楊永強,楊小兵,華 成,張建龍

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

1 前 言

酒鋼對電爐電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)采用PLC控制方式進行升級改造。PLC控制系統(tǒng)運行故障率低,備件通用,有利于后期的設(shè)備備件儲備和采購。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。通過升級改造最終達到提升工藝冶煉效率和設(shè)備升級的目標(biāo)[1-5]。

2 電爐電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)存在問題介紹

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,型號為ET-DecNT,系統(tǒng)使用的工控機、配套的DCS模擬量控制板、DEC運算控制板都是特殊制造。工控機以及配套的模擬量控制板、DEC運算板以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)已經(jīng)升級,同型號的工控機、模擬量控制板和運算板已經(jīng)停產(chǎn),另外在ET-DecNT系統(tǒng)中,外方對其核心技術(shù)進行專利保護。系統(tǒng)在運行過程中頻繁發(fā)生死機、硬盤損壞、顯卡損壞等故障,硬件運行風(fēng)險與日俱增,無法預(yù)測掌控。在生產(chǎn)過程中一旦工控機、DEC運算控制板、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 項目技術(shù)措施及實施方案

電爐電極調(diào)節(jié)自動化系統(tǒng)相對來講控制工藝復(fù)雜,要求反應(yīng)靈敏、精度高,對于改造方案的確定是本項目的關(guān)鍵。酒鋼新電極控制系統(tǒng)采用西門子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)由三個獨立的阻抗調(diào)節(jié)模型和若干控制子模型構(gòu)成。通過優(yōu)化設(shè)定的阻抗輸入點,液壓系統(tǒng)特性匹配,重構(gòu)控制模型參數(shù)。

項目實施的具體方案如下:

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

(2)對現(xiàn)場弧流弧壓信號的采集裝置進行升級,將采集的信號轉(zhuǎn)化為PLC能接收和識別的信號;

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

(4)測試液壓系統(tǒng)對電極的驅(qū)動速度,用于設(shè)置基本的電極控制升降速度參數(shù);

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

本項目升級改造的關(guān)鍵亮點在于高效冶煉、節(jié)能技術(shù)。

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

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

穿井效率和模型:有了計算和選擇的最佳工作點,在穿井過程中,數(shù)學(xué)模型將通過算法感知穿井狀態(tài),從而以10 ms級實時自動整定PID參數(shù)等。模型還擁有多個子模型,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)測試和模型標(biāo)定匹配:液壓閥是唯一被控對象,液壓閥的特性曲線測試尤為重要。每個液壓閥都有死區(qū),以及線性度不一樣。要反復(fù)測試液壓閥死區(qū)、零漂、拐點及斜率速度等。這樣模型輸出值才能精確控制電極升降,也確保系統(tǒng)精確在工作點上運行。

1)工作點計算結(jié)果

工作點計算還需考慮電弧長度與渣層厚度、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,減少對橫臂及水冷電纜的機械沖擊,減少對變壓器及電網(wǎng)沖擊,提高鋼水質(zhì)量及冶煉效能。如果沒有上述計算,則設(shè)計時就可能導(dǎo)致工作點不佳,如電弧過長,弧光暴露,或電弧短導(dǎo)致功率因數(shù)低等問題。

依據(jù)電抗器銘牌、變壓器銘牌及短網(wǎng)數(shù)據(jù)計算,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)測試結(jié)果

系統(tǒng)充分考慮液壓特性對于冶煉控制的影響。作為系統(tǒng)中唯一的被控對象,液壓系統(tǒng)的特性對冶煉的影響至關(guān)重要。每一相電極由于液壓部分和機械部分的因素影響,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)將對液壓特性進行測試并描繪其特性曲線(見圖2),最終匹配到系統(tǒng)控制參數(shù)中,達到液壓系統(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)。本項目中液壓通訊系統(tǒng)測試的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)見表2～表4。

表2 電極特定行程、特定電壓下運行時間參數(shù)列表

表3 速度因數(shù)計算值列表

表4 死區(qū)補償計算列表

圖2 實測液壓特性曲線

5 項目升級改造完成情況

酒鋼100T電爐電爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造實施后,控制穩(wěn)定性和靈敏度大幅提升,冶煉過程過流次數(shù)明顯減少(由原來的平均3～5次/爐減少到0～3次/爐),進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)致的斷電極問題。塌料斷電極次數(shù)由原來的平均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)自動化控制系統(tǒng)升級改造項目既定目標(biāo)。

6 結(jié) 語

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。硬件基于西門子S7-1500系列PLC構(gòu)建電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)維護更加便捷,備件常規(guī)通用,淘汰落后生產(chǎn)技術(shù),確保設(shè)備可靠高效運行。