任鐵良 王衛(wèi)紅 李寶東 胡中博 袁祺森

(中鋼集團鞍山熱能研究院有限公司)

煉鋼過程中，鋼水中夾雜物是影響鋼水質量的重要因素。為了降低鋼水中夾雜物含量，鋼包精煉爐(LF)一般采用底吹氬氣(根據(jù)冶煉鋼種不同還有可能吹入氮氣或二氧化碳)來促使鋼水中夾雜物上浮，同時還能使鋼水成分和溫度均勻化。吹氬過程對后續(xù)成品鋼質量起著關鍵作用，若氬氣供應不穩(wěn)定就會造成后續(xù)成品鋼質量差，甚至產生次品、廢品，嚴重時出現(xiàn)“夾渣”質量事故。目前煉鋼企業(yè)的吹氬控制相對比較簡單，一般利用輸送管道將氬氣站產生的氬氣通過閥站直接輸送到鋼包底部的吹氬口。當LF大于100 t時，氬氣站為鋼包輸出兩路氬氣。氬氣操作人員人工給定每路的氬氣流量，通過LF爐蓋上的窺視孔觀察熔渣翻騰情況，逐漸調節(jié)每路的氬氣流量，直至熔渣達到最佳翻騰狀態(tài)為止。或者由PLC控制LF氬氣流量，一般控制方法是不同的冶煉時段設定不同的固定流量，但是難以達到熔渣最佳翻騰效果[1-2]。

1 控制原理

基于光譜識別LF氬氣底吹自適應控制系統(tǒng)，模擬人工經驗進行LF吹氬氣操作。當氬氣吹入過多時，渣層下面的鋼水翻騰至渣面，由于鋼水溫度高于渣層表面溫度，鋼水翻騰區(qū)域的亮度明顯高于周圍區(qū)域。當氬氣吹入過少時，渣層下面的鋼水翻騰不出渣面，由于渣層表面溫度低于其下的鋼水溫度，吹氬區(qū)域渣面亮度與周圍區(qū)域無明顯差別。通過實時檢測LF爐內吹氬區(qū)域熔渣表面光譜發(fā)光強度，調整氬氣流量，控制渣層表面光譜發(fā)光強度在一定范圍內，既保證不裸露鋼水，還能達到熔渣最佳翻騰效果，以最低的氬氣消耗量獲得最佳鋼水攪拌效果。

2 系統(tǒng)設計

基于光譜識別的LF氬氣底吹自適應控制系統(tǒng)構成見圖1。在LF水冷爐蓋上的人工窺視孔上方固定安裝一個光譜火焰強度檢測器B(簡稱光譜火檢)，光譜火檢的鏡頭對準LF爐內氬氣翻騰明顯的區(qū)域，即LF 2根氬氣管路入口2塊透氣磚上方鋼水之上渣層表面的中間區(qū)域。在LF氬氣站的2個支路上設有氬氣流量控制調節(jié)閥、氬氣質量流量計、氬氣壓力傳感器。

光譜火檢的檢測信號B、氬氣質量流量計的檢測信號F1和F2、氬氣壓力傳感器的檢測信號P1和P2，接入可編程控制器PLC的模擬量輸入模塊；氬氣流量控制調節(jié)閥控制信號FV1和FV2，接入可編程控制器PLC的模擬量輸出模塊。輸入信號B、F1、P1與輸出信號FV1構成一閉環(huán)控制，輸入信號B、F2、P2與輸出信號FV2構成另一閉環(huán)控制，構成的兩閉環(huán)控制如圖1中虛線連接所示?；诠庾V識別的鋼包精煉爐氬氣底吹自適應控制系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。PLC通過網絡交換機與IPC工控機連接，網絡交換機通訊協(xié)議為TCP/IP，網絡交換機為LF控制系統(tǒng)共用，LF其它檢測和控制信號可同時接入IPC工控機[3]。

圖1 LF氬氣底吹自適應控制系統(tǒng)構成

圖2 氬氣底吹自適應控制系統(tǒng)的硬件組成

每路氬氣采用單獨的閉環(huán)控制，為使氬氣引起的渣面翻騰效果最佳且受外界擾動(如氬氣壓力擾動)最小，應用串級PID控制，即PID控制有主、副兩個控制回路。其中主控回路(外回路)控制渣層表面光譜發(fā)光強度，副回路(內回路)控制氬氣流量， LF氬氣流量PID串級控制原理見圖3。

圖3中所示PID1為LF第一路氬氣管線的串級PID控制的主回路控制器(主PID函數(shù)塊)，PID2為第一路氬氣管線的串級PID控制的副回路控制器(副PID函數(shù)塊)。第二路氬氣的串級PID控制的主副回路與第一路氬氣相同，圖3中未標出第二路氬氣串級PID控制回路。

圖3 LF氬氣流量PID串級控制原理

主PID回路控制渣層表面光譜發(fā)光強度，副PID回路控制氬氣流量。

主PID函數(shù)塊B反饋的輸入信號為實際光譜發(fā)光強度，是把檢測到的LF渣層表面的光譜發(fā)光強度B信號經過輸入轉換后得到的。主PID函數(shù)塊的給定值為給定光譜發(fā)光強度，是按LF渣層達到最佳效果標定出的，主PID函數(shù)塊輸出為氬氣給定流量，是副回路控制的給定值。

副PID函數(shù)塊F反饋輸入信號為實際流量，是把檢測到的氬氣回路中的壓力P1(或P2)、質量流量F1(或F2)，經過F1/P1換算(或F2/P2換算)得到的。副函數(shù)塊給定流量，即主PID函數(shù)塊輸出值。副PID函數(shù)塊經計算、轉換輸出，加載給調節(jié)閥，以確保有合適的氬氣流量從LF底部吹入鋼水中。

當吹氬區(qū)域實際光譜發(fā)光強度由于氬氣壓力的降低低于給定光譜發(fā)光強度時，主PID函數(shù)塊控制輸出的給定流量將增加，即副PID函數(shù)塊的給定流量增加，如此時實際流量未變化，則流量偏差增大，經副PID函數(shù)塊調節(jié)，將增大對調節(jié)閥的控制輸出，使調節(jié)閥開大，增加氬氣流量。當氬氣流量趨于最佳時，LF吹氬區(qū)域鋼水翻騰更好，能確保鋼水恰好不裸露出渣面，吹氬區(qū)域光譜發(fā)光強度增大直至趨近于給定的光譜發(fā)光強度，即實現(xiàn)了對光譜發(fā)光強度的穩(wěn)定調節(jié)。

LF 2路氬氣串級PID控制共用一個光譜發(fā)光強度檢測輸入信號，為避免2個串級PID控制產生過大耦合效應，對2路氬氣經輸入轉換的實際流量比值限定在一固定范圍內。

基于光譜識別的LF 2路氬氣底吹自適應控制系統(tǒng)，涉及的檢測輸入?yún)⒘浚篖F渣層表面光譜發(fā)光強度信號1個，LF氬氣管線壓力信號2個，LF氬氣管線流量信號2個；涉及的控制輸出參量：LF氬氣管線流量調節(jié)閥2個。

3 系統(tǒng)標定

控制系統(tǒng)應用前需對系統(tǒng)進行標定。LF 2路底吹氬氣流量最佳時、過大時和過小時的鋼水翻騰狀態(tài)見圖4、圖5和圖6。

人工控制LF底吹氬氣流量的過程為，通過工業(yè)攝像機觀察LF渣層表面，目測到圖5的狀態(tài)減小氬氣流量，目測到圖6的狀態(tài)增大氬氣流量，直至調整氬氣流量到鋼水翻騰效果達到圖4的狀態(tài)為止。

圖5 2路底吹氬氣流量過大時鋼水翻騰狀態(tài)

圖6 2路底吹氬氣流量過小時鋼水翻騰狀態(tài)

該控制系統(tǒng)完全模擬上述LF底吹氬氣人工操作過程，系統(tǒng)運行前，按照人工控制氬氣流量的方式，將氬氣流量調整到最佳狀態(tài)(即目標實際鋼水翻騰效果對應圖4)，安裝于LF窺視孔處的光譜火檢標定出此時對應的光譜發(fā)光強度，記錄于上位機中保存(編制相應光譜標定程序)，PLC根據(jù)上位機的光譜標定結果，進行2路氬氣串級PID控制。

圖4 2路底吹氬氣流量最佳時鋼水翻騰狀態(tài)

在底吹氬系統(tǒng)正式投運前，需要分別對每路氬氣的主、副回路的PID參數(shù)(比例常數(shù)、積分時間、微分時間、控制死區(qū))進行摸索整定，使其以最快的收斂速度趨于穩(wěn)定狀態(tài)；還需要對氬氣轉換后的實際氬氣流量比值進行范圍整定，確保不產生過大耦合效應。

4 系統(tǒng)特點

與目前LF現(xiàn)有氬氣底吹控制相比，該控制設計具有以下特點：

(1)模擬LF人工底吹氬調節(jié)過程，實現(xiàn)LF氬氣底吹自適應控制，無需人工干預；

(2)以最低的氬氣消耗量獲得最佳鋼水攪拌效果；

(3)無需對現(xiàn)有LF設備進行改造，僅需在LF窺視口加裝一光譜火焰強度檢測器，光譜火檢信號接入現(xiàn)有PLC系統(tǒng)，編制相應的軟件即可，簡便易行。

該控制設計不僅適用2塊透氣磚的LF，還適用于2塊以上底部透氣磚的LF，且對于吹氮氣或二氧化碳的LF也適用。