李雪輝

（河鋼集團宣鋼公司， 河北 宣化 075100）

河鋼集團宣鋼公司（全文簡稱宣鋼）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[1]，宣鋼二鋼軋廠180 t 鋼包精煉爐是轉(zhuǎn)爐和連鑄機的中間環(huán)節(jié)，起著承前啟后的作用，保證連鑄機穩(wěn)定生產(chǎn)。鋼包吹氬系統(tǒng)實現(xiàn)鋼水攪拌使鋼水溫度和化學成分更加均勻，有效去除鋼水中的氣體及夾雜物，提高鋼水質(zhì)量的關鍵裝置。在LF 精煉過程中，實行全程自動吹氬。

1 鋼包自動吹氬節(jié)能控制現(xiàn)狀

鋼包不僅運輸鋼水和澆鑄鋼水，也是爐外精煉的精煉爐。鋼水從轉(zhuǎn)爐冶煉完畢出來進入到鋼包之中，將被溫度較低的鋼包吸走一些熱量，同時在鋼包的外表還要不斷散發(fā)熱量，這樣導致出現(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，即比較設定值與實際值偏差，根據(jù)偏差值對應相應的開度，目前該模式存在嚴重的缺陷，經(jīng)常性出現(xiàn)設定流量從大流量設定至小流量時，控制程序出現(xiàn)不能調(diào)節(jié)的情況，崗位人員只能手動關閉閥門后重新設定再自動打開造成中途吹氬中斷或長時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吹，然后轉(zhuǎn)入自動調(diào)節(jié)，一般前期等待設定量為600~700 L/min，通電后設定量為400~500 L/min，通電結束軟吹設定量為200~250 L/min。根據(jù)以上工藝特點采用西門子較成熟的PID 控制器來實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)[2]。關鍵控制特點為因使用單調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，超調(diào)量可能過大，不利于生產(chǎn)，因此擬針對不同的設定值對PID 的輸出范圍進行限定，并根據(jù)實時流量的數(shù)據(jù)變化率對PID 的死區(qū)值進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)超調(diào)量降低并解決大范圍調(diào)節(jié)時程序不能跟蹤問題，同時降低氬氣消耗。改造之前采用原控制模型曲線，可以看出流量波動較大，超調(diào)量較大，造成鋼水液面波動較大，影響電極供電效果。改造前期崗位設定流量為500 L/min，但實際流量均在1 000 L/min，只有再次關閥后重新調(diào)節(jié)可能會基本穩(wěn)定在設定范圍內(nèi)。

根據(jù)以上工藝特點采用西門子較成熟的PID 控制器來實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。關鍵控制特點為因使用單調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，超調(diào)量可能過大，不利于生產(chǎn)，因此擬針對不同的設定值對PID 的輸出范圍進行限定，并根據(jù)實時流量的數(shù)據(jù)變化率對PID 的死區(qū)值進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)超調(diào)量降低并解決大范圍調(diào)節(jié)時程序不能跟蹤問題，同時降低氬氣消耗。實現(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)的實際情況，同時實現(xiàn)了：記錄氬氣耗量的瞬時值及累積值并在HMI 上顯示，可根據(jù)操作人員在HMI 上的設定值自動調(diào)節(jié)氬氣流量。

3 鋼包自動吹氬節(jié)能控制方案研究

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

針對目前的閥門控制系統(tǒng)，認為通過PID 調(diào)節(jié)器既可對當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)器來實現(xiàn)氬氣的自動調(diào)節(jié)（見圖1）。

圖1 PID 調(diào)節(jié)框圖

當鋼包進入精煉位時，底吹氬系統(tǒng)首先開始強吹，強吹15 s 后，轉(zhuǎn)入自動調(diào)節(jié)，此時根據(jù)HMI 設定值進行調(diào)節(jié)，要求調(diào)節(jié)速度快，氬氣流量能夠在3~5 s 達到設定值，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，不能實現(xiàn)串級PID 控制，因此需要考慮其他控制方式繼續(xù)對該PID 控制模型進行優(yōu)化（見圖2）。

圖2 增量變化框圖

采用經(jīng)典的PID 系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了氬氣流量的控制，但還存在當瞬時流量和設定流量相近時，如果調(diào)節(jié)器仍劇烈輸出，可能造成超調(diào)量變大，對系統(tǒng)造成不利影響。因此設計了PID 死區(qū)值的動態(tài)調(diào)節(jié)模型（見圖3）。

采用以上的PID 系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了氬氣的控制，但還存在當氬氣實際流量和設定流量相近時，調(diào)節(jié)閥仍然變化劇烈，造成氬氣流量超調(diào)量變大，對系統(tǒng)造成不利影響。因此設計了氬氣流量PID 死區(qū)值的動態(tài)調(diào)節(jié)模型，根據(jù)鋼包吹氬流量增量和設定值與實際值之間的差值，來計算死區(qū)值。實現(xiàn)當流量在小范圍波動時，PID 輸出會保持不變，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堆棧數(shù)據(jù)區(qū)，計算該數(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 鋼包自動吹氬節(jié)能技術運行實踐和實施效果

對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置時，程序鎖死的問題，實現(xiàn)吹氬量可以穩(wěn)定調(diào)節(jié)的功能。LF 精煉爐自動吹氬系統(tǒng)相對常規(guī)吹氬系統(tǒng)，操作簡便，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，縮短冶煉時間、消除鋼液中各種雜質(zhì)、調(diào)整各種化學成分、控制爐溫等環(huán)節(jié)，都有重要作用。從統(tǒng)計數(shù)表來看，優(yōu)化改造前后氬氣單耗數(shù)值對比，氬氣消耗量明顯降低。LF 精煉爐自動吹氬系統(tǒng)由2019 年9月底改造完畢，參照對比見表1。

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

引入對PID 死區(qū)控制的方式，實現(xiàn)微小偏差時，PID 調(diào)節(jié)器可以減少輸出量，實現(xiàn)單PID 調(diào)節(jié)穩(wěn)定的目的。優(yōu)化改造系統(tǒng)設計時考慮到了現(xiàn)場在安全性、方便性方面的要求，同時也進行了各種故障的處理，確保了整個系統(tǒng)可以安全、穩(wěn)定地運行。

5 結論

LF 精煉爐鋼包自動吹氬節(jié)能模式軟件遠程連鎖操作和畫面設計功能組開發(fā)與應用，全部由我廠技術人員自主開發(fā)，沒有增加硬件投入。

對精煉爐氬氣控制模型的改進，不僅解決了當前氬氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在的大流量向小流量不能切換的問題，同時因減少了氬氣超調(diào)或長時間工作在大流量造成的氬氣消耗。同時實現(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 萬元。