钢包精炼自动化控制系统的主要功能与创新改造研究

苗利明 常超 杜亚男

（新兴铸管股份有限公司，河北武安 056300）

钢包精炼炉又称为LF炉，是目前很多钢铁企业普遍采用的炼钢工艺。LF炉钢包精炼主要是通过埋弧加热的方式，在非氧化性气氛下制造高碱度还原渣；并通过吹氩的方式强化精炼反应，进而去除和减少钢液中的硫、氧等有害成分，提高钢液的洁净度，为生产高品质钢种提供条件。LF炉钢包精炼具有投资少、功能强、钢液洁净度高的优点。随着工业自动化控制技术的发展，在满足钢包精炼工艺的基础上，新兴铸管运用自动化控制系统实现了对钢包精炼各环节工序及其工艺参数的自动化控制。同时结合生产实践中遇到的问题，对炼钢环节的自动化电气设备进行了相应的技术改造。有效提高了炼钢生产效率，降低了人员劳动强度，提高了产品质量。本文分析了新兴铸管炼钢车间钢包精炼自动化控制系统结构组成和功能应用，并对一些创新改造项目进行了探讨。

1.自动化控制系统的构成及特点

1.1 自动控制系统的硬件构成及特点

新兴铸管钢包精炼炉的自动化控制系统采用了西门子S7-400可编程控制器，由基础自动化和过程自动化两个控制级组成。基于PROFIBUS DP现场总线和工业以太网构成了完整的自动化控制系统。自动化控制系统的硬件部分主要包括：可编程逻辑控制器（PLC）、工业PC机、打印机、工业以太网及其通讯线缆等几部分组成。新兴铸管钢包精炼炉自动控制系统的基础级采用西门子公司的S7-400控制系统，作为主PLC系统；并由通讯线缆扩展至多个I/O分站。PLC系统主机架到I/O分站（扩展机架）的数据传输主要由发送模块、接受模块和通讯线缆完成，采用工业以太网进行通讯。S7-400控制系统与现场自动控制单元、变频器等采用PROFIBUS DP进行通讯。为了提高LF炉自动化控制系统运行的稳定性与可靠性，采用了CPU对CPU的通讯方式建立了LF炉主PLC与电极调节系统之间的通讯连接。新兴铸管LF炉自动化系统具有良好的开放性，整个炼钢系统中的LF炉、RH炉、连铸机、结晶器、转炉以及水系统等，可全部通过工业以太网连接在一起。实现了各生产工序间的通讯连锁，实时为转炉、连铸、质检化验等设备和工艺环节提供所需要的数据。以此作为LF/RH备选调用的数学模型，从而实现以上工序之间计算机系统之间的通讯。同时，为了避免因停电等特殊原因造成的系统停止运行和生产事故，自动控制系统还设置有备用电源和UPS电源保护系统，使系统可以在主电源断电的情况下使用备用电源继续正常工作30min以上。以便于操作人员采取紧急措施，避免事故发生[1]。

1.2 系统的软件构成及特点

LF炉自动化控制系统采用Windows7作为操作系统软件。上位机使用的软件为西门子SIMATIC，系统的监控与编程则分别采用WinCC和STEP7。WinCC作为一款可供开发编辑的监控软件，它的灵活性和模块性为自动化系统的设计和任务执行提供了全新的可能。利用上位机组态软件WinCC不仅可以将现场数据实时反映在控制室显示屏幕上，实现对现场数据的在线监控；而且还可通过CRT上的按钮，来实现对现场设备的远程操作。此外，WinCC还具有图形图像显示和处理功能和数据库的相关功能，可将存在里面的数据文件采用数据曲线的方式展示给用户；用户可任意选取时间节点，查看该时间段内的工艺历史曲线图。从而为生产提供便利[2]。

2.自动化控制系统的主要功能

LF精炼炉电气系统具有较高的自动化控制水平，几乎覆盖了炼钢生产的每一个环节。包括由合金加料控制系统、电极升降自动调节系统、钢包走行控制系统、吹氩系统、温度测量及报警系统、水冷系统和喂丝机控制系统等。这些自动化控制系统分别执行相应的自动化控制功能，并通过通讯线缆将控制信号连接至控制室，从而实现对各环节生产工序的远程控制和对各项工艺参数的实时监控。

2.1 合金加料控制系统

在炼钢的过程中加入一些合金，可以改善钢材产品的某些物理性质，但需要对合金加入量进行严格控制。炼钢生产线LF炉与RH炉共用合金加料系统，两个精炼炉利用各自PLC的CPU，通过PROFIBUS DP网线建立通讯连接，并通过发送加料信号协调加料生产。比如当RH炉需要加料时，它的系统会向料仓和LF炉发送请求加料的信息，然后PLC再控制加料阀门向RH炉加料。LF炉与RH炉对加料系统的控制权限在上位机上切换。比如当加料系统准备向LF炉加料时，请求加料的信息便会通过RH炉CPU上的DP总线传到LF炉。系统接受到加料信号并计算料重后，将加料信号发送至RH炉和料仓，由PLC控制料仓电磁阀执行加料操作。

2.2 钢包车行走系统

钢包车的行走与调速均有变频器控制，同时在加热工位和吊包工位设置限位开关以限制钢包车的行走位置。钢包车运行有机旁手动控制和远程自动控制两种控制方式，各位置均设有减速、停车、超极限保护开关。为了保证钢包车安全运行，钢包车的行走系统、电极升降机构、钢包盖升降机构均设置了连锁保护。当钢包车行走到设定位置时，才会发送位置信号给连锁系统，允许升降机构动作。同时，钢包车会将位置信号发送给连锁系统，并在中控室HMI监视画面上显示。

2.3 吹氩系统

炼钢精炼炉的吹氩系统采用顶底复吹的方式。由设置在吹氩管道上的流量变送器、压力变送器和电磁阀来控制氩气开关以及压力、流量。电磁波的开闭以及氩气流量、压力的调节则根据设置好的工艺要求，按照吹氩曲线自动调节；同时，为了适应特殊条件下的吹氩操作，也可根据需要对流量值进行人工设定[3]。

2.4 水冷系统

水冷系统需要监控的工艺参数主要有总进水压力、流量。由于水冷炉盖处于高温区，所以要保证水的冷却，在水冷炉盖的总进水管上也设有流量和压力传感器，由HMI进行画面监控显示。

3.自动化控制系统的创新改造

（1）连铸浇钢操作箱增加拉速锁定功能。拉品种钢需要恒定拉速，在生产过程中往往由于信号干扰、电位器质量等原因导致拉速稳不住，严重影响铸坯质量。通过在浇钢操作箱上增加锁定开关，修改拉速控制程序。设定好拉速后，把开关转到锁定位置，拉速就会锁定到当前数值，不再受外界的影响。解决了由于拉速波动导致的废坯等问题。

（2）连铸中包钢水高低温报警系统。温度是连铸的生命线，如果发生低温结瘤或者高温漏钢，造成的影响会十分恶劣。在画面上设定高低温报警值，在连铸平台、精炼炉平台安装声光报警器，可以在第一时间对异常温度报警，及时提醒连铸和精炼炉岗位工采取措施，杜绝事故扩大化。自改造完成后，未发生过结瘤停机的情况，创效10万元。

（3）精炼炉炉台增加连铸拉钢信息显示屏。利旧两台电脑，制作画面和PLC通讯，能够实时显示连铸拉速、大包和中包重量等信息，有利于岗位工根据连铸生产信息调整精炼生产节奏。

（4）炉后测温数据传至连铸大屏。连铸可以对比出钢温度和连铸测温，如果温度差距过大，及时跟转炉沟通，预防结瘤或者漏钢。如果连铸来不及测温，可以依据炉前温度控制浇注节奏。

（5）电磁搅拌改造。电磁搅拌可以使结晶器里的钢水搅拌均匀，是拉品种钢的重要环节。原来经常出现跳闸、电缆过电流烧断等情况导致电磁搅拌无法正常使用。通过改变电缆路由，改进线圈的接线方式使得线圈电缆不易受高温烤坏，能够承受更高的电流。电磁搅拌的正常运行，保证了品种钢的铸坯质量。

（6）结晶器自动液面电缆改造。拉钢过程中经常发生非正常塞棒关闭或者塞棒全开。通过排查是由于结晶器液面检测受到干扰引起的塞棒误动作导致。为了能够解决干扰的问题，利用检修时间把自动液面检测信号线重新走线并全程穿镀锌管，远离动力电缆桥架。改造完成后，未发生过类似的故障。