RH精煉爐環(huán)流氣體控制方法研究及應用

劉向，趙鋒輝，安利娟，區(qū)興華，楊洪音

RH精煉爐環(huán)流氣體控制方法研究及應用

劉向，趙鋒輝，安利娟，區(qū)興華，楊洪音

(中國重型機械研究院股份公司，陜西，西安710032)

環(huán)流氣體的狀態(tài)直接影響了RH爐鋼水精煉處理的效果，本文針對RH鋼水處理過程中環(huán)流控制具體問題，設計了一種關于環(huán)流流量分配控制、環(huán)流增量PI調節(jié)器的具體控制方法，并將其應用于300 t RH爐，證明了此方法的有效性。對提高RH精煉過程中鋼水的質量起到重要的作用。

RH精煉爐;環(huán)流氣體;流量控制;增量式PI

0 前言

RH鋼水環(huán)流控制是RH鋼水精煉中的一項重要工藝過程，鋼水在真空槽內的環(huán)流狀態(tài)直接影響鋼水精煉處理效果［1］。因此，設計出一套合理的環(huán)流氣體的控制方法，對保證鋼水脫氣效率起著至關重要的作用［2］。本文提出了一種正確的環(huán)流氣體流量分配控制方法，并且通過自主設計的虛擬增量PI調節(jié)器，對鋼水處理過程中不同時間段的環(huán)流氣體進行調節(jié)。

1 基本控制原理

根據(jù)工藝控制方案，一般鋼水環(huán)流氣體流量控制采用氬氣Ar和氮氣N2自動切換，配以調節(jié)閥和關斷閥［3］，實現(xiàn)2至4路分管流量自動調節(jié)，每路分管流量設有支路流量開關監(jiān)測流量的控制，能使鋼水在真空槽內達到理想的環(huán)流效果［4－5］，如圖1所示，某RH環(huán)流氣體為4路分管，每路設有3支路3流量開關。環(huán)流氣體總管流量為

圖1 RH環(huán)流氣體結構圖Fig.1Structure of RH circulation gas

式中，F(xiàn)1～F4為環(huán)流氣體各分管流量;F為總管流量。

本系統(tǒng)采用西門子S7－400系列可編程控制器(PLC)［6］，人機界面采用西門子WINCC系統(tǒng)［7］。通過PLC程序中建立虛擬PID調節(jié)器，并在人機界面HMI中設定流量值，通過流量調節(jié)閥，便可對環(huán)流氣體進行流量調節(jié)。正常情況下，設定的總管流量F，平均分配給4個支路PID控制器，達到環(huán)流調節(jié)的目的［8］。但是，這種方法并未考慮到支路堵塞的情況，假如支路流量計檢測到有一路或者多路支管流量堵塞，則會使實際進入真空槽的環(huán)流氣體流量達不到總管設定的流量值，從而影響到鋼水的整體脫氣效果。因此，本文在PLC程序中采用特殊控制，在監(jiān)測到堵塞時，使堵塞支管的流量均勻分配到其它支管［9］。同時，在不同的鋼水處理階段，調節(jié)閥所進行的PID調節(jié)的方式應該有所不同，否則不但會影響鋼水的整體質量，還會妨礙真空度上升速度，也可能導致鋼水飛濺嚴重。由于微分控制對調節(jié)效果影響不大，本文在PLC程序中自行設計了增量PI調節(jié)器［10］，并根據(jù)鋼水處理時間配以PI參數(shù)三段調節(jié)方法，從而使環(huán)流氣體流量調節(jié)在整個鋼水處理過程中處于一種平衡穩(wěn)定的調節(jié)狀態(tài)。

2 程序設計

2.1 流量分配設計

在一條(或幾條)支路流量堵塞的情況下，每一支路的流量設定值SV并不是總管流量的輸出值除以4。其流量設定為

式中，SVX為校正后支路流量設定值;ΔSV為支路修正設定流量增量;FU為支路偏差流量補償。

從式(2)中可以看出，根據(jù)ΔSV和FU值，便可計算出自動校正后的新的流量設定值。而ΔSV則根據(jù)堵塞支路所減少的流量的總和FD計算。將FD平均分配給為未堵塞的支路，得出修正設定流量增量ΔSV。

式中，SV為堵塞支路設定流量總和;FX為支路流量反饋總和。

某支路流量堵塞后，此支路流量隨著時間變化慢慢減少，而其余支路流量則慢慢自動增加。所以，支路偏差流量補償可用計算為

式中，F(xiàn)P為設定的一個時間單位中增加的單位流量值。

需要注意的是，為了不受某一側環(huán)流流量過大而影響整體精煉效果，必須設定一個最大上限值SVMAX，如果某支路堵塞過于嚴重，分配到其它支路的流量過大，則需要進行報警處理，由設備維修人員進行維修。

2.2 增量PI設計

在環(huán)流氣體流量的調節(jié)中，需要通過PLC程序與HMI相結合，生成虛擬的PID調節(jié)器，對應實際設備的調節(jié)閥?？紤]到PID調節(jié)的計算量較大，本文中沒有用到軟件系統(tǒng)自帶PID調節(jié)塊，而是自行設計增量式數(shù)字PI控制算法，其基本原理為［11］

式中，e(t)為給定流量與實際流量值的偏差;Ti為積分時間常數(shù);KP為比例系數(shù)。

式(5)離散化后可得

在PLC中編程時，式(5)表示為

式中，e(n)為偏差值，e(n)=給定－反饋;P為比例參數(shù);I為積分參數(shù)［12］。

采用增量型算法PI不需要做累加，計算誤差后產生的精度問題對控制量的計算影響較小，并且增量型算法得出的是控制的增量，誤動作也影響小，必要時可通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會影響系統(tǒng)的工作。

采用增量算法，可以根據(jù)需要調節(jié)PI參數(shù)。根據(jù)工藝要求，在鋼水處理的不同階段，所需要設定的PI參數(shù)略有不同。因此，可在PLC中建立PI參數(shù)的數(shù)組，不同的時間段調用不同的數(shù)組，自動進行參數(shù)切換，保證了鋼水處理過程中，各個階段環(huán)流氣體的最佳狀態(tài)。

3 實際應用

新設計的環(huán)流控制方法應用于某鋼廠300 tRH爐，通過PLC程序進行了環(huán)流流量分配功能和PLD功能參數(shù)設置，如圖2所示。從程序實例中可以設定需要的參數(shù)，如FP、SV等。同時，可在HMI中設定相應的流量值，如圖3所示。并且可以根據(jù)觀察到的實際輸出流量曲線的趨勢，進行合理的工藝調整。

圖2 PID參數(shù)設置Fig.2Parameter setting of PID

從參數(shù)設置中可以看出通過REAL數(shù)組方式，傳遞不同階段的KP、Ki參數(shù)。并且，設置了PI調節(jié)器的死區(qū)［13］，防止因傳感器過度靈敏導致調節(jié)閥動作頻繁，造成環(huán)流氣體流量輸出的不穩(wěn)定。

圖3 HMI流量設定Fig.3Flow setting in HMI

根據(jù)300 t RH爐的工藝要求和現(xiàn)場實際觀察，先手動調節(jié)PI參數(shù)，參考HMI畫面中的輸出曲線，遵循先P后I的調節(jié)原則［14］，使系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定時間達到最佳匹配并記錄各個階段最實用最穩(wěn)定的PI參數(shù)，然后在PLC中設定該穩(wěn)定的PI參數(shù)，進行自動PI參數(shù)切換。經(jīng)過測試，利用該方法得出三組PI參數(shù)。

(1)Kp=1.0;Ki=0.5;

(2)Kp=5.0;Ki=10.0;

(3)Kp=3.5;Ki=0.8。

參數(shù)組(1)在處理初期鋼包頂升開始時加載進PI調節(jié)器，直到浸漬管完全插入鋼水。開始真空處理時，鋼水需要大量氣體提升，因此PI調節(jié)器載入?yún)?shù)組(2)，達到脫去雜質的目的，在進行真空加料時，可載入?yún)?shù)組(3)，降低鋼水翻轉強度，處理結束時，可再次使用參數(shù)組(1)，直到鋼包離開。當然，根據(jù)具體要求，還可以設置更多組的參數(shù)，滿足實際需求即可。

4 結論

提出了一種RH真空精煉爐中環(huán)流氣體控制的設計方案，并實際應用于某鋼廠300 t RH精煉爐，通過應用可以得出以下結論:

(1)解決了鋼水處理中突發(fā)的環(huán)流管路堵塞的情況，在一條或多條支路堵塞時，流量會自動分配到其它未堵塞的支路，使得總的環(huán)流流量不變，維持鋼液在真空槽內流動的動力，保證了鋼水的脫氣質量。

(2)通過自主設計的增量PI調節(jié)器，穩(wěn)定調節(jié)環(huán)流流量的輸出，在支路管路流量突然增大時，抑制真空槽內提升氣體劇烈變化，增加了RH爐安全性，并通過實際應用，得出一組可靠的PI參數(shù)，同時實際印證了本文設計方案的有效性。

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專利介紹

一種快鍛油壓機自動鍛造系統(tǒng)(CN103962488A)

本發(fā)明提供一種快鍛油壓機自動鍛造系統(tǒng)，解決目前快鍛油壓機半自動化、鍛件加工質量穩(wěn)定性難以保證、操作工操作勞動強度高、人工操作時間長的問題。

所述自動鍛造系統(tǒng)包括操作臺、程序鍛造數(shù)據(jù)庫存儲器、第一分布站、第二分布站、主站、第一操作機、第二操作機、快鍛油壓機、監(jiān)控系統(tǒng);操作臺根據(jù)輸入的坯料和鍛件成品的參數(shù)，自程序鍛造數(shù)據(jù)庫存儲器中選取相應的鍛造工藝，并將該鍛造工藝傳輸給主站;主站根據(jù)操作臺傳輸?shù)腻懺旃に嚪职l(fā)相應的動作指令給第一分布站、第二分布站和快鍛油壓機，以控制第一操作機、第二操作機和快鍛油壓機進行機械操作;主站直接控制快鍛油壓機進行機械操作;第一分布站將來自主站的指令信號傳輸給第一操作機，以控制第一操作機進行機械操作;第二分布站將來自主站的指令信號傳輸給第二操作機，以控制第二操作機進行機械操作;第一操作機接收第一分布站的動作指令，自動夾持鍛件的一端，并將鍛件未被夾持的部分移至快鍛油壓機進行鍛造，待快鍛油壓機鍛造工作完成后，第一操作機結束對鍛件的夾持;第二操作機接收第二分布站的動作指令，自動夾持鍛件已被鍛造的一端，并將鍛件未被鍛造的部分移至快鍛油壓機進行鍛造，待快鍛油壓機鍛造工作完成后，第二操作機結束對鍛件的夾持;快鍛油壓機接收主站的動作指令，待第一操作機將夾持好的鍛件移至快鍛油壓機進行鍛造后，快鍛油壓機對未被第一操作機夾持的鍛件的部分進行自動鍛造;待第二操作機將夾持好的鍛件移至快鍛油壓機進行鍛造后，快鍛油壓機對未被第二操作機夾持的鍛件的部分進行自動鍛造。

該快鍛油壓機自動鍛造系統(tǒng)還適用于人工手動鍛造操作。所述程序鍛造數(shù)據(jù)庫存儲器自動記錄手動鍛造工藝，并對該手動鍛造工藝進行優(yōu)化，形成新的自動鍛造工藝，擴充到程序鍛造數(shù)據(jù)庫存儲器中。

The application and research of circulation gas control in RH refining furnace

LIU Xiang，ZHAO Feng－h(huán)ui，AN Li-juan，OU Xing-hua，YANG Hong-yin
(China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China)

The state of circulating gas has a direct effect on the treatment of RH furnace refining．This issue discussed about flow control in RH process，designed a specific method of circulation flow distribution control and circulation increment PI adjust．It is proved the effectiveness of this method in 300 t RH furnace．Via the research，this method ensured the quality of molten steel in RH refining process．

RH refining furnace;circulation gas;flow control;increment PI

TP368.01

A

1001－196X(2017)01－0016－04

2016－04－06;

2016－05－28

劉向(1981－)，男，中國重型機械研究院股份公司工程師，主要從事電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)設計與研究。