转炉出钢过程中倾动速度的自动控制方法与流程

本发明涉及转炉自动控制技术领域，尤其涉及一种转炉出钢过程中倾动速度的自动控制方法。

背景技术：

转炉炼钢是当今世界上最主要的炼钢方法，钢产量占世界钢总产量的65％以上。随着市场对高品质钢的需求增多，如汽车板、高级船板、电工钢、不锈钢等，对转炉炼钢的钢水洁净度要求也越来越高，因此钢水的杂质元素含量要尽量少。在转炉炼钢末期，将钢水从转炉倒入钢水罐的过程中，有时候炉渣也会伴随着钢水一起流入钢水罐内(即转炉出钢中下渣)，影响钢水的洁净度。目前，严格控制好出钢过程，是避免出钢中下渣的重要手段。

现有的，转炉出钢是由工作人员在转炉操作室内通过控制摇炉手柄进行转炉的倾动控制，让转炉倾动到一定的角度，转炉内的钢水通过出钢口流出，流入到钢水罐中。转炉的倾动控制完全依靠工作人员的经验判断，且每个工作人员的习惯不同，倾动速度时快时慢，倾角的控制精度也难以得到保证，常出现钢水出不净，或钢水在炉内晃动，造成出钢过程中下渣的现象。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种转炉出钢过程中倾动速度的自动控制方法，使得转炉的倾动过程快速平稳，倾角的控制精准，避免出钢过程中下渣的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种转炉出钢过程中倾动速度的自动控制方法，包括以下步骤：

s1、将转炉初始倾角差的绝对值按大小分为多个档次，并按初始倾角差的绝对值大小确定每个档次的加速度值，设计各个档次的转炉倾动速度的变化曲线；

s2、获取转炉倾角实际值，将转炉启动转动时的倾角设定值减去转炉倾角实际值得到初始倾角差，并求取绝对值，判断初始倾角差的绝对值在哪一个档次，按照对应档次的转炉倾动速度的变化曲线对转炉出钢过程中倾动速度进行自动控制。

进一步地，所述步骤s1中将转炉初始倾角差的绝对值分为四个档次，第一档为较小档，倾角差在1°～2°范围内；第二档为中等档，倾角差在6°～6°范围内；第三档为较大档，倾角差在6°～θ3范围内；第四档为非常大档，倾角差大于θ3；其中，θ3为从最大倾动速度降速到零所需要倾动的角度；以初始倾角差的绝对值越大，加速度值越大的原则来确定每个档次的加速度值。

进一步地，所述步骤s1中设计的各个档次的转炉倾动速度的变化曲线在降速的最后一段均为圆整阶段，圆整阶段中加速度以恒加加速度最终逐渐降到零，同时速度也降到零。

进一步地，所述圆整阶段的变化曲线的设计方法如下：

设置圆整阶段的初始加速度为较小档的加速度，确定圆整时间，根据圆整阶段初始加速度以及圆整时间计算圆整阶段的起始速度，然后求取圆整阶段的速度随时间变化的函数，对该函数进行积分求得圆整阶段走过的角度。

进一步地，所述步骤s1中设计的较小档的转炉倾动速度的变化曲线还包括加速阶段和匀速阶段，较小档的转炉倾动速度的变化曲线的速度变化情况为：当初始倾角差的绝对值处于较小档时，倾动速度首先以较小档加速度加速到圆整阶段的起始速度，然后匀速运行一段时间，直到倾角差等于圆整阶段走过的角度，然后开始圆整阶段，直至降速为零。

进一步地，所述步骤s1中设计的中等档的转炉倾动速度的变化曲线的速度变化情况为：当初始倾角差的绝对值处于中等档时，在倾角差到达2°之前，倾动速度以中等档加速度加速，如果加速达到了中等档的基准速度则保持，如果没达到则一直加速到倾角差为2°为止，最后的2°范围则由1.7°的斜坡减速段和0.3°的圆整阶段完成。

进一步地，所述步骤s1中设计的较大档的转炉倾动速度的变化曲线的速度变化情况为：

在倾角差到达6°之前，倾动速度以较大档加速度加速，如果加速达到了较大档的基准速度则保持，如果没达到则一直加速到倾角差为6°为止，后面的6°则经过分别以中等档加速度的相反值以及较小档加速度的相反值为加速度的两段斜坡减速段和0.3°的圆整阶段完成。

进一步地，所述步骤s1中设计的非常大档的转炉倾动速度的变化曲线的速度变化情况为：

当初始倾角差大于可以加速到最高速情况下所需要倾动的最小角度时，倾动初期以非常大档加速度加速到最大倾动速度，然后以最大倾动速度匀速运行一段时间直到倾角差达到θ3为止，后面经过分别以较大档加速度的相反值、中等档加速度的相反值以及较小档加速度的相反值为加速度的三段斜坡减速和0.3°的圆整阶段完成；

当初始倾角差大于θ3且小于可以加速到最高速情况下所需要倾动的最小角度时，以非常大档加速度加速直到倾角差达到θ3为止，后面经过分别以较大档加速度的相反值、中等档加速度的相反值以及较小档加速度的相反值为加速度的三段斜坡减速和0.3°的圆整阶段完成。

进一步地，所述步骤s2中获取转炉倾角实际值的方法为：

通过转炉的转动轴上安装的角度测量编码器获得转炉倾角测量值，将其作为转炉倾角实际值。

进一步地，获取转炉倾角实际值的方法还包括：

转炉倾动电机的速度编码器将转炉倾动速度发送给plc，plc内部不断积分转炉倾动速度计算转炉的倾角值，转炉零角度位安装的接近开关在转炉位于零角度位时给plc发送一个零位信号，plc接收到零位信号后则将计算倾角值清零；plc将转炉倾角测量值与计算值进行比对，若相差2°以下则以转炉倾角测量值作为转炉倾角实际值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种转炉出钢过程中倾动速度的自动控制方法，根据初始倾角差的大小划分了多个档次，每个档次的加速度和基准速度都是不同的，在倾角差比较大的时候采用较大的加速度，可以达到的最高速也比较高，从而可以快速缩小倾角差，在倾角差比较小的时候则采用较小的加速度和较低的基准速度，从而使得倾动过程更为稳定；本发明在最终倾角差较小的时候，设计了平滑的减速曲线，特别是最后采用了圆整段，使得降速过程平滑稳定，到达倾角设定值的时候，加速度和速度都精确的降到零，这样转炉停止下来的时候十分平稳，可有效解决钢水晃动造成的出钢中下渣的问题，取得良好的控制效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的转炉倾动控制系统示意图；

图2为本发明实施例提供的一种转炉出钢过程中倾动速度的自动控制方法的流程图；

图3为倾角差为1°时的转炉倾动速度的变化曲线；

图4为倾角差为5.8°时的转炉倾动速度的变化曲线；

图5为倾角差为14°时的转炉倾动速度的变化曲线；

图6为倾角差为40°时的转炉倾动速度的变化曲线。

具体实施方式

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为转炉倾动控制系统示意图，转炉9可以向前或向后倾动，例如在出钢的时候转炉向前倾动，钢水从出钢口8流出到钢水罐中，而在出钢渣的时候转炉向后倾动，钢渣从炉口6中倒入钢渣罐中。在转炉的转动轴上安装有倾角编码器7，可以测量转炉的倾角实际值，在转炉0角度位处安装有接近开关5，当转炉位于0角度时，接近开关将零位信号发送到plc控制器1中，plc控制器发送倾动速度设定值给变频器2，由变频器控制转炉的倾动电机4，倾动电机上安装有速度编码器3可以测量出倾动速度实际值，发送给plc控制器。所有的转炉倾动控制功能都在plc控制器中编程实现。

如图2所示，本发明实施例提供一种转炉出钢过程中倾动速度的自动控制方法，包括以下步骤：

s1、将转炉初始倾角差的绝对值按大小分为多个档次，并按初始倾角差的绝对值大小确定每个档次的加速度值，设计各个档次的转炉倾动速度的变化曲线；

s2、获取转炉倾角实际值，将转炉启动转动时的倾角设定值减去转炉倾角实际值得到初始倾角差，并求取绝对值，判断初始倾角差的绝对值在哪一个档次，按照对应档次的转炉倾动速度的变化曲线对转炉出钢过程中倾动速度进行自动控制。

本发明实施例提供的这种转炉出钢过程中倾动速度的自动控制方法，根据初始倾角差的大小划分了多个档次，每个档次的加速度和基准速度都是不同的，在倾角差比较大的时候采用较大的加速度，可以达到的最高速也比较高，从而可以快速缩小倾角差，在倾角差比较小的时候则采用较小的加速度和较低的基准速度，从而使得倾动过程更为稳定。

下面对上述方法进行详细说明。

所述步骤s1中将转炉初始倾角差的绝对值分为四个档次，第一档为较小档，倾角差在1°～2°范围内；第二档为中等档，倾角差在2°/6°范围内；第三档为较大档，倾角差在6°/θ3范围内；第四档为非常大档，倾角差大于θ3；其中，θ3为从最大倾动速度降速到零所需要倾动的角度。若倾角差小于1°，则判断为倾角差过小，不进行倾动操作。

以初始倾角差的绝对值越大，加速度值越大的原则来确定每个档次的加速度值，倾角差在比较大的时候可采用最大加速度以节省倾动时间，而倾角差较小的时候为了转炉停止时的稳定而采用较小的加速度值，具体在本实施例中，最大加速度设置为1.3°/s²(较大档和非常大档采用)，中等档加速度设置为1.0°/s²，较小档加速度设置为0.8°/s²。

为了让转炉停下来的时候保持平稳，所述步骤s1中设计的各个档次的转炉倾动速度的变化曲线在降速的最后一段均为圆整阶段，圆整阶段中加速度以恒加加速度最终逐渐降到零，同时速度也降到零，这样转炉的最终停止过程十分顺滑平稳，可尽可能地抑制钢水的晃动。

圆整阶段根据初始加速度值和圆整时间来确定其变化曲线，具体设计方法如下：

首先为了过渡的平滑，设置圆整阶段的初始加速度为较小档的加速度，即aini＝0.8°/s²，确定圆整时间，本实施例中设置为tround＝1.5s，这些参数都可根据实际情况适当调整，根据圆整阶段初始加速度以及圆整时间计算圆整阶段的起始速度，计算公式如下：

然后求取圆整阶段的速度随时间变化的函数，如下：

对该函数进行积分求得圆整阶段走过的角度，计算公式如下：

无论初始倾角差处于什么档，最终的0.3°都是通过圆整段来完成的，这样在倾角差为零时，速度和加速度都正好降为零。

本发明实施例在最终倾角差较小的时候，设计了平滑的减速曲线，特别是最后采用了圆整段，使得降速过程平滑稳定，到达倾角设定值的时候，加速度和速度都精确的降到零，这样转炉停止下来的时候十分平稳，可有效解决钢水晃动造成的出钢中下渣的问题，取得良好的控制效果。

进一步地，所述步骤s1中设计的较小档的转炉倾动速度的变化曲线还包括加速阶段和匀速阶段，较小档的转炉倾动速度的变化曲线的速度变化情况为：当初始倾角差的绝对值处于较小档时，倾动速度首先以较小档加速度0.8°/s²加速到圆整阶段的起始速度0.6°/s，然后匀速运行一段时间，直到倾角差等于圆整阶段走过的角度0.3°，然后开始圆整阶段，直至降速为零。

较小档的加速阶段和匀速阶段的变化曲线的设计方法如下：

根据圆整阶段的起始速度以及较小档的加速度计算较小档的加速阶段的持续时间，计算公式如下：

式中，tacc1为较小档的加速阶段持续时间。

然后求取加速阶段的速度随时间变化的函数，对该函数进行积分求得加速阶段走过的角度，计算公式如下：

则除了加速阶段和圆整阶段走过的角度，剩下的倾角差都以圆整阶段的起始速度0.6°/s匀速运行，根据剩下的倾角差以及圆整阶段的起始速度计算较小档的匀速阶段持续的时间，计算公式如下：

举例来说，设初始倾角差为1.0°，那么此时的速度曲线如图3所示，具体来说，以加速度0.8°/s²加速到0.6°/s，然后以0.6°/s匀速运行0.79s，最后是圆整阶段，运行1.5s，倾动1°后加速度和速度都正好降为0.0。

进一步地，所述步骤s1中设计的中等档的转炉倾动速度的变化曲线的速度变化情况为：当初始倾角差的绝对值处于中等档时，在倾角差到达2°之前，倾动速度以中等档加速度1.0°/s²加速，如果加速达到了中等档的基准速度则保持，如果没达到则一直加速到倾角差为2°为止，最后的2°范围则由1.7°的斜坡减速段和0.3°的圆整阶段完成。

中等档的转炉倾动速度的变化曲线的设计方法如下：

计算倾角差中等时的基准速度。所述基准速度是指当运行完该档次的倾角后，能够保持的最高速度，一旦超过了这个速度，则按后面档次的加速度就无法在倾动到位的时候降速到零了。例如，当初始倾角差中等时，在转炉倾动到倾角差为2°的时候就不能超过一个中档基准速度vmid，否则在最后的2°范围内，以较小档的加速度-0.8°/s²是不能降速到零的。

如上所述，在2°范围内，最后的0.3°是圆整段，圆整段起始速度为0.6°/s,圆整段剩余的1.7°是斜坡减速段，加速度为-0.8°/s²，这个减速段的持续时间tdec2通过求解下式得到：

解得tdec2＝1.44s，那么中档的基准速度为vmid＝0.6+0.8×1.44＝1.75°/s。

然后根据基准速度设计倾角差中等时的加减速变化曲线。

举例来说，设初始倾角差为5.8°，那么此时的速度曲线如图4所示。具体来说，启动时以加速度1.0°/s²加速到1.75°/s，然后以1.75°/s匀速运行1.3s，再以-0.8°/s²斜坡减速到0.6°/s，最后一段圆整段减速到零。

进一步地，所述步骤s1中设计的较大档的转炉倾动速度的变化曲线的速度变化情况为：

在倾角差到达6°之前，倾动速度以较大档加速度加速，如果加速达到了较大档的基准速度则保持，如果没达到则一直加速到倾角差为6°为止，后面的6°则经过分别以中等档加速度的相反值以及较小档加速度的相反值为加速度的两段斜坡减速段和0.3°的圆整阶段完成。

较大档的转炉倾动速度的变化曲线的设计方法如下：

计算从最高速降速到零所需要倾动的角度，将其作为较大档的倾角上限值，计算方法如下：

当初始倾角差超过6°时，采用最大加速度1.3°/s²，在本实施例中，最大倾动速度为6°/s，从最高速以-1.3°/s²的加速度降速到3.33°/s需要2.05s，那么从最高速降速到3.33°/s所需要倾动的角度为：

那么从最高速降速到零所需要倾动的角度为15.57°，也就是说，当初始倾角差大于15.57°时，即使倾动速度加速到最高速也可以在最终降速到零，这里就以15.57°作为倾角差较大时的上限值θ3，从而倾角差较大时的范围是6°～15.57°。

然后计算倾角差较大时的基准速度，计算方法如下：

倾角较大时的基准速度即倾角差达到6°时的最高速度，从6°到2°以中等减速度1.0°/s²运行，那么这个倾角较大时的减速时间tdec3通过求解下式得到：

解得tdec3＝1.58s，那么倾角差较大时的基准速度为vbig＝1.75+1.0×1.58＝3.33°/s。

最后根据基准速度设计倾角差较大时的加减速变化曲线。

在倾角差实际值到达6°之前，以最大加速度1.3°/s²加速，如果加速达到了基准速度vbig则保持，如果没达到则一直加速到倾角差为6°为止，后面的6°则经过两段斜坡减速和一段圆整完成。

举例来说，设初始倾角差为14°，那么此时的速度曲线如图5所示，具体来说，以加速度1.3°/s²加速到3.33°/s，然后以3.33°/s匀速运行1.12s，再以-1.0°/s²的加速度斜坡减速到1.75°/s，再以-0.8°/s²的减速度斜坡减速到0.6°/s，最后一段圆整段减速到零。

进一步地，所述步骤s1中设计的非常大档的转炉倾动速度的变化曲线的速度变化情况为：

当初始倾角差大于可以加速到最高速情况下所需要倾动的最小角度时，倾动初期以非常大档加速度加速到最大倾动速度，然后以最大倾动速度匀速运行一段时间直到倾角差达到θ3为止，后面经过分别以较大档加速度的相反值、中等档加速度的相反值以及较小档加速度的相反值为加速度的三段斜坡减速和0.3°的圆整阶段完成；

当初始倾角差大于θ3且小于可以加速到最高速情况下所需要倾动的最小角度时，以非常大档加速度加速直到倾角差达到θ3为止，后面经过分别以较大档加速度的相反值、中等档加速度的相反值以及较小档加速度的相反值为加速度的三段斜坡减速和0.3°的圆整阶段完成。

非常大档的转炉倾动速度的变化曲线的设计方法如下：

计算从零速以最大加速度加速到最高速所需要倾动的角度，计算方法如下：

首先求出从零速以最大加速度加速到最高速所需的时间：

然后求积分得到所需要倾动的角度：

那么可以加速到最高速所需要倾动的最小角度为这个加速所需的最小角度加上减速所需的最小角度，即13.85°+15.57°＝29.42°。

最后设计倾角差非常大时的加减速变化曲线。

当初始倾角差大于29.42°时，倾动初期可以以最大加速度1.3°/s²加速到最高速6°/s，然后以最高速匀速运行一段时间直到倾角差达到15.57°为止。

当初始倾角差在15.57°～29.42°之间时，可以以最大加速度1.3°/s²加速直到倾角差达到15.57°为止，此时的速度到不了最高速，就立刻要开始斜坡减速了。

举例来说，设初始倾角差为40°，则倾动速度曲线如图6所示，具体来说，以加速度1.3°/s²加速到6°/s，然后以6°/s匀速运行1.76s，再以-1.3°/s²斜坡减速到3.3°/s，再以-1.0°/s²斜坡减速到1.75°/s，再以-0.8°/s²斜坡减速到0.6°/s，最后一段圆整段减速到零。

所述步骤s2中获取转炉倾角实际值的方法为：

通过转炉的转动轴上安装的角度测量编码器获得转炉倾角测量值，将其作为转炉倾角实际值。

优选地，获取转炉倾角实际值的方法还包括：

转炉倾动电机的速度编码器将转炉倾动速度发送给plc，plc内部不断积分转炉倾动速度计算转炉的倾角值，转炉零角度位安装的接近开关在转炉位于零角度位时给plc发送一个零位信号，plc接收到零位信号后则将计算倾角值清零；plc将转炉倾角测量值与计算值进行比对，若相差2°以下说明编码器正常，则以转炉倾角测量值作为转炉倾角实际值。若两者相差2°以上则报警，若相差6°以上则输出故障信号，需要停机对角度测量编码器进行检修。

本发明提出的转炉出钢过程中倾动速度的自动控制方法，在转炉启动时求得初始倾角差的绝对值，并按其大小划分了四个档次，对每个档次下转炉倾动速度的设定值进行了详细设计，涵盖了转炉出钢过程中倾动的各种工况。总的来说，在初始倾角差较小的时候，为了保持倾动过程的稳定，采用了较小的加速度和速度；随着初始倾角差的增大，加速度和速度也按照分档增大；如果初始倾角非常大，则起步阶段以最大加速度启动，并可以直接加速到最大速度，以尽可能地节省倾动的时间。在后期的减速段，随着倾角差的逐步减小，减速度也越来越小，特别在最后附加了一个圆整段，确保最终倾角实际值达到设定值的时候，加速度和速度都正好降到零。

综上所述，本发明实施例中实现了转炉出钢过程中倾动速度的分档控制，每档的加速度和基准速度都是不一样的，在达到每档基准速度之前可以尽量加速，以节省转动的时间；而在减速阶段设计了平滑的减速曲线，特别是最后的圆整段，使得降速过程十分平稳，到达倾角设定值的时候，加速度和速度都精确的降到零。按照这种速度控制方法，转炉总的倾动时间比较短，倾角的控制精准，而且转炉停止下来的时候十分平稳，可有效解决钢水晃动造成的出钢中下渣的问题，取得良好的控制效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。