楊永強(qiáng),楊小兵,華 成,張建龍

(酒鋼集團(tuán)宏興股份公司 不銹鋼分公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

1 前 言

酒鋼對(duì)電爐電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)采用PLC控制方式進(jìn)行升級(jí)改造。PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行故障率低,備件通用,有利于后期的設(shè)備備件儲(chǔ)備和采購(gòu)。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(guò)升級(jí)改造最終達(dá)到提升工藝冶煉效率和設(shè)備升級(jí)的目標(biāo)[1-5]。

2 電爐電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)存在問(wèn)題介紹

不銹鋼分公司煉鋼電爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)由SMS公司供貨,型號(hào)為ET-DecNT,系統(tǒng)使用的工控機(jī)、配套的DCS模擬量控制板、DEC運(yùn)算控制板都是特殊制造。工控機(jī)以及配套的模擬量控制板、DEC運(yùn)算板以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)已經(jīng)升級(jí),同型號(hào)的工控機(jī)、模擬量控制板和運(yùn)算板已經(jīng)停產(chǎn),另外在ET-DecNT系統(tǒng)中,外方對(duì)其核心技術(shù)進(jìn)行專利保護(hù)。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中頻繁發(fā)生死機(jī)、硬盤(pán)損壞、顯卡損壞等故障,硬件運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與日俱增,無(wú)法預(yù)測(cè)掌控。在生產(chǎn)過(guò)程中一旦工控機(jī)、DEC運(yùn)算控制板、模擬量控制板等特殊部件損壞,將直接導(dǎo)致300系鋼種停產(chǎn)。

3 項(xiàng)目技術(shù)措施及實(shí)施方案

電爐電極調(diào)節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)相對(duì)來(lái)講控制工藝復(fù)雜,要求反應(yīng)靈敏、精度高,對(duì)于改造方案的確定是本項(xiàng)目的關(guān)鍵。酒鋼新電極控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-1500系列PLC構(gòu)建,配備ROCOIL羅氏線圈、積分器電流采集裝置,電壓檢測(cè)箱采集裝置,控制系統(tǒng)則采用阻抗控制模式,系統(tǒng)由三個(gè)獨(dú)立的阻抗調(diào)節(jié)模型和若干控制子模型構(gòu)成。通過(guò)優(yōu)化設(shè)定的阻抗輸入點(diǎn),液壓系統(tǒng)特性匹配,重構(gòu)控制模型參數(shù)。

項(xiàng)目實(shí)施的具體方案如下:

(1)采用PLC控制系統(tǒng)代替原設(shè)計(jì)停產(chǎn)的ET-DecNT系統(tǒng),作為電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制中心;

(2)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)弧流弧壓信號(hào)的采集裝置進(jìn)行升級(jí),將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)化為PLC能接收和識(shí)別的信號(hào);

(3)建立電極調(diào)節(jié)器的控制畫(huà)面和編寫(xiě)電極調(diào)節(jié)器的應(yīng)用程序;

(4)測(cè)試液壓系統(tǒng)對(duì)電極的驅(qū)動(dòng)速度,用于設(shè)置基本的電極控制升降速度參數(shù);

(5)設(shè)置變壓器每一個(gè)擋位下多個(gè)阻抗值,優(yōu)化變壓器的功率因數(shù),使變壓器的能力達(dá)到最優(yōu);

(6)不同冶煉階段選擇最優(yōu)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(yōu)化

本項(xiàng)目升級(jí)改造的關(guān)鍵亮點(diǎn)在于高效冶煉、節(jié)能技術(shù)。

電弧爐三相電極控制系統(tǒng)提供了三個(gè)獨(dú)立的阻抗控制模型和若干控制子模型。通過(guò)優(yōu)化設(shè)定的阻抗輸入點(diǎn),使變壓器的功率最大限度地消耗在電弧上,從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

節(jié)能首先在于工作點(diǎn)的計(jì)算與選擇,由于變壓器有多個(gè)檔位,而短網(wǎng)是固定的R+JX,因此在擋位阻抗工作點(diǎn)的計(jì)算和選取上十分關(guān)鍵。計(jì)算最佳工作點(diǎn),確保在不同冶煉階段發(fā)揮最優(yōu)電弧功率。我們將計(jì)算變壓器及電抗器不同擋位對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn),包括該工作點(diǎn)下的功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、電弧功率、對(duì)爐壁的輻射強(qiáng)度、電弧長(zhǎng)度等。由于變壓器及電抗器擁有多種組合,同時(shí)在不同組合下可設(shè)定多條冶煉曲線,因此系統(tǒng)將擁有數(shù)百個(gè)工作點(diǎn)。

穿井效率和模型:有了計(jì)算和選擇的最佳工作點(diǎn),在穿井過(guò)程中,數(shù)學(xué)模型將通過(guò)算法感知穿井狀態(tài),從而以10 ms級(jí)實(shí)時(shí)自動(dòng)整定PID參數(shù)等。模型還擁有多個(gè)子模型,確保穿井最優(yōu),迅速形成熔池,圖1為模型總覽。

圖1 模型總覽

液壓系統(tǒng)測(cè)試和模型標(biāo)定匹配:液壓閥是唯一被控對(duì)象,液壓閥的特性曲線測(cè)試尤為重要。每個(gè)液壓閥都有死區(qū),以及線性度不一樣。要反復(fù)測(cè)試液壓閥死區(qū)、零漂、拐點(diǎn)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(tǒng)精確在工作點(diǎn)上運(yùn)行。

1)工作點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

工作點(diǎn)計(jì)算還需考慮電弧長(zhǎng)度與渣層厚度、變壓器檔位特性、變壓器內(nèi)阻抗、短網(wǎng)阻抗(dip test)等參數(shù),并充分考慮來(lái)料、渣層厚度,爐壁輻射等因素,最大限度發(fā)揮電弧效率,優(yōu)化埋弧效果,減少對(duì)橫臂及水冷電纜的機(jī)械沖擊,減少對(duì)變壓器及電網(wǎng)沖擊,提高鋼水質(zhì)量及冶煉效能。如果沒(méi)有上述計(jì)算,則設(shè)計(jì)時(shí)就可能導(dǎo)致工作點(diǎn)不佳,如電弧過(guò)長(zhǎng),弧光暴露,或電弧短導(dǎo)致功率因數(shù)低等問(wèn)題。

依據(jù)電抗器銘牌、變壓器銘牌及短網(wǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算,結(jié)果如表1(本文只列舉了變壓器在6擋到12擋短網(wǎng)部分?jǐn)?shù)據(jù))所示。

表1 變壓器在6擋到12擋短網(wǎng)部分?jǐn)?shù)據(jù)

2)液壓系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)充分考慮液壓特性對(duì)于冶煉控制的影響。作為系統(tǒng)中唯一的被控對(duì)象,液壓系統(tǒng)的特性對(duì)冶煉的影響至關(guān)重要。每一相電極由于液壓部分和機(jī)械部分的因素影響,導(dǎo)致其升降特性不盡相同。液壓系統(tǒng)存在死區(qū)、零漂、線性化差、速度不一致。因此系統(tǒng)將對(duì)液壓特性進(jìn)行測(cè)試并描繪其特性曲線(見(jiàn)圖2),最終匹配到系統(tǒng)控制參數(shù)中,達(dá)到液壓系統(tǒng)與控制模型高度結(jié)合,確保系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)。本項(xiàng)目中液壓通訊系統(tǒng)測(cè)試的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)見(jiàn)表2～表4。

表2 電極特定行程、特定電壓下運(yùn)行時(shí)間參數(shù)列表

表3 速度因數(shù)計(jì)算值列表

表4 死區(qū)補(bǔ)償計(jì)算列表

圖2 實(shí)測(cè)液壓特性曲線

5 項(xiàng)目升級(jí)改造完成情況

酒鋼100T電爐電爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造實(shí)施后,控制穩(wěn)定性和靈敏度大幅提升,冶煉過(guò)程過(guò)流次數(shù)明顯減少(由原來(lái)的平均3～5次/爐減少到0～3次/爐),進(jìn)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(tǒng)靈敏度提升后,大大提高了電極在復(fù)雜工況條件下的響應(yīng)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(dǎo)致的斷電極問(wèn)題。塌料斷電極次數(shù)由原來(lái)的平均4次/月下降到2次/月。另外,電爐冶煉效率提升后,節(jié)能效果顯著,噸鋼節(jié)能8 kW·h以上,完成了電爐調(diào)節(jié)自動(dòng)化控制系統(tǒng)升級(jí)改造項(xiàng)目既定目標(biāo)。

6 結(jié) 語(yǔ)

電爐電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是電爐生產(chǎn)關(guān)鍵核心設(shè)備,酒鋼采用了先進(jìn)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(jī)械沖擊,減少電能消耗,大幅改善電極調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的特性,電爐冶煉效率得到很大提升。硬件基于西門(mén)子S7-1500系列PLC構(gòu)建電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)維護(hù)更加便捷,備件常規(guī)通用,淘汰落后生產(chǎn)技術(shù),確保設(shè)備可靠高效運(yùn)行。