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the Application of hydraulic servo proportion System at Controlled Process of Distributing of Big Blast`s stuff
Jinan Iron & Steel Group Corporation Automatization Department, Liuqingfeng, Jinan 250101
摘要：本文通过对现代化大型高炉精确布料的讨论，揭示了料流调节阀精度控制的重要性，并对大型高炉的料流调节阀控制现状、利用液压伺服比例系统控制料流调节阀的可行性和控制原理进行了详细的阐述，简单介绍了在大型高炉的实际应用的效果。
Abstract: via the dissertation of accurate distributing of modern big blast`s stuff, the article open out significance of stuff flow adjust valve controlled precision, and do a detailed account about controlled actuality of big blast`s stuff flow adjust valve、feasibility and controlled theory of used xxx to control stuff flow adjust valve。The article also simply introduced infect of actual used in the big blast.
关键词：高炉 布料 料流调节阀 液压伺服比例系统
PID调节 γ角
Key words: blast distributing of stuff stuff flow adjust valve hydraulic servo proportion System PID adjust
γangle
一、 概述
随着冶金工业的飞速发展，作为钢铁冶炼过程中的重要组成部分——炼铁炉也产生了几次大的变革。从100米3~300米3的小高炉发展到现在1750米3、3800米3甚至到4200米3大型高炉，从最初的双料钟炉顶到现在已经普遍使用的无料钟炉顶，无料钟炉顶的结构方式也分为串罐式和并罐式, 等等。现在的无料钟炉顶主要有BT型、PW型、SS型等几种形式。
二、无料钟炉顶实现精确布料的原理
现代化的高炉为了最大限度的提高冶炼效率，均采用了料流调节阀加布料溜槽的控制方式来实现矿、焦在炉内的精确布料，料流调节阀和布料溜槽控制布料的原理如图一和图二所示。
图二 布料溜槽工作示意图
高炉炉料（烧结矿、球团矿或焦炭等）经过槽下配料工艺后先进入到炉顶的上料斗和下料斗，在高炉接到布料指令后，其下料斗的料流调节阀首先按工艺要求开到给定的开度（即γ角），这时炉料按一定的流量经布料滚筒后流到布料溜槽上，此时布料溜槽已经按工艺要求升到一定的倾动角度（即α角），同时布料溜槽还在水平面方向上进行着匀速旋转（即β角）。这样炉料就可以均匀的布到高炉的料面上了。
从上面炉顶布料的基本控制原理可以看出，只要控制好α、β、γ三个角度，就可以把炉料按任意的形式布到炉内。一般来说高炉的布料方式有环形布料、扇形布料和定点布料等几种形式。最多使用的是环形布料，即一批料以不同的倾动角度布到炉内，形成以炉中心为圆心的数个圆环，使炉料均匀的布在炉内。根据环形布料的环数的多少还分为单环布料和多环布料，最常用的为一环到四环布料。如果在冶炼过程中出现炉内料面不均匀的情况，则可以利用扇形布料或定点布料来弥补。或者炉长根据炉况需要，为改善透气性、保护炉壁使其温度不致过热等等原因，也需要采用扇形或定点布料的方法来改善炉内炉料的分布状态。
在炉顶布料控制中，下料斗料流调节阀的开度控制（即γ角的控制）是至关重要的，因为只有γ角控制的精确，才能有效地控制好下料的料流量，进而更准确的控制好每批料布料的厚度、环数及布料的起点和终点。
三、料流调节阀的控制现状
现在的无料钟高炉炉顶，其料流调节阀的控制基本有三种：
1、 普通电机加齿轮减速机构来控制料流调节阀的开度。这种方式控制设备简单，但精度很难提高，系统的动作时间也较长，不利于提高高炉生产的节奏。另外，齿轮减速机构中的机械间隙对γ角精度的影响也很难消除，因此在大型高炉上基本不使用这种控制方式。
2、 使用伺服电机驱动料流调节阀。这种驱动方式能较好的保证γ角的精度，但驱动力矩受到一定的限制，另外其动作时间也比较长，不利于提高生产节奏，一般在450米3及以下的高炉上应用较多。
3、 采用液压系统来驱动料流调节阀。这用方式最大的优点是驱动力矩较大，可以使系统的动作时间大幅缩短，另外其控制也比较简单，即使用两个常规的液控单向阀来控制液压缸的开度，进而达到控制γ角开度的目的，如图三所示。一般大型高炉大都采用这种方式。
1 换向阀 2 液控单向阀 3 单向节流阀 4油缸
图三 普通液压系统控制料流阀的原理图
但这种方式的缺点也很明显。其一是普通液压系统控制的液压缸，其推力受系统压力的影响比较大，容易形成冲击，对料流阀的寿命有着一定的影响；其次也是比较重要的，就是其精度很难控制，这是因为料流阀在开到给定角度时，由于里面充满了炉料，必须要求一次到位而不能反复调节，而普通的液压系统是不能满足这种要求的。而利用液压缸一次定位的精度误差又比较大，一般在1.5~2.0度，有时竟达到2.5~3.5度。 这样的精度在高炉布大粒度料（例如20mm以上的烧结矿或焦炭）的时候可能影响不是太严重，但是在需要布小粒度料的时候，尤其是小于5mm的碎矿或碎焦时，就很难控制甚至无法控制了。
四、利用液压伺服比例系统控制料流调节阀的可行性
鉴于以上原因，在大型高炉上，如果能充分利用液压系统推力大、动作速度快的特点，又能最大限度的消除系统压力变化对推力的影响，减小对机械系统的冲击，同时把控制精度大幅提高，那是再理想不过的了。
基于以上思路，我们在济钢一炼铁厂1#1750米3高炉上采用了液压伺服比例控制系统来代替原先的普通液压系统控制料流调节阀，获得了理想的效果。
五、液压伺服比例系统控制料流调节阀的原理
1、液压伺服比例系统的控制如图四所示：
蓄能器 图四 液压伺服比例系统控制料流阀的原理图
伺服比例阀通过自带的集成放大器，可以连续的调节伺服比例阀的开度，这是与普通的液控单向阀的最大不同。由于伺服比例阀的开度是连续可调的，因此供给油缸的油的流量也是连续可调的，这样就实现了对油缸的速度、推力的连续调节和控制。
2、电气控制系统，采用了施耐德公司的QUANTUM系列PLC控制系统，负责采集炉顶料流调节阀的实际开度返回值（由自整角机或光电编码器检测转换成实际角度），接收炉顶控制系统发出的γ角开度大小和动作指令。在经过分析处理后，把开度指令转换成4~20mA的电信号发给伺服比例阀的集成放大器,用来控制伺服比例阀的开度。为了使系统既能有较大的推力和快速性，又能够达到较理想的准确度，在控制方式上采用了PID开环控制和PID闭环控制相结合的方法，
其程序流程如图五所示。
图五 液压伺服比例系统电气控制流程图
PID调节的全称是比例积分微分控制调节器。PLC控制系统首先检测γ角的给定值和实际返回值，并计算出他们的差值δ, 当δ值大于某个角度（比如2度），这时给定伺服比例阀较大的开度值，使油缸高速大推力运行；当δ值小于某个角度、即γ角接近给定值时，系统自动进入PID调节控制状态，即随着δ值的减小，控制系统给定伺服比例阀的开度值也按比例减小，直至为零。当料流调节阀到达给定位置后（γ角的给定值与实际返回值之差<0.1度），启动液压锁(电磁球阀动作，使得夜空单向阀动作，切断油缸进油和出油回路)，使油缸定位。这样使得液压油缸推动料流调节阀既能快速的到位，又能减小对设备的机械冲击，并保证较高的精度。图六是完成以上控制流程的一段局部梯形逻辑程序。
需要注意的是，由于液压伺服比例系统本身具有较高的放大系数，另外还有机械系统固有频率的影响，因此如果PID调节的各项参数（如比例、微分、积分系数，延时时间，偏移量等）调整的不好的话，系统极易产生振荡，因此各项PID参数的设置需要反复试验，以达到最好的效果。
六、实际应用及效果
济钢一炼铁厂1#1750高炉是济钢第一座大型高炉，原来的炉顶料流调节阀采用的是普通液压缸控制，其γ角精度较低，误差最大时达到2.8度，而且在料流调节阀全开和全关时机械冲击较大。为了解决这一问题，我们对料流调节阀的控制系统进行了改造，依照上述原理及方法，新上了一套液压伺服比例控制系统，伺服比例阀选用了BOSCH-REXROTH公司的高频响伺服比例阀。电气控制系统采用了QUANTUM系列的CPU53414。
经过改造后，实际效果非常理想。γ角的精度达到了0.1度，全行程动作时间小于4秒，系统在整个行程上动作平稳，不再产生较大的机械冲击。
七、结束语
随着这几年我国钢铁行业的持续发展，炼铁原料尤其是烧结矿的供需矛盾越来越突出。就一座1750米3的高炉来说，每年的烧结矿需求约为160万吨，而烧结矿中0~5mm粒级的所谓“碎返矿”约占烧结矿总量的20~30%，即30~40万吨。这部分“碎返矿”原来的处理方法是返回烧结机重新进行烧结，这不仅客观上降低了烧结矿的产量，还造成了能源的极大浪费，不利于资源的循环利用。经过对料流调节阀的相应改造后，由于其γ角可以在较小的角度上精确控制，这就为高炉添加这部分“碎返矿”提供了必要的条件，经过工艺优化后，实现“碎返矿入炉”。这样一座1750米3高炉每年可以多消化烧结矿30~40万吨，按每吨烧结矿加工成本40元计算，年经济效益就接近1500万元。另外，“碎返矿”精确地布到炉内靠近炉壁的位置，还可以降低炉壁温度，提高高炉的一代炉龄寿命，其间接经济效益也非常可观。
因此在大型高炉上提高料流调节阀的精度具有非常现实的意义。笔者认为，在大型高炉炉顶布料控制过程中，用液压伺服比例控制系统代替普通液压控制系统控制料流调节阀还是很有推广价值的。
参考文献: 1 modicon concept V2.5编程手册 施耐德自动化公司 2000
2 Modicon Quantum Automatoin Scries Hardware Reference Guide施耐德自动化公司 1998
3 高等学校教学用书《液压伺服系统》 东北工学院 曹鑫铭 冶金工业出版社 1991年5月第一版
作者简介：
刘青凤 （1970-5），女（汉族），济南钢铁集团总公司自动化部工程师，从事钢铁生产流程的液压及自动控制系统的研究设计、调试及技术进步。
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Jinan Iron & Steel Group Corporation Automatization Department, Liuqingfeng, Jinan 250101
摘要：本文通过对现代化大型高炉精确布料的讨论，揭示了料流调节阀精度控制的重要性，并对大型高炉的料流调节阀控制现状、利用液压伺服比例系统控制料流调节阀的可行性和控制原理进行了详细的阐述，简单介绍了在大型高炉的实际应用的效果。
Abstract: via the dissertation of accurate distributing of modern big blast`s stuff, the article open out significance of stuff flow adjust valve controlled precision, and do a detailed account about controlled actuality of big blast`s stuff flow adjust valve、feasibility and controlled theory of used xxx to control stuff flow adjust valve。The article also simply introduced infect of actual used in the big blast.
关键词：高炉 布料 料流调节阀 液压伺服比例系统
PID调节 γ角
Key words: blast distributing of stuff stuff flow adjust valve hydraulic servo proportion System PID adjust
γangle
一、 概述
随着冶金工业的飞速发展，作为钢铁冶炼过程中的重要组成部分——炼铁炉也产生了几次大的变革。从100米3~300米3的小高炉发展到现在1750米3、3800米3甚至到4200米3大型高炉，从最初的双料钟炉顶到现在已经普遍使用的无料钟炉顶，无料钟炉顶的结构方式也分为串罐式和并罐式, 等等。现在的无料钟炉顶主要有BT型、PW型、SS型等几种形式。
二、无料钟炉顶实现精确布料的原理
现代化的高炉为了最大限度的提高冶炼效率，均采用了料流调节阀加布料溜槽的控制方式来实现矿、焦在炉内的精确布料，料流调节阀和布料溜槽控制布料的原理如图一和图二所示。
图二 布料溜槽工作示意图
高炉炉料（烧结矿、球团矿或焦炭等）经过槽下配料工艺后先进入到炉顶的上料斗和下料斗，在高炉接到布料指令后，其下料斗的料流调节阀首先按工艺要求开到给定的开度（即γ角），这时炉料按一定的流量经布料滚筒后流到布料溜槽上，此时布料溜槽已经按工艺要求升到一定的倾动角度（即α角），同时布料溜槽还在水平面方向上进行着匀速旋转（即β角）。这样炉料就可以均匀的布到高炉的料面上了。
从上面炉顶布料的基本控制原理可以看出，只要控制好α、β、γ三个角度，就可以把炉料按任意的形式布到炉内。一般来说高炉的布料方式有环形布料、扇形布料和定点布料等几种形式。最多使用的是环形布料，即一批料以不同的倾动角度布到炉内，形成以炉中心为圆心的数个圆环，使炉料均匀的布在炉内。根据环形布料的环数的多少还分为单环布料和多环布料，最常用的为一环到四环布料。如果在冶炼过程中出现炉内料面不均匀的情况，则可以利用扇形布料或定点布料来弥补。或者炉长根据炉况需要，为改善透气性、保护炉壁使其温度不致过热等等原因，也需要采用扇形或定点布料的方法来改善炉内炉料的分布状态。
在炉顶布料控制中，下料斗料流调节阀的开度控制（即γ角的控制）是至关重要的，因为只有γ角控制的精确，才能有效地控制好下料的料流量，进而更准确的控制好每批料布料的厚度、环数及布料的起点和终点。
三、料流调节阀的控制现状
现在的无料钟高炉炉顶，其料流调节阀的控制基本有三种：
1、 普通电机加齿轮减速机构来控制料流调节阀的开度。这种方式控制设备简单，但精度很难提高，系统的动作时间也较长，不利于提高高炉生产的节奏。另外，齿轮减速机构中的机械间隙对γ角精度的影响也很难消除，因此在大型高炉上基本不使用这种控制方式。
2、 使用伺服电机驱动料流调节阀。这种驱动方式能较好的保证γ角的精度，但驱动力矩受到一定的限制，另外其动作时间也比较长，不利于提高生产节奏，一般在450米3及以下的高炉上应用较多。
3、 采用液压系统来驱动料流调节阀。这用方式最大的优点是驱动力矩较大，可以使系统的动作时间大幅缩短，另外其控制也比较简单，即使用两个常规的液控单向阀来控制液压缸的开度，进而达到控制γ角开度的目的，如图三所示。一般大型高炉大都采用这种方式。
1 换向阀 2 液控单向阀 3 单向节流阀 4油缸
图三 普通液压系统控制料流阀的原理图
但这种方式的缺点也很明显。其一是普通液压系统控制的液压缸，其推力受系统压力的影响比较大，容易形成冲击，对料流阀的寿命有着一定的影响；其次也是比较重要的，就是其精度很难控制，这是因为料流阀在开到给定角度时，由于里面充满了炉料，必须要求一次到位而不能反复调节，而普通的液压系统是不能满足这种要求的。而利用液压缸一次定位的精度误差又比较大，一般在1.5~2.0度，有时竟达到2.5~3.5度。 这样的精度在高炉布大粒度料（例如20mm以上的烧结矿或焦炭）的时候可能影响不是太严重，但是在需要布小粒度料的时候，尤其是小于5mm的碎矿或碎焦时，就很难控制甚至无法控制了。
四、利用液压伺服比例系统控制料流调节阀的可行性
鉴于以上原因，在大型高炉上，如果能充分利用液压系统推力大、动作速度快的特点，又能最大限度的消除系统压力变化对推力的影响，减小对机械系统的冲击，同时把控制精度大幅提高，那是再理想不过的了。
基于以上思路，我们在济钢一炼铁厂1#1750米3高炉上采用了液压伺服比例控制系统来代替原先的普通液压系统控制料流调节阀，获得了理想的效果。
五、液压伺服比例系统控制料流调节阀的原理
1、液压伺服比例系统的控制如图四所示：
蓄能器 图四 液压伺服比例系统控制料流阀的原理图
伺服比例阀通过自带的集成放大器，可以连续的调节伺服比例阀的开度，这是与普通的液控单向阀的最大不同。由于伺服比例阀的开度是连续可调的，因此供给油缸的油的流量也是连续可调的，这样就实现了对油缸的速度、推力的连续调节和控制。
2、电气控制系统，采用了施耐德公司的QUANTUM系列PLC控制系统，负责采集炉顶料流调节阀的实际开度返回值（由自整角机或光电编码器检测转换成实际角度），接收炉顶控制系统发出的γ角开度大小和动作指令。在经过分析处理后，把开度指令转换成4~20mA的电信号发给伺服比例阀的集成放大器,用来控制伺服比例阀的开度。为了使系统既能有较大的推力和快速性，又能够达到较理想的准确度，在控制方式上采用了PID开环控制和PID闭环控制相结合的方法，
其程序流程如图五所示。
图五 液压伺服比例系统电气控制流程图
PID调节的全称是比例积分微分控制调节器。PLC控制系统首先检测γ角的给定值和实际返回值，并计算出他们的差值δ, 当δ值大于某个角度（比如2度），这时给定伺服比例阀较大的开度值，使油缸高速大推力运行；当δ值小于某个角度、即γ角接近给定值时，系统自动进入PID调节控制状态，即随着δ值的减小，控制系统给定伺服比例阀的开度值也按比例减小，直至为零。当料流调节阀到达给定位置后（γ角的给定值与实际返回值之差<0.1度），启动液压锁(电磁球阀动作，使得夜空单向阀动作，切断油缸进油和出油回路)，使油缸定位。这样使得液压油缸推动料流调节阀既能快速的到位，又能减小对设备的机械冲击，并保证较高的精度。图六是完成以上控制流程的一段局部梯形逻辑程序。
需要注意的是，由于液压伺服比例系统本身具有较高的放大系数，另外还有机械系统固有频率的影响，因此如果PID调节的各项参数（如比例、微分、积分系数，延时时间，偏移量等）调整的不好的话，系统极易产生振荡，因此各项PID参数的设置需要反复试验，以达到最好的效果。
六、实际应用及效果
济钢一炼铁厂1#1750高炉是济钢第一座大型高炉，原来的炉顶料流调节阀采用的是普通液压缸控制，其γ角精度较低，误差最大时达到2.8度，而且在料流调节阀全开和全关时机械冲击较大。为了解决这一问题，我们对料流调节阀的控制系统进行了改造，依照上述原理及方法，新上了一套液压伺服比例控制系统，伺服比例阀选用了BOSCH-REXROTH公司的高频响伺服比例阀。电气控制系统采用了QUANTUM系列的CPU53414。
经过改造后，实际效果非常理想。γ角的精度达到了0.1度，全行程动作时间小于4秒，系统在整个行程上动作平稳，不再产生较大的机械冲击。
七、结束语
随着这几年我国钢铁行业的持续发展，炼铁原料尤其是烧结矿的供需矛盾越来越突出。就一座1750米3的高炉来说，每年的烧结矿需求约为160万吨，而烧结矿中0~5mm粒级的所谓“碎返矿”约占烧结矿总量的20~30%，即30~40万吨。这部分“碎返矿”原来的处理方法是返回烧结机重新进行烧结，这不仅客观上降低了烧结矿的产量，还造成了能源的极大浪费，不利于资源的循环利用。经过对料流调节阀的相应改造后，由于其γ角可以在较小的角度上精确控制，这就为高炉添加这部分“碎返矿”提供了必要的条件，经过工艺优化后，实现“碎返矿入炉”。这样一座1750米3高炉每年可以多消化烧结矿30~40万吨，按每吨烧结矿加工成本40元计算，年经济效益就接近1500万元。另外，“碎返矿”精确地布到炉内靠近炉壁的位置，还可以降低炉壁温度，提高高炉的一代炉龄寿命，其间接经济效益也非常可观。
因此在大型高炉上提高料流调节阀的精度具有非常现实的意义。笔者认为，在大型高炉炉顶布料控制过程中，用液压伺服比例控制系统代替普通液压控制系统控制料流调节阀还是很有推广价值的。
参考文献: 1 modicon concept V2.5编程手册 施耐德自动化公司 2000
2 Modicon Quantum Automatoin Scries Hardware Reference Guide施耐德自动化公司 1998
3 高等学校教学用书《液压伺服系统》 东北工学院 曹鑫铭 冶金工业出版社 1991年5月第一版
作者简介：
刘青凤 （1970-5），女（汉族），济南钢铁集团总公司自动化部工程师，从事钢铁生产流程的液压及自动控制系统的研究设计、调试及技术进步。