100T電爐電極調節控制系統升級改造

楊永強,楊小兵,華 成,張建龍

(酒鋼集團宏興股份公司 不銹鋼分公司,甘肅 嘉峪關 735100)

1 前 言

酒鋼對電爐電極調節控制系統采用PLC控制方式進行升級改造。PLC控制系統運行故障率低,備件通用,有利于后期的設備備件儲備和采購。另外,可以提高電爐電極控制的靈敏性,降低電極消耗,降低能耗,提高升溫速度。通過升級改造最終達到提升工藝冶煉效率和設備升級的目標[1-5]。

2 電爐電極調節控制系統存在問題介紹

不銹鋼分公司煉鋼電爐電極調節系統由SMS公司供貨,型號為ET-DecNT,系統使用的工控機、配套的DCS模擬量控制板、DEC運算控制板都是特殊制造。工控機以及配套的模擬量控制板、DEC運算板以及相應的軟件系統已經升級,同型號的工控機、模擬量控制板和運算板已經停產,另外在ET-DecNT系統中,外方對其核心技術進行專利保護。系統在運行過程中頻繁發生死機、硬盤損壞、顯卡損壞等故障,硬件運行風險與日俱增,無法預測掌控。在生產過程中一旦工控機、DEC運算控制板、模擬量控制板等特殊部件損壞,將直接導致300系鋼種停產。

3 項目技術措施及實施方案

電爐電極調節自動化系統相對來講控制工藝復雜,要求反應靈敏、精度高,對于改造方案的確定是本項目的關鍵。酒鋼新電極控制系統采用西門子S7-1500系列PLC構建,配備ROCOIL羅氏線圈、積分器電流采集裝置,電壓檢測箱采集裝置,控制系統則采用阻抗控制模式,系統由三個獨立的阻抗調節模型和若干控制子模型構成。通過優化設定的阻抗輸入點,液壓系統特性匹配,重構控制模型參數。

項目實施的具體方案如下:

(1)采用PLC控制系統代替原設計停產的ET-DecNT系統,作為電極調節系統的控制中心;

(2)對現場弧流弧壓信號的采集裝置進行升級,將采集的信號轉化為PLC能接收和識別的信號;

(3)建立電極調節器的控制畫面和編寫電極調節器的應用程序;

(4)測試液壓系統對電極的驅動速度,用于設置基本的電極控制升降速度參數;

(5)設置變壓器每一個擋位下多個阻抗值,優化變壓器的功率因數,使變壓器的能力達到最優;

(6)不同冶煉階段選擇最優變壓器檔位與冶煉曲線的組合,使電弧功率最大化,埋弧效果最佳化[6-7]。

4 冶煉控制模型優化

本項目升級改造的關鍵亮點在于高效冶煉、節能技術。

電弧爐三相電極控制系統提供了三個獨立的阻抗控制模型和若干控制子模型。通過優化設定的阻抗輸入點,使變壓器的功率最大限度地消耗在電弧上,從而達到節能降耗的目的。

節能首先在于工作點的計算與選擇,由于變壓器有多個檔位,而短網是固定的R+JX,因此在擋位阻抗工作點的計算和選取上十分關鍵。計算最佳工作點,確保在不同冶煉階段發揮最優電弧功率。我們將計算變壓器及電抗器不同擋位對應的工作點,包括該工作點下的功率因數、有功功率、無功功率、視在功率、電弧功率、對爐壁的輻射強度、電弧長度等。由于變壓器及電抗器擁有多種組合,同時在不同組合下可設定多條冶煉曲線,因此系統將擁有數百個工作點。

穿井效率和模型:有了計算和選擇的最佳工作點,在穿井過程中,數學模型將通過算法感知穿井狀態,從而以10 ms級實時自動整定PID參數等。模型還擁有多個子模型,確保穿井最優,迅速形成熔池,圖1為模型總覽。

圖1 模型總覽

液壓系統測試和模型標定匹配:液壓閥是唯一被控對象,液壓閥的特性曲線測試尤為重要。每個液壓閥都有死區,以及線性度不一樣。要反復測試液壓閥死區、零漂、拐點及斜率速度等。這樣模型輸出值才能精確控制電極升降,也確保系統精確在工作點上運行。

1)工作點計算結果

工作點計算還需考慮電弧長度與渣層厚度、變壓器檔位特性、變壓器內阻抗、短網阻抗(dip test)等參數,并充分考慮來料、渣層厚度,爐壁輻射等因素,最大限度發揮電弧效率,優化埋弧效果,減少對橫臂及水冷電纜的機械沖擊,減少對變壓器及電網沖擊,提高鋼水質量及冶煉效能。如果沒有上述計算,則設計時就可能導致工作點不佳,如電弧過長,弧光暴露,或電弧短導致功率因數低等問題。

依據電抗器銘牌、變壓器銘牌及短網數據計算,結果如表1(本文只列舉了變壓器在6擋到12擋短網部分數據)所示。

表1 變壓器在6擋到12擋短網部分數據

2)液壓系統測試結果

系統充分考慮液壓特性對于冶煉控制的影響。作為系統中唯一的被控對象,液壓系統的特性對冶煉的影響至關重要。每一相電極由于液壓部分和機械部分的因素影響,導致其升降特性不盡相同。液壓系統存在死區、零漂、線性化差、速度不一致。因此系統將對液壓特性進行測試并描繪其特性曲線(見圖2),最終匹配到系統控制參數中,達到液壓系統與控制模型高度結合,確保系統工作在最優狀態。本項目中液壓通訊系統測試的一些關鍵數據見表2～表4。

表2 電極特定行程、特定電壓下運行時間參數列表

表3 速度因數計算值列表

表4 死區補償計算列表

圖2 實測液壓特性曲線

5 項目升級改造完成情況

酒鋼100T電爐電爐電極調節系統改造實施后,控制穩定性和靈敏度大幅提升,冶煉過程過流次數明顯減少(由原來的平均3～5次/爐減少到0～3次/爐),進一步縮短了電爐冶煉周期并提升了電爐冶煉效率。另外,系統靈敏度提升后,大大提高了電極在復雜工況條件下的響應速率,從而避免了熔化階段爐料塌落后,因電極回升速率慢而導致的斷電極問題。塌料斷電極次數由原來的平均4次/月下降到2次/月。另外,電爐冶煉效率提升后,節能效果顯著,噸鋼節能8 kW·h以上,完成了電爐調節自動化控制系統升級改造項目既定目標。

6 結 語

電爐電極調節控制系統是電爐生產關鍵核心設備,酒鋼采用了先進的阻抗控制理念,全新的冶煉控制模型,電弧爐高效穿井,降低機械沖擊,減少電能消耗,大幅改善電極調節器控制系統的特性,電爐冶煉效率得到很大提升。硬件基于西門子S7-1500系列PLC構建電極調節系統維護更加便捷,備件常規通用,淘汰落后生產技術,確保設備可靠高效運行。