LF爐全流程自動控制功能的開發及應用

王佐偉

（河北鋼鐵集團唐鋼微爾自動化公司，河北 唐山 063000）

1 前言

LF精煉爐的作用是對鋼水成分進行微調，對鋼水溫度進行控制，已達到連鑄的要求所以LF爐作業的效率和準確率非常重要，它是鋼區生產線上不可缺少的控制成分、溫度及保存鋼水的設備，它是轉爐至連鑄的緩沖環節，它的作業時間彈性很大，所以要求操作人員的技術嫻熟，設備自動化程度。成分控制和溫度控制會直接影響連鑄板坯的質量，故LF爐的全流程控制尤為重要。

本文以唐鋼中厚板公司LF爐為研究對象，把現有的手動控制方式進行優化改造，根據LF爐二級控制模型計算值，LF爐一級系統進行實施。對鋼包在LF爐的處理，所涉及到的過程有進站、氬氣控制、輔料、升溫、測溫、合金料、取樣、喂絲、手投料等。

2 LF爐一級系統優化

依據前期的調查研究分析，制約LF爐作業時間和目標準確性的是成分控制和升溫控制，所以這是優化的重點，其他屬于輔助系統。

2.1 氬氣控制

改造前是天車把鋼包坐到鋼包車上后，開啟氬氣，根據不同的階段，人為調節氬氣流量大小，如果人為控制不及時，會影響鋼水溫度，這樣不僅增加了氬氣的消耗量，還需要反復升溫，增加電量消耗和電極損耗。優化后的氬氣控制系統如下圖1。

圖1 氬氣自動控制

氬氣控制系統優化后，操作工選成“二級模式”并且手動輸入“中吹流量”和“中吹時間”此流量值會起到破渣殼的作用，二級根據鋼包車位置、測溫取樣、投料、升溫等階段，給出不同的氬氣流量值，下發到一級系統去執行，這樣不需要人為干預，人為誤操作的因素可以排除。

根據不同的鋼包處理過程階段，低吹氬氣攪拌的過程主要分為進站攪拌、頭批料攪拌、停電加合金后攪拌、出站軟吹。

（1）進站攪拌：爐次開始時，由于鋼包在轉爐出鋼后需要加入一批物料，經過一段時間的反應后，鋼水表面的渣層相對會比較硬實，此時需要一個強流量的吹掃。

（2）頭批料攪拌：鋼包進入處理位，加熱升溫開始之前，會向鋼包中加入輔料（石灰、螢石等），此時為了使輔料與鋼水充分反應，此時需要一個中等流量的吹掃。

（3）停電加合金后攪拌：此階段需要一個較大的底吹流量值，從而使得投入的合金充分融入鋼水中。

（4）出站軟吹：鋼包出站后，為了能讓鋼水和冶煉過程中加入的物料更加充分的進行結合反應，變為軟吹，直到爐次結束。

2.2 成分控制

改造前是手動配料，投料入鋼包里，物料的投入量完全靠人的主觀推斷，如果投入量不夠，還需要二次投料，這樣就會增加作業時間，現在物料的投入量完全依據二級的成分模型，成分模型計算出的投入量下發到一級控制系統，操作人員只需要把下料模式切換到“二級模式”即可，操作簡單方便，每個料倉根據二級設定值，逐個自動進行配料，配料完成后反饋給二級，待稱量倉稱重完畢，物料可投放到皮帶上送入鋼水中，投放值也會反饋給二級系統，成分模型會根據兩次反饋值判斷實際投入到鋼水中的物料量，作為報表數據采集使用。成分模型根據取樣結果進行第二次配料，經過兩次配料，就可以到達目標成分。這樣，二級系統模型通過靜態和動態模型進行精準的物料計算，整個配料的過程實現完全自動化控制，無需人工干預，既保證了投料的準確性，又減少了操作上的失誤[2]。優化后的人機界面如下圖2。

圖2 成分自動控制

根據不同的鋼包處理過程階段，成分控制主要分為輔料投放、一次合金料投放、二次合金料投放[4]。

（1）輔料投放：鋼水進站后，為了使渣層滿足工藝要求，需要投入輔料進行造渣

（2）一次合金料投放：根據目標成分要求，二級系統計算需要投入適當比例的合金物料，計算完成后下發一級系統執行操作。

（3）二次合金料投放：根據一次取樣結果與目標成分差值，二級系統計算需要投入的最終比例的合金物料，計算完成后下發一級系統執行操作。

一般配料系統的慣性量是人工輸入一個經驗值，這樣的做法不客觀，容易出現每次下料量跟設定值都有很大的差別，這樣經過兩次投料，成分不會到達目標值，需要進行多次投料，又增加作業時間，還造成資源浪費，操作人員需要反復試驗才能確定慣性量。但是如果現場料倉的物理特性發生變化，此慣性量亦發生變化，還需要操作人員反復試驗獲得，這樣的操作太繁瑣，而改造后的慣性量是動態調節，不是一個固定數值，它是根據每次設定值與反饋值的偏差乘以1/3進行配料，每次配料完成的慣性量累加作為下次配料開始的慣性量，根據統計學的原理，就可自動算出此料倉的實時慣性量，此慣性量會隨著料倉物理特性的改變而自動改變，不需要人工干涉。

料倉可用性功能的增設完善了二級成分模型控制和一級自動下料系統，由于客觀條件，料倉處于不可用狀態時，二級成分模型需要知道此信息，計算物料時避開此料倉，根據其他糧倉的合金含量進行配料，一級控制系統相對應的糧倉顯示為不可用狀態。有些特定環境需要主觀條件，使料倉處于不可用狀態，防止誤操作，造成生產事故。

2.3 溫度控制

改造前是手動計算升溫時間，手動進行升溫控制，一級控制系統中加入主觀因素過多，會制約其使用范圍，舍棄原有控制方式，優化為二級溫度模型計算升溫時間，它根據每次測溫結果與目標溫度進行對比，再根據所處的工藝階段，綜合計算出每次升溫時間和檔位[3]。

溫度模型將升溫時間和檔位下發給一級控制系統，一級控制系統的升溫控制包括起弧、小弧區、穩弧、大弧區等四個階段，每個階段電極的給定速度是不一樣的，升溫開始電極快速下降至起弧區，根據弧流反饋與給定值計算電極下降速度，在弧流目標值附近，電極進行動態調節，升溫完畢后，將加熱耗電量發送給二級系統，作為數據統計使用[1]。

根據不同的鋼包處理過程階段，鋼水升溫的過程主要分為一次升溫、二次升溫、出站升溫。

（1）一次升溫：爐次開始時，由于鋼包在轉爐出鋼后需要加入一批物料，經過一段時間的反應后，鋼水溫度會有所下降，并且進站后，也需要加入輔料進行攪拌，此時需要進行一次升溫，以保證鋼水溫度不會太低。

（2）二次升溫：當鋼水成分合格后，需要對鋼水進行二次升溫，已滿足連鑄進站溫度。

（3）出站升溫：由于生產節奏的問題，連鑄不需要鋼包進站，此時鋼包需要在精煉進站位等待，當隨著時間的推移，鋼水溫度會逐步下降，連鑄需要鋼水進站時，精煉還需要進行最后一次升溫，才能到達連鑄要鋼溫度。

每次升溫完成，二級模型會計算鋼水溫度，模型計算值與實際測量值偏差在±10℃以內。優化后的人機界面如下圖3。

圖3 溫度自動控制

3 結語

LF爐全自動控制流程是將來工廠生產工藝過程中一個非常重要的控制方式，是將來的必然趨勢，升溫控制和下料控制的準確性會影響到整個產品的質量和性能，人工干預不僅耗時耗力，而且精準度不高，易出現錯誤，自動控制系統可以提高精準度，效率高。

[1]員衛國.煉鋼電弧爐電極升降微機控制的回顧與總結[J]工業加 熱，2000，29（1）：1-4.

[2]謝樹元，杜斌，林云，等. LF 爐過程控制模型的開發與應用 [J]. 冶金自動化，2006，增刊（S2）：47-50.

[3]劉國元.LF精煉爐溫度預估模型與合金化模型的研 究和實現[D].西安：西安理工大學，2008.

[4]于鵬，戰東平，姜周華，等. LF 精煉終點成分預報模型開發 [J]. 材料與冶金學報，2006，5（1）：20-22.