一种转炉出钢过程的控制系统及控制方法与流程

本发明涉及转炉炼钢架技术领域，更具体地说，涉及一种转炉出钢过程的控制系统，还涉及一种转炉出钢过程的控制方法。

背景技术：

转炉炼钢是目前世界上主要的炼钢方式，其基本原理为高温铁水和氧气反应，温度上升，铁水中碳、磷等元素大大降低，生成高温钢水。

转炉炼钢涉及多种液态、颗粒原材料，同时其冶炼过程为高温多相反应，生产环境很恶劣，转炉工序的自动化和品质提升一直是钢铁冶金的重点。

目前，转炉冶炼过程引入了副枪、炉气分析等先进的检测技术，自动化程度大大提升，很多钢厂实现了一键式炼钢。但是在出钢领域，我国一直都是采用人工控制方式，通过人工观察炉内状况和钢流形态，控制转炉转动，完成出钢过程。转炉高温高粉尘的工作环境，导致人工控制危险性非常大。同时，人工观察不能精确了解和计算炉内信息，转炉角度的选择随意性很大，出钢过程夹渣的概率增加，很难将钢水出尽。

综上所述，如何有效地解决转炉出钢过程控制精度低影响生产效益等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种转炉出钢过程的控制系统，该转炉出钢过程的控制系统的结构设计可以有效地解决转炉出钢过程控制精度低影响生产效益的问题，本发明的第二个目的是提供一种转炉出钢过程的控制方法。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种转炉出钢过程的控制系统，包括：

钢包称重装置，用于称量钢包重量，并将称取的钢包重量信息发送至控制器；

转炉炉口监测装置，用于实时采集转炉炉口图像，并将图像信息发送至服务器；

壁厚监测装置，用于检测转炉炉衬厚度，并将炉衬信息发送至所述服务器；

服务器，用于根据钢包内钢水信息、所述炉衬信息及接收所述控制器发送的所述钢包重量信息，以计算获得钢包内钢水液位最深时对应的最佳转炉倾角与钢包重量的关系及钢水浸没出钢口的临界状态对应的极限转炉倾角与钢包重量的关系，并根据所述图像信息判断炉渣位置结合当前钢水余量，确定转炉当前角度；

控制器，用于根据所述服务器确定的所述转炉当前角度调整转炉角度。

优选地，上述转炉出钢过程的控制系统中，所述服务器用于在炉渣未到达警戒线时，增大转炉角度且保证转炉角度不大于所述极限转炉倾角直至炉渣达到警戒线，并将对应的角度确定为转炉当前角度；在转炉达到所述极限转炉倾角且炉渣仍未达到所述警戒线时，则以对应的最佳转炉倾角为转炉当前角度；所述警戒线为炉渣从炉口溢出的临界位置。

优选地，上述转炉出钢过程的控制系统中，所述控制器还用于将转炉信息、氧枪信息及料仓信息发送至所述服务器。

优选地，上述转炉出钢过程的控制系统中，所述钢水信息包括钢厂二级发送的铁水废钢装入量信息、铁水成分信息、钢种信息、钢水成分信息。

优选地，上述转炉出钢过程的控制系统中，还包括与所述服务器电连接的人机交互界面，用于将所述服务器的计算结果输出、获取用户输入的手动控制或自动控制的选择信息并发送至所述服务器。

本发明提供的转炉出钢过程的控制系统包括钢包称重装置、转炉炉口监测装置、服务器和控制器。其中，钢包称重装置用于称量钢包重量，并将称取的钢包重量信息发送至控制器；转炉炉口监测装置，用于实时采集转炉炉口图像，并将图像信息发送至服务器；壁厚监测装置，用于检测转炉炉衬厚度，并将炉衬信息发送至所述服务器；服务器，用于根据钢包内钢水信息、所述炉衬信息及接收所述控制器发送的所述钢包重量信息，以计算获得钢包内钢水液位最深时对应的最佳转炉倾角与钢包重量的关系及钢水浸没出钢口的临界状态对应的极限转炉倾角与钢包重量的关系，并根据所述图像信息判断炉渣位置结合当前钢水余量，确定转炉当前角度；控制器，用于根据所述服务器确定的所述转炉当前角度调整转炉角度。

应用本发明提供的转炉出钢过程的控制系统，出钢之前，系统根据钢水信息，计算某一重量时钢水液位最深时对应的最佳转炉倾角以及钢水刚好浸没出钢口时的极限转炉倾角，从而确定余钢量一定时的角度控制范围。出钢开始后，服务器根据图像信息判断炉渣位置，并结合当前钢水余量，确定转炉当前角度并发送给控制器，控制器根据转炉当前角度，也就是转炉的调整量控制转炉动作，从而调整转炉角度至转炉当前角度。因而通过该转炉出钢过程的控制系统避免了人工出钢过程中的随意性，测量准确率高，能够提高生产稳定性，提高钢水产量和质量。

为了达到上述第二个目的，本发明提供如下技术方案：

转炉出钢过程的控制方法，包括：

采集钢包内钢水信息，称取钢包重量，检测转炉炉衬厚度，并实时采集转炉炉口图像；

根据所述钢水信息、所述炉衬信息及所述钢包重量信息，计算获得钢包内钢水液位最深时对应的最佳转炉倾角与钢包重量的关系及钢水浸没出钢口的临界状态对应的极限转炉倾角与钢包重量的关系；

根据所述图像信息判断炉渣位置，并结合当前钢水余量，确定转炉当前角度；

调整转炉角度至所述转炉当前角度。

优选地，上述转炉出钢过程的控制方法中，所述确定转炉当前角度，具体包括：

在炉渣未到达警戒线时，增大转炉角度且保证转炉角度不大于所述极限转炉倾角直至炉渣达到警戒线，并将对应的角度确定为转炉当前角度；

在转炉达到所述极限转炉倾角且炉渣仍未达到所述警戒线时，则以对应的最佳转炉倾角为转炉当前角度；

所述警戒线为炉渣从炉口溢出的临界位置。

优选地，上述转炉出钢过程的控制方法中，还包括：

通过图像获取装置采集转炉不同角度时炉口在图像中的位置，并得到炉口位置与转炉角度的位置关系曲线，并将其作为所述警戒线。

优选地，上述转炉出钢过程的控制方法中，还包括：

将所述最佳转炉倾角与钢包重量的关系、所述极限转炉倾角与钢包重量的关系及所述图像信息输出。

优选地，上述转炉出钢过程的控制方法中，还包括：

获取用户输入的手动控制或自动控制的选择信息，并在获取到自动控制对应的选择信息时，自动控制转炉调整至所述转炉当前角度；在获取到手动控制对应的选择信息时，将所述转炉当前角度进行输出。

通过本发明提供的转炉出钢过程的控制方法避免了人工出钢过程中的随意性，测量准确率高，能够提高生产稳定性，提高钢水产量和质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个具体实施例的转炉出钢过程的控制系统的结构示意图；

图2为规划曲线的示意图；

图3为炉渣警戒线的示意图。

附图中标记如下：

钢包称重装置101，转炉炉口监测装置102，壁厚监测装置103，服务器104，控制器105，人机交互界面106，钢厂二级107，极限转炉倾角曲线a，最佳转炉倾角曲线b。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种转炉出钢过程的控制系统，以提高转炉出钢过程控制精度及生产效益。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图3，图1为本发明一个具体实施例的转炉出钢过程的控制系统的结构示意图；图2为规划曲线的示意图；图3为炉渣警戒线的示意图。

在一个实施例中，本发明提供的转炉出钢过程的控制系统包括钢包称重装置101、转炉炉口监测装置102、服务器104和控制器105。

其中，钢包称重装置101用于称量钢包重量，并将称取的钢包重量信息发送至控制器105。具体钢包称重装置101与控制器105可以通过有线或无线的方式连接，以进行数据传输。

转炉炉口监测装置102，用于实时采集转炉炉口图像，并将图像信息发送至服务器104；具体转炉炉口监测装置102与服务器104可以通过有线或无线的方式连接，以进行数据传输。转炉炉口监测装置102具体可以为相机等图像获取装置。

壁厚监测装置103，用于检测转炉炉衬厚度，并将炉衬信息发送至服务器104。

服务器104，用于根据钢包内钢水信息、炉衬信息及接收控制器105发送的钢包重量信息，以计算获得钢包内钢水液位最深时对应的最佳转炉倾角与钢包重量的关系及钢水浸没出钢口的临界状态对应的极限转炉倾角与钢包重量的关系，并根据图像信息判断炉渣位置结合当前钢水余量，确定转炉当前角度。

也就是服务器104包括计算模块，用于根据钢包内钢水信息、炉衬信息及钢包重量信息计算获得最佳转炉倾角与钢包重量的关系、极限转炉倾角与钢包重量的关系，具体可以通过关系曲线表示。如图2所示的极限转炉倾角曲线a和最佳转炉倾角曲线b。服务器104还用于根据实际炉渣位置，并结合当前钢水余量，确定转炉当前角度。具体实际炉渣位置也可以通过监控设备等获取。

控制器105，用于根据服务器104确定的转炉当前角度调整转炉角度。控制器105接收服务器104指令，控制转炉动作，能够实时对出钢过程中转炉角度进行调整。

应用本发明提供的转炉出钢过程的控制系统，出钢之前，系统根据钢水信息，计算某一重量时钢水液位最深时对应的最佳转炉倾角以及钢水刚好浸没出钢口时的极限转炉倾角，从而确定余钢量一定时的角度控制范围。出钢开始后，服务器104根据图像信息判断炉渣位置，并结合当前钢水余量，确定转炉当前角度并发送给控制器105，控制器105根据转炉当前角度，也就是转炉的调整量控制转炉动作，从而调整转炉角度至转炉当前角度。因而通过该转炉出钢过程的控制系统避免了人工出钢过程中的随意性，测量准确率高，能够提高生产稳定性，提高钢水产量和质量。

具体的，服务器104用于在炉渣未到达警戒线时，增大转炉角度且保证转炉角度不大于极限转炉倾角直至炉渣达到警戒线，并将对应的角度确定为转炉当前角度；在转炉达到极限转炉倾角且炉渣仍未达到警戒线时，则以对应的最佳转炉倾角为转炉当前角度；警戒线为炉渣从炉口溢出的临界位置。也就是服务器104读取预先存储的炉渣从炉口溢出的临界位置，并根据图像信息获取当前炉渣位置，确定动态调整范围。炉渣没有到达警戒线，则转炉角度控制可以往最大角度调整，直到炉渣抵达警戒线。如果转炉达到最大角度，炉渣仍没有抵达警戒线，则根据余钢量和最佳角度曲线控制转炉动作。

进一步地，控制器105还用于将转炉信息、氧枪信息及料仓信息发送至服务器104。从而便于服务器104全面判断转炉状态，以对其进行精确控制。

优选的，钢水信息包括钢厂二级107发送的铁水废钢装入量信息、铁水成分信息、钢种信息、钢水成分信息。

在上述各实施例的基础上，还包括与服务器104电连接的人机交互界面106，用于将服务器104的计算结果输出、获取用户输入的手动控制或自动控制的选择信息并发送至服务器104。人机交互之间与服务器104可以为双向联系。一方面，人机交互系统从服务器104获取计算结果、冶炼信息、转炉信息、氧枪信息、料仓信息、装入量信息等并可以有选择的将上述信息输出，另一方面，人机交互系统将手/自动切换、人工输入信息等发送给服务器104。也就是获取用户输入的选择信息，并将用户的手动控制或自动控制选择信息发送至服务器104。进而在自动控制下，控制器105可以根据服务器104确定的当前转炉角度控制转炉调整；而在手动控制下，则可以通过将服务器104确定的当前转炉角度输出，从而操作人员手动根据当前转炉角度进行调整。

本发明还提供了一种转炉出钢过程的控制，在一个具体实施例中，包括以下步骤：

s1：采集钢包内钢水信息，称取钢包重量，检测转炉炉衬厚度，并实时采集转炉炉口图像；

s2：根据钢水信息、炉衬信息及钢包重量信息，计算获得钢包内钢水液位最深时对应的最佳转炉倾角与钢包重量的关系及钢水浸没出钢口的临界状态对应的极限转炉倾角与钢包重量的关系；

也就是计算获得最佳转炉倾角与钢包重量的关系、极限转炉倾角与钢包重量的关系，具体可以通过关系曲线表示。其中，最佳转炉倾角指钢包内钢水液位最深时对应的倾角，极限转炉倾角指钢水浸没出钢口的临界状态对应的倾角。

s3：根据图像信息判断炉渣位置，并结合当前钢水余量，确定转炉当前角度；

根据确定的炉渣位置，具体可以通过监控设备实时监控渣面信息，从而确定炉渣位置。对于不同的角度，炉口位置在图像获取装置所拍摄图片中都有不同的位置，当炉渣到达这些位置时，就意味着炉渣将从炉口溢出。因而需根据当前钢水余量，结合炉渣位置，确定转炉对应的当前角度，即最优角度。

s4：调整转炉角度至转炉当前角度。根据确定的转炉当前角度，实时对转炉角度进行调整。

进一步地，上述步骤s4具体包括：

在炉渣未到达警戒线时，增大转炉角度且保证转炉角度不大于极限转炉倾角直至炉渣达到警戒线，并将对应的角度确定为转炉当前角度；

在转炉达到极限转炉倾角且炉渣仍未达到警戒线时，则以对应的最佳转炉倾角为转炉当前角度；

警戒线为炉渣从炉口溢出的临界位置。

也就是通过上述逻辑确定转炉当前角度，从而有效降低了出钢的夹渣率，提高钢水收得率。根据需要也可以考虑通过其他控制逻辑确定转炉的当前角度。

更进一步地，还包括步骤：

通过图像获取装置采集转炉不同角度时炉口在图像中的位置，并得到炉口位置与转炉角度的位置关系曲线，并将其作为警戒线。根据转炉角度信息及炉口在图像中的位置信息，可以绘出炉渣警戒线曲线。出钢过程中，为了出钢安全，将炉口位置控制在警戒线左侧。

优选的，步骤s1之后还可以包括步骤：

将最佳转炉倾角与钢包重量的关系、极限转炉倾角与钢包重量的关系及图像信息输出。从而便于相关人员能够方便的获知服务器104的计算结果，进而便于人工根据上述技术计算结果控制转炉的角度。

在上述各实施例中，还可以包括步骤：

获取用户输入的手动控制或自动控制的选择信息，并在获取到自动控制对应的选择信息时，自动控制转炉调整至转炉当前角度；在获取到手动控制对应的选择信息时，将转炉当前角度进行输出。也就是获取用户输入的选择信息，并将用户的手动控制或自动控制选择信息发送至服务器104。进而在自动控制下，控制器105可以根据服务器104确定的当前转炉角度控制转炉调整；而在手动控制下，则可以通过将服务器104确定的当前转炉角度输出，从而操作人员手动根据当前转炉角度进行调整。

以下以一个优选的实施方式为例说明：

在一个优选的实施方式中，转炉出钢过程的控制系统包括钢包称重装置101、转炉炉口监测装置102、服务器104、控制器105和人机交互界面106。其中，钢包称重装置101，称量钢包重量，通过硬线或无线数传方式，将称重信号发送到主控室仪表，然后发送到plc控制器105。炉口监测装置，实时采集转炉炉口图像，发送给服务器104。壁厚检测装置，检测转炉炉衬信息，发送给服务器104。plc控制器105，接收服务器104指令，控制转炉动作，并将转炉信息、氧枪信息、料仓信息、称重信息发送给服务器104。钢厂二级107，将铁水、废钢装入量信息、铁水成分信息、钢种信息、钢水成分信息等发送给服务器104。服务器104，用于数据采集、模型计算、指令下发和报表生成。

服务器104中的数据采集包括转炉plc信息采集，钢厂二级107信息采集、炉口监测图像采集以及壁厚检测装置信息采集。

服务器104中的模型计算包括静态规划模型和动态调整模型。静态规划模型根据装入量信息和炉衬厚度信息，计算某一重量时钢水液位最深时对应的最佳转炉倾角(最佳角度)以及钢水刚好浸没出钢口时的极限转炉倾角(极限角度)，确定余钢量一定时的角度控制范围。动态调整模型根据炉口监测系统拍摄的图像信息，判断炉渣位置，确定动态调整范围。如果在当前钢水余量情况下，炉渣没有到达警戒线，则转炉角度控制可以往最大角度调整，直到炉渣抵达警戒线。如果转炉达到最大角度，炉渣仍没有抵达警戒线，根据余钢量和最佳角度曲线控制转炉动作。如果转炉到达最佳角度前，炉渣已经抵达警戒线，则以控制炉渣高度为主。如果在极限角度前，炉渣已经抵达警戒线，则进行压渣处理，防止炉口过度出渣。

动态调整模型中的炉渣警戒线根据离线转炉角度及对应图像进行计算。相机固定以后，特定角度下炉口的位置一定，在图片中的位置也一定，得到不同角度时炉口在图像中的位置，就可以得到角度——炉口位置曲线，也就是炉渣警戒线。

指令下发包括静态信息和动态信息两个部分。出钢之前，服务器104将规划曲线发送给plc用于控制转炉动作。出钢开始后，根据余钢量、渣面信息，确定调整量，并发送给plc。

报表生成包括本炉静态出钢规划及动态调整数据、合金加入量、出钢量、出钢时间等。

人机界面将计算结果和冶炼状况进行显示，供操作工查看。具体可用于显示当前冶炼进程、钢包信息、转炉信息、氧枪信息、料仓信息、炉口图像信息、出钢指导信息。

可通过手动和自动两种方式进行实施。采用手动方式时，服务器104将最佳角度发送到人机交互界面106，操作工根据最佳角度控制操作杆出钢。采用自动方式时，服务器104将最优角度发送到plc，plc自动控制转炉动作。

出钢之前，系统根据装入量信息、钢种信息和炉衬厚度信息，计算某一重量时钢水液位最深时对应的转炉倾角(最佳角度)以及钢水刚好浸没出钢口时的转炉倾角(极限角度)，确定余钢量一定时的角度控制范围。

出钢开始后，系统根据炉渣警戒线曲线和实际渣面位置对规划进行跟踪，确定调整量，并发送给plc，plc根据调整量控制转炉动作。如果在当前钢水余量情况下，炉渣没有到达警戒线，则转炉角度控制可以往最大角度调整，直到炉渣抵达警戒线。如果转炉达到最大角度，炉渣仍没有抵达警戒线，根据余钢量和最大角度曲线控制转炉动作。如果转炉到达最大角度前，炉渣已经抵达警戒线，则以控制炉渣高度为主。如果在最小角度前，炉渣已经抵达警戒线，则进行压渣处理，防止炉口过度出渣。

具体的，钢包称重装置101和plc之间可以为单向联系，钢包称重装置101将钢包重量信息实时发送给plc。炉口监测系统和服务器104之间为单向联系，炉口监测系统实时采集转炉炉口图像，将图像发送给服务器104。壁厚检测系统和服务器104之间为单向联系，壁厚检测系统完成转炉炉衬检测后，将炉衬信息发送给服务器104。钢厂二级107和服务器104之间为单向联系，钢厂二级107将铁水、废钢重量信息，铁水成分、钢种信息、钢水成份等信息发送给服务器104。plc和服务器104之间为双向联系，一方面，plc将钢包称重信息、转炉信息、氧枪信息、料仓信息等实时发送给服务器104；另一方面，服务器104制定出钢角度规划和动态调整规则后，发送给plc去执行。服务器104和人机交互之间为双向联系。一方面，人机交互系统从服务器104获取冶炼信息、转炉信息、氧枪信息、料仓信息、装入量信息等，另一方面，人机交互系统将手/自动切换、人工输入信息等发送给服务器104。

请参阅图2，图2为规划曲线的示意图。

转炉在出钢过程中，稳定快速的出完钢水，有利于减少出钢过程温降，提高生产效率。同样重量的钢水，当转炉的角度位置不同时，钢水表面相对于出钢口的竖直高度不同，因此出钢口处的钢水静压力会不一样。根据牛顿第二定律，静压力越大，出钢口处钢水受到的力越大，钢水速率越大。因此，为了达到出钢时间最少，就要保持钢水液面相对于出钢口的竖直距离最大化。

根据转炉内部炉衬数据，对于特定钢水量，可以计算出钢水量与转炉角度的最优配对曲线。也就是说，对于特定的钢水量，存在一个最佳角度，此时钢水页面相对于出钢口的竖直距离最大，出钢速度最快。当转炉角度大于或小于这一角度时，钢水液面相对于出钢口的数值距离都会减小，出钢速率下降。

出钢角度大于最佳角度是不可取的，此时钢水、钢渣存在较大的从炉口溢出的风险。

出钢角度小于最佳角度时，存在一个极限角度，此时钢水刚好浸没出钢口。当转炉角度小于这个极限角度时，钢渣将从出钢口流出，降低钢水质量。

因此，我们应该将出钢角度控制在最佳角度，当存在炉口溢渣风险时，可适当减小转炉角度，但必须大于极限角度。最佳角度曲线和极限角度曲线之间的区域为出钢过程合理调整区域。

请参阅图3，图3为炉渣警戒线的示意图。

当转炉炉渣发泡时，炉渣体积比正常情况要大，从炉口溢出的风险增加。当炉渣从炉口溢出时，容易烧毁电缆，发生安全事故。

炉渣警戒线曲线根据转炉炉口位置在相机拍摄图片中的位置得出。对于不同的角度，炉口位置在相机所拍摄图片中都有不同的位置，当炉渣到达这些位置时，就意味着炉渣将从炉口溢出。根据转炉角度信息及炉口在图像中的位置信息，可以绘出炉渣警戒线曲线。出钢过程中，为了出钢安全，我们必须将炉口位置控制在警戒线左侧。

上述系统的工作过程如下：

系统采集到冶炼开始信号后，采集铁水、废钢装入量信息、钢种信息，计算最佳角度曲线和极限角度曲线。

吹炼结束后，出钢过程开始。系统根据最佳角度曲线控制转炉动作，同时监控转炉渣面信息，根据炉渣警戒线曲线和实际检测渣面位置对出钢角度进行调整。如果在当前钢水余量和最佳角度情况下，渣面位置没有到达警戒线，则转炉角度控制可以根据最佳角度曲线继续控制。如果渣面位置到达警戒线，则实际控制曲线从最佳角度曲线向极限角度曲线方向调整，直到渣面位置离开警戒线。如果调整到极限角度曲线，炉渣仍不能离开警戒线，则采取摇炉压渣处理后，再进行出钢操作。

出钢结束后，系统记录本炉出钢信息，包括出钢时间，出钢角度曲线，料仓信息等，供操作工查看。

该系统的壁厚检测系统采集转炉内壁信息，并将信息传给服务器。服务器根据壁厚信息及本炉装入量信息，制定本炉转炉出钢规划。出钢过程中服务器对炉口监测系统采集的图像进行分析，结合钢包称重信息，对出钢规划进行调整，并将调整指令发送给plc，plc根据调整信息控制转炉动作。该系统能够对出钢过程进行实时监控、计算和调整，获取最佳操作路线，加快出钢过程，减少出钢过程下渣，提高出钢量，具有较大的经济效益，和挡渣机构，合金化设备进行联合，能够实现出钢自动化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。