副槍技術概述
對于現代化轉爐煉鋼來說，頂底復吹技術的運用有效地提高了轉爐的冶煉效率，但轉爐煉鋼的發展趨勢是基于靜態控制和動態控制的自動化模型煉鋼，只有這樣才能為全連鑄及時提供合格的鋼水。靜態煉鋼是指吹煉前通過對物料平衡和熱平衡的理論計算，統計分析由相近爐次的實際值與其計算值的差異進行修正的增量法建立起的數學模型，通過計算機進行廢鋼、鐵水、吹氧量及其他輔料設定，從而確定吹煉方式與吹煉時間，但在吹煉過程中不作任何測試和修正。在原料條件和工藝操作比較穩定，并較符合實際模型等條件下，靜態控制的終點命中率為60%~70%，比人工控制高10%左右。動態煉鋼是指為了進一步提高終點控制的命中率，在吹煉過程中設法獲得鋼液溫度和成分、爐內造渣情況等信息，通過較高的動態控制模型進一步調整吹煉制度，及時修正冶煉進展的軌跡，使之達到命中區。
隨著自動化儀表檢測水平的提高及其在工業領域中應用范圍的擴大，采用副槍技術實現自動控制煉鋼越來越成為可能。轉爐副槍技術是一種快速、間斷檢測轉爐吹煉過程中熔池溫度及碳、氧含量等數據并取樣的方法，它是轉爐煉鋼實現過程全自動化控制不可缺少的重要工具，它為操作人員及動態數學模型提供實時數據。
副槍裝置與其他的檢測手段相比較，有下列長處：
1、功能較多，外接探頭式的結構可以裝不同功能的探頭，以達到不同的檢測目的。
2、槍體采用水冷結構，有較長的使用壽命。
3、結構中采取的安全措施很多，運行安全可靠。
測量速度快，精度高，在操作熟練后，碳含量和溫度的命中率可達90%以上。
副槍技術的構成
下面以達涅利公司的副槍系統為例進行說明(圖1)，該系統通過對冶煉過程中鋼水的溫度、碳含量、氧含量進行自動測量及自動取樣，并通過與靜、動態模型結合實現全自動煉鋼。該系統主要包括四個組成部分：
1、一個旋轉平臺或一臺橫移小車，上面裝有一臺卷揚機，用于與平臺或小車相連的副槍體的升降；
2、一個帶有探頭貯箱的自動探頭安裝系統(圖2)，可確保探頭安全存放，可自動選擇探頭和將探頭自動裝到副槍體上；
3、裝在轉爐煙罩上或位于煙罩上方的設備，如一個副槍水冷插入口、一個密封罩和一臺清渣裝置；
4、電氣和儀表設備，如DIRC，一臺用于檢測結果記錄和解釋的計算機。計算機與PLC相連，可作為轉爐操作控制室計算機系統的連接設備使用。下面主要對副槍電 氣和儀表設備的測量系統硬件組成、電氣控制系統、儀表測量原理、系統軟件功能進行詳細闡述。
◆副槍電氣和儀表設備的測量系統硬件組成
副槍電氣和儀表設備的測量系統由DIRC5信號處理單元、DIRC5服務器、副槍系統PLC、測量探頭、探頭連接器等組成，其中DIRC5信號處理單元由模擬量輸入、高速A/D轉換、信號處理等組成。為保證系統精度，DIRC5系統配有一套校準裝置，完成系統的校驗。
◆副槍電氣控制系統
副槍電氣控制系統包括副槍提升驅動系統、副槍旋轉驅動系統、APC系統(探頭自動裝卸裝置)、DIRC5儀表系統。整個副槍控制系統由一套PLC系統集中控制，PLC系統由CPU、NOE、EHC、DDI、DDO、ACI、ACO、XBE等模塊組成。副槍的自動控制過程分為連接周期、 測量周期、復位周期3個周期。
A、副槍提升驅動系統
副槍提升驅動系統的設備主要位于卷揚平臺上，包括1臺55kW三相異步電動機、AC抱閘、減速機、用于速度控制的測速發生器和兩個用于高度測量的脈沖發生器。電動機的速度調節依靠兩套變頻器來實現。
提升驅動參數(AC電機)：VVVF高速：2.5m/s；中速/事故速度：0.6m/s；低速：0.2m/s；定位速度：0.lm/s；定位精度：±1cm；最大行程：18.8m。
B、副槍旋轉驅動系統
副槍旋轉驅動系統的設備包括一個帶抱閘3kW三相鼠籠電機、減速機、脈沖發生器、測速發生器。旋轉速度由變頻器控制，定位由脈沖發生器通過PLC完成，接近開關確定實際位置，超程開關用于硬接線停止。
旋轉驅動參數：常規速度：1.33r/min；定位速度：0.27r/min；定位精度：±1cm；旋轉半徑：5900mm；最大旋轉角度：104°。
C、APC系統
APC系統包括探頭存儲箱、探頭選擇和喂裝部分、探頭傾動臂、探頭拆卸裝置等。
①探頭存儲箱：有5個獨立的存儲室，每個可容納20個探頭。
②探頭選擇和喂裝部分：喂裝部分接在存儲箱的底部，通過汽缸旋轉喂裝架選擇所需探頭。
③探頭傾動臂：包括框架、導向漏斗、探頭夾、AC電機等。
④探頭拆卸裝置：安裝在探頭回收槽上方。測量之后，氣動的探頭拆卸裝置夾住探頭，提升副槍，使探頭與其脫離。打開探頭拆卸裝置將探頭送至探頭收集槽。
D、DIRC5儀表系統
DIRC5儀表系統主要是將探頭所測的數據進行分析處理，并將其結果(溫度、碳含量、氧電勢、氧活度、熔池液位置)顯示在HMI畫面上，存儲在外接PC機中，便于進一步分析。
副槍測量系統儀表測量原理
當副槍測量系統接收到來自PLC系統的啟動測量指令時，首先將測量探頭測到的模擬量信號通過模擬量輸入模板送到高精度模數轉換單元，然后進入信號處理單元，經過處理后的信號送到測量值顯示單元進行顯示。DIRC5的數據釆樣周期為40ms，釆集的數據包括鋼水溫度、結晶溫度(決定碳含量)、鋼水中的氧含量、熔池的液位。整個探頭的最長測量時間為24s。DIRC5信號處理單元是該系統的核心。當啟動信號評價程序后，系統自動進行各個測量系統的評價，釆用質量碼判斷給岀測量值及精度。針對不同的測量信號，釆用直接測量和間接測量兩種方式進行數據處理。
直接測量是一種對熔池中鋼水溫度、結晶溫度和鋼水中的氧含量信號采用直接測量顯示的方式。下面以鋼水溫度為例進行說明，表1為熔池中鋼水溫度信號評價的質量碼定義。為了對測量結果進行評價，定義窗口由溫度偏差AT和時間組成，并將其分成6個時間段，對應7個釆樣值，根據質量碼的定義對釆樣值進行比較評價。利用質量碼規定的窗口，在整個釆樣曲線上首先與質量碼1進行比較，如不相符，則使用質量碼2、3或4，重復這個過程；如果找不到相符的質量碼，則系統輸出測量無效。
結晶溫度及鋼水中氧含量的信號評價原理與鋼水溫度類似，在此不再重復。
間接測量是指通過計算獲得數據的方法。副槍浸入深度釆用間接測量獲得。在吹煉結束時，使用TSO探頭進行測量，在測得熔池中鋼水溫度和熔池鋼水中氧含量的同時，通過信號評價系統可得到浸入深度。其原理是：當探頭以低速通過渣與鋼水的接合面時，溫度信號值和氧 含量信號值將產生一個明顯的跳變，通過二者曲線跳變關系及信號測量評價，可以間接測量副槍探頭的浸入深度。
◆系統軟件功能
DIRC5系統的軟件由一系列功能模塊組成，如圖3所示，主要由主程序模塊、掃描模塊、測量模塊、數據顯示模塊、數據存儲模塊和通信模塊組成。
①主程序模塊：創建和釋放緩沖存儲區，啟動、停止和監視DIRC5的整個處理過程。
②掃描模塊：對系統的開關量和模擬量輸入信號進行掃描，掃描周期為40ms。
③測量模塊：當副槍執行測量周期時，熔池溫度、結晶溫度、氧含量和副槍浸入深度通過測量模塊完成信息的處理。測量模塊由溫度計算、碳含量計算、氧含量計算、副槍浸入深度計算4個子模塊組成。
④數據存儲模塊：DIRC5信號處理單元的所有數據都進入到通用存儲區。
⑤數據顯示模塊：用于顯示存儲區里的數據。
⑥通信模塊：完成兩個功能：一是DIRC5系統與副槍PLC之間的通信，通信協議為ModBus；二是DIRC5系統與DIRCPC的通信，通信協議為TCP/IP，該模塊由數據接收和發送兩個子模塊組成。
副槍系統的性能和使用價值
1、縮短出鋼周期，提高生產能力
副槍系統取消了人工取樣和測溫，既可節省時間，又不需要對操作人員有過高的要求。由 于在取樣和測溫時，不再需要倒爐，因此可縮短出鋼周期，從而提高轉爐生產能力。
2、提高冶煉效率和經濟效益
SDM靜態和動態控制模型可提高冶煉效率、吹煉終點溫度和碳含量命中率。利用SDM系統，通過合適的過程控制，可為用戶帶來下列好處：
①提高冶煉效率；
②提高吹煉終點溫度命中精度；
③提高吹煉終點碳含量命中精度；
④減少補吹次數；
⑤降低爐渣中鐵含量；
⑥延長轉爐爐襯的使用壽命；
⑦優化廢鋼熔化效率。
3、提高爐齡
自動探頭安裝機構布置在遠離轉爐爐罩的位置，為操作人員提供一個更有利的工作環境。 副槍系統關鍵設備釆取的布置方式，使它們不會暴露在危害設備完整性的惡劣環境中。工藝過程優化和取消倒爐作業，都使用戶能夠有效提高轉爐爐齡，使轉爐在不采用濺渣護爐的情況 下，出鋼爐數增加量可高達40%。
4、提高設備利用率
事實已經證明，達涅利康力斯副槍系統的總體設備利用率可達到很高的水平。各個鋼廠安裝的副槍系統總體設備利用率均已超過93%。
5、提高吹煉終點命中率
吹煉終點命中率可用于說明控制模型的性能。如果設備運行正常，鐵水、廢鋼和添加劑質量符合規定要求，達涅利康力斯副槍設備吹煉終點命中率可超過90%。控制模型精度可通過最終產品主要技術指標的標準差來評價。標準差則反映目標值或預測值與實際檢測值之間的偏差。
采用副槍系統可提高現有鋼廠的生產能力，減小新建鋼廠規模，降低投資費用；可改善鋼材產品質量，同時降低噸鋼生產成本。采用副槍系統、SDM靜態和動態控制模型，將有助于滿足政策對污染物排放越來越嚴格的限制要求，并為操作人員提供一種更為安全舒適的工作環境。快捷高效的測量技術，為實現全自動模型煉鋼打下了良好的基礎，因此副槍技術在鋼鐵企業具有一定的推廣價值。
