煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)改造分析

沈江珠

（酒鋼集團(tuán)榆中鋼鐵有限公司，甘肅 蘭州 730104）

鋼包底吹是煉鋼精煉爐在生產(chǎn)成品鋼時，不可或缺的重要工藝手段。其主要作用是通過攪拌和氣洗鋼水，以防止出現(xiàn)鋼水氧化。通常情況下，在開展鋼包底吹工藝時，對精煉鋼水質(zhì)量影響最大的因素即是氬氣流量的控制。如氬氣流量相對較大，則會導(dǎo)致穿液面發(fā)生嚴(yán)重的噴濺現(xiàn)象，從而致使鋼水出現(xiàn)裸露氧化，致使夾雜物大量增加。而如果吹氬氣的流量較小，則會造成流量不夠穩(wěn)定、無法開展快速攪拌，不能完全的去除氣體和夾雜物，影響煉鋼過程的質(zhì)量。

1 鋼包底吹控制系統(tǒng)的原理

煉鋼精煉爐的鋼包底吹控制系統(tǒng)改造的前提是了解和掌握其具體的工作原理。一般情況下，鋼包底吹控制系統(tǒng)是由兩套氬氣控制閥而組成，分別控制兩組鋼包底吹工藝的開展。同時配備流量調(diào)節(jié)電磁閥，當(dāng)其打開時，會產(chǎn)生對應(yīng)的流量值。而電磁閥的動作則是根據(jù)氬氣流量工藝的實際要求而決定的，即是在HMI設(shè)定煉鋼工藝所需輸出的流量值，通過計算后，能夠準(zhǔn)確得到電磁閥的動作狀態(tài)，打開相應(yīng)的閥而關(guān)閉其他無關(guān)閥。在設(shè)定流量值后，就可以按照設(shè)定值進(jìn)行穩(wěn)定的流量輸出。如果在這一過程中發(fā)生流量堵塞等情況，比如閥門損壞，鋼包底吹磚堵吹不開時，應(yīng)當(dāng)采用事故頂吹的方式進(jìn)行解決[1]。

2 煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)工作要點及存在的問題

鋼包底吹控制工藝在煉鋼精煉爐中一般包括有破渣、下料攪拌以及精煉和軟吹等過程。首先在破渣工藝進(jìn)行時，其主要是利用氣流將爐前送過來的鋼水包上所板結(jié)的渣殼進(jìn)行吹開，所以要求流量相對較大，才能夠確保將鋼包透氣磚吹開或者破渣等。不過在鋼包透氣磚被吹開后，則要盡可能的降低流量，以免造成比較嚴(yán)重的噴濺現(xiàn)象，很容易導(dǎo)致鋼水出現(xiàn)裸露氧化，致使夾雜物大量增加?；诖?，相關(guān)操作人員需要在HMI人機(jī)畫面上對破渣的流量進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)定，以80t鋼包為例，其流量要設(shè)置為500L/min，控制電磁閥對相應(yīng)的閥下達(dá)指令，促使各個閥相互組合，從而吹開鋼包透氣磚以及破渣。然后操作人員要對流量進(jìn)行重新設(shè)定，再進(jìn)行攪拌[2]。在加料過程中，可以通過控制電磁閥F1.1～F1.9和F2.1～F2.9等進(jìn)行組合，開展相應(yīng)的攪拌操作。此時的流量相比于破渣時要小，往往設(shè)定在400L/min即可。但是由于要避免發(fā)生噴濺現(xiàn)象，所以要通過波動較小的流量均勻攪拌物料。在實際工藝的操作中，一旦某個電磁閥發(fā)生卡或者堵等情況，都會導(dǎo)致物料的攪拌力度不足，不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的攪拌要求。尤其是在煉鋼精煉爐中進(jìn)行攪拌工作時，因為電極是在鋼水中進(jìn)行操作，所以攪拌的流量不宜過大，容易造成電極過大而發(fā)生斷裂現(xiàn)象。同時還要求流量保持平穩(wěn)狀態(tài)，盡量維系波動較小，以便于開展精煉工藝和升溫操作。在進(jìn)行軟吹攪拌操作是，則需要保障流量較小，促使夾雜物能夠上浮到表面，促使鋼水得到有效的凈化。

而在實際運用過程中，煉鋼精煉爐的鋼包底吹控制系統(tǒng)存在一定的問題，即是由于該控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制方式，通過儀表所檢測出來的各項參數(shù)數(shù)據(jù)僅能作為參考，不能作為準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。同時在底吹的四個環(huán)節(jié)過程中，均沒有設(shè)置高效的流量跟蹤以及反饋調(diào)節(jié)，從而就會造成流量控制很難實現(xiàn)平穩(wěn)，對波動的降低效果不佳。為保障煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)能夠發(fā)揮良好作用，急需一套能夠?qū)崿F(xiàn)大流量破渣、小流量攪拌的先進(jìn)底吹控制系統(tǒng)，確保煉鋼精煉爐的鋼包底吹工藝具有高效性和合理性。

3 煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)改造分析

3.1 改造思路

結(jié)合煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)的原理和存在的問題，對原系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，應(yīng)先確定其改造思路。在實踐中發(fā)現(xiàn)，原有鋼包底吹系統(tǒng)在技術(shù)上還無法實現(xiàn)有效的流量跟蹤反饋。因此在鋼包底吹控制系統(tǒng)的改造過程中，需要將實現(xiàn)大流量和事故頂吹控制作為主要優(yōu)化目標(biāo)，在一定程度上避免因底吹閥組出現(xiàn)故障而影響精煉工藝的有序開展。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)保留原有精煉爐鋼包底吹控制閥組系統(tǒng)，并在原管路上增加兩套一體式的流量調(diào)節(jié)閥和切斷閥，目的是保障PID閉環(huán)調(diào)節(jié)控制得以實現(xiàn)，促使底吹控制系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用性能，在PLC程序控制單元的作用下，降低電磁閥組損壞而阻礙工藝高效開展的威脅[3]。

3.2 鋼包控制系統(tǒng)組成部分

改造后的一體式鋼包底吹流量調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)相比于原系統(tǒng)，在組成上有所不同，其是由檢測流量計以及電動調(diào)節(jié)閥兩部分組成，應(yīng)用4mA～20mA信號進(jìn)行輸出和輸入，具有測量精度較高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、對惡劣環(huán)境適應(yīng)性強的特點。因此在具體改造過程中，需要采用PLC控制系統(tǒng)，并在DP站點上適當(dāng)增加1塊4mA～20mA的AO模塊，主要是對氬氣調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行有效的控制，并增加1塊AI模塊，對調(diào)節(jié)后的流量進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，為良好的煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)開展工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

3.3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

對煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計是其改造過程中的重點內(nèi)容，即是根據(jù)PLC相應(yīng)的編程方法，將OBI組織作為主要的程序執(zhí)行模塊，并在其中有效調(diào)用FC和FB等模塊。同時PID控制功能模塊要作為所有軟件的固有共享模塊，按照PID調(diào)節(jié)進(jìn)行編寫的調(diào)用模塊。在改造中，技術(shù)人員需要基于原有的鋼包底吹系統(tǒng)編程，通過增加流量、壓力模擬量轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)塊來作為新增的項目模塊。能夠有效的發(fā)揮調(diào)節(jié)閥的編程控制作用。

首先，對流量數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行設(shè)計。則是保障一體式的流量調(diào)節(jié)閥能夠?qū)⒉杉降牧髁啃盘杺鬏數(shù)絇LC中。然后經(jīng)過PLC控制程序的內(nèi)部模/數(shù)轉(zhuǎn)化器，將其信號轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的數(shù)值，并存入到系統(tǒng)外部的流量輸入點存儲空間，再利用模擬量輸入轉(zhuǎn)換塊按照0～72的量程開展計算活動，輸出的流量范闊過程值一般要為十進(jìn)制數(shù)[4]。

其次，要合理設(shè)計PID調(diào)節(jié)閥控制程序。即是要求在進(jìn)行調(diào)節(jié)操作時，能夠運用HMI增設(shè)調(diào)節(jié)閥開展手動或者自動化的操作控制，實現(xiàn)操作模式的靈活切換，以應(yīng)對不同的工作狀況。比如在手動操作模式下，可以直接對HMI上存在的給定開度進(jìn)行合理的設(shè)置，并經(jīng)過PID控制功能塊計算后有效輸出開度值。然后再使用西門子模擬量輸出轉(zhuǎn)換塊按照0～100的量程計算，從而輸出二進(jìn)制數(shù)，最后基于PLC的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為對4mA～20mA信號，以便于起到控制調(diào)節(jié)的作用；在自動操作模式下，按照HMI人機(jī)畫面所給定的設(shè)定值，通過PID調(diào)節(jié)功能塊進(jìn)行流量計算，同時與流量反饋過程值進(jìn)行對比，保障輸出相對穩(wěn)定的開度值。再由模擬量輸出轉(zhuǎn)換塊按照0～100量程計算輸出二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)過PLC的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為控制調(diào)節(jié)閥的4mA～20mA信號。在自動操作模式條件下，對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)試時，比例增益系數(shù)的調(diào)整對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有較大的影響。當(dāng)比例增益系數(shù)較小時，對流量的跟蹤反饋速度較慢，會在一定程度上增加鋼包的底吹時間，無法滿足精煉工藝的需求。而如果比例增益系數(shù)相對較大，就會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定、調(diào)節(jié)效果不佳等現(xiàn)象。在改造研究中發(fā)現(xiàn)，比例增益系數(shù)在0.02較為合理，可以滿足7s～10s的穩(wěn)定調(diào)節(jié)工藝要求。

最后，需要科學(xué)設(shè)計切斷閥控制程序。在煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)中，切斷閥的主要功能和作用是開關(guān)，在HMI人機(jī)畫面中，相關(guān)操作人員按下開閥按鈕，則能夠打開切斷閥，此時調(diào)節(jié)閥可以按照給定的流量設(shè)定值和流量反饋過程值實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。

3.4 煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)操作過程

對改造后的鋼包底吹控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，需要嚴(yán)格遵循相應(yīng)的流程和規(guī)范。在實際精煉工藝操作中，相關(guān)人員主要采用兩種方式。當(dāng)開展破渣工藝時，可以在原有的電磁閥組中利用大流量將鋼包的透氣磚或者破渣等進(jìn)行吹開，然后重新設(shè)定流量值，保障平穩(wěn)狀態(tài)下對物料進(jìn)行攪拌。當(dāng)攪拌工藝結(jié)束之后，再將其轉(zhuǎn)換到調(diào)節(jié)閥，以便與利用中小流量開展攪拌。所以改造后的煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)，在HMI人機(jī)畫面中有兩套鋼包底吹控制操作系統(tǒng)。在實際操作時，轉(zhuǎn)換到調(diào)節(jié)閥操作后，相關(guān)人員要先選擇自動調(diào)節(jié)模式，然后在合理設(shè)定調(diào)節(jié)的流量值，打開切斷閥，促使鋼包底吹控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動跟蹤調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語

綜上所述，對煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)進(jìn)行改造后，其呈現(xiàn)出動態(tài)特性較好、快速穩(wěn)定的特征，而且還能夠有效的提高整個控制系統(tǒng)的抗干擾能力。所以通過采用雙系統(tǒng)底吹控制，可以減少發(fā)生氬氣無法調(diào)節(jié)的故障幾率。充分提供鋼水的質(zhì)量和純凈度。因此在對改造設(shè)計中，需要明確煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)的工作原理，分析其工作要點和存在的問題。在綜合考慮下，確定科學(xué)合理的改造思路、詳細(xì)設(shè)置鋼包控制系統(tǒng)的組成部分、設(shè)計控制系統(tǒng)程序并嚴(yán)格按照相關(guān)操作流程，從而實現(xiàn)煉鋼精煉爐鋼包底吹控制系統(tǒng)氬氣消耗量減少、加熱周期縮短的優(yōu)勢，盡可能的降低生產(chǎn)成本。