鋼包精煉LF爐的控制開發和系統優化

張豫川

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

1 概述

電弧爐冶煉過程的主要技術要求是:高生產率、低電耗、較高且合理的功率因數。為了滿足上述技術要求，近代LF鋼包精煉爐煉鋼過程都立足于自動控制。為了降低電能消耗和達到合理的電網功率因數，首先要實現電極升降自動控制，這也是鋼包精煉爐煉鋼的關鍵所在。電極調節要求快速跟蹤電弧電流、電壓信號，要求存儲容量大，通訊能力強，需要單獨使用一套控制系統以滿足生產要求。鋼包精煉爐煉鋼是連續性熱線生產，要求較快的生產節奏，要求控制系統具有在線維護功能，即在不停止其他子系統正常運行的前提下，能夠對出現故障的部分進行更換。另外，在生產過程中產生的高次諧波和強大的磁場對控制系統的運行提出了嚴格的要求，因此，應該設置兩臺PLC共同完成對整個精煉爐生產線的控制。經全面權衡、比較，精煉爐爐體自控系統選用Rockwell公司性能價格比優秀的ControlLogix RSLogix5000系列 PLC;精煉爐電極控制由于要求反應迅速、控制點數較少選用Rockwell公司的RSLogix5000 PLC。這兩套系統通過DeviceNET控制總線聯接成車間控制級網絡。監控軟件采用INTACH，它是一種具有生動用戶界面的先進系統，其功能可隨任務增加，它為用戶提供了安全保障，能保證數據的完整性,是全面開放的軟件。

2 鋼包精煉爐生產工藝概況

本文以某鋼廠轉爐煉鋼120噸LF鋼包精煉爐為依據，LF-120t公稱容量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:從360V-324V-240V。通過轉爐煉鋼初步調整鋼水的成分，溫度和成分滿足要求之后，把鋼水倒入鋼包，再把鋼包開到精煉位，開始精煉，精煉進一步調整鋼水的溫度和成分，使之符合所煉鋼號的成分。精煉完畢，把鋼包開到吊包位，吊往連鑄機。精煉過程中，在車間調度室集中進行調度管理。

它的工作過程可簡單概括為:主液壓泵啟動、變壓器油泵啟動，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，開始精煉。精煉過程中需測溫、取樣、化驗、添加合金。經測溫和化驗，鋼水的溫度和成份合格后，爐子開關斷開，電極提升，爐蓋上升，由鋼包車將其運到吊包位。鋼包車開向吊包位的過程中，可停下來，通過喂絲機進一步微調成份，然后繼續開向吊包位。

生產工藝示意圖參見圖1:

3 LF爐精煉數模控制技術方案

圖1 120噸鋼包精煉爐生產工藝圖

3.1 LF爐精煉模型控制技術的初期設計

3.1.1 保證設計的升溫速度

一般設計的LF處理時間約45分鐘，這段時間是鋼包精煉爐-精煉-連鑄三聯環過程中的樞紐，如果因故延遲就會影響前后工序，輕者使全車間生產節奏放慢，加大了能耗，嚴重時會打亂全廠的生產秩序。為了確保上述的升溫速度，實際上就是要保證有相當大小的有功功率輸入，以及一個有一定靜動態指標的電極調節系統。基于快速性和冶煉初期控制精度要求相對較低，所以擬采用快速最優方案-恒阻抗控制，實現電極升降控制系統能無超調的快速調整。

3.1.2 保證鋼包的壽命

精煉鋼包的使用次數是影響精煉鋼經濟效益的關鍵環節。但是，在LF爐電弧加熱時并沒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鋼包耐火材料產生直接的，強烈的輻射、燒損作用，如果不采取措施，將大大降低鋼包的壽命。由于第二相短網阻抗對于其它兩相為小，在同樣電壓下電弧功率就大，所以導致2號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題，需通過對三相電極調節系統的適當調整來改善功率不平衡問題。因而引入了恒功率及三相功率平衡控制的設計思想。

3.1.3 確保嚴格的LF爐處理時間

為了保證LF爐的全部處理時間為規定值，除了要有足夠的升溫速度之外，其它非升溫占用的處理時間也要在規定時間內完成。因而LF爐處理過程的全部電氣設備必須滿足以下要求，配合整個冶煉生產線的快速節奏。鋼包車、爐蓋升降系統工作可靠，有一定的靜態工作速度;由于在加料、測溫等過程均需停電并手動升起電極，因而電極調節系統的手動升降速度必須滿足要求;測溫系統、風動送樣系統要求快速、準確。

3.1.4 現場采集經驗，豐富完善軟件智能

在現場數據采集期間，與崗位操作人員及管理人員廣泛交談，聽取操作人員的工作經驗和操作方法，結合實際反復對比、分析、驗證，收集整理后，吸取其精華，對軟件程序進一步修改完善，增設功能。如針對精煉期鋼液平穩，電弧較穩定，但起明弧，熱效率低，設計了恒弧長控制的方案。使電極調節系統的控制方式更靈活，具有更強的智能性、多段特性，獲得最佳調節效果。

3.2 控制策略確定及系統工作原理

鋼包精煉爐煉鋼是復雜的物理化學過程，冶煉過程各階段千變萬化，干擾不同，功能不同，對電極升降控制性能要求也不相同。因而國內外學者對電極升降自動控制曾做了大量工作，以期能實現低能耗和高功率因數的目標。自1970年以來，先后提出了電極動態最優控制、電極動態功率控制、電極阻抗在線控制、電極調節系統參數辨識方法、電極調節系統辨識和自校正控制等。本方案是根據LF爐煉鋼過程特點，在深入分析其機理的基礎上，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合的智能復合控制方案。

電極升降智能復合控制框圖如圖2所示:

圖2 電極升降智能復合控制框圖

圖2 中Ih、Uh為弧壓、弧流實時采樣信號，ls為給定弧長，lp為根據實測值計算所得弧長。規則集根據弧長偏移量確定，組成簡單的規則集。伺服閥，控制電極上升或下降，從而實現對Z值的調節。

4 計算機系統硬件配置

4.1 系統硬件選型

從鋼廠的實際情況出發，針對工藝的繁雜性，考慮到備品備件的一致性，本著先進、可靠的原則，進行各種方案分析、對比，最后決定選用Rockwell公司的Logix5000系列PLC。監控軟件采用Rockwell公司的INTACH,運行于windows nt平臺。通過INTACH,可以實現對生產過程的全面監控，并且可以對重要參數形成歷史記錄，以報表或曲線的形式顯示給操作人員。通過c語言腳本，可以把各種報警通過聲卡播放出來。

4.2 系統硬件配置

4.2.1 精煉爐電極調整PLC硬件配置

選用Logix5000L55M控制器,Logix5000的出色表現在于:極高的可靠性，豐富的內置集成功能，實時特性，強勁的通訊能力，豐富的擴展模板，便捷的操作。其中，選用1756系數字量、模擬量輸入輸出模塊，DeviceNet接口模板用以完成和車間級控制總線網絡的連接，一套智能測溫取樣檢測儀，監控站（和PLC通訊通過EtherNet/IP以太網控制協議）。

4.2.2 精煉爐本體控制PLC硬件配置

Logix5000L55M具有速度相應快，用戶內存大，內置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。它的數字量處理能力和模擬量處理能力完全能夠滿足實際I/O點數的需求，并且預留了將來的擴展能力。另外配置一塊DeviceNet通訊卡以完成和DeviceNet網絡的連接。

數字量輸入模板選用1756-IB系列,輸出模板選用1756-OB系列,它們均是24vdc,32點的數字量模板。所有的輸出通道通過24v繼電器和外部強電設備隔離，這樣保證了信號不受外部電磁干擾。

模擬量輸入模板采用1756-IF:它是16路模擬量輸入模板，除能夠接受標準信號外，還可以接受熱電阻，熱電偶等信號以及標準4～20ma和1～5v以及熱電偶等信號。

所選模板大都具有自診斷功能，能夠通過自身的狀態指示燈指示各種故障或將故障信息發給CPU。這樣，維護人員可以盡快的查出故障原因，采取相應的措施。

所有的模板均可以帶電插拔，并且由于采用后聯接器連接，維護人員可以在不進行全系統停電的情況下迅速更換損壞的模板，保證生產的連續進行。

本工程自動化總體方案以“集散控制、分層結構”為主要特點，整個自動化系統可分為三層:第一層:現場參數檢測與終端執行第二層:分散的數據處理、過程控制第三層:集中操作監視

精煉爐生產線系統結構如圖3所示。

5 計算機系統控制功能的實現

5.1 精煉爐電極自動調整控制

精煉爐電極升降自動控制系統，是一個PC+PLC+智能檢測儀表組成的分布式控制系統，根據控制方案中所述控制思想，利用數學模型，通過定義規則集，復合恒阻抗控制、恒功率控制、三相功率平衡控制、恒弧長控制、自適應的PID控制多種控制方法，以實現電極升降的精確調節。

圖3 精煉爐自控系統結構圖

5.1.1 弧流、弧壓給定檢測:采用電壓變送器和電流變送器將弧流、弧壓轉變為標準4～20mA信號，送入模擬量輸入模塊1756-IF，同時上位機將給定信號送入PLC，線路簡單，結構緊湊，減少了故障點，提高了可靠性。

5.1.2 精煉爐變壓器電參數測量:該系統使用一套智能表計，輸入標準的三相5A和100V電信號就可以檢測到精煉爐運行狀態的電參數，如三相或單相的電流有效值，電壓有效值，有功功率，無功功率等傳向PLC和上位機，從而對精煉爐的運行狀態進行分析，為優化提供必要的依據。

5.1.3 調節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，以適應爐內的變化，獲得最佳效果調節。

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

5.1.5 手動操作系統:以保證在自動調節有故障時，不影響冶煉。

5.2 精煉爐本體控制功能

5.2.1 檢查故障、報警

包括:流量、溫度、變壓器瓦斯保護、高壓保護、液壓系統保護等共34項報警，進行聲光及畫面報警。

5.2.2 液壓泵與變壓器油泵

l液壓泵工作情況

兩臺液壓泵運行，一臺液壓泵為備用。當有液壓系統最高油溫、液壓系統過濾器污染、液壓系統最低油位故障信號時，自動切斷液壓泵。

l變壓器油泵

控制起動、關閉。設備本體機旁控制，集中監視。

5.2.3 爐蓋上升/下降

爐蓋上升到上位后，自動停止上升;爐蓋下降為點動。

5.2.4 爐蓋上的門開/關

自動控制/機旁均能打開、關閉，以便于測溫、取樣、加合金。

5.2.5 爐子工作狀態及電極1-3逆止閥工作情況

實現爐子冶煉處于自動/手動狀態的控制。電極1-3逆止閥的自動動作用于配合電極智能升降調整的控制。

5.2.6 爐子高壓開關閉合/斷開

聯鎖所有高壓相關信號:位置、流量、溫度、過載保護、緊急切斷、電源、電極自動調節相關信號，安全可靠的實現了高壓開關合閘、緊急自動分閘、正常分閘。

5.2.7 分級開關控制電壓

實現方法:通過選擇開關輸入計算機當前所需電壓（對應調壓開關的檔位），與當前所用電壓比較來控制電壓的升降。

5.3 監控畫面

我們繪制了一幅工藝監控畫面，一幅電氣參數畫面，兩幅生產運行畫面，三幅儀表監控畫面，四幅相應的報警畫面以及歷史趨勢畫面。

工藝監控畫面分別是精煉爐煉鋼工藝畫面。在工藝畫面中形象的繪制了其工藝流程以及當前電壓檔位和電極、爐蓋、鋼包車的實時位置等。

電氣參數畫面顯示三相電極運行的各相電氣參數，有功功率，無功功率，視在功率，cosφ等。

生產運行畫面顯示日歷時間、爐號、班次、送電時間、出鋼時間、熱停工時間、電耗，電極各相運行的電弧電流、各相電壓。

儀表監控畫面實時顯示冷卻水流量、溫度，爐身冷卻室溫度等重要工藝熱工參數。

程序中每個報警信號均在相應的畫面中顯示，同時伴有聲光報警。INTACH具有綜合報警管理功能，在報警總匯里顯示所有的報警信號，報警時間，報警值，報警優先級，通過c語言腳本，可以把各種報警通過聲卡播放出來。

5.4 報表功能與歷史趨勢

生產中的一些參數，需要及時打印，可形成報表。報表分為班報、日報、月報，可定時打印，也可手動任意時間打印。一些重要參數，如高壓合閘、電極調節柜故障等，我們對其進行歷史數據存儲，形成歷史趨勢，可以隨時進行查看。

結束語

LF爐精煉模型控制技術達到的效果:電極響應時間<0.15s，非靈敏區（死區）<2%，三相功率不平衡度≤3%;鋼水溫度準確控制在目標值±0.5℃內，成分可準確控制在±0.02%內;噸鋼節電2%，每爐鋼縮短冶煉時間5-10分鐘;實現自動/手動無擾動切換;大大延長鋼包的使用壽命;畫面顯示工藝流程及工況參數，并且有報警、打印、歷史趨勢功能。鋼包精煉爐電極自動調整技術是當前研究的熱點和難點，一些先進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創新性強，建立的精煉爐電極調節數學模型，控制靈活、穩定，技術先進，大大提高了電極調節的自動化水平。系統自投入運行以來，運行穩定、可靠，經濟效益顯著。其操作控制參數可進一步優化，節能降耗等方面的效益會更大。

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

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