电炉炼钢自动控制系统的改进

丁梦怡



电炉炼钢自动控制系统的改进

丁梦怡

（山东钢铁集团山信软件股份有限公司）

高效、优质、低能耗、低成本的运营对钢铁企业是至关重要的。对山东钢铁莱芜分公司特钢100 t电炉炼钢生产线故障报警系统、用氧模型、燃烧控制等进行研究，通过添加预报警信息、自学习功能等使电炉综合自动控制技术适应性更强，生产故障率显著降低，线上产品产量和质量有效提升，满足市场需求，并取得较好的经济收益。

故障报警系统；用氧模型；二次燃烧

0 引言

随着电炉熔炼工艺不断发展，熔炼过程中自动化控制技术也不断进步。山东钢铁莱芜分公司特钢100 t电炉炼钢生产线建于2013年，是一条包含电炉、连铸、轧钢一体的完整生产线。生产线建设初期，设备和控制系统，尤其电炉炼钢自动化控制系统基本是引进整套的国外设备和系统。后期随着国内市场的需求和现场生产工艺、环境的不断改进，电炉炼钢自动化控制系统已无法满足生产需求，且故障报警系统、能源控制系统等都一定程度上存在外方技术上的封锁。为更好地实现自动炼钢控制功能，提高电炉区域氧气等能源的综合利用率，降低现场故障发生率，本文围绕节能指标、效率指标和报警系统，完善形成了集系统报警、充分燃烧和能源管控为一体的电炉炼钢自动控制系统，为全面生产管理和高效生产创造条件。

1 电炉炼钢自动控制系统

山东钢铁莱芜分公司特钢100 t电炉炼钢生产系统采用兑加铁水工艺并进行吹氧操作，由4支组合式精炼烧嘴实现钢水冶炼的助熔、脱磷、脱碳、二次燃烧和造泡沫渣等功能。电极与炉料间放电产生电弧，释放大量热能，融化金属和炉渣。出钢形式为偏心底出钢。电炉炼钢自动控制系统是为了确保整个炼钢生产系统可以在仪表设备的机械化、自动化和精准化作业中持续高效运转而创建的。电炉炼钢自动控制系统采用以太环网和现场总线技术，确保数据传输的可靠性和及时性；采用模块化编程，根据用户定制的监控画面，方便用户对设备的权限性操作；采用故障自诊断模块，实现故障自动报警功能，降低故障查找时间；并通过各种手段建立生产过程控制模型，从而实现炼钢现场人力资源与安全运营的最优生产方案。

2 建立故障自诊断模块

山东钢铁莱芜分公司特钢100 t电炉炼钢生产系统包含电炉液压站、铁水倾翻液压站、氧气阀站、煤气阀站、喷碳系统、电炉倾动系统、循环冷却水系统、炉本体系统、变压器电抗器、大电流系统等子设备控制系统。整个控制系统设备结构复杂，对自动化程度要求较高，一旦发生故障而不能及时处理，将会造成巨大的损失。故障报警系统建设初期，仅能在操作界面看到液压油位高低、氧气流量大小等基本的报警信息，并不能全面掌控系统故障发生情况和原因。为提高系统的可靠性、可维护性和安全性，本文针对故障自诊断模块进行深入研究，建立完善故障报警信息库，搭建预报警系统。

通过分析大量的电炉炼钢自动控制系统故障信息，将故障分为轻故障和重故障2种类型。每种类型又分为液压故障、系统硬件故障和网络通讯故障3个类别。每个类别还分为油箱油位过低、油管路压力过高、变频器故障、模板损坏等十几个种类，常见故障统计表如表1所示。

表1 电炉炼钢自动控制系统故障统计

分析现场采集的信息后，在现有故障报警系统基础上，增加故障信息数据库、自诊断模块、预报警系统等控制模块，以便在生产过程中更好地判断故障发生原因，提高故障处理效率。首先建立故障信息数据库，将所有可能发生的故障信息输入数据库；然后在现有报警系统中添加故障自诊断模块和预报警系统；最后设定当系统有故障时，自行检索判断故障类型，轻故障时予以报警，重故障时自动切断控制回路。

同时，优化故障预警和报警、故障诊断及自学习等功能，对电炉炼钢生产系统进行状态监控。通过设备驱动、温度和压力等信息的变化，对设备的异常及时做出反应，并根据实时监测的现场数据与信息，结合专业技术人员输入的现场设备异常信息，推断生产设备的状态（正常、故障等）。

3 强化用氧模型

冶炼过程中，氧气的控制和使用情况直接影响钢水冶炼质量。本文在电炉炼钢自动控制系统中分别建立调节各个模块的氧气流量及燃气流量控制程序，即根据电炉各位置用氧特点，对不同位置的氧枪、不同的料篮投入情况，以吨钢冶炼电耗为判断依据，将各个冶炼阶段的用氧方式分成一个个分步模块，实行模块化控制。100 t精炼烧嘴控制界面如图1所示。

图1 100 t精炼烧嘴控制界面

本文将用氧模型的执行优化设定为通电熔化废钢，通过烧嘴引入氧气，使氧气的化学能能够被充分利用，此时与火焰接触的废钢被切割融化，邻近的废钢被预热。烧嘴引入氧气要始终保持最大的功率，当输入一定氧气后，烧嘴功率可减小到50%并开始喷碳，喷碳功能完成后烧嘴切换到氧枪火焰模式并强化氧气射流，此时，炉内可形成熔池。通过每个烧嘴引入的氧气，其中心氧气射流是按照最小的功率以氧枪模式被触发，再加上氧化C和Fe提供的额外能量，促使炉内废钢更快熔化。强化用氧优化过程如图2所示。

图2 强化用氧优化过程

强化用氧模型投入使用后，由于氧气射流能够穿透渣层和氧化熔池而不会造成剧烈扰动，可使热量均匀分布在熔池内，废钢熔化反应明显加速，吸入炉内的空气明显减少。生产电耗平均可降低25 kWh/t，氧耗平均降低6.2 m3/t，每炉通电时间平均缩短了2.6 min。

4 完善二次燃烧模型

在山东钢铁莱芜分公司特钢100 t电炉炼钢生产线投产初期，生产中CO、H2和CH4废气所携带的能量占炼钢总输入能量的13%，有时甚至高达19%，造成大量能源浪费。一般电炉冶炼中二次燃烧吹氧采用在渣层上方吹氧进行二次燃烧，或将氧吹进渣层使CO在进入炉子净空间前即产生二次燃烧这2种方法。但无论单一使用哪种燃烧方法，都无法最大限度地利用能源。因此，本文在100 t电炉原有的二次燃烧控制系统基础上，将2种燃烧方法相结合，通过向炉内补充吹氧的方式，使CO在炉内燃烧生成CO2，将化学能转变为热能，促进废钢熔化或熔池升温。二次燃烧反应的平衡常数如表2所示。

表2 二次燃烧反应的平衡常数

CO的燃烧反应具有支链特征，只有当存在H2O的情况下才能快速反应，CO的反应速率为

由CO的反应速率公式可以看出，温度升高不利于二次燃烧反应的进行，有利的热力学条件是充足的氧气供应、低的炉气温度和一定量的水蒸气。H2O浓度的最佳值是7%~9%。由此需要计算来自原材料、氧燃烧嘴的燃烧产物以及适当控制电机喷淋流量来获得最佳的二次燃烧的热力学条件。

实测得，采用二次燃烧消耗1 m3氧气可缩短冶炼时间0.43 min ~0.50 min，节电3.8 kWh/t。一般用于二次燃烧的氧气量为13.1 m3/t，实际节电31 kWh/t，缩短冶炼时间6.5 min。

5 结语

山东钢铁莱芜分公司特钢100 t电炉炼钢自动控制系统投入使用后，生产稳定，产品质量有了显著提高。目前，该生产线实现了自动化连续控制，通过使用故障自诊断模块，尽可能地降低故障率，缩短故障排除时间；用氧优化模型最大限度地优化氧气利用，提高电炉炼钢的生产效率，降低了损耗。

[1] 傅杰.现代电炉炼钢理论与应用[M].北京:冶金工业出版社, 2009.

Improvement of Automatic Control System for Steelmaking in Electric Furnace

Ding Mengyi

(Shandong Iron and Steel Group Xin Software Co., Ltd.)

High efficiency, high quality, low energy consumption and low cost operation are critical to steel. In this paper, the Shandong 100 t Eaf steel production line fault alarm system, model and smelting energy-saving control system with oxygen section in an in-depth study, by adding forecasting warning information and self-learning function for electric furnace more fully integrated automatic control technology, the production failure rate decreased significantly, online effectively improve production and quality products, to meet the market demand, and have achieved good economic benefits.

Fault Alarm System; Oxygen Model; After-Burning

丁梦怡，女，1987年生，学士，工程师，主要研究方向：电炉智能化控制系统的研究与优化。E-mail: dmysmile333@126.com