鋼包精煉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要功能與創(chuàng)新改造研究

苗利明 常超 杜亞男

（新興鑄管股份有限公司，河北武安 056300）

鋼包精煉爐又稱為LF爐，是目前很多鋼鐵企業(yè)普遍采用的煉鋼工藝。LF爐鋼包精煉主要是通過埋弧加熱的方式，在非氧化性氣氛下制造高堿度還原渣；并通過吹氬的方式強(qiáng)化精煉反應(yīng)，進(jìn)而去除和減少鋼液中的硫、氧等有害成分，提高鋼液的潔凈度，為生產(chǎn)高品質(zhì)鋼種提供條件。LF爐鋼包精煉具有投資少、功能強(qiáng)、鋼液潔凈度高的優(yōu)點(diǎn)。隨著工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，在滿足鋼包精煉工藝的基礎(chǔ)上，新興鑄管運(yùn)用自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對鋼包精煉各環(huán)節(jié)工序及其工藝參數(shù)的自動(dòng)化控制。同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的問題，對煉鋼環(huán)節(jié)的自動(dòng)化電氣設(shè)備進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)改造。有效提高了煉鋼生產(chǎn)效率，降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。本文分析了新興鑄管煉鋼車間鋼包精煉自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和功能應(yīng)用，并對一些創(chuàng)新改造項(xiàng)目進(jìn)行了探討。

1.自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)

1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及特點(diǎn)

新興鑄管鋼包精煉爐的自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用了西門子S7-400可編程控制器，由基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化兩個(gè)控制級(jí)組成。基于PROFIBUS DP現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成了完整的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括：可編程邏輯控制器（PLC）、工業(yè)PC機(jī)、打印機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)及其通訊線纜等幾部分組成。新興鑄管鋼包精煉爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)級(jí)采用西門子公司的S7-400控制系統(tǒng)，作為主PLC系統(tǒng)；并由通訊線纜擴(kuò)展至多個(gè)I/O分站。PLC系統(tǒng)主機(jī)架到I/O分站（擴(kuò)展機(jī)架）的數(shù)據(jù)傳輸主要由發(fā)送模塊、接受模塊和通訊線纜完成，采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。S7-400控制系統(tǒng)與現(xiàn)場自動(dòng)控制單元、變頻器等采用PROFIBUS DP進(jìn)行通訊。為了提高LF爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，采用了CPU對CPU的通訊方式建立了LF爐主PLC與電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間的通訊連接。新興鑄管LF爐自動(dòng)化系統(tǒng)具有良好的開放性，整個(gè)煉鋼系統(tǒng)中的LF爐、RH爐、連鑄機(jī)、結(jié)晶器、轉(zhuǎn)爐以及水系統(tǒng)等，可全部通過工業(yè)以太網(wǎng)連接在一起。實(shí)現(xiàn)了各生產(chǎn)工序間的通訊連鎖，實(shí)時(shí)為轉(zhuǎn)爐、連鑄、質(zhì)檢化驗(yàn)等設(shè)備和工藝環(huán)節(jié)提供所需要的數(shù)據(jù)。以此作為LF/RH備選調(diào)用的數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)以上工序之間計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通訊。同時(shí)，為了避免因停電等特殊原因造成的系統(tǒng)停止運(yùn)行和生產(chǎn)事故，自動(dòng)控制系統(tǒng)還設(shè)置有備用電源和UPS電源保護(hù)系統(tǒng)，使系統(tǒng)可以在主電源斷電的情況下使用備用電源繼續(xù)正常工作30min以上。以便于操作人員采取緊急措施，避免事故發(fā)生[1]。

1.2 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成及特點(diǎn)

LF爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用Windows7作為操作系統(tǒng)軟件。上位機(jī)使用的軟件為西門子SIMATIC，系統(tǒng)的監(jiān)控與編程則分別采用WinCC和STEP7。WinCC作為一款可供開發(fā)編輯的監(jiān)控軟件，它的靈活性和模塊性為自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和任務(wù)執(zhí)行提供了全新的可能。利用上位機(jī)組態(tài)軟件WinCC不僅可以將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映在控制室顯示屏幕上，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的在線監(jiān)控；而且還可通過CRT上的按鈕，來實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。此外，WinCC還具有圖形圖像顯示和處理功能和數(shù)據(jù)庫的相關(guān)功能，可將存在里面的數(shù)據(jù)文件采用數(shù)據(jù)曲線的方式展示給用戶；用戶可任意選取時(shí)間節(jié)點(diǎn)，查看該時(shí)間段內(nèi)的工藝歷史曲線圖。從而為生產(chǎn)提供便利[2]。

2.自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要功能

LF精煉爐電氣系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化控制水平，幾乎覆蓋了煉鋼生產(chǎn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。包括由合金加料控制系統(tǒng)、電極升降自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、鋼包走行控制系統(tǒng)、吹氬系統(tǒng)、溫度測量及報(bào)警系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和喂絲機(jī)控制系統(tǒng)等。這些自動(dòng)化控制系統(tǒng)分別執(zhí)行相應(yīng)的自動(dòng)化控制功能，并通過通訊線纜將控制信號(hào)連接至控制室，從而實(shí)現(xiàn)對各環(huán)節(jié)生產(chǎn)工序的遠(yuǎn)程控制和對各項(xiàng)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.1 合金加料控制系統(tǒng)

在煉鋼的過程中加入一些合金，可以改善鋼材產(chǎn)品的某些物理性質(zhì)，但需要對合金加入量進(jìn)行嚴(yán)格控制。煉鋼生產(chǎn)線LF爐與RH爐共用合金加料系統(tǒng)，兩個(gè)精煉爐利用各自PLC的CPU，通過PROFIBUS DP網(wǎng)線建立通訊連接，并通過發(fā)送加料信號(hào)協(xié)調(diào)加料生產(chǎn)。比如當(dāng)RH爐需要加料時(shí)，它的系統(tǒng)會(huì)向料倉和LF爐發(fā)送請求加料的信息，然后PLC再控制加料閥門向RH爐加料。LF爐與RH爐對加料系統(tǒng)的控制權(quán)限在上位機(jī)上切換。比如當(dāng)加料系統(tǒng)準(zhǔn)備向LF爐加料時(shí)，請求加料的信息便會(huì)通過RH爐CPU上的DP總線傳到LF爐。系統(tǒng)接受到加料信號(hào)并計(jì)算料重后，將加料信號(hào)發(fā)送至RH爐和料倉，由PLC控制料倉電磁閥執(zhí)行加料操作。

2.2 鋼包車行走系統(tǒng)

鋼包車的行走與調(diào)速均有變頻器控制，同時(shí)在加熱工位和吊包工位設(shè)置限位開關(guān)以限制鋼包車的行走位置。鋼包車運(yùn)行有機(jī)旁手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制兩種控制方式，各位置均設(shè)有減速、停車、超極限保護(hù)開關(guān)。為了保證鋼包車安全運(yùn)行，鋼包車的行走系統(tǒng)、電極升降機(jī)構(gòu)、鋼包蓋升降機(jī)構(gòu)均設(shè)置了連鎖保護(hù)。當(dāng)鋼包車行走到設(shè)定位置時(shí)，才會(huì)發(fā)送位置信號(hào)給連鎖系統(tǒng)，允許升降機(jī)構(gòu)動(dòng)作。同時(shí)，鋼包車會(huì)將位置信號(hào)發(fā)送給連鎖系統(tǒng)，并在中控室HMI監(jiān)視畫面上顯示。

2.3 吹氬系統(tǒng)

煉鋼精煉爐的吹氬系統(tǒng)采用頂?shù)讖?fù)吹的方式。由設(shè)置在吹氬管道上的流量變送器、壓力變送器和電磁閥來控制氬氣開關(guān)以及壓力、流量。電磁波的開閉以及氬氣流量、壓力的調(diào)節(jié)則根據(jù)設(shè)置好的工藝要求，按照吹氬曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)；同時(shí)，為了適應(yīng)特殊條件下的吹氬操作，也可根據(jù)需要對流量值進(jìn)行人工設(shè)定[3]。

2.4 水冷系統(tǒng)

水冷系統(tǒng)需要監(jiān)控的工藝參數(shù)主要有總進(jìn)水壓力、流量。由于水冷爐蓋處于高溫區(qū)，所以要保證水的冷卻，在水冷爐蓋的總進(jìn)水管上也設(shè)有流量和壓力傳感器，由HMI進(jìn)行畫面監(jiān)控顯示。

3.自動(dòng)化控制系統(tǒng)的創(chuàng)新改造

（1）連鑄澆鋼操作箱增加拉速鎖定功能。拉品種鋼需要恒定拉速，在生產(chǎn)過程中往往由于信號(hào)干擾、電位器質(zhì)量等原因?qū)е吕俜€(wěn)不住，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量。通過在澆鋼操作箱上增加鎖定開關(guān)，修改拉速控制程序。設(shè)定好拉速后，把開關(guān)轉(zhuǎn)到鎖定位置，拉速就會(huì)鎖定到當(dāng)前數(shù)值，不再受外界的影響。解決了由于拉速波動(dòng)導(dǎo)致的廢坯等問題。

（2）連鑄中包鋼水高低溫報(bào)警系統(tǒng)。溫度是連鑄的生命線，如果發(fā)生低溫結(jié)瘤或者高溫漏鋼，造成的影響會(huì)十分惡劣。在畫面上設(shè)定高低溫報(bào)警值，在連鑄平臺(tái)、精煉爐平臺(tái)安裝聲光報(bào)警器，可以在第一時(shí)間對異常溫度報(bào)警，及時(shí)提醒連鑄和精煉爐崗位工采取措施，杜絕事故擴(kuò)大化。自改造完成后，未發(fā)生過結(jié)瘤停機(jī)的情況，創(chuàng)效10萬元。

（3）精煉爐爐臺(tái)增加連鑄拉鋼信息顯示屏。利舊兩臺(tái)電腦，制作畫面和PLC通訊，能夠?qū)崟r(shí)顯示連鑄拉速、大包和中包重量等信息，有利于崗位工根據(jù)連鑄生產(chǎn)信息調(diào)整精煉生產(chǎn)節(jié)奏。

（4）爐后測溫?cái)?shù)據(jù)傳至連鑄大屏。連鑄可以對比出鋼溫度和連鑄測溫，如果溫度差距過大，及時(shí)跟轉(zhuǎn)爐溝通，預(yù)防結(jié)瘤或者漏鋼。如果連鑄來不及測溫，可以依據(jù)爐前溫度控制澆注節(jié)奏。

（5）電磁攪拌改造。電磁攪拌可以使結(jié)晶器里的鋼水?dāng)嚢杈鶆?，是拉品種鋼的重要環(huán)節(jié)。原來經(jīng)常出現(xiàn)跳閘、電纜過電流燒斷等情況導(dǎo)致電磁攪拌無法正常使用。通過改變電纜路由，改進(jìn)線圈的接線方式使得線圈電纜不易受高溫烤壞，能夠承受更高的電流。電磁攪拌的正常運(yùn)行，保證了品種鋼的鑄坯質(zhì)量。

（6）結(jié)晶器自動(dòng)液面電纜改造。拉鋼過程中經(jīng)常發(fā)生非正常塞棒關(guān)閉或者塞棒全開。通過排查是由于結(jié)晶器液面檢測受到干擾引起的塞棒誤動(dòng)作導(dǎo)致。為了能夠解決干擾的問題，利用檢修時(shí)間把自動(dòng)液面檢測信號(hào)線重新走線并全程穿鍍鋅管，遠(yuǎn)離動(dòng)力電纜橋架。改造完成后，未發(fā)生過類似的故障。