李雪輝

（河鋼集團(tuán)宣鋼公司， 河北 宣化 075100）

河鋼集團(tuán)宣鋼公司（全文簡(jiǎn)稱宣鋼）180 t LF 精煉爐采精煉是以電弧加熱、氬氣攪拌和渣精煉為核心的鋼包精煉爐生產(chǎn)技術(shù)[1]，宣鋼二鋼軋廠180 t 鋼包精煉爐是轉(zhuǎn)爐和連鑄機(jī)的中間環(huán)節(jié)，起著承前啟后的作用，保證連鑄機(jī)穩(wěn)定生產(chǎn)。鋼包吹氬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋼水?dāng)嚢枋逛撍疁囟群突瘜W(xué)成分更加均勻，有效去除鋼水中的氣體及夾雜物，提高鋼水質(zhì)量的關(guān)鍵裝置。在LF 精煉過程中，實(shí)行全程自動(dòng)吹氬。

1 鋼包自動(dòng)吹氬節(jié)能控制現(xiàn)狀

鋼包不僅運(yùn)輸鋼水和澆鑄鋼水，也是爐外精煉的精煉爐。鋼水從轉(zhuǎn)爐冶煉完畢出來(lái)進(jìn)入到鋼包之中，將被溫度較低的鋼包吸走一些熱量，同時(shí)在鋼包的外表還要不斷散發(fā)熱量，這樣導(dǎo)致出現(xiàn)了鋼包底、中、上和邊部的鋼液溫度差較大。比較大型的鋼包這種溫度差值在30~70 ℃。鋼包底吹氬工藝技術(shù)可使鋼包中鋼水的溫度和成分均勻，帶出夾雜，改善鋼水質(zhì)量等功能。宣鋼180 t LF 精煉爐鋼包吹氬控制方式采用傳統(tǒng)的控制方式，即比較設(shè)定值與實(shí)際值偏差，根據(jù)偏差值對(duì)應(yīng)相應(yīng)的開度，目前該模式存在嚴(yán)重的缺陷，經(jīng)常性出現(xiàn)設(shè)定流量從大流量設(shè)定至小流量時(shí)，控制程序出現(xiàn)不能調(diào)節(jié)的情況，崗位人員只能手動(dòng)關(guān)閉閥門后重新設(shè)定再自動(dòng)打開造成中途吹氬中斷或長(zhǎng)時(shí)間過吹造成鋼溫度損失過大。同樣即使正常調(diào)節(jié)范圍內(nèi)也存在精度不足，偏差大的問題。

2 鋼包自動(dòng)吹氬控制節(jié)能方式分析

LF 精煉鋼包吹氬目前工藝需求為鋼包到位后使用高壓旁路強(qiáng)吹，然后轉(zhuǎn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)，一般前期等待設(shè)定量為600~700 L/min，通電后設(shè)定量為400~500 L/min，通電結(jié)束軟吹設(shè)定量為200~250 L/min。根據(jù)以上工藝特點(diǎn)采用西門子較成熟的PID 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)[2]。關(guān)鍵控制特點(diǎn)為因使用單調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，超調(diào)量可能過大，不利于生產(chǎn)，因此擬針對(duì)不同的設(shè)定值對(duì)PID 的輸出范圍進(jìn)行限定，并根據(jù)實(shí)時(shí)流量的數(shù)據(jù)變化率對(duì)PID 的死區(qū)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)超調(diào)量降低并解決大范圍調(diào)節(jié)時(shí)程序不能跟蹤問題，同時(shí)降低氬氣消耗。改造之前采用原控制模型曲線，可以看出流量波動(dòng)較大，超調(diào)量較大，造成鋼水液面波動(dòng)較大，影響電極供電效果。改造前期崗位設(shè)定流量為500 L/min，但實(shí)際流量均在1 000 L/min，只有再次關(guān)閥后重新調(diào)節(jié)可能會(huì)基本穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。

根據(jù)以上工藝特點(diǎn)采用西門子較成熟的PID 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。關(guān)鍵控制特點(diǎn)為因使用單調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，超調(diào)量可能過大，不利于生產(chǎn)，因此擬針對(duì)不同的設(shè)定值對(duì)PID 的輸出范圍進(jìn)行限定，并根據(jù)實(shí)時(shí)流量的數(shù)據(jù)變化率對(duì)PID 的死區(qū)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)超調(diào)量降低并解決大范圍調(diào)節(jié)時(shí)程序不能跟蹤問題，同時(shí)降低氬氣消耗。實(shí)現(xiàn)了氬氣流量從15～1 000 L/min 可調(diào)，精度為10 L/min。根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了：記錄氬氣耗量的瞬時(shí)值及累積值并在HMI 上顯示，可根據(jù)操作人員在HMI 上的設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)氬氣流量。

3 鋼包自動(dòng)吹氬節(jié)能控制方案研究

精煉爐1 號(hào)、2 號(hào)工位分別設(shè)置一套氬氣閥臺(tái)柜，該閥臺(tái)柜由氬氣分氣包，切斷閥、質(zhì)量流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、排空閥、壓力檢測(cè)單，同時(shí)有旁路強(qiáng)吹閥門等組成。本次改造原有的硬件設(shè)備如調(diào)節(jié)閥采用的FISHER 閥門、流量計(jì)采用的是橫河質(zhì)量流量計(jì)、測(cè)量和控制精度均滿足本次改造需要，因此全部利舊。

針對(duì)目前的閥門控制系統(tǒng)，認(rèn)為通過PID 調(diào)節(jié)器既可對(duì)當(dāng)前的控制模型有很大的優(yōu)化空間，因此采用西門子較為成熟的FB41 PID 調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)氬氣的自動(dòng)調(diào)節(jié)（見圖1）。

圖1 PID 調(diào)節(jié)框圖

當(dāng)鋼包進(jìn)入精煉位時(shí)，底吹氬系統(tǒng)首先開始強(qiáng)吹，強(qiáng)吹15 s 后，轉(zhuǎn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)，此時(shí)根據(jù)HMI 設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，要求調(diào)節(jié)速度快，氬氣流量能夠在3~5 s 達(dá)到設(shè)定值，且超調(diào)量不能超過10 L/min。該系統(tǒng)采用單座調(diào)節(jié)閥控制，不能實(shí)現(xiàn)串級(jí)PID 控制，因此需要考慮其他控制方式繼續(xù)對(duì)該P(yáng)ID 控制模型進(jìn)行優(yōu)化（見圖2）。

圖2 增量變化框圖

采用經(jīng)典的PID 系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了氬氣流量的控制，但還存在當(dāng)瞬時(shí)流量和設(shè)定流量相近時(shí)，如果調(diào)節(jié)器仍劇烈輸出，可能造成超調(diào)量變大，對(duì)系統(tǒng)造成不利影響。因此設(shè)計(jì)了PID 死區(qū)值的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模型（見圖3）。

采用以上的PID 系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了氬氣的控制，但還存在當(dāng)氬氣實(shí)際流量和設(shè)定流量相近時(shí)，調(diào)節(jié)閥仍然變化劇烈，造成氬氣流量超調(diào)量變大，對(duì)系統(tǒng)造成不利影響。因此設(shè)計(jì)了氬氣流量PID 死區(qū)值的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模型，根據(jù)鋼包吹氬流量增量和設(shè)定值與實(shí)際值之間的差值，來(lái)計(jì)算死區(qū)值。實(shí)現(xiàn)當(dāng)流量在小范圍波動(dòng)時(shí)，PID 輸出會(huì)保持不變，避免了超調(diào)大的情況發(fā)生。

每1 s 采集一次氬氣流量，并將該流量放入一個(gè)堆棧數(shù)據(jù)區(qū)，計(jì)算該數(shù)據(jù)區(qū)前3 s 內(nèi)采集流量平均值和后3 s 內(nèi)采集流量平均值在，這兩個(gè)平均值的差值為氬氣流量的變化增量。

圖3 PID 死區(qū)控制框圖

4 鋼包自動(dòng)吹氬節(jié)能技術(shù)運(yùn)行實(shí)踐和實(shí)施效果

對(duì)LF 精煉爐編寫鋼包吹氬PID 控制模型[3]，解決吹氬由大流量向小流量設(shè)置時(shí)，程序鎖死的問題，實(shí)現(xiàn)吹氬量可以穩(wěn)定調(diào)節(jié)的功能。LF 精煉爐自動(dòng)吹氬系統(tǒng)相對(duì)常規(guī)吹氬系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)便，提高鋼水質(zhì)量，提高了電極調(diào)節(jié)的平穩(wěn)性，降低氬氣、電極等消耗，縮短冶煉時(shí)間、消除鋼液中各種雜質(zhì)、調(diào)整各種化學(xué)成分、控制爐溫等環(huán)節(jié)，都有重要作用。從統(tǒng)計(jì)數(shù)表來(lái)看，優(yōu)化改造前后氬氣單耗數(shù)值對(duì)比，氬氣消耗量明顯降低。LF 精煉爐自動(dòng)吹氬系統(tǒng)由2019 年9月底改造完畢，參照對(duì)比見表1。

表1 LF 精煉爐2018 年11 月—2019 年12 月度氬氣單耗對(duì)比表

引入對(duì)PID 死區(qū)控制的方式，實(shí)現(xiàn)微小偏差時(shí)，PID 調(diào)節(jié)器可以減少輸出量，實(shí)現(xiàn)單PID 調(diào)節(jié)穩(wěn)定的目的。優(yōu)化改造系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了現(xiàn)場(chǎng)在安全性、方便性方面的要求，同時(shí)也進(jìn)行了各種故障的處理，確保了整個(gè)系統(tǒng)可以安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

5 結(jié)論

LF 精煉爐鋼包自動(dòng)吹氬節(jié)能模式軟件遠(yuǎn)程連鎖操作和畫面設(shè)計(jì)功能組開發(fā)與應(yīng)用，全部由我廠技術(shù)人員自主開發(fā)，沒有增加硬件投入。

對(duì)精煉爐氬氣控制模型的改進(jìn)，不僅解決了當(dāng)前氬氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在的大流量向小流量不能切換的問題，同時(shí)因減少了氬氣超調(diào)或長(zhǎng)時(shí)間工作在大流量造成的氬氣消耗。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了氬氣精確調(diào)節(jié)后，可以滿足不同鋼種的需求，年節(jié)約氬氣成本43.14 萬(wàn)元。