宣钢LF 精炼炉钢包自动吹氩系统节能技术研究实践

李雪辉

（河钢集团宣钢公司， 河北 宣化 075100）

河钢集团宣钢公司（全文简称宣钢）180 t LF 精炼炉采精炼是以电弧加热、氩气搅拌和渣精炼为核心的钢包精炼炉生产技术[1]，宣钢二钢轧厂180 t 钢包精炼炉是转炉和连铸机的中间环节，起着承前启后的作用，保证连铸机稳定生产。钢包吹氩系统实现钢水搅拌使钢水温度和化学成分更加均匀，有效去除钢水中的气体及夹杂物，提高钢水质量的关键装置。在LF 精炼过程中，实行全程自动吹氩。

1 钢包自动吹氩节能控制现状

钢包不仅运输钢水和浇铸钢水，也是炉外精炼的精炼炉。钢水从转炉冶炼完毕出来进入到钢包之中，将被温度较低的钢包吸走一些热量，同时在钢包的外表还要不断散发热量，这样导致出现了钢包底、中、上和边部的钢液温度差较大。比较大型的钢包这种温度差值在30~70 ℃。钢包底吹氩工艺技术可使钢包中钢水的温度和成分均匀，带出夹杂，改善钢水质量等功能。宣钢180 t LF 精炼炉钢包吹氩控制方式采用传统的控制方式，即比较设定值与实际值偏差，根据偏差值对应相应的开度，目前该模式存在严重的缺陷，经常性出现设定流量从大流量设定至小流量时，控制程序出现不能调节的情况，岗位人员只能手动关闭阀门后重新设定再自动打开造成中途吹氩中断或长时间过吹造成钢温度损失过大。同样即使正常调节范围内也存在精度不足，偏差大的问题。

2 钢包自动吹氩控制节能方式分析

LF 精炼钢包吹氩目前工艺需求为钢包到位后使用高压旁路强吹，然后转入自动调节，一般前期等待设定量为600~700 L/min，通电后设定量为400~500 L/min，通电结束软吹设定量为200~250 L/min。根据以上工艺特点采用西门子较成熟的PID 控制器来实现自动调节[2]。关键控制特点为因使用单调节阀调节，超调量可能过大，不利于生产，因此拟针对不同的设定值对PID 的输出范围进行限定，并根据实时流量的数据变化率对PID 的死区值进行调节，实现超调量降低并解决大范围调节时程序不能跟踪问题，同时降低氩气消耗。改造之前采用原控制模型曲线，可以看出流量波动较大，超调量较大，造成钢水液面波动较大，影响电极供电效果。改造前期岗位设定流量为500 L/min，但实际流量均在1 000 L/min，只有再次关阀后重新调节可能会基本稳定在设定范围内。

根据以上工艺特点采用西门子较成熟的PID 控制器来实现自动调节。关键控制特点为因使用单调节阀调节，超调量可能过大，不利于生产，因此拟针对不同的设定值对PID 的输出范围进行限定，并根据实时流量的数据变化率对PID 的死区值进行调节，实现超调量降低并解决大范围调节时程序不能跟踪问题，同时降低氩气消耗。实现了氩气流量从15～1 000 L/min 可调，精度为10 L/min。根据生产的实际情况，同时实现了：记录氩气耗量的瞬时值及累积值并在HMI 上显示，可根据操作人员在HMI 上的设定值自动调节氩气流量。

3 钢包自动吹氩节能控制方案研究

精炼炉1 号、2 号工位分别设置一套氩气阀台柜，该阀台柜由氩气分气包，切断阀、质量流量计、调节阀、排空阀、压力检测单，同时有旁路强吹阀门等组成。本次改造原有的硬件设备如调节阀采用的FISHER 阀门、流量计采用的是横河质量流量计、测量和控制精度均满足本次改造需要，因此全部利旧。

针对目前的阀门控制系统，认为通过PID 调节器既可对当前的控制模型有很大的优化空间，因此采用西门子较为成熟的FB41 PID 调节器来实现氩气的自动调节（见图1）。

图1 PID 调节框图

当钢包进入精炼位时，底吹氩系统首先开始强吹，强吹15 s 后，转入自动调节，此时根据HMI 设定值进行调节，要求调节速度快，氩气流量能够在3~5 s 达到设定值，且超调量不能超过10 L/min。该系统采用单座调节阀控制，不能实现串级PID 控制，因此需要考虑其他控制方式继续对该PID 控制模型进行优化（见图2）。

图2 增量变化框图

采用经典的PID 系统基本上实现了氩气流量的控制，但还存在当瞬时流量和设定流量相近时，如果调节器仍剧烈输出，可能造成超调量变大，对系统造成不利影响。因此设计了PID 死区值的动态调节模型（见图3）。

采用以上的PID 系统基本上实现了氩气的控制，但还存在当氩气实际流量和设定流量相近时，调节阀仍然变化剧烈，造成氩气流量超调量变大，对系统造成不利影响。因此设计了氩气流量PID 死区值的动态调节模型，根据钢包吹氩流量增量和设定值与实际值之间的差值，来计算死区值。实现当流量在小范围波动时，PID 输出会保持不变，避免了超调大的情况发生。

每1 s 采集一次氩气流量，并将该流量放入一个堆栈数据区，计算该数据区前3 s 内采集流量平均值和后3 s 内采集流量平均值在，这两个平均值的差值为氩气流量的变化增量。

图3 PID 死区控制框图

4 钢包自动吹氩节能技术运行实践和实施效果

对LF 精炼炉编写钢包吹氩PID 控制模型[3]，解决吹氩由大流量向小流量设置时，程序锁死的问题，实现吹氩量可以稳定调节的功能。LF 精炼炉自动吹氩系统相对常规吹氩系统，操作简便，提高钢水质量，提高了电极调节的平稳性，降低氩气、电极等消耗，缩短冶炼时间、消除钢液中各种杂质、调整各种化学成分、控制炉温等环节，都有重要作用。从统计数表来看，优化改造前后氩气单耗数值对比，氩气消耗量明显降低。LF 精炼炉自动吹氩系统由2019 年9月底改造完毕，参照对比见表1。

表1 LF 精炼炉2018 年11 月—2019 年12 月度氩气单耗对比表

引入对PID 死区控制的方式，实现微小偏差时，PID 调节器可以减少输出量，实现单PID 调节稳定的目的。优化改造系统设计时考虑到了现场在安全性、方便性方面的要求，同时也进行了各种故障的处理，确保了整个系统可以安全、稳定地运行。

5 结论

LF 精炼炉钢包自动吹氩节能模式软件远程连锁操作和画面设计功能组开发与应用，全部由我厂技术人员自主开发，没有增加硬件投入。

对精炼炉氩气控制模型的改进，不仅解决了当前氩气调节系统存在的大流量向小流量不能切换的问题，同时因减少了氩气超调或长时间工作在大流量造成的氩气消耗。同时实现了氩气精确调节后，可以满足不同钢种的需求，年节约氩气成本43.14 万元。