LF爐溫度預報與控制模型的開發及應用

摘要：針對精煉爐處理過程中熱量傳輸的復雜瞬變性，逐一分解各個問題，簡化控制處理邏輯。介紹了影響精煉爐鋼水溫度變化的各種因素，建立一套鋼水溫度預測控制模型，并編制成計算機模型軟件，誤差控制在±10℃，完全能夠滿足實際生產需求。

關鍵詞：鋼水溫度;溫度模型;投料

中圖分類號：TF769? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0引言

LF精煉爐作為煉鋼轉爐至連鑄機中間的重要環節，關系到整個煉鋼的順利生產制約著轉爐連鑄的生產節奏，而溫度又是煉鋼過程中的重要工藝參數，故對鋼水溫度控制的精確性，直接影響連鑄鋼坯的生成和質量情況，而LF爐溫度預報與控制模型作為溫度控制的重要組成部分，是實現精煉爐自動煉鋼的基礎?，F以唐鋼中厚板LF鋼包爐為研究對象，應用冶金熱力學和動力學原理、能量守恒和凝固原理、采用數學建模和統計分析技術，對鋼包在LF精煉爐的處理過程中，所涉及到的溫降進行研究，分析輔料、合金料、底吹氬氣流量、鋼水進站溫度、精煉作業時間、電極加熱能量、鋼包的輻射和散射熱等參數對LF精煉爐的鋼水目標溫度的影響[1]。

1 LF精煉爐溫度預報與控制模型的建立

1LF精煉爐溫度預報與控制模型的建立依據能量守恒原理，影響鋼水溫度的參數有：鋼水作業處理時間、電弧加熱進入體系的熱量、鋼包表面輻射散熱、加入物料帶入或帶出的體系的熱量、吹氬攪拌帶走的熱量。

1.1電極升溫

通過電極加熱導致溫度升高的計算公式如下：

△T_（ht_i）=（E_i×E_（eff_i）×t_i）/（w_m×C_（（p，m）） ）×3600×1000

電極加熱升溫帶入的總能量（KWh），Etot = ∑E_i。

式中△Tht_i-電極調整在i檔位時，加熱時間t后導致鋼水的溫度增加量 （℃）; Ei-為電極在i檔位時的供熱速率（kwh/min）;Eeff_i-為電極i檔位時的加熱有效系數（%）;ti 為在i檔位下的加熱時間（mim）。

1.2物料溫降

加入合金或進行喂絲時，導致溫度損失的計算公式如下[2]：

△Tinput = （Σ_i×W_i）/W_m ×C_（C，m）×100

式中△T 為加入合金或喂絲時導致的總溫降 （℃）;Wm為鋼包中鋼水重量 （kg）;Wi為加入的物料重量 （kg）;Cc， m 為物料冷卻系數 （℃/%）

1.3底吹氬氣溫降

通過底吹氬氣導致溫度損失的計算公式如下：

△Q = Cpgas× Wgas× （Tliquid – Tgas）

△TAr = △Q / （Wm×Cpm）

式中△Q 為底吹氬氣導致鋼水損失的熱量（Joule），Cpgas為氬氣的比熱容（joule/kg-℃），Wgas為底吹氬氣的總重量（kg），Tliquid 為鋼水的溫度（℃），Tgas為氬氣的溫度（℃），Wm為鋼水的重量（kg），Cpm為鋼水的比熱容（Joule/kg-℃）。

1.4鋼包輻射散熱

耐火材料和鋼包外殼導致的溫降計算公式如下：

△Tladle = Cc，shell× td，? + △Tabnomal

式中△T為耐火材料和鋼包外殼導致的降低的溫度（℃），Cc，shell 為鋼包外殼的冷卻系數（℃/min），td 為轉爐出鋼到當前時間的時間差（min），△Tabnomal 為異常條件下的溫度損失（（℃/min）。

1.5最終溫度預測計算

由1.1-1.4可知，最終模型計算的預測溫度為當前溫度與加熱帶入溫度、投料導致溫降、氬氣底吹導致溫降、鋼包耐火材料及鋼包本身散熱導致的溫降之和，公式如下：

Tcal = Tcurrent + △Tht_i- △Tinput- △TAr - △Tladle

1.6模型計算流程圖

當鋼包進站時，溫度預測模型開始啟動。模型負責計算溫度的變化，導致溫度改變的條件主要為合金投入、喂絲投入、升溫加熱、底吹氬氣等，當進行鋼包測溫，二級系統接收到測溫溫度時，溫度預測模型也會啟動計算。

當合金和喂絲投入時，模型計算損失的溫度，并對當前預測溫度進行指導。當底吹處理開始和升溫加熱開始后，模型會計算吹入使用的氬氣總量導致的溫降及電極加熱帶入的溫度增加量，并以1分鐘為周期進行循環計算，以保證預測溫度的精度，同時將計算結果用于生產指導。鋼包進站事件處理概況圖如下圖1，計算流程如下圖2。

2計算機軟件的編制

軟件采用C/S架構，非控部分程序用C#語言，依托.NET環境進行開發，溫度模型控制程序用C++語言，基于MFC類庫進行開發。非控部分的跟蹤模塊負責對鋼包進站后的每一個動作進行實時跟蹤處理，并以事件的形式將與溫度模型有關的動作告知溫度模型控制程序，當收到相關事件后，溫度模型將與溫度計算相關的參數進行有效的篩選組織，帶入核心模塊，進行溫度計算和預測，通過與出鋼目標溫度和現場實際參數的比較分析，計算升溫加熱時間及合金投入量等參數，并將計算結果指導給PLC系統，同時將溫度趨勢圖以圖表形式展現給前臺HMI界面，便于操作人員對后續鋼包狀態的處理。溫度趨勢圖如下圖3，其中圖A為氬氣流量趨勢圖，圖B為溫度趨勢圖。

3驗證結果

通過對現場實際生產的8爐數據進行對比，可以發現，模型計算的最終溫度與鋼水目標控制溫度之間的誤差較小，基本控制在±10℃之內，證明該模型可以滿足LF精煉爐生產過程對鋼水溫度預報的要求。實際爐次結果表如下表1。

板坯全行程跟蹤是板坯在熱軋庫內的宏跟蹤，功能實現基礎依靠板坯精準定。

4結語

（1）通過推導，可以得出最終溫度預測計算公式模型為：

Tcal = Tcurrent + △Tht_i - △Tinput - △TAr - △Tladle

（2）本模型綜合考慮了各種影響LF精煉爐鋼水溫度的因素，包括：鋼包包況、底吹氬氣流量、電極升溫狀況、合金和喂絲投料等，經過實際投入使用，通過對這些因素的多重驗證，最終能夠較為準確的預測計算出鋼水實際溫度，從而對生產進行有效指導，本模型能夠保證LF精煉爐的鋼水溫度的預測誤差在±10℃之內。

參考文獻

[1]王靜，魏艷龍，湯海明，等.LF精煉工藝優化[J].河北冶金，2016（9）：51-54

[2]趙永勝，呂明燁，王炳玉，等.降低LF精煉成本的生產實踐[J].河北冶金，2014（5）：27-28.

收稿日期：2020-02-23

作者簡介：翟秋菊（1972—），女，河北唐山人，本科，工程師，研究方向：自動化和智能化研發調試。

Development and Application of Temperature Prediction Control Model for LF Furnace

ZHAI Qiu-ju

（Tangshan Iron and Steel Group WILL Automation Co.， Ltd.，TangShan HeBei? 063000）

Abstract： In view of the complex transient of heat transfer in the process of refining furnace treatment， each problem is decomposed one by one to simplify the control processing logic. This paper introduces various factors affecting the temperature change of molten steel in the refining furnace， establishes a set of predictive control model of molten steel temperature， and compiles a computer model software. The error is controlled at ± 10 ℃， which can fully meet the actual production demand.

Key? words： molten steel temperature; temperature model; material input