鋼包精煉LF爐的控制開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)優(yōu)化

張?jiān)ゴ?

（1、中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122 2、重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司，重慶 401122）

1 概述

電弧爐冶煉過(guò)程的主要技術(shù)要求是:高生產(chǎn)率、低電耗、較高且合理的功率因數(shù)。為了滿足上述技術(shù)要求，近代LF鋼包精煉爐煉鋼過(guò)程都立足于自動(dòng)控制。為了降低電能消耗和達(dá)到合理的電網(wǎng)功率因數(shù)，首先要實(shí)現(xiàn)電極升降自動(dòng)控制，這也是鋼包精煉爐煉鋼的關(guān)鍵所在。電極調(diào)節(jié)要求快速跟蹤電弧電流、電壓信號(hào)，要求存儲(chǔ)容量大，通訊能力強(qiáng)，需要單獨(dú)使用一套控制系統(tǒng)以滿足生產(chǎn)要求。鋼包精煉爐煉鋼是連續(xù)性熱線生產(chǎn)，要求較快的生產(chǎn)節(jié)奏，要求控制系統(tǒng)具有在線維護(hù)功能，即在不停止其他子系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，能夠?qū)Τ霈F(xiàn)故障的部分進(jìn)行更換。另外，在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的高次諧波和強(qiáng)大的磁場(chǎng)對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)行提出了嚴(yán)格的要求，因此，應(yīng)該設(shè)置兩臺(tái)PLC共同完成對(duì)整個(gè)精煉爐生產(chǎn)線的控制。經(jīng)全面權(quán)衡、比較，精煉爐爐體自控系統(tǒng)選用Rockwell公司性能價(jià)格比優(yōu)秀的ControlLogix RSLogix5000系列 PLC;精煉爐電極控制由于要求反應(yīng)迅速、控制點(diǎn)數(shù)較少選用Rockwell公司的RSLogix5000 PLC。這兩套系統(tǒng)通過(guò)DeviceNET控制總線聯(lián)接成車(chē)間控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控軟件采用INTACH，它是一種具有生動(dòng)用戶界面的先進(jìn)系統(tǒng)，其功能可隨任務(wù)增加，它為用戶提供了安全保障，能保證數(shù)據(jù)的完整性,是全面開(kāi)放的軟件。

2 鋼包精煉爐生產(chǎn)工藝概況

本文以某鋼廠轉(zhuǎn)爐煉鋼120噸LF鋼包精煉爐為依據(jù)，LF-120t公稱(chēng)容量120噸。變壓器的額定容量為2100kva，變壓器一次額定電壓35kV，變壓器二次電壓分11級(jí):從360V-324V-240V。通過(guò)轉(zhuǎn)爐煉鋼初步調(diào)整鋼水的成分，溫度和成分滿足要求之后，把鋼水倒入鋼包，再把鋼包開(kāi)到精煉位，開(kāi)始精煉，精煉進(jìn)一步調(diào)整鋼水的溫度和成分，使之符合所煉鋼號(hào)的成分。精煉完畢，把鋼包開(kāi)到吊包位，吊往連鑄機(jī)。精煉過(guò)程中，在車(chē)間調(diào)度室集中進(jìn)行調(diào)度管理。

它的工作過(guò)程可簡(jiǎn)單概括為:主液壓泵啟動(dòng)、變壓器油泵啟動(dòng)，然后三電極提升,爐蓋上升，注入鋼水的鋼包就位。接著爐蓋下降、三電極下降，開(kāi)始精煉。精煉過(guò)程中需測(cè)溫、取樣、化驗(yàn)、添加合金。經(jīng)測(cè)溫和化驗(yàn)，鋼水的溫度和成份合格后，爐子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電極提升，爐蓋上升，由鋼包車(chē)將其運(yùn)到吊包位。鋼包車(chē)開(kāi)向吊包位的過(guò)程中，可停下來(lái)，通過(guò)喂絲機(jī)進(jìn)一步微調(diào)成份，然后繼續(xù)開(kāi)向吊包位。

生產(chǎn)工藝示意圖參見(jiàn)圖1:

3 LF爐精煉數(shù)?？刂萍夹g(shù)方案

圖1 120噸鋼包精煉爐生產(chǎn)工藝圖

3.1 LF爐精煉模型控制技術(shù)的初期設(shè)計(jì)

3.1.1 保證設(shè)計(jì)的升溫速度

一般設(shè)計(jì)的LF處理時(shí)間約45分鐘，這段時(shí)間是鋼包精煉爐-精煉-連鑄三聯(lián)環(huán)過(guò)程中的樞紐，如果因故延遲就會(huì)影響前后工序，輕者使全車(chē)間生產(chǎn)節(jié)奏放慢，加大了能耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)打亂全廠的生產(chǎn)秩序。為了確保上述的升溫速度，實(shí)際上就是要保證有相當(dāng)大小的有功功率輸入，以及一個(gè)有一定靜動(dòng)態(tài)指標(biāo)的電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)?；诳焖傩院鸵睙挸跗诳刂凭纫笙鄬?duì)較低，所以擬采用快速最優(yōu)方案-恒阻抗控制，實(shí)現(xiàn)電極升降控制系統(tǒng)能無(wú)超調(diào)的快速調(diào)整。

3.1.2 保證鋼包的壽命

精煉鋼包的使用次數(shù)是影響精煉鋼經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是，在LF爐電弧加熱時(shí)并沒(méi)有向超高功率鋼包精煉爐那樣裝備有水冷爐壁，因而外露的電弧將對(duì)鋼包耐火材料產(chǎn)生直接的，強(qiáng)烈的輻射、燒損作用，如果不采取措施，將大大降低鋼包的壽命。由于第二相短網(wǎng)阻抗對(duì)于其它兩相為小，在同樣電壓下電弧功率就大，所以導(dǎo)致2號(hào)電極附近的鋼包耐火材料早期局部燒損，鋼包其他部位耐火材料仍完好，致使鋼包壽命大大降低。為了從根本上解決這一問(wèn)題，需通過(guò)對(duì)三相電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的適當(dāng)調(diào)整來(lái)改善功率不平衡問(wèn)題。因而引入了恒功率及三相功率平衡控制的設(shè)計(jì)思想。

3.1.3 確保嚴(yán)格的LF爐處理時(shí)間

為了保證LF爐的全部處理時(shí)間為規(guī)定值，除了要有足夠的升溫速度之外，其它非升溫占用的處理時(shí)間也要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成。因而LF爐處理過(guò)程的全部電氣設(shè)備必須滿足以下要求，配合整個(gè)冶煉生產(chǎn)線的快速節(jié)奏。鋼包車(chē)、爐蓋升降系統(tǒng)工作可靠，有一定的靜態(tài)工作速度;由于在加料、測(cè)溫等過(guò)程均需停電并手動(dòng)升起電極，因而電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的手動(dòng)升降速度必須滿足要求;測(cè)溫系統(tǒng)、風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)要求快速、準(zhǔn)確。

3.1.4 現(xiàn)場(chǎng)采集經(jīng)驗(yàn)，豐富完善軟件智能

在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集期間，與崗位操作人員及管理人員廣泛交談，聽(tīng)取操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)和操作方法，結(jié)合實(shí)際反復(fù)對(duì)比、分析、驗(yàn)證，收集整理后，吸取其精華，對(duì)軟件程序進(jìn)一步修改完善，增設(shè)功能。如針對(duì)精煉期鋼液平穩(wěn)，電弧較穩(wěn)定，但起明弧，熱效率低，設(shè)計(jì)了恒弧長(zhǎng)控制的方案。使電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制方式更靈活，具有更強(qiáng)的智能性、多段特性，獲得最佳調(diào)節(jié)效果。

3.2 控制策略確定及系統(tǒng)工作原理

鋼包精煉爐煉鋼是復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，冶煉過(guò)程各階段千變?nèi)f化，干擾不同，功能不同，對(duì)電極升降控制性能要求也不相同。因而國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電極升降自動(dòng)控制曾做了大量工作，以期能實(shí)現(xiàn)低能耗和高功率因數(shù)的目標(biāo)。自1970年以來(lái)，先后提出了電極動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制、電極動(dòng)態(tài)功率控制、電極阻抗在線控制、電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)方法、電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)辨識(shí)和自校正控制等。本方案是根據(jù)LF爐煉鋼過(guò)程特點(diǎn)，在深入分析其機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出的LF爐精煉模型控制，是一種基于快速性和靈敏性相結(jié)合的智能復(fù)合控制方案。

電極升降智能復(fù)合控制框圖如圖2所示:

圖2 電極升降智能復(fù)合控制框圖

圖2 中Ih、Uh為弧壓、弧流實(shí)時(shí)采樣信號(hào)，ls為給定弧長(zhǎng)，lp為根據(jù)實(shí)測(cè)值計(jì)算所得弧長(zhǎng)。規(guī)則集根據(jù)弧長(zhǎng)偏移量確定，組成簡(jiǎn)單的規(guī)則集。伺服閥，控制電極上升或下降，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Z值的調(diào)節(jié)。

4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件配置

4.1 系統(tǒng)硬件選型

從鋼廠的實(shí)際情況出發(fā)，針對(duì)工藝的繁雜性，考慮到備品備件的一致性，本著先進(jìn)、可靠的原則，進(jìn)行各種方案分析、對(duì)比，最后決定選用Rockwell公司的Logix5000系列PLC。監(jiān)控軟件采用Rockwell公司的INTACH,運(yùn)行于windows nt平臺(tái)。通過(guò)INTACH,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的全面監(jiān)控，并且可以對(duì)重要參數(shù)形成歷史記錄，以報(bào)表或曲線的形式顯示給操作人員。通過(guò)c語(yǔ)言腳本，可以把各種報(bào)警通過(guò)聲卡播放出來(lái)。

4.2 系統(tǒng)硬件配置

4.2.1 精煉爐電極調(diào)整PLC硬件配置

選用Logix5000L55M控制器,Logix5000的出色表現(xiàn)在于:極高的可靠性，豐富的內(nèi)置集成功能，實(shí)時(shí)特性，強(qiáng)勁的通訊能力，豐富的擴(kuò)展模板，便捷的操作。其中，選用1756系數(shù)字量、模擬量輸入輸出模塊，DeviceNet接口模板用以完成和車(chē)間級(jí)控制總線網(wǎng)絡(luò)的連接，一套智能測(cè)溫取樣檢測(cè)儀，監(jiān)控站（和PLC通訊通過(guò)EtherNet/IP以太網(wǎng)控制協(xié)議）。

4.2.2 精煉爐本體控制PLC硬件配置

Logix5000L55M具有速度相應(yīng)快，用戶內(nèi)存大，內(nèi)置RS-232通訊接口,而且可以選配EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet、Data

Highway Plus、Universal Remote I/O、serial DH-485、SynchLink通訊卡間，滿足編程需要。它的數(shù)字量處理能力和模擬量處理能力完全能夠滿足實(shí)際I/O點(diǎn)數(shù)的需求，并且預(yù)留了將來(lái)的擴(kuò)展能力。另外配置一塊DeviceNet通訊卡以完成和DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的連接。

數(shù)字量輸入模板選用1756-IB系列,輸出模板選用1756-OB系列,它們均是24vdc,32點(diǎn)的數(shù)字量模板。所有的輸出通道通過(guò)24v繼電器和外部強(qiáng)電設(shè)備隔離，這樣保證了信號(hào)不受外部電磁干擾。

模擬量輸入模板采用1756-IF:它是16路模擬量輸入模板，除能夠接受標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)外，還可以接受熱電阻，熱電偶等信號(hào)以及標(biāo)準(zhǔn)4～20ma和1～5v以及熱電偶等信號(hào)。

所選模板大都具有自診斷功能，能夠通過(guò)自身的狀態(tài)指示燈指示各種故障或?qū)⒐收闲畔l(fā)給CPU。這樣，維護(hù)人員可以盡快的查出故障原因，采取相應(yīng)的措施。

所有的模板均可以帶電插拔，并且由于采用后聯(lián)接器連接，維護(hù)人員可以在不進(jìn)行全系統(tǒng)停電的情況下迅速更換損壞的模板，保證生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行。

本工程自動(dòng)化總體方案以“集散控制、分層結(jié)構(gòu)”為主要特點(diǎn)，整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)可分為三層:第一層:現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)檢測(cè)與終端執(zhí)行第二層:分散的數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制第三層:集中操作監(jiān)視

精煉爐生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)

5.1 精煉爐電極自動(dòng)調(diào)整控制

精煉爐電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng)，是一個(gè)PC+PLC+智能檢測(cè)儀表組成的分布式控制系統(tǒng)，根據(jù)控制方案中所述控制思想，利用數(shù)學(xué)模型，通過(guò)定義規(guī)則集，復(fù)合恒阻抗控制、恒功率控制、三相功率平衡控制、恒弧長(zhǎng)控制、自適應(yīng)的PID控制多種控制方法，以實(shí)現(xiàn)電極升降的精確調(diào)節(jié)。

圖3 精煉爐自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.1.1 弧流、弧壓給定檢測(cè):采用電壓變送器和電流變送器將弧流、弧壓轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)4～20mA信號(hào)，送入模擬量輸入模塊1756-IF，同時(shí)上位機(jī)將給定信號(hào)送入PLC，線路簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，減少了故障點(diǎn)，提高了可靠性。

5.1.2 精煉爐變壓器電參數(shù)測(cè)量:該系統(tǒng)使用一套智能表計(jì)，輸入標(biāo)準(zhǔn)的三相5A和100V電信號(hào)就可以檢測(cè)到精煉爐運(yùn)行狀態(tài)的電參數(shù)，如三相或單相的電流有效值，電壓有效值，有功功率，無(wú)功功率等傳向PLC和上位機(jī)，從而對(duì)精煉爐的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，為優(yōu)化提供必要的依據(jù)。

5.1.3 調(diào)節(jié)器采用可組合多種控制方法的模型控制，具有多段特性、智能型，以適應(yīng)爐內(nèi)的變化，獲得最佳效果調(diào)節(jié)。

5.1.4 系統(tǒng)具有最大電流限流保護(hù)、短路快速提升保護(hù)、單電極觸及物料自停保護(hù)、正常跳閘保護(hù)功能。

5.1.5 手動(dòng)操作系統(tǒng):以保證在自動(dòng)調(diào)節(jié)有故障時(shí)，不影響冶煉。

5.2 精煉爐本體控制功能

5.2.1 檢查故障、報(bào)警

包括:流量、溫度、變壓器瓦斯保護(hù)、高壓保護(hù)、液壓系統(tǒng)保護(hù)等共34項(xiàng)報(bào)警，進(jìn)行聲光及畫(huà)面報(bào)警。

5.2.2 液壓泵與變壓器油泵

l液壓泵工作情況

兩臺(tái)液壓泵運(yùn)行，一臺(tái)液壓泵為備用。當(dāng)有液壓系統(tǒng)最高油溫、液壓系統(tǒng)過(guò)濾器污染、液壓系統(tǒng)最低油位故障信號(hào)時(shí)，自動(dòng)切斷液壓泵。

l變壓器油泵

控制起動(dòng)、關(guān)閉。設(shè)備本體機(jī)旁控制，集中監(jiān)視。

5.2.3 爐蓋上升/下降

爐蓋上升到上位后，自動(dòng)停止上升;爐蓋下降為點(diǎn)動(dòng)。

5.2.4 爐蓋上的門(mén)開(kāi)/關(guān)

自動(dòng)控制/機(jī)旁均能打開(kāi)、關(guān)閉，以便于測(cè)溫、取樣、加合金。

5.2.5 爐子工作狀態(tài)及電極1-3逆止閥工作情況

實(shí)現(xiàn)爐子冶煉處于自動(dòng)/手動(dòng)狀態(tài)的控制。電極1-3逆止閥的自動(dòng)動(dòng)作用于配合電極智能升降調(diào)整的控制。

5.2.6 爐子高壓開(kāi)關(guān)閉合/斷開(kāi)

聯(lián)鎖所有高壓相關(guān)信號(hào):位置、流量、溫度、過(guò)載保護(hù)、緊急切斷、電源、電極自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)信號(hào)，安全可靠的實(shí)現(xiàn)了高壓開(kāi)關(guān)合閘、緊急自動(dòng)分閘、正常分閘。

5.2.7 分級(jí)開(kāi)關(guān)控制電壓

實(shí)現(xiàn)方法:通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)輸入計(jì)算機(jī)當(dāng)前所需電壓（對(duì)應(yīng)調(diào)壓開(kāi)關(guān)的檔位），與當(dāng)前所用電壓比較來(lái)控制電壓的升降。

5.3 監(jiān)控畫(huà)面

我們繪制了一幅工藝監(jiān)控畫(huà)面，一幅電氣參數(shù)畫(huà)面，兩幅生產(chǎn)運(yùn)行畫(huà)面，三幅儀表監(jiān)控畫(huà)面，四幅相應(yīng)的報(bào)警畫(huà)面以及歷史趨勢(shì)畫(huà)面。

工藝監(jiān)控畫(huà)面分別是精煉爐煉鋼工藝畫(huà)面。在工藝畫(huà)面中形象的繪制了其工藝流程以及當(dāng)前電壓檔位和電極、爐蓋、鋼包車(chē)的實(shí)時(shí)位置等。

電氣參數(shù)畫(huà)面顯示三相電極運(yùn)行的各相電氣參數(shù)，有功功率，無(wú)功功率，視在功率，cosφ等。

生產(chǎn)運(yùn)行畫(huà)面顯示日歷時(shí)間、爐號(hào)、班次、送電時(shí)間、出鋼時(shí)間、熱停工時(shí)間、電耗，電極各相運(yùn)行的電弧電流、各相電壓。

儀表監(jiān)控畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示冷卻水流量、溫度，爐身冷卻室溫度等重要工藝熱工參數(shù)。

程序中每個(gè)報(bào)警信號(hào)均在相應(yīng)的畫(huà)面中顯示，同時(shí)伴有聲光報(bào)警。INTACH具有綜合報(bào)警管理功能，在報(bào)警總匯里顯示所有的報(bào)警信號(hào)，報(bào)警時(shí)間，報(bào)警值，報(bào)警優(yōu)先級(jí)，通過(guò)c語(yǔ)言腳本，可以把各種報(bào)警通過(guò)聲卡播放出來(lái)。

5.4 報(bào)表功能與歷史趨勢(shì)

生產(chǎn)中的一些參數(shù)，需要及時(shí)打印，可形成報(bào)表。報(bào)表分為班報(bào)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)，可定時(shí)打印，也可手動(dòng)任意時(shí)間打印。一些重要參數(shù)，如高壓合閘、電極調(diào)節(jié)柜故障等，我們對(duì)其進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，形成歷史趨勢(shì)，可以隨時(shí)進(jìn)行查看。

結(jié)束語(yǔ)

LF爐精煉模型控制技術(shù)達(dá)到的效果:電極響應(yīng)時(shí)間<0.15s，非靈敏區(qū)（死區(qū)）<2%，三相功率不平衡度≤3%;鋼水溫度準(zhǔn)確控制在目標(biāo)值±0.5℃內(nèi)，成分可準(zhǔn)確控制在±0.02%內(nèi);噸鋼節(jié)電2%，每爐鋼縮短冶煉時(shí)間5-10分鐘;實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換;大大延長(zhǎng)鋼包的使用壽命;畫(huà)面顯示工藝流程及工況參數(shù)，并且有報(bào)警、打印、歷史趨勢(shì)功能。鋼包精煉爐電極自動(dòng)調(diào)整技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，一些先進(jìn)的控制算法基本上還停留在理論和仿真研究中。煉鋼鋼廠的LF爐精煉模型控制技術(shù)創(chuàng)新性強(qiáng)，建立的精煉爐電極調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型，控制靈活、穩(wěn)定，技術(shù)先進(jìn)，大大提高了電極調(diào)節(jié)的自動(dòng)化水平。系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，經(jīng)濟(jì)效益顯著。其操作控制參數(shù)可進(jìn)一步優(yōu)化，節(jié)能降耗等方面的效益會(huì)更大。

[1]褚洪璋.鋼包精煉爐適用范圍及發(fā)展前景[J].大型鑄鍛件.1988-03.

[2]張東力.LF泡沫精煉渣研究及鋼包精煉爐數(shù)理模擬[J].東北大學(xué).1997-07.