180噸精煉爐電極控制節(jié)電技術(shù)實踐

摘 要：根據(jù)宣鋼150噸爐區(qū)180噸LF鋼包精煉爐的運(yùn)行情況， 針對系統(tǒng)運(yùn)行中的問題，介紹了精煉爐電極調(diào)節(jié)控制總統(tǒng)思路和控制方案，以及系統(tǒng)實施過程和效果，對精煉電極控制技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，系統(tǒng)實施后取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

關(guān)鍵詞：精煉節(jié)電；電極控制；電極調(diào)節(jié)器；預(yù)測控制算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.138

0 前言

宣鋼180T LF精煉爐采用電極加熱的方式對鋼包爐內(nèi)鐵水進(jìn)行加熱升溫，原電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，給精煉爐的電極和變壓器帶來很大沖擊，同時造成精煉爐電耗損失增大，特別是在造渣埋弧階段，采用大電流短弧操作，短弧操作會使功率因素及電效率下降[1]，不能將有效的電功率輸入爐內(nèi)，達(dá)不到快速升溫的目的，且保護(hù)功能不完善，容易造成電極折斷。

針對電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的大時滯、非線性、時變問題，提出了應(yīng)用在“恒阻抗策略”下的預(yù)測控制算法（PFC）的PFC-PID串級控制策略解決方法。當(dāng)電極電流增加時會反應(yīng)在精煉爐內(nèi)溫度升溫速度變大，此時主調(diào)節(jié)器輸出減小，即副調(diào)節(jié)給定值減小，要求選擇小電流工作曲線，使得控制液壓調(diào)節(jié)閥開度增大，電極上升，電流變小。

1 應(yīng)用背景

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)[2]。鋼包內(nèi)鋼水升溫階段采用控制電極放電起熱過程來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，加熱升溫鋼水的過程一般包括：造渣埋弧、升溫階段、保溫出鋼階段等。宣鋼精煉爐電極調(diào)節(jié)升降存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，給精煉爐的電極和變壓器帶來很大沖擊，同時造成精煉爐電耗損失增大。隨著公司品種結(jié)構(gòu)改變，精煉爐使用效率日益升高，節(jié)電效益可觀。我們通過技術(shù)交流和對標(biāo)咨詢，邯鋼、石鋼和承鋼等鋼廠的精煉爐均進(jìn)行了電極升降調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的升級改造，改造后節(jié)電效果顯著。因此對宣鋼4座LF精煉爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高效改造就顯得非常重要。因此，計控中心牽頭組織一、二鋼軋廠及相關(guān)部室進(jìn)行了改造可行性論證，決定將二鋼軋廠2#180噸精煉爐做為試點，對電極調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。

2 總體思路和實施方案

2.1 總體思路

精煉爐電極調(diào)節(jié)控制是一個間歇式操作、智能控制的過程，控制的重點是在“恒阻抗控制”的理念下，如何根據(jù)變壓器功率圓圖，應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)，選擇最優(yōu)電流工作曲線，驅(qū)動液壓系統(tǒng)帶動電極電流的升降，實現(xiàn)對精煉爐冶煉過程的調(diào)節(jié)與控制。

二鋼軋廠2#180噸精煉爐西門子控制系統(tǒng)硬件設(shè)備完備，只需進(jìn)行軟件升級改造。在原電極調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)程序中嵌入新的控制系統(tǒng)。同時保持新舊控制系統(tǒng)可隨意切換。主要實施如下：

（1）對2#180噸精煉爐西門子控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分析，確定不投入硬件設(shè)備，只需進(jìn)行軟件升級改造。

（2）在原電極調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)程序中嵌入新的控制系統(tǒng)。同時保持新舊控制系統(tǒng)可隨意切換。

（3）根據(jù)生產(chǎn)工藝情況調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，測試數(shù)據(jù)。

（4）現(xiàn)場編制程序、在線調(diào)試，編制操作規(guī)程，投入運(yùn)行。

2.2 實施方案

2.2.1 LF精煉爐工藝及電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)

鋼水升溫階段采用控制電極放電起熱過程來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，加熱升溫鋼水的過程一般包括：造渣埋弧、升溫階段、保溫出鋼階段等過程。

（1）造渣埋弧階段。采用低電壓、大電流短弧操作，在冶煉工藝上采用泡沫渣技術(shù)，進(jìn)行埋弧加熱，應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)提高成功埋弧速度實現(xiàn)精煉爐高效節(jié)能生產(chǎn)。

（2）升溫階段。在“阻抗匹配”的前提下，適當(dāng)降低二次側(cè)工作電流，在這個階段根據(jù)變壓器功率圓圖，應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)選擇最佳工作電流曲線控制升溫速度實現(xiàn)高效節(jié)能生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

（3）保溫出鋼。加入合金調(diào)整成分，攪拌并保溫一定時間，測溫取樣分析，成份合格并達(dá)到下一工序所需溫度時停止精煉。應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)選擇最佳工作電壓和工作電流曲線，達(dá)到最佳變壓器輸出功率及功率因素，控制保溫效果實現(xiàn)高效節(jié)能生產(chǎn)。

（4）冶煉過程中液壓系統(tǒng)控制。采用比例閥控制，實現(xiàn)電極的升降速度可變、可調(diào)而且靈敏度高。

（5）實時弧流、弧壓采樣系統(tǒng)。精煉爐在冶煉過程中采用實時“恒阻抗控制”原理，預(yù)先建立精煉爐阻抗的模型，應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)算法及模型，計算控制變量到液壓系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制電極的上下移動，實現(xiàn)對精煉爐內(nèi)電極電弧電流的有效控制。

其電極控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

2.2.2 電極調(diào)節(jié)器的控制技術(shù)

當(dāng)電弧電流小于額定值時，輸入到爐內(nèi)的電能減少，化渣時間拖長，電能及電極消耗量[4]均有增加；而當(dāng)電流非常大時，就能使路線損耗大大增加，會使鋼液遭受增碳的危險，嚴(yán)重時可折斷電極?？刂乒に嚹繕?biāo)如下：（1）在造渣埋弧階段，保證在最佳電流工作曲線下不斷弧，埋弧時間短，穩(wěn)定精煉爐內(nèi)升溫過程；確保溫度、電極電流值達(dá)到平穩(wěn)、不超調(diào)。（2）升溫階段控制時保證升溫速度平穩(wěn)、波動小，溫升速度在4-5.5℃/min、電極消耗在8g/t； 保持裝置在允許的安全和約束范圍內(nèi)正?；咀詣舆\(yùn)行。（3）保溫出鋼階段，在最小能耗下保持精煉爐內(nèi)溫度不下降，確保了后續(xù)工序正常生產(chǎn)。（4）整個冶煉過程中冶煉時間在42分鐘以內(nèi)，通電時間在13-18分鐘。

2.2.3 電極調(diào)節(jié)控制策略和方案

鋼包精煉爐是用三相電極產(chǎn)生的電弧來加熱鋼液的，采用恒阻抗調(diào)節(jié)是解決電極間互耦作用的一種有效方法。

針對電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的大時滯、非線性、時變問題，提出了應(yīng)用在“恒阻抗策略”下的預(yù)測控制算法（PFC）的PFC-PID串級控制策略解決方法。

控制系統(tǒng)的核心是基于測試法的過程模型辨識算法與預(yù)測函數(shù)控制（PFC）的設(shè)計。被控對象的數(shù)學(xué)模型采用一階純滯后慣性環(huán)節(jié)，測試法辨識結(jié)果與實際調(diào)節(jié)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，表明數(shù)學(xué)模型與實際過程基本接近，可以用于控制方法研究。PFC具有預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正三部分，其最大特點是控制量計算方程簡單，實時控制計算量小。

2.2.4 精煉爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)研發(fā)

（1）變壓器功率電流曲線模型建立。當(dāng)電極起弧后，埋弧效果在正常范圍內(nèi)變化時，控制方式采用最優(yōu)工作電流曲線模型下自適應(yīng)回路調(diào)節(jié)，當(dāng)電極電弧長度超過設(shè)定值時容易造成斷弧或埋弧不穩(wěn)時引入具有前饋環(huán)節(jié)的補(bǔ)償功能。

在變壓器及短網(wǎng)系統(tǒng)的電氣參數(shù)初步計算完成后，將制作LF的功率圓圖，并結(jié)合此圓圖數(shù)據(jù)，選擇出合理的工作點。

（2）系統(tǒng)硬件組成。電極調(diào)節(jié)器有電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，弧壓弧流檢測系統(tǒng)及與本體通訊接口等組成。控制器采用西門子s7-400PLC，弧流檢測采用羅氏線圈測量。并與本體PLC建立以太網(wǎng)連接，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時交換，保證相關(guān)安全連鎖的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）軟件策略。電極調(diào)節(jié)器軟件部分與舊控制系統(tǒng)有著本質(zhì)區(qū)別，因此對電極調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)程序進(jìn)行了重新編制，新調(diào)節(jié)器主要有阻抗控制器、過流控制器、短路控制器等組成，系統(tǒng)投用后出現(xiàn)電流超調(diào)量較大，保護(hù)功能不全導(dǎo)致電極發(fā)生挫傷斷裂的事故，因此針對實際使用情況對各控制器進(jìn)行了優(yōu)化，并增加了部分保護(hù)功能。

2.2.5 過流控制器和短路控制器

實際電流信號與過載電流最大值相比較，差值通過一個PI控制器，輸出經(jīng)過限幅后，與阻抗控制器的輸出相加控制電極快速提升。當(dāng)電流超過最大電流設(shè)定值時，過電流控制器自動使能，通過三個積分器，過電流值過的越大，電極速度提得越快。

2.2.6 液壓比例閥控制優(yōu)化

電極的響應(yīng)速度對調(diào)節(jié)器的性能非常重要，系統(tǒng)投用后發(fā)現(xiàn)電極上升過程中響應(yīng)較慢，檢查發(fā)現(xiàn)在上升過程中，給定速度在液壓閥的死區(qū)內(nèi)，因此對液壓閥控制給定電壓進(jìn)行調(diào)整，避免了給定值在液壓閥范圍內(nèi)，提升了電極的響應(yīng)速度及精度。增加備用比例閥門控制程序，在液壓管路上增加備用比例閥，在控制系統(tǒng)中增加主用備用閥切換程序，使用主用閥故障時，可以迅速的切換至備用閥，避免了因比例閥故障導(dǎo)致生產(chǎn)停頓。

2.2.7 增加調(diào)節(jié)器保護(hù)功能

冶煉過程中，當(dāng)變壓器調(diào)壓檔位切換時，通過減小二次電流來保護(hù)調(diào)壓檔位切換。一般電流減小正常冶煉電流值的20%。電極下降過程中，為了檢測到非導(dǎo)電材料防止電極折斷，需要判斷電極液壓壓力信號，當(dāng)液壓壓力低于報警值1時，電極減速下降。

2.2.8 系統(tǒng)HMI構(gòu)成

電極調(diào)節(jié)主畫面界面主要包括以下幾內(nèi)容，三相弧壓、弧流、阻抗、功率、功率因數(shù)、通電時間、電量顯示、調(diào)壓檔實際檔位顯示、電極上下限位顯示、比例閥輸出顯示、三相弧壓、弧流、比例閥輸出歷史趨勢顯示。

3 實施效果

項目實施后，在電極第一次起弧過程中，可以明顯減小因鋼水渣層產(chǎn)生的對電極電流的大幅度波動，減輕電極振動，有效保護(hù)電極。在電極正常加熱過程中，可以明顯減小電極電流的大范圍波動，從而減小電極的縱向震動幅度和橫向震動頻率，有效保護(hù)電極。

系統(tǒng)應(yīng)用后，2#精煉爐使用新電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)噸鋼節(jié)電率15.63%，采用恒阻抗調(diào)節(jié)器噸鋼電耗大大降低。新調(diào)節(jié)器實施后系統(tǒng)弧壓穩(wěn)定，弧流調(diào)節(jié)超調(diào)量小，較1#精煉爐調(diào)節(jié)系統(tǒng)有很大的改觀，弧流值基本可以穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)投運(yùn)入使用以來，效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定。項目的成功實施和應(yīng)用，達(dá)到優(yōu)化工藝、縮短冶煉時間、降低生產(chǎn)成本目的，同時對提高精煉爐生產(chǎn)管理水平、提高企業(yè)市場競爭力等方面起到積極的作用，年節(jié)電效益約170萬元。

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作者簡介：孫海曉（1984-），男，河北懷安人，本科，自動化工程師，從事電氣自動化設(shè)備管理工作。