LF炉全流程自动控制功能的开发及应用

王佐伟

（河北钢铁集团唐钢微尔自动化公司，河北 唐山 063000）

1 前言

LF精炼炉的作用是对钢水成分进行微调，对钢水温度进行控制，已达到连铸的要求所以LF炉作业的效率和准确率非常重要，它是钢区生产线上不可缺少的控制成分、温度及保存钢水的设备，它是转炉至连铸的缓冲环节，它的作业时间弹性很大，所以要求操作人员的技术娴熟，设备自动化程度。成分控制和温度控制会直接影响连铸板坯的质量，故LF炉的全流程控制尤为重要。

本文以唐钢中厚板公司LF炉为研究对象，把现有的手动控制方式进行优化改造，根据LF炉二级控制模型计算值，LF炉一级系统进行实施。对钢包在LF炉的处理，所涉及到的过程有进站、氩气控制、辅料、升温、测温、合金料、取样、喂丝、手投料等。

2 LF炉一级系统优化

依据前期的调查研究分析，制约LF炉作业时间和目标准确性的是成分控制和升温控制，所以这是优化的重点，其他属于辅助系统。

2.1 氩气控制

改造前是天车把钢包坐到钢包车上后，开启氩气，根据不同的阶段，人为调节氩气流量大小，如果人为控制不及时，会影响钢水温度，这样不仅增加了氩气的消耗量，还需要反复升温，增加电量消耗和电极损耗。优化后的氩气控制系统如下图1。

图1 氩气自动控制

氩气控制系统优化后，操作工选成“二级模式”并且手动输入“中吹流量”和“中吹时间”此流量值会起到破渣壳的作用，二级根据钢包车位置、测温取样、投料、升温等阶段，给出不同的氩气流量值，下发到一级系统去执行，这样不需要人为干预，人为误操作的因素可以排除。

根据不同的钢包处理过程阶段，低吹氩气搅拌的过程主要分为进站搅拌、头批料搅拌、停电加合金后搅拌、出站软吹。

（1）进站搅拌：炉次开始时，由于钢包在转炉出钢后需要加入一批物料，经过一段时间的反应后，钢水表面的渣层相对会比较硬实，此时需要一个强流量的吹扫。

（2）头批料搅拌：钢包进入处理位，加热升温开始之前，会向钢包中加入辅料（石灰、萤石等），此时为了使辅料与钢水充分反应，此时需要一个中等流量的吹扫。

（3）停电加合金后搅拌：此阶段需要一个较大的底吹流量值，从而使得投入的合金充分融入钢水中。

（4）出站软吹：钢包出站后，为了能让钢水和冶炼过程中加入的物料更加充分的进行结合反应，变为软吹，直到炉次结束。

2.2 成分控制

改造前是手动配料，投料入钢包里，物料的投入量完全靠人的主观推断，如果投入量不够，还需要二次投料，这样就会增加作业时间，现在物料的投入量完全依据二级的成分模型，成分模型计算出的投入量下发到一级控制系统，操作人员只需要把下料模式切换到“二级模式”即可，操作简单方便，每个料仓根据二级设定值，逐个自动进行配料，配料完成后反馈给二级，待称量仓称重完毕，物料可投放到皮带上送入钢水中，投放值也会反馈给二级系统，成分模型会根据两次反馈值判断实际投入到钢水中的物料量，作为报表数据采集使用。成分模型根据取样结果进行第二次配料，经过两次配料，就可以到达目标成分。这样，二级系统模型通过静态和动态模型进行精准的物料计算，整个配料的过程实现完全自动化控制，无需人工干预，既保证了投料的准确性，又减少了操作上的失误[2]。优化后的人机界面如下图2。

图2 成分自动控制

根据不同的钢包处理过程阶段，成分控制主要分为辅料投放、一次合金料投放、二次合金料投放[4]。

（1）辅料投放：钢水进站后，为了使渣层满足工艺要求，需要投入辅料进行造渣

（2）一次合金料投放：根据目标成分要求，二级系统计算需要投入适当比例的合金物料，计算完成后下发一级系统执行操作。

（3）二次合金料投放：根据一次取样结果与目标成分差值，二级系统计算需要投入的最终比例的合金物料，计算完成后下发一级系统执行操作。

一般配料系统的惯性量是人工输入一个经验值，这样的做法不客观，容易出现每次下料量跟设定值都有很大的差别，这样经过两次投料，成分不会到达目标值，需要进行多次投料，又增加作业时间，还造成资源浪费，操作人员需要反复试验才能确定惯性量。但是如果现场料仓的物理特性发生变化，此惯性量亦发生变化，还需要操作人员反复试验获得，这样的操作太繁琐，而改造后的惯性量是动态调节，不是一个固定数值，它是根据每次设定值与反馈值的偏差乘以1/3进行配料，每次配料完成的惯性量累加作为下次配料开始的惯性量，根据统计学的原理，就可自动算出此料仓的实时惯性量，此惯性量会随着料仓物理特性的改变而自动改变，不需要人工干涉。

料仓可用性功能的增设完善了二级成分模型控制和一级自动下料系统，由于客观条件，料仓处于不可用状态时，二级成分模型需要知道此信息，计算物料时避开此料仓，根据其他粮仓的合金含量进行配料，一级控制系统相对应的粮仓显示为不可用状态。有些特定环境需要主观条件，使料仓处于不可用状态，防止误操作，造成生产事故。

2.3 温度控制

改造前是手动计算升温时间，手动进行升温控制，一级控制系统中加入主观因素过多，会制约其使用范围，舍弃原有控制方式，优化为二级温度模型计算升温时间，它根据每次测温结果与目标温度进行对比，再根据所处的工艺阶段，综合计算出每次升温时间和档位[3]。

温度模型将升温时间和档位下发给一级控制系统，一级控制系统的升温控制包括起弧、小弧区、稳弧、大弧区等四个阶段，每个阶段电极的给定速度是不一样的，升温开始电极快速下降至起弧区，根据弧流反馈与给定值计算电极下降速度，在弧流目标值附近，电极进行动态调节，升温完毕后，将加热耗电量发送给二级系统，作为数据统计使用[1]。

根据不同的钢包处理过程阶段，钢水升温的过程主要分为一次升温、二次升温、出站升温。

（1）一次升温：炉次开始时，由于钢包在转炉出钢后需要加入一批物料，经过一段时间的反应后，钢水温度会有所下降，并且进站后，也需要加入辅料进行搅拌，此时需要进行一次升温，以保证钢水温度不会太低。

（2）二次升温：当钢水成分合格后，需要对钢水进行二次升温，已满足连铸进站温度。

（3）出站升温：由于生产节奏的问题，连铸不需要钢包进站，此时钢包需要在精炼进站位等待，当随着时间的推移，钢水温度会逐步下降，连铸需要钢水进站时，精炼还需要进行最后一次升温，才能到达连铸要钢温度。

每次升温完成，二级模型会计算钢水温度，模型计算值与实际测量值偏差在±10℃以内。优化后的人机界面如下图3。

图3 温度自动控制

3 结语

LF炉全自动控制流程是将来工厂生产工艺过程中一个非常重要的控制方式，是将来的必然趋势，升温控制和下料控制的准确性会影响到整个产品的质量和性能，人工干预不仅耗时耗力，而且精准度不高，易出现错误，自动控制系统可以提高精准度，效率高。

[1]员卫国.炼钢电弧炉电极升降微机控制的回顾与总结[J]工业加 热，2000，29（1）：1-4.

[2]谢树元，杜斌，林云，等. LF 炉过程控制模型的开发与应用 [J]. 冶金自动化，2006，增刊（S2）：47-50.

[3]刘国元.LF精炼炉温度预估模型与合金化模型的研 究和实现[D].西安：西安理工大学，2008.

[4]于鹏，战东平，姜周华，等. LF 精炼终点成分预报模型开发 [J]. 材料与冶金学报，2006，5（1）：20-22.