炼钢精炼炉钢包底吹控制系统改造分析

沈江珠

（酒钢集团榆中钢铁有限公司，甘肃 兰州 730104）

钢包底吹是炼钢精炼炉在生产成品钢时，不可或缺的重要工艺手段。其主要作用是通过搅拌和气洗钢水，以防止出现钢水氧化。通常情况下，在开展钢包底吹工艺时，对精炼钢水质量影响最大的因素即是氩气流量的控制。如氩气流量相对较大，则会导致穿液面发生严重的喷溅现象，从而致使钢水出现裸露氧化，致使夹杂物大量增加。而如果吹氩气的流量较小，则会造成流量不够稳定、无法开展快速搅拌，不能完全的去除气体和夹杂物，影响炼钢过程的质量。

1 钢包底吹控制系统的原理

炼钢精炼炉的钢包底吹控制系统改造的前提是了解和掌握其具体的工作原理。一般情况下，钢包底吹控制系统是由两套氩气控制阀而组成，分别控制两组钢包底吹工艺的开展。同时配备流量调节电磁阀，当其打开时，会产生对应的流量值。而电磁阀的动作则是根据氩气流量工艺的实际要求而决定的，即是在HMI设定炼钢工艺所需输出的流量值，通过计算后，能够准确得到电磁阀的动作状态，打开相应的阀而关闭其他无关阀。在设定流量值后，就可以按照设定值进行稳定的流量输出。如果在这一过程中发生流量堵塞等情况，比如阀门损坏，钢包底吹砖堵吹不开时，应当采用事故顶吹的方式进行解决[1]。

2 炼钢精炼炉钢包底吹控制系统工作要点及存在的问题

钢包底吹控制工艺在炼钢精炼炉中一般包括有破渣、下料搅拌以及精炼和软吹等过程。首先在破渣工艺进行时，其主要是利用气流将炉前送过来的钢水包上所板结的渣壳进行吹开，所以要求流量相对较大，才能够确保将钢包透气砖吹开或者破渣等。不过在钢包透气砖被吹开后，则要尽可能的降低流量，以免造成比较严重的喷溅现象，很容易导致钢水出现裸露氧化，致使夹杂物大量增加。基于此，相关操作人员需要在HMI人机画面上对破渣的流量进行准确的设定，以80t钢包为例，其流量要设置为500L/min，控制电磁阀对相应的阀下达指令，促使各个阀相互组合，从而吹开钢包透气砖以及破渣。然后操作人员要对流量进行重新设定，再进行搅拌[2]。在加料过程中，可以通过控制电磁阀F1.1～F1.9和F2.1～F2.9等进行组合，开展相应的搅拌操作。此时的流量相比于破渣时要小，往往设定在400L/min即可。但是由于要避免发生喷溅现象，所以要通过波动较小的流量均匀搅拌物料。在实际工艺的操作中，一旦某个电磁阀发生卡或者堵等情况，都会导致物料的搅拌力度不足，不能达到标准的搅拌要求。尤其是在炼钢精炼炉中进行搅拌工作时，因为电极是在钢水中进行操作，所以搅拌的流量不宜过大，容易造成电极过大而发生断裂现象。同时还要求流量保持平稳状态，尽量维系波动较小，以便于开展精炼工艺和升温操作。在进行软吹搅拌操作是，则需要保障流量较小，促使夹杂物能够上浮到表面，促使钢水得到有效的净化。

而在实际运用过程中，炼钢精炼炉的钢包底吹控制系统存在一定的问题，即是由于该控制系统采用开环控制方式，通过仪表所检测出来的各项参数数据仅能作为参考，不能作为准确数据。同时在底吹的四个环节过程中，均没有设置高效的流量跟踪以及反馈调节，从而就会造成流量控制很难实现平稳，对波动的降低效果不佳。为保障炼钢精炼炉钢包底吹控制系统能够发挥良好作用，急需一套能够实现大流量破渣、小流量搅拌的先进底吹控制系统，确保炼钢精炼炉的钢包底吹工艺具有高效性和合理性。

3 炼钢精炼炉钢包底吹控制系统改造分析

3.1 改造思路

结合炼钢精炼炉钢包底吹控制系统的原理和存在的问题，对原系统进行优化改造，应先确定其改造思路。在实践中发现，原有钢包底吹系统在技术上还无法实现有效的流量跟踪反馈。因此在钢包底吹控制系统的改造过程中，需要将实现大流量和事故顶吹控制作为主要优化目标，在一定程度上避免因底吹阀组出现故障而影响精炼工艺的有序开展。在此基础上，应当保留原有精炼炉钢包底吹控制阀组系统，并在原管路上增加两套一体式的流量调节阀和切断阀，目的是保障PID闭环调节控制得以实现，促使底吹控制系统具有良好的应用性能，在PLC程序控制单元的作用下，降低电磁阀组损坏而阻碍工艺高效开展的威胁[3]。

3.2 钢包控制系统组成部分

改造后的一体式钢包底吹流量调节阀控制系统相比于原系统，在组成上有所不同，其是由检测流量计以及电动调节阀两部分组成，应用4mA～20mA信号进行输出和输入，具有测量精度较高、稳定性好、抗干扰能力强、对恶劣环境适应性强的特点。因此在具体改造过程中，需要采用PLC控制系统，并在DP站点上适当增加1块4mA～20mA的AO模块，主要是对氩气调节阀的开度进行有效的控制，并增加1块AI模块，对调节后的流量进行准确检测，为良好的炼钢精炼炉钢包底吹控制系统开展工作奠定坚实的基础。

3.3 控制系统程序设计

对炼钢精炼炉钢包底吹控制系统进行程序设计是其改造过程中的重点内容，即是根据PLC相应的编程方法，将OBI组织作为主要的程序执行模块，并在其中有效调用FC和FB等模块。同时PID控制功能模块要作为所有软件的固有共享模块，按照PID调节进行编写的调用模块。在改造中，技术人员需要基于原有的钢包底吹系统编程，通过增加流量、压力模拟量转换标准块来作为新增的项目模块。能够有效的发挥调节阀的编程控制作用。

首先，对流量数据采集程序进行设计。则是保障一体式的流量调节阀能够将采集到的流量信号传输到PLC中。然后经过PLC控制程序的内部模/数转化器，将其信号转化为二进制的数值，并存入到系统外部的流量输入点存储空间，再利用模拟量输入转换块按照0～72的量程开展计算活动，输出的流量范阔过程值一般要为十进制数[4]。

其次，要合理设计PID调节阀控制程序。即是要求在进行调节操作时，能够运用HMI增设调节阀开展手动或者自动化的操作控制，实现操作模式的灵活切换，以应对不同的工作状况。比如在手动操作模式下，可以直接对HMI上存在的给定开度进行合理的设置，并经过PID控制功能块计算后有效输出开度值。然后再使用西门子模拟量输出转换块按照0～100的量程计算，从而输出二进制数，最后基于PLC的模/数转换器将其转化为对4mA～20mA信号，以便于起到控制调节的作用；在自动操作模式下，按照HMI人机画面所给定的设定值，通过PID调节功能块进行流量计算，同时与流量反馈过程值进行对比，保障输出相对稳定的开度值。再由模拟量输出转换块按照0～100量程计算输出二进制数，经过PLC的模/数转换器将其转换为控制调节阀的4mA～20mA信号。在自动操作模式条件下，对调节阀进行调试时，比例增益系数的调整对整个系统的稳定性具有较大的影响。当比例增益系数较小时，对流量的跟踪反馈速度较慢，会在一定程度上增加钢包的底吹时间，无法满足精炼工艺的需求。而如果比例增益系数相对较大，就会导致系统出现不稳定、调节效果不佳等现象。在改造研究中发现，比例增益系数在0.02较为合理，可以满足7s～10s的稳定调节工艺要求。

最后，需要科学设计切断阀控制程序。在炼钢精炼炉钢包底吹控制系统中，切断阀的主要功能和作用是开关，在HMI人机画面中，相关操作人员按下开阀按钮，则能够打开切断阀，此时调节阀可以按照给定的流量设定值和流量反馈过程值实现自动调节。

3.4 炼钢精炼炉钢包底吹控制系统操作过程

对改造后的钢包底吹控制系统进行操作，需要严格遵循相应的流程和规范。在实际精炼工艺操作中，相关人员主要采用两种方式。当开展破渣工艺时，可以在原有的电磁阀组中利用大流量将钢包的透气砖或者破渣等进行吹开，然后重新设定流量值，保障平稳状态下对物料进行搅拌。当搅拌工艺结束之后，再将其转换到调节阀，以便与利用中小流量开展搅拌。所以改造后的炼钢精炼炉钢包底吹控制系统，在HMI人机画面中有两套钢包底吹控制操作系统。在实际操作时，转换到调节阀操作后，相关人员要先选择自动调节模式，然后在合理设定调节的流量值，打开切断阀，促使钢包底吹控制系统能够实现自动跟踪调节。

4 结语

综上所述，对炼钢精炼炉钢包底吹控制系统进行改造后，其呈现出动态特性较好、快速稳定的特征，而且还能够有效的提高整个控制系统的抗干扰能力。所以通过采用双系统底吹控制，可以减少发生氩气无法调节的故障几率。充分提供钢水的质量和纯净度。因此在对改造设计中，需要明确炼钢精炼炉钢包底吹控制系统的工作原理，分析其工作要点和存在的问题。在综合考虑下，确定科学合理的改造思路、详细设置钢包控制系统的组成部分、设计控制系统程序并严格按照相关操作流程，从而实现炼钢精炼炉钢包底吹控制系统氩气消耗量减少、加热周期缩短的优势，尽可能的降低生产成本。