180吨精炼炉电极控制节电技术实践

摘 要：根据宣钢150吨炉区180吨LF钢包精炼炉的运行情况， 针对系统运行中的问题，介绍了精炼炉电极调节控制总统思路和控制方案，以及系统实施过程和效果，对精炼电极控制技术进行了总结，系统实施后取得了良好的经济和社会效益。

关键词：精炼节电；电极控制；电极调节器；预测控制算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.138

0 前言

宣钢180T LF精炼炉采用电极加热的方式对钢包炉内铁水进行加热升温，原电极调节系统存在不稳定现象，给精炼炉的电极和变压器带来很大冲击，同时造成精炼炉电耗损失增大，特别是在造渣埋弧阶段，采用大电流短弧操作，短弧操作会使功率因素及电效率下降[1]，不能将有效的电功率输入炉内，达不到快速升温的目的，且保护功能不完善，容易造成电极折断。

针对电极调节控制系统中的大时滞、非线性、时变问题，提出了应用在“恒阻抗策略”下的预测控制算法（PFC）的PFC-PID串级控制策略解决方法。当电极电流增加时会反应在精炼炉内温度升温速度变大，此时主调节器输出减小，即副调节给定值减小，要求选择小电流工作曲线，使得控制液压调节阀开度增大，电极上升，电流变小。

1 应用背景

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[2]。钢包内钢水升温阶段采用控制电极放电起热过程来实现调节，加热升温钢水的过程一般包括：造渣埋弧、升温阶段、保温出钢阶段等。宣钢精炼炉电极调节升降存在不稳定现象，给精炼炉的电极和变压器带来很大冲击，同时造成精炼炉电耗损失增大。随着公司品种结构改变，精炼炉使用效率日益升高，节电效益可观。我们通过技术交流和对标咨询，邯钢、石钢和承钢等钢厂的精炼炉均进行了电极升降调节器控制系统的升级改造，改造后节电效果显著。因此对宣钢4座LF精炼炉电极调节系统的高效改造就显得非常重要。因此，计控中心牵头组织一、二钢轧厂及相关部室进行了改造可行性论证，决定将二钢轧厂2#180吨精炼炉做为试点，对电极调节器控制系统进行升级改造。

2 总体思路和实施方案

2.1 总体思路

精炼炉电极调节控制是一个间歇式操作、智能控制的过程，控制的重点是在“恒阻抗控制”的理念下，如何根据变压器功率圆图，应用先进控制技术，选择最优电流工作曲线，驱动液压系统带动电极电流的升降，实现对精炼炉冶炼过程的调节与控制。

二钢轧厂2#180吨精炼炉西门子控制系统硬件设备完备，只需进行软件升级改造。在原电极调节器控制系统程序中嵌入新的控制系统。同时保持新旧控制系统可随意切换。主要实施如下：

（1）对2#180吨精炼炉西门子控制系统进行技术分析，确定不投入硬件设备，只需进行软件升级改造。

（2）在原电极调节器控制系统程序中嵌入新的控制系统。同时保持新旧控制系统可随意切换。

（3）根据生产工艺情况调节相关参数，测试数据。

（4）现场编制程序、在线调试，编制操作规程，投入运行。

2.2 实施方案

2.2.1 LF精炼炉工艺及电极调节系统

钢水升温阶段采用控制电极放电起热过程来实现调节，加热升温钢水的过程一般包括：造渣埋弧、升温阶段、保温出钢阶段等过程。

（1）造渣埋弧阶段。采用低电压、大电流短弧操作，在冶炼工艺上采用泡沫渣技术，进行埋弧加热，应用先进控制技术提高成功埋弧速度实现精炼炉高效节能生产。

（2）升温阶段。在“阻抗匹配”的前提下，适当降低二次侧工作电流，在这个阶段根据变压器功率圆图，应用先进控制技术选择最佳工作电流曲线控制升温速度实现高效节能生产的关键因素。

（3）保温出钢。加入合金调整成分，搅拌并保温一定时间，测温取样分析，成份合格并达到下一工序所需温度时停止精炼。应用先进控制技术选择最佳工作电压和工作电流曲线，达到最佳变压器输出功率及功率因素，控制保温效果实现高效节能生產。

（4）冶炼过程中液压系统控制。采用比例阀控制，实现电极的升降速度可变、可调而且灵敏度高。

（5）实时弧流、弧压采样系统。精炼炉在冶炼过程中采用实时“恒阻抗控制”原理，预先建立精炼炉阻抗的模型，应用先进控制技术算法及模型，计算控制变量到液压系统驱动执行机构来控制电极的上下移动，实现对精炼炉内电极电弧电流的有效控制。

其电极控制系统结构框图如图1所示：

2.2.2 电极调节器的控制技术

当电弧电流小于额定值时，输入到炉内的电能减少，化渣时间拖长，电能及电极消耗量[4]均有增加；而当电流非常大时，就能使路线损耗大大增加，会使钢液遭受增碳的危险，严重时可折断电极。控制工艺目标如下：（1）在造渣埋弧阶段，保证在最佳电流工作曲线下不断弧，埋弧时间短，稳定精炼炉内升温过程；确保温度、电极电流值达到平稳、不超调。（2）升温阶段控制时保证升温速度平稳、波动小，温升速度在4-5.5℃/min、电极消耗在8g/t； 保持装置在允许的安全和约束范围内正常基本自动运行。（3）保温出钢阶段，在最小能耗下保持精炼炉内温度不下降，确保了后续工序正常生产。（4）整个冶炼过程中冶炼时间在42分钟以内，通电时间在13-18分钟。

2.2.3 电极调节控制策略和方案

钢包精炼炉是用三相电极产生的电弧来加热钢液的，采用恒阻抗调节是解决电极间互耦作用的一种有效方法。

针对电极调节控制系统中的大时滞、非线性、时变问题，提出了应用在“恒阻抗策略”下的预测控制算法（PFC）的PFC-PID串级控制策略解决方法。

控制系统的核心是基于测试法的过程模型辨识算法与预测函数控制（PFC）的设计。被控对象的数学模型采用一阶纯滞后惯性环节，测试法辨识结果与实际调节器系统结构相似，表明数学模型与实际过程基本接近，可以用于控制方法研究。PFC具有预测模型、滚动优化和反馈校正三部分，其最大特点是控制量计算方程简单，实时控制计算量小。

2.2.4 精炼炉电极调节系统研发

（1）变压器功率电流曲线模型建立。当电极起弧后，埋弧效果在正常范围内变化时，控制方式采用最优工作电流曲线模型下自适应回路调节，当电极电弧长度超过设定值时容易造成断弧或埋弧不稳时引入具有前馈环节的补偿功能。

在变压器及短网系统的电气参数初步计算完成后，将制作LF的功率圆图，并结合此圆图数据，选择出合理的工作点。

（2）系统硬件组成。电极调节器有电极调节控制系统，弧压弧流检测系统及与本体通讯接口等组成。控制器采用西门子s7-400PLC，弧流检测采用罗氏线圈测量。并与本体PLC建立以太网连接，对数据进行实时交换，保证相关安全连锁的稳定运行。

（3）软件策略。电极调节器软件部分与旧控制系统有着本质区别，因此对电极调节器控制系统程序进行了重新编制，新调节器主要有阻抗控制器、过流控制器、短路控制器等组成，系统投用后出现电流超调量较大，保护功能不全导致电极发生挫伤断裂的事故，因此针对实际使用情况对各控制器进行了优化，并增加了部分保护功能。

2.2.5 过流控制器和短路控制器

实际电流信号与过载电流最大值相比较，差值通过一个PI控制器，输出经过限幅后，与阻抗控制器的输出相加控制电极快速提升。当电流超过最大电流设定值时，过电流控制器自动使能，通过三个积分器，过电流值过的越大，电极速度提得越快。

2.2.6 液压比例阀控制优化

电极的响应速度对调节器的性能非常重要，系统投用后发现电极上升过程中响应较慢，检查发现在上升过程中，给定速度在液压阀的死区内，因此对液压阀控制给定电压进行调整，避免了给定值在液压阀范围内，提升了电极的响应速度及精度。增加备用比例阀门控制程序，在液压管路上增加备用比例阀，在控制系统中增加主用备用阀切换程序，使用主用阀故障时，可以迅速的切换至备用阀，避免了因比例阀故障导致生产停顿。

2.2.7 增加调节器保护功能

冶炼过程中，当变压器调压档位切换时，通过减小二次电流来保护调压档位切换。一般电流减小正常冶煉电流值的20%。电极下降过程中，为了检测到非导电材料防止电极折断，需要判断电极液压压力信号，当液压压力低于报警值1时，电极减速下降。

2.2.8 系统HMI构成

电极调节主画面界面主要包括以下几内容，三相弧压、弧流、阻抗、功率、功率因数、通电时间、电量显示、调压档实际档位显示、电极上下限位显示、比例阀输出显示、三相弧压、弧流、比例阀输出历史趋势显示。

3 实施效果

项目实施后，在电极第一次起弧过程中，可以明显减小因钢水渣层产生的对电极电流的大幅度波动，减轻电极振动，有效保护电极。在电极正常加热过程中，可以明显减小电极电流的大范围波动，从而减小电极的纵向震动幅度和横向震动频率，有效保护电极。

系统应用后，2#精炼炉使用新电极调节系统吨钢节电率15.63%，采用恒阻抗调节器吨钢电耗大大降低。新调节器实施后系统弧压稳定，弧流调节超调量小，较1#精炼炉调节系统有很大的改观，弧流值基本可以稳定在设定值范围内。

4 结论

该系统投运入使用以来，效果良好，运行稳定。项目的成功实施和应用，达到优化工艺、缩短冶炼时间、降低生产成本目的，同时对提高精炼炉生产管理水平、提高企业市场竞争力等方面起到积极的作用，年节电效益约170万元。

参考文献：

[1]孙亚峰，任兵芝等.工艺条件对铜电解精炼过程直流电耗的影响[J].有色金属（冶炼部分），2018（06）.

[2]刘浏.高品质特殊钢关键生产技术[J].钢铁，2018（04）.

[3]刘涛，刘怡生.宣钢精炼炉优化合金成分配料模型的应用[J]. 河北冶金，2018（04）.

[4]王璐，孙彦辉等.精炼炉电耗控制分析[J].工业加热，2018（03）.

[5]胡显堂，杨振旺等.钢包精炼工艺与设备现状[J].铸造技术， 2018（08）.

作者简介：孙海晓（1984-），男，河北怀安人，本科，自动化工程师，从事电气自动化设备管理工作。