，使钢板再结晶软化，接着对冷轧板进行退火处理
31、，可以分连续退火和罩式退火两种。最后，用平整机把钢带矫直，避免退火后的钢板在冲压时产生塑性失稳。而且，平整机兼有二次冷轧的功能。成型后的钢板，可以送去镀层、剪切和包装。3 济钢各生产工艺流程中电气设备的使用情况和控制系统的使用情况钢铁工业是一个各工序连续、工序之间衔接离散的混合过程工业。它在国民经济中占有很重要的地位，同时钢铁工业又是一个高能耗的生产工艺过程。要使钢铁企业能够高水平的持续发展，必须实现整体生产自动化，而自动化技术总是紧随着计算机技术的进步而发展。钢铁工业自动化根据国际标准化组织将其分为L0L5级结构，即数据检测执行级、基础自动化级、生产过程控制级、生产控制级、局域管理级、企业经
32、营管理级。在济钢钢铁工艺中各个级别的自动化都有着良好的分工和应用。由于我们学习的是生产工序的自动化，与各位工程师打交道。所以，这里重点介绍PCS级，即生产过程控制级，包括L0L2。3.1 烧结工艺的生产电气设备及其控制系统目前烧结过程是一个机理复杂、影响因素众多、强耦合、大滞后的动态系统，难以建立精确数学模型来进行控制。目前，在生产实践中，大多依据熟练操作工人的经验来调节和控制生产。如果将模拟人的判断和思维的人工智能技术用于过程控制，是解决这类复杂系统控制的有力工具。济南钢铁厂广泛采用了智能化控制，以加快烧结的质量，减少人为作用的因素。其中，以烧结人工智能、配电系统设备、三级管理网络来介绍。3
33、.1.1烧结工艺的人工智能国外的人工智能技术在烧结过程中的应用始于20世纪80年代的日本烧结厂，并由于其显著的控制效果而得到广泛应用。目前，日本大多数的烧结厂都已研制和安装了自己的人工智能系统，用于烧结厂的控制。国内从20世纪90年代开始将人工智能技术应用于烧结生产，研究和应用较多的是专家系统。人工智能目前以专家系统、模糊系统、神经网络三大关键技术为主。济钢的烧结厂应用了芬兰罗德洛基公司的烧结控制模型，共包括11个控制模型，其中一级模型（L1级）6个，分别为：混合料总量控制模型、返矿比例控制模型、燃料比率控制模型、混合料水分控制模型、点火控制模型、混合料给料控制模型。这6个模型结合罗德洛基公司
34、资料和在一烧的应用基础，编程工作由济钢自动化研究所自行完成。二级模型（L2级）共5个，分别为：原料加工模型、基本配料判断模型、动态配料判断模型、燃烧上升点(BRP)偏差控制模型、燃烧上升点(BRP)位置控制模型。2007年5月，基本全部投用以来，应用效果显著。6个一级模型概述： ( 1) 混合料总量控制模型 混合料总量控制模型在线控制混合料槽中的物料量保持在一个允许的范围内，所要控制的变量是混合料的配料量和混合料槽内的物料量。该模型可自动调节配料室不同物料的下料量，使之与设定值保持一致。在上位机上输入混合量总量及各种物料的比例后，模型对配料室各种物料每一时刻的下料量进行实时跟踪并存入缓冲区，根
35、据配比动态的自动调整每一种物料的下料量，采用常规控制、串级控制、补偿控制相结合的方法。实现了自动换仓时无扰动切换，避免了在出现堵料、断料情况下料量波动的现象，精确地控制各物料的下料总量的平衡。(2) 返矿比例控制模型 返矿比率控制模型的目的是：使返矿在烧结混合料中的比率尽可能保持恒定。这个返矿比率受控于冷返矿的产生量，总返矿量受控于燃料分加处的燃料下料量，使冷返矿料仓的料位保持在一定的范围之内，达到烧结过程中返矿平衡的目标。(3) 燃料比率控制模型 燃料比率控制模型在线控制混合料中燃料的比率。模型考虑到燃料中的固定碳和水分的含量，使混合料中固定碳的含量保持恒定，控制烧结生产中的固体燃料消耗。此
36、外，该模型根据返矿的产生量，在计算中考虑返矿对燃料配加量的影响。济钢烧结厂 30 % 的燃料在配料室中添加，70 % 的燃料在二混后再加，该模型考虑了过程延迟和原料瞬时流量的变化。当配料室燃料的下料量有波动时，系统能够自动记录时间与波动量的大小。经过延时后，自动调整燃料分加处的燃料下料量，从而达到了控制烧结生产中固体燃料消耗量的目的。(4) 混合料水分控制模型 水分控制模型是在原料平衡计算基础之上进行的。模型用原料的湿重来计算干重和不同阶段的水的流量。该模型考虑到了污泥对一混水分的影响，实际的水分的控制在一混、二混、三混中进行，根据物料平衡来调整混合料中水的含量。(5) 点火控制模型 该模型分
37、为点火温度控制和点火强度控制两个方式。通过调整点火空气煤气的比率实现。其中点火强度控制是一种先进的烧结点火控制模式，在考虑到烧结机速度、点火温度和煤气热值的情况下，使点火效果最好，煤气消耗最低。(6) 混合料给料控制模型 该模型的控制设备是在垂直于烧结机运动方向上设的6 个布料小门，通过步进电机精确驱动，控制每一个布料门的开度。和二级的燃烧上升点(BRP)模型一起，实现对横向烧结状态的控制。模型通过超声波料位仪测量压入率，控制圆辊给料机的转速使烧结机压入率保持稳定。 5个二级模型概述： 二级模型采用C 语言进行编程，程序在二级系统的服务器中运行。模型根据从一级系统采集的数据进行计算，运算结果通
38、过通讯程序传送到一级系统执行控制。 ( 1)原料加工模型（混匀堆料计算模型） 该模型用于原料场的混匀料堆的配料生产。以含水分的烧结各种原料为基础，在考虑各种原料的干质量和在不同生产阶段的加水量后，给出不同原料在混匀料中的配比，控制原料场中和铁料的生产。(2) 基本配料判断模型 模型采用线性规划的工具，根据高炉所需要的烧结矿的质量指标进行计算。模型可根据不同的原料和所需的烧结矿成分决定不同物料的配料量，将数据传到一级的混合料总量控制模型对不同物料的配料量进行控制。该模型主要在系统刚开始生产和原料成分发生较大变化时使用，代替了人工的配料计算，具有准确、可靠的特点。(3) 动态配料判断模型 动态配料
39、模型是把实际的烧结矿成分分析值作为反馈信号调整配料室不同原料的配比，它在静态配料模型计算的配比的基础上，在线动态判断烧结矿成分与设定值的偏差。并对配比进行调整，使烧结矿的指标最终达到设定的目标值。(4) 燃烧上升点(BRP) 偏差控制模型和燃烧上升点(BRP) 位置控制模型对烧结过程的理想的控制应包括两个方面：一是横向烧结状态的控制。使垂直于烧结机运动方向上的烧结状态保持均匀。另一个是纵向烧结状态的控制，通过调整烧结机的速度，使烧透状态保持在最佳位置。这两个模型采用了模糊控制等方法，分别实现了以上功能。3.1.2烧结厂的配电系统烧结厂电器的稳定是整个设备的关键。高压配电中，抽风机是烧结中的关键
40、设备。拥有两个进线端，以保证任何时候都能供电运行。其次是变压器共有11个：机头变压器2台、机尾变压器2台、烧结变压器2台、成品变压器2台、配料变压器2台、公辅变压器1台。其高压配电如图3.1所示。低压配电中，典型的设备有：变频器、软启动器、普通电路（皮带机等）。由于低压配电比较容易，因此不详细赘述。3.1.3烧结的三级网络烧结厂拥有PLC电器的控制的三级网络，系统图如图3.2所示，其构成如下：1、以太网（ETHERNET）：光纤为介质，连接模块1756-ENBT。2、控制网（CONTROLNET）：同轴电缆为介质，连接模块1756-CNBT。3、设备网（DEVICENET）：总线电缆为介质，连
41、接模块1756-DNB。三级网络共同构成了一个基于PLC控制的自动化网络。其监控软件采用RSNETWORX系列，用RSLINX编程。图3.1高压配电图图3.2三级网络系统图3.2 炼铁工艺的生产电气设备及其控制系统高炉炼铁主要是需要自动化监控和配料输送，其控制含量不高。其计算机系统是包括PLC系统、监控与网络通讯系统组成，实现了高炉系统全过程集中监控和过程控制。基本结构如图3.3所示。图3.3高炉自动化控制配置图按组成层次可以分为：上位机、下位机（PLC）和通讯。上位机：包括服务器（点数分）和客户端工控机及相关组态软件。下位机：PLC（CPU、网络模块、I/O模块及第三方模块（内存分），及编程
42、软件。网络模块包括C网（control net）、D网（device net）、和E网（Internet）。通讯：路由器、交换机、光纤（收、发端接收器和光缆）双绞线等。集中视频监控系统：工业摄像机、光纤、数字视频光端机、局域网平台、处理器和个监视终端。应用：3200高炉/400烧结机供配电室、无人职守场所及主要岗位等。目前应用的PLC系统有：施耐德系列（ NEZA ）、AB系列、西门子系列等。下位编程软件主要有：施耐德公司的Concept2.0、2.2、2.5、2.6，Unity2.2、4.0等；AB公司的RSLogix5000、5555等；西门子公司的S7200、300、400等；主要使用的
43、编程语言是梯形图（LD）和功能块（FBD）。上位监控软件主要有：施耐德的MP7.0、7.2，FIX系列和IFIX系列、及citect系列和 Pl707WIN； AB公司的Rsview SE 3.2、4.0；西门子公司的wincc6.0等。第三方接口软件：AB公司提供的MVI56MNET，可实现AB公司与施耐德公司双向数据通讯。下面给出几张关于WINCC监控的上位机截屏，如图3.5所示。图3.5高炉、槽下、炉顶、制粉的上位机监控画面3.3 炼钢工艺的生产电气设备及其控制系统炼钢是一个需要高度自动化来提高生产效率的区域。它包括转炉炼钢自动化和连铸自动化。3.3.1转炉电气控制系统炼钢厂120区域转
44、炉系统由2座铁水倒罐站、3座铁水预处理（KR）、3座120吨转炉，以及辅助炼钢的除尘系统、钢包倾翻系统、焖渣系统、钢包冷修系统、地平车及烘烤器等系统组成。1#转炉于2003年3月投产，2#、3#转炉于2005年相继投产。转炉炼钢工艺流程大致如下：从高炉运来的铁水经倒罐站后进入KR脱硫或者直接称重后加入转炉，冶炼过程中需要的石灰、莹石、合金等辅原料由上料和投料装置按冶炼要求适时加入转炉，供氧系统经氧枪向转炉内吹入氧气进行冶炼，钢水质量合格后倒入钢包送去连铸。炼钢过程产生的烟气由汽化冷却系统冷却，烟气中的热量回收生产蒸汽，煤气经回收系统送煤气柜或送放散烟囱燃烧。辅原料输送和冶炼过程产生的粉尘由二次
45、除尘系统进行处理。其中，电气自动化应用广泛，有如下9个部分。（1） 上料系统上料系统由辅原料高位料仓上料系统、铁合金中位料仓上料系统、铁合金炉后料仓上料系统、精炼高位料仓上料系统四个部分组成。上料流程如下：各种合格粒度辅原料和铁合金均由自卸汽车运来卸入辅原料地下料仓和铁合金地下料仓，地下受料仓中的各种原料经仓下的电机振动给料机分别加到带式输送机,经过几个带式输送机运到目的地后，由电动卸料车卸至相对应的储料仓中储存。二期工程增加2#、3#转炉后，增加所需要的料仓、给料机、带式输送机、卸料车等设备，部分皮带加长，沿用一期的控制方式，增加必要的控制模板。如图3.6所示，为组态软件上料监控画面。图3.
46、6上料监控画面（2） 投料系统投料系统包括转炉投料系统、钢包投料系统、炉后投料系统，每一系统又是由称量和加料二部分组成。投料流程举例如下：根据冶炼过程中不同冶炼阶段所需要加入的原料的品种和数量，转炉操作工给出相应的数据并发出称量指令，共用称量斗的料仓下的调速电机振动给料机根据控制要求依次启动，高低速自动运转，使料仓中的物料按预先设定的下料顺序分别给到称量单元的称量斗中。称量过程结束后打开密封闸门和排料闸门，将称量斗中的物料卸到中间料斗中贮存。没有中间斗的流程，物料在称量斗内贮存。当需要加料时，分别打开排料闸门和打开电液推杆并启动电机振动给料机通过投料溜槽将物料加入转炉或钢包中。为防止转炉冶炼过
47、程和投料过程煤气从投料溜管中溢出，投料系统设有氮气密封系统，在转炉冶炼过程中打开气动阀用氮气封堵溜管。（3） 氧枪倾动系统氧枪系统电气传动设备配置为：2台升降变频电动机、2台升降制动器电动机、2台氧枪横移小车电动机、1台横移小车锁定电液推杆电动机。升降、横移装置上互为备用，便于维护检修和不间断生产。氧枪升降用变频电动机由AB变频调速柜供电(变频调速柜电源由正常电源和UPS电源配合提供,保证在正常电源失电时由UPS电源实现紧急提枪操作)，氧枪升降制动器电动机由UPS供电，其余设备均由MCC供电，电压等级为AC380V。氧枪电机驱动使用AB 1336E-B250变频器，带速度编码器反馈。所需氧气在
48、阀门站经压力和流量调节后供给氧枪。两根氧枪共用一套氧气供应系统，通过快速切断阀门进行切换。转炉倾动设备采用4台交流变频电动机驱动，4台电动机采用4点啮合全悬挂形式，通过扭力杆装置进行力矩平衡。4台电动机同步启动、制动及同步运行，根据要求转炉可以在0.14-1.4r/mn之间进行倾动速度调节，转炉可以做360旋转。转炉倾动时4台电动机负载应相同。当一台电动机发生故障，而转炉正处于吹炼状态，则剩余3台电动机降速运行维持该炉钢炼完。此时转炉速度控制在0.14-0.8r/min。当转炉正在出钢、出渣时，交流电源系统发生停电故障，此时利用UPS电源将4台制动器打开，转炉依靠自重复位，炉处于安全位置。当转炉出现塌炉等事故时，倾
