副枪技术概述
对于现代化转炉炼钢来说，顶底复吹技术的运用有效地提高了转炉的冶炼效率，但转炉炼钢的发展趋势是基于静态控制和动态控制的自动化模型炼钢，只有这样才能为全连铸及时提供合格的钢水。静态炼钢是指吹炼前通过对物料平衡和热平衡的理论计算，统计分析由相近炉次的实际值与其计算值的差异进行修正的增量法建立起的数学模型，通过计算机进行废钢、铁水、吹氧量及其他辅料设定，从而确定吹炼方式与吹炼时间，但在吹炼过程中不作任何测试和修正。在原料条件和工艺操作比较稳定，并较符合实际模型等条件下，静态控制的终点命中率为60%~70%，比人工控制高10%左右。动态炼钢是指为了进一步提高终点控制的命中率，在吹炼过程中设法获得钢液温度和成分、炉内造渣情况等信息，通过较高的动态控制模型进一步调整吹炼制度，及时修正冶炼进展的轨迹，使之达到命中区。
随着自动化仪表检测水平的提高及其在工业领域中应用范围的扩大，采用副枪技术实现自动控制炼钢越来越成为可能。转炉副枪技术是一种快速、间断检测转炉吹炼过程中熔池温度及碳、氧含量等数据并取样的方法，它是转炉炼钢实现过程全自动化控制不可缺少的重要工具，它为操作人员及动态数学模型提供实时数据。
副枪装置与其他的检测手段相比较，有下列长处：
1、功能较多，外接探头式的结构可以装不同功能的探头，以达到不同的检测目的。
2、枪体采用水冷结构，有较长的使用寿命。
3、结构中采取的安全措施很多，运行安全可靠。
测量速度快，精度高，在操作熟练后，碳含量和温度的命中率可达90%以上。
副枪技术的构成
下面以达涅利公司的副枪系统为例进行说明(图1)，该系统通过对冶炼过程中钢水的温度、碳含量、氧含量进行自动测量及自动取样，并通过与静、动态模型结合实现全自动炼钢。该系统主要包括四个组成部分：
1、一个旋转平台或一台横移小车，上面装有一台卷扬机，用于与平台或小车相连的副枪体的升降；
2、一个带有探头贮箱的自动探头安装系统(图2)，可确保探头安全存放，可自动选择探头和将探头自动装到副枪体上；
3、装在转炉烟罩上或位于烟罩上方的设备，如一个副枪水冷插入口、一个密封罩和一台清渣装置；
4、电气和仪表设备，如DIRC，一台用于检测结果记录和解释的计算机。计算机与PLC相连，可作为转炉操作控制室计算机系统的连接设备使用。下面主要对副枪电 气和仪表设备的测量系统硬件组成、电气控制系统、仪表测量原理、系统软件功能进行详细阐述。
◆副枪电气和仪表设备的测量系统硬件组成
副枪电气和仪表设备的测量系统由DIRC5信号处理单元、DIRC5服务器、副枪系统PLC、测量探头、探头连接器等组成，其中DIRC5信号处理单元由模拟量输入、高速A/D转换、信号处理等组成。为保证系统精度，DIRC5系统配有一套校准装置，完成系统的校验。
◆副枪电气控制系统
副枪电气控制系统包括副枪提升驱动系统、副枪旋转驱动系统、APC系统(探头自动装卸装置)、DIRC5仪表系统。整个副枪控制系统由一套PLC系统集中控制，PLC系统由CPU、NOE、EHC、DDI、DDO、ACI、ACO、XBE等模块组成。副枪的自动控制过程分为连接周期、 测量周期、复位周期3个周期。
A、副枪提升驱动系统
副枪提升驱动系统的设备主要位于卷扬平台上，包括1台55kW三相异步电动机、AC抱闸、减速机、用于速度控制的测速发生器和两个用于高度测量的脉冲发生器。电动机的速度调节依靠两套变频器来实现。
提升驱动参数(AC电机)：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、副枪旋转驱动系统
副枪旋转驱动系统的设备包括一个带抱闸3kW三相鼠笼电机、减速机、脉冲发生器、测速发生器。旋转速度由变频器控制，定位由脉冲发生器通过PLC完成，接近开关确定实际位置，超程开关用于硬接线停止。
旋转驱动参数：常规速度：1.33r/min；定位速度：0.27r/min；定位精度：±1cm；旋转半径：5900mm；最大旋转角度：104°。
C、APC系统
APC系统包括探头存储箱、探头选择和喂装部分、探头倾动臂、探头拆卸装置等。
①探头存储箱：有5个独立的存储室，每个可容纳20个探头。
②探头选择和喂装部分：喂装部分接在存储箱的底部，通过汽缸旋转喂装架选择所需探头。
③探头倾动臂：包括框架、导向漏斗、探头夹、AC电机等。
④探头拆卸装置：安装在探头回收槽上方。测量之后，气动的探头拆卸装置夹住探头，提升副枪，使探头与其脱离。打开探头拆卸装置将探头送至探头收集槽。
D、DIRC5仪表系统
DIRC5仪表系统主要是将探头所测的数据进行分析处理，并将其结果(温度、碳含量、氧电势、氧活度、熔池液位置)显示在HMI画面上，存储在外接PC机中，便于进一步分析。
副枪测量系统仪表测量原理
当副枪测量系统接收到来自PLC系统的启动测量指令时，首先将测量探头测到的模拟量信号通过模拟量输入模板送到高精度模数转换单元，然后进入信号处理单元，经过处理后的信号送到测量值显示单元进行显示。DIRC5的数据釆样周期为40ms，釆集的数据包括钢水温度、结晶温度(决定碳含量)、钢水中的氧含量、熔池的液位。整个探头的最长测量时间为24s。DIRC5信号处理单元是该系统的核心。当启动信号评价程序后，系统自动进行各个测量系统的评价，釆用质量码判断给岀测量值及精度。针对不同的测量信号，釆用直接测量和间接测量两种方式进行数据处理。
直接测量是一种对熔池中钢水温度、结晶温度和钢水中的氧含量信号采用直接测量显示的方式。下面以钢水温度为例进行说明，表1为熔池中钢水温度信号评价的质量码定义。为了对测量结果进行评价，定义窗口由温度偏差AT和时间组成，并将其分成6个时间段，对应7个釆样值，根据质量码的定义对釆样值进行比较评价。利用质量码规定的窗口，在整个釆样曲线上首先与质量码1进行比较，如不相符，则使用质量码2、3或4，重复这个过程；如果找不到相符的质量码，则系统输出测量无效。
结晶温度及钢水中氧含量的信号评价原理与钢水温度类似，在此不再重复。
间接测量是指通过计算获得数据的方法。副枪浸入深度釆用间接测量获得。在吹炼结束时，使用TSO探头进行测量，在测得熔池中钢水温度和熔池钢水中氧含量的同时，通过信号评价系统可得到浸入深度。其原理是：当探头以低速通过渣与钢水的接合面时，温度信号值和氧 含量信号值将产生一个明显的跳变，通过二者曲线跳变关系及信号测量评价，可以间接测量副枪探头的浸入深度。
◆系统软件功能
DIRC5系统的软件由一系列功能模块组成，如图3所示，主要由主程序模块、扫描模块、测量模块、数据显示模块、数据存储模块和通信模块组成。
①主程序模块：创建和释放缓冲存储区，启动、停止和监视DIRC5的整个处理过程。
②扫描模块：对系统的开关量和模拟量输入信号进行扫描，扫描周期为40ms。
③测量模块：当副枪执行测量周期时，熔池温度、结晶温度、氧含量和副枪浸入深度通过测量模块完成信息的处理。测量模块由温度计算、碳含量计算、氧含量计算、副枪浸入深度计算4个子模块组成。
④数据存储模块：DIRC5信号处理单元的所有数据都进入到通用存储区。
⑤数据显示模块：用于显示存储区里的数据。
⑥通信模块：完成两个功能：一是DIRC5系统与副枪PLC之间的通信，通信协议为ModBus；二是DIRC5系统与DIRCPC的通信，通信协议为TCP/IP，该模块由数据接收和发送两个子模块组成。
副枪系统的性能和使用价值
1、缩短出钢周期，提高生产能力
副枪系统取消了人工取样和测温，既可节省时间，又不需要对操作人员有过高的要求。由 于在取样和测温时，不再需要倒炉，因此可缩短出钢周期，从而提高转炉生产能力。
2、提高冶炼效率和经济效益
SDM静态和动态控制模型可提高冶炼效率、吹炼终点温度和碳含量命中率。利用SDM系统，通过合适的过程控制，可为用户带来下列好处：
①提高冶炼效率；
②提高吹炼终点温度命中精度；
③提高吹炼终点碳含量命中精度；
④减少补吹次数；
⑤降低炉渣中铁含量；
⑥延长转炉炉衬的使用寿命；
⑦优化废钢熔化效率。
3、提高炉龄
自动探头安装机构布置在远离转炉炉罩的位置，为操作人员提供一个更有利的工作环境。 副枪系统关键设备釆取的布置方式，使它们不会暴露在危害设备完整性的恶劣环境中。工艺过程优化和取消倒炉作业，都使用户能够有效提高转炉炉龄，使转炉在不采用溅渣护炉的情况 下，出钢炉数增加量可高达40%。
4、提高设备利用率
事实已经证明，达涅利康力斯副枪系统的总体设备利用率可达到很高的水平。各个钢厂安装的副枪系统总体设备利用率均已超过93%。
5、提高吹炼终点命中率
吹炼终点命中率可用于说明控制模型的性能。如果设备运行正常，铁水、废钢和添加剂质量符合规定要求，达涅利康力斯副枪设备吹炼终点命中率可超过90%。控制模型精度可通过最终产品主要技术指标的标准差来评价。标准差则反映目标值或预测值与实际检测值之间的偏差。
采用副枪系统可提高现有钢厂的生产能力，减小新建钢厂规模，降低投资费用；可改善钢材产品质量，同时降低吨钢生产成本。采用副枪系统、SDM静态和动态控制模型，将有助于满足政策对污染物排放越来越严格的限制要求，并为操作人员提供一种更为安全舒适的工作环境。快捷高效的测量技术，为实现全自动模型炼钢打下了良好的基础，因此副枪技术在钢铁企业具有一定的推广价值。