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        180噸精煉爐電極控制節(jié)電技術(shù)實(shí)踐

        2019-05-30 11:26:28孫海曉
        山東工業(yè)技術(shù) 2019年12期

        摘 要:根據(jù)宣鋼150噸爐區(qū)180噸LF鋼包精煉爐的運(yùn)行情況, 針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的問(wèn)題,介紹了精煉爐電極調(diào)節(jié)控制總統(tǒng)思路和控制方案,以及系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程和效果,對(duì)精煉電極控制技術(shù)進(jìn)行了總結(jié),系統(tǒng)實(shí)施后取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

        關(guān)鍵詞:精煉節(jié)電;電極控制;電極調(diào)節(jié)器;預(yù)測(cè)控制算法

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.138

        0 前言

        宣鋼180T LF精煉爐采用電極加熱的方式對(duì)鋼包爐內(nèi)鐵水進(jìn)行加熱升溫,原電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在不穩(wěn)定現(xiàn)象,給精煉爐的電極和變壓器帶來(lái)很大沖擊,同時(shí)造成精煉爐電耗損失增大,特別是在造渣埋弧階段,采用大電流短弧操作,短弧操作會(huì)使功率因素及電效率下降[1],不能將有效的電功率輸入爐內(nèi),達(dá)不到快速升溫的目的,且保護(hù)功能不完善,容易造成電極折斷。

        針對(duì)電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的大時(shí)滯、非線性、時(shí)變問(wèn)題,提出了應(yīng)用在“恒阻抗策略”下的預(yù)測(cè)控制算法(PFC)的PFC-PID串級(jí)控制策略解決方法。當(dāng)電極電流增加時(shí)會(huì)反應(yīng)在精煉爐內(nèi)溫度升溫速度變大,此時(shí)主調(diào)節(jié)器輸出減小,即副調(diào)節(jié)給定值減小,要求選擇小電流工作曲線,使得控制液壓調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大,電極上升,電流變小。

        1 應(yīng)用背景

        精煉是以電弧加熱、氬氣攪拌和渣精煉為核心的鋼包精煉爐生產(chǎn)技術(shù)[2]。鋼包內(nèi)鋼水升溫階段采用控制電極放電起熱過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié),加熱升溫鋼水的過(guò)程一般包括:造渣埋弧、升溫階段、保溫出鋼階段等。宣鋼精煉爐電極調(diào)節(jié)升降存在不穩(wěn)定現(xiàn)象,給精煉爐的電極和變壓器帶來(lái)很大沖擊,同時(shí)造成精煉爐電耗損失增大。隨著公司品種結(jié)構(gòu)改變,精煉爐使用效率日益升高,節(jié)電效益可觀。我們通過(guò)技術(shù)交流和對(duì)標(biāo)咨詢(xún),邯鋼、石鋼和承鋼等鋼廠的精煉爐均進(jìn)行了電極升降調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的升級(jí)改造,改造后節(jié)電效果顯著。因此對(duì)宣鋼4座LF精煉爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高效改造就顯得非常重要。因此,計(jì)控中心牽頭組織一、二鋼軋廠及相關(guān)部室進(jìn)行了改造可行性論證,決定將二鋼軋廠2#180噸精煉爐做為試點(diǎn),對(duì)電極調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

        2 總體思路和實(shí)施方案

        2.1 總體思路

        精煉爐電極調(diào)節(jié)控制是一個(gè)間歇式操作、智能控制的過(guò)程,控制的重點(diǎn)是在“恒阻抗控制”的理念下,如何根據(jù)變壓器功率圓圖,應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù),選擇最優(yōu)電流工作曲線,驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)帶動(dòng)電極電流的升降,實(shí)現(xiàn)對(duì)精煉爐冶煉過(guò)程的調(diào)節(jié)與控制。

        二鋼軋廠2#180噸精煉爐西門(mén)子控制系統(tǒng)硬件設(shè)備完備,只需進(jìn)行軟件升級(jí)改造。在原電極調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)程序中嵌入新的控制系統(tǒng)。同時(shí)保持新舊控制系統(tǒng)可隨意切換。主要實(shí)施如下:

        (1)對(duì)2#180噸精煉爐西門(mén)子控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分析,確定不投入硬件設(shè)備,只需進(jìn)行軟件升級(jí)改造。

        (2)在原電極調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)程序中嵌入新的控制系統(tǒng)。同時(shí)保持新舊控制系統(tǒng)可隨意切換。

        (3)根據(jù)生產(chǎn)工藝情況調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù),測(cè)試數(shù)據(jù)。

        (4)現(xiàn)場(chǎng)編制程序、在線調(diào)試,編制操作規(guī)程,投入運(yùn)行。

        2.2 實(shí)施方案

        2.2.1 LF精煉爐工藝及電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)

        鋼水升溫階段采用控制電極放電起熱過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié),加熱升溫鋼水的過(guò)程一般包括:造渣埋弧、升溫階段、保溫出鋼階段等過(guò)程。

        (1)造渣埋弧階段。采用低電壓、大電流短弧操作,在冶煉工藝上采用泡沫渣技術(shù),進(jìn)行埋弧加熱,應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)提高成功埋弧速度實(shí)現(xiàn)精煉爐高效節(jié)能生產(chǎn)。

        (2)升溫階段。在“阻抗匹配”的前提下,適當(dāng)降低二次側(cè)工作電流,在這個(gè)階段根據(jù)變壓器功率圓圖,應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)選擇最佳工作電流曲線控制升溫速度實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

        (3)保溫出鋼。加入合金調(diào)整成分,攪拌并保溫一定時(shí)間,測(cè)溫取樣分析,成份合格并達(dá)到下一工序所需溫度時(shí)停止精煉。應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)選擇最佳工作電壓和工作電流曲線,達(dá)到最佳變壓器輸出功率及功率因素,控制保溫效果實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能生產(chǎn)。

        (4)冶煉過(guò)程中液壓系統(tǒng)控制。采用比例閥控制,實(shí)現(xiàn)電極的升降速度可變、可調(diào)而且靈敏度高。

        (5)實(shí)時(shí)弧流、弧壓采樣系統(tǒng)。精煉爐在冶煉過(guò)程中采用實(shí)時(shí)“恒阻抗控制”原理,預(yù)先建立精煉爐阻抗的模型,應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)算法及模型,計(jì)算控制變量到液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)控制電極的上下移動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)精煉爐內(nèi)電極電弧電流的有效控制。

        其電極控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示:

        2.2.2 電極調(diào)節(jié)器的控制技術(shù)

        當(dāng)電弧電流小于額定值時(shí),輸入到爐內(nèi)的電能減少,化渣時(shí)間拖長(zhǎng),電能及電極消耗量[4]均有增加;而當(dāng)電流非常大時(shí),就能使路線損耗大大增加,會(huì)使鋼液遭受增碳的危險(xiǎn),嚴(yán)重時(shí)可折斷電極。控制工藝目標(biāo)如下:(1)在造渣埋弧階段,保證在最佳電流工作曲線下不斷弧,埋弧時(shí)間短,穩(wěn)定精煉爐內(nèi)升溫過(guò)程;確保溫度、電極電流值達(dá)到平穩(wěn)、不超調(diào)。(2)升溫階段控制時(shí)保證升溫速度平穩(wěn)、波動(dòng)小,溫升速度在4-5.5℃/min、電極消耗在8g/t; 保持裝置在允許的安全和約束范圍內(nèi)正?;咀詣?dòng)運(yùn)行。(3)保溫出鋼階段,在最小能耗下保持精煉爐內(nèi)溫度不下降,確保了后續(xù)工序正常生產(chǎn)。(4)整個(gè)冶煉過(guò)程中冶煉時(shí)間在42分鐘以?xún)?nèi),通電時(shí)間在13-18分鐘。

        2.2.3 電極調(diào)節(jié)控制策略和方案

        鋼包精煉爐是用三相電極產(chǎn)生的電弧來(lái)加熱鋼液的,采用恒阻抗調(diào)節(jié)是解決電極間互耦作用的一種有效方法。

        針對(duì)電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的大時(shí)滯、非線性、時(shí)變問(wèn)題,提出了應(yīng)用在“恒阻抗策略”下的預(yù)測(cè)控制算法(PFC)的PFC-PID串級(jí)控制策略解決方法。

        控制系統(tǒng)的核心是基于測(cè)試法的過(guò)程模型辨識(shí)算法與預(yù)測(cè)函數(shù)控制(PFC)的設(shè)計(jì)。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型采用一階純滯后慣性環(huán)節(jié),測(cè)試法辨識(shí)結(jié)果與實(shí)際調(diào)節(jié)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似,表明數(shù)學(xué)模型與實(shí)際過(guò)程基本接近,可以用于控制方法研究。PFC具有預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正三部分,其最大特點(diǎn)是控制量計(jì)算方程簡(jiǎn)單,實(shí)時(shí)控制計(jì)算量小。

        2.2.4 精煉爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)研發(fā)

        (1)變壓器功率電流曲線模型建立。當(dāng)電極起弧后,埋弧效果在正常范圍內(nèi)變化時(shí),控制方式采用最優(yōu)工作電流曲線模型下自適應(yīng)回路調(diào)節(jié),當(dāng)電極電弧長(zhǎng)度超過(guò)設(shè)定值時(shí)容易造成斷弧或埋弧不穩(wěn)時(shí)引入具有前饋環(huán)節(jié)的補(bǔ)償功能。

        在變壓器及短網(wǎng)系統(tǒng)的電氣參數(shù)初步計(jì)算完成后,將制作LF的功率圓圖,并結(jié)合此圓圖數(shù)據(jù),選擇出合理的工作點(diǎn)。

        (2)系統(tǒng)硬件組成。電極調(diào)節(jié)器有電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng),弧壓弧流檢測(cè)系統(tǒng)及與本體通訊接口等組成。控制器采用西門(mén)子s7-400PLC,弧流檢測(cè)采用羅氏線圈測(cè)量。并與本體PLC建立以太網(wǎng)連接,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)交換,保證相關(guān)安全連鎖的穩(wěn)定運(yùn)行。

        (3)軟件策略。電極調(diào)節(jié)器軟件部分與舊控制系統(tǒng)有著本質(zhì)區(qū)別,因此對(duì)電極調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)程序進(jìn)行了重新編制,新調(diào)節(jié)器主要有阻抗控制器、過(guò)流控制器、短路控制器等組成,系統(tǒng)投用后出現(xiàn)電流超調(diào)量較大,保護(hù)功能不全導(dǎo)致電極發(fā)生挫傷斷裂的事故,因此針對(duì)實(shí)際使用情況對(duì)各控制器進(jìn)行了優(yōu)化,并增加了部分保護(hù)功能。

        2.2.5 過(guò)流控制器和短路控制器

        實(shí)際電流信號(hào)與過(guò)載電流最大值相比較,差值通過(guò)一個(gè)PI控制器,輸出經(jīng)過(guò)限幅后,與阻抗控制器的輸出相加控制電極快速提升。當(dāng)電流超過(guò)最大電流設(shè)定值時(shí),過(guò)電流控制器自動(dòng)使能,通過(guò)三個(gè)積分器,過(guò)電流值過(guò)的越大,電極速度提得越快。

        2.2.6 液壓比例閥控制優(yōu)化

        電極的響應(yīng)速度對(duì)調(diào)節(jié)器的性能非常重要,系統(tǒng)投用后發(fā)現(xiàn)電極上升過(guò)程中響應(yīng)較慢,檢查發(fā)現(xiàn)在上升過(guò)程中,給定速度在液壓閥的死區(qū)內(nèi),因此對(duì)液壓閥控制給定電壓進(jìn)行調(diào)整,避免了給定值在液壓閥范圍內(nèi),提升了電極的響應(yīng)速度及精度。增加備用比例閥門(mén)控制程序,在液壓管路上增加備用比例閥,在控制系統(tǒng)中增加主用備用閥切換程序,使用主用閥故障時(shí),可以迅速的切換至備用閥,避免了因比例閥故障導(dǎo)致生產(chǎn)停頓。

        2.2.7 增加調(diào)節(jié)器保護(hù)功能

        冶煉過(guò)程中,當(dāng)變壓器調(diào)壓檔位切換時(shí),通過(guò)減小二次電流來(lái)保護(hù)調(diào)壓檔位切換。一般電流減小正常冶煉電流值的20%。電極下降過(guò)程中,為了檢測(cè)到非導(dǎo)電材料防止電極折斷,需要判斷電極液壓壓力信號(hào),當(dāng)液壓壓力低于報(bào)警值1時(shí),電極減速下降。

        2.2.8 系統(tǒng)HMI構(gòu)成

        電極調(diào)節(jié)主畫(huà)面界面主要包括以下幾內(nèi)容,三相弧壓、弧流、阻抗、功率、功率因數(shù)、通電時(shí)間、電量顯示、調(diào)壓檔實(shí)際檔位顯示、電極上下限位顯示、比例閥輸出顯示、三相弧壓、弧流、比例閥輸出歷史趨勢(shì)顯示。

        3 實(shí)施效果

        項(xiàng)目實(shí)施后,在電極第一次起弧過(guò)程中,可以明顯減小因鋼水渣層產(chǎn)生的對(duì)電極電流的大幅度波動(dòng),減輕電極振動(dòng),有效保護(hù)電極。在電極正常加熱過(guò)程中,可以明顯減小電極電流的大范圍波動(dòng),從而減小電極的縱向震動(dòng)幅度和橫向震動(dòng)頻率,有效保護(hù)電極。

        系統(tǒng)應(yīng)用后,2#精煉爐使用新電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)噸鋼節(jié)電率15.63%,采用恒阻抗調(diào)節(jié)器噸鋼電耗大大降低。新調(diào)節(jié)器實(shí)施后系統(tǒng)弧壓穩(wěn)定,弧流調(diào)節(jié)超調(diào)量小,較1#精煉爐調(diào)節(jié)系統(tǒng)有很大的改觀,弧流值基本可以穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)。

        4 結(jié)論

        該系統(tǒng)投運(yùn)入使用以來(lái),效果良好,運(yùn)行穩(wěn)定。項(xiàng)目的成功實(shí)施和應(yīng)用,達(dá)到優(yōu)化工藝、縮短冶煉時(shí)間、降低生產(chǎn)成本目的,同時(shí)對(duì)提高精煉爐生產(chǎn)管理水平、提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起到積極的作用,年節(jié)電效益約170萬(wàn)元。

        參考文獻(xiàn):

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        作者簡(jiǎn)介:孫海曉(1984-),男,河北懷安人,本科,自動(dòng)化工程師,從事電氣自動(dòng)化設(shè)備管理工作。

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