高炉自动化

自动控制系统

高炉自动控制系统由检测仪表、控制装置、程序控制器、微处理机和过程控制计算机组成，按功能可分为装料、布料、送风、炉况、炉顶煤气等自动控制系统。

研究背景

现代化的高炉炉容已超过5000立方米，日产生铁1万吨以上，实现高炉自动化对于降低能耗、提高产量和质量具有重要意义。

发展历史

20世纪50年代，高炉已采用了程序控制上料和仪表控制热风的技术，60年代中期开始用电子计算机对高炉进行局部控制。从70年代中期起，世界上已有40%左右的高炉使用计算机控制炉况，并进一步实现高炉管理的最优化。80年代，许多国家都在开展新型传感器和检测方法的研究，研制新的炉况动态模型和建立综合的控制管理系统。

功能单元

装料自动控制

为保证高炉冶炼过程正常进行，必须使炉料保持一定的高度。一般采用探料尺在垂直方向周期地从炉顶探测料面高度和炉料下降速度（采用微波式的或激光式的探料尺可连续探测）。当炉料低于规定料面高度时，上料系统开始装料。机械式探料尺和上料系统采用无触点的程序控制器或可编程序控制器控制。为了提高装料的精度，广泛采用小型计算机控制炉料重量，并把每次实际装入漏斗的原料数量记录下来，求出与装料规定量之差，在下次称量时自动给以补正。计算机控制装料还可将单位时间内各种原料的给定量、总重量、水分含量、各原料仓的库存量等装料数据打印制表。

布料自动控制

高炉料面的M型分布是否匀称，直接影响炉内气流分布和炉况反应。现代化大型高炉的炉喉直径超过10米，若炉内反应不均匀，炉料下降速度不一致，料面便会偏斜，因此需要用布料装置来控制料面形状。一般用固定式探料尺检测料面高度，并用程序控制器或微处理机控制布料。钟阀式炉顶通过改变炉料批量、料面和装料顺序，无钟炉顶通过改变旋转溜槽的倾角和旋转方式来实现自动布料。布料控制中的关键问题是料面形状检测，可在炉喉圆周的 6个位置装设固定探杆，吊有重锤的金属链条在炉喉不同的半径处从探杆上下垂到料面，根据其下垂长度测出料面的轮廓、每测一次需一分钟，测量精度约为±50毫米。

另一种方法是根据料面温度分布来实现布料控制。料面温度场出现热点时，说明炉内出现了“管道现象”，此时需要通过控制布料来加以消除。常用的测量料面温度场的仪器有热像仪，可测温度范围为50～800℃。还可在炉喉部分装入固定的带有温差电偶的十字形测温梁，在梁内装有10几个温差电偶，以测量炉料的温度分布。

送风自动控制

从风口鼓入约1000～1200℃的热风使焦炭燃烧。为保持炉温恒定，炉况平稳，须对热风的温度、湿度和富化处理进行控制。①热风温度控制：冷风经热风炉加热后的风温并不是恒定的，开始时风温高，以后则逐渐降低，用风温调节器控制掺入的冷风量便可使风温保持恒定。热风炉在换炉时用交叉并联送风的工作方法可使风温波动在±1%以内。②热风湿度控制:湿度调节器能保持鼓风中湿度恒定，避免水分引起炉况波动。常用的方法为加湿调节和脱湿处理两种。③鼓风富化处理：对于大型高炉，常在鼓风中加入氧气以提高高炉的冶炼强度。为了降低燃料比，有时在风口处喷入重油、天然气或煤粉等。有时还在大型高炉风口前装上带有高速摄影装置的工业电视，用以监视和记录风口前热风和焦炭的燃烧和运动情况。

炉顶煤气控制

炉顶煤气的压力和成分直接反映炉内的冶炼情况。炉顶压力调节装置控制炉压恒定，是确保炉料平稳下降的重要措施。顶压调节可通过减压阀组或余压涡轮来实现。炉顶煤气是高炉冶炼的直接产物，其成分反映炉内的还原反应和还原气体的利用率。利用连续采样的气体色谱分析仪周期测定煤气中CO、CO2、H2、N2的含量，可掌握炉中的反应情况。炉喉煤气成分分布直接反映炉内不同直径处的反应，故常在大型高炉炉喉的料面下径向插入（或固定安装）采样探杆，采集分析炉内气样。

渣铁参数检测

铁水的生成量、成分、温度是极为重要的参数。出铁时铁水罐车停在装有轨道电子秤的轨道上，可连续检测出铁量。铁水温度可在出铁过程中用快速温差电偶检测。铁水成分是在出铁过程中从铁水沟中取样，然后用快速荧光分析仪分析。现代化大型高炉日产出铁1万吨以上，有4个出铁口轮流出铁，测量渣铁的温度、成分和生成量就能及时获得高炉中的冶炼信息。这一过程现代已由微处理机来实现。

炉况自动控制

炉内反应过程的参数不能直接检测，所以控制系统尚未达到完善的程度，但已有数种炉况控制系统(如炉热模型系统,GO-STOP系统)在高炉上获得应用，其中以炉热模型构成的系统应用较多。炉热模型系统以高炉炼铁过程的物理化学反应为基础，把高炉分为风口燃烧带、直接还原带和间接还原带，根据输出输入高炉的各种参数（如矿石焦炭装入量、风量、风温、喷吹量、炉顶煤气成分、渣铁成分和生成量等）列出各反应区间的物料平衡和热量平衡方程组，然后求解这些方程组，便可得出炉中直接还原反应带的固体温度和气体温度。这些温度代表炉热的状态，根据炉热的变化自动调节送风参数（如风温、喷吹量等），改变风口送入的热量，将炉热控制在最佳状态。为提高系统的控制效果，有时将理论模型与统计模型结合使用。这种闭环控制系统已被采用。GO－STOP系统是以系统辨识方法来判断炉况并构成闭环控制系统的。由于炉况控制过程中有大量的计算工作，这种系统需要使用电子计算机。炉身静压力的变化也是炉况的重要参数，常在炉身不同高度的圆周上检测炉身的静压力。这一静压力反映炉料的透气性、气流分布和软熔带根部位置的高度，是判断炉况的重要依据之一。根据炉料的透气性，以炉顶压力为调节手段可组成炉料透气性调节系统。保持透气性恒定有助于炉料顺利下降，保持炉况稳定。

管理系统

计算机管理

计算机除用于上述各种控制系统外，还用于数据处理、生产管理、操作指导等。它采集高炉上的大量过程参数，输入存储器中，并将这些数据编辑成各种生产记录报表和具有操作指导作用的画面，在工业电视上显示出来。这样，操作者便可根据存储器内的数据对过去的生产过程作出连贯的分析，对变化趋势作出预报。在现代化的大型高炉上，全部显示记录仪表已被计算机所代替，各个控制系统由计算机实现，在高炉控制室中炉长通过工业电视与计算机对话，计算机可向炉长提供所需的多种信息。这样的控制系统在国内外都有应用，效果良好。

炉体设备管理

为延长高炉寿命，需要对炉体和设备进行监控。常用各种热传感器监视炉缸、炉身、冷却壁等炉体各部位的温度，超限时作出报告；或用触发响应法对耐火砖残存厚度进行测量监视。风口是关键设备，需要经常监视。用卡门流量计或双管电磁流量计检测风口冷却水的进出流量差，就能检查风口冷却套是否破损。

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