摘要:以宝山钢铁股份有限公司不锈钢分公司RH精炼炉的实际运行情况为依据，从工艺、设各组成、系统硬件配置、真空环流仪表控制、真空环流过程控制等几个方面对RH精炼炉的真空环流部分的过程控制思想进行了介绍,对于促进工业自动控制技术在炼钢生产中的应用具有积极意义。
关键词:真空环流;串级回路;过程控制
0 引言
宝山钢铁股份有限公司不锈钢分公司炼钢厂碳钢生产线上配置了3套钢水精炼装置:RH(环流真空脱气装置),LF钢包炉)及LATS钢包合金微调站)，以钢水的炉外二次精炼满足冶炼各种高附加值钢产品的要求。
这3套精炼装置中，RH工艺最复杂，而且承担着更多的高附加值钢种的冶炼任务。RH精炼炉由宝钢工程技术公司总承包，工艺设计部分由宝钢设计院分包，自动控制部分由宝信公司分包，系统于2004年4月投产。RH炉的基础自动化采用日本富士电机公司的MICREX-AX系统，实现了电气、仪表的统一控制。
从工艺组成角度看，RH精炼炉包括以下几大部分:钢包台车系统、测温取样及破渣枪系统、喂丝及吹氩搅拌系统、真空槽台车系统、烟道小车系统、真空槽环流系统、真空排气系统、KTB顶枪系统、预热系统、合金系统以及离线烘烤系统。
在这些控制系统中,真空槽环流系统与众不同,因为它以仪表串级回路的过程控制为主,而其他以电气过程控制为主,而且它也是RH精炼炉的核心部分,本文主要介绍真空槽环流的过程控制思想。
1 工艺及设备组成
RH处理时,先通过液压系统将钢包顶升至钢水淹没真空槽的两个浸渍管处,然后启动真空排气系统,此时真空槽内的压力低于外界大气压。在内外压差的作用下,通过预埋在其中一个浸渍管(上升管)内的12根气体管道吹入气体,驱动钢水的循环(见图1):气体进入钢水,由于压力降低,吸热膨胀,上升逸出钢水而被真空排气系统带走;在驱动气体上升逸出过程的带动下,上升管内的钢水迅速上升进入真空槽内并形成很多钢水的珠滴,然后在自重的作用下流向下降管,形成循环。驱动气体通常为氢气,因为惰性气体不易引起钢水成分的变化;有时在对氮要求不高的钢种处理时,也可用氮气。在不处理的时候,氮气或氩气作为保护气体使用。氮气、氩气的使用是排斥关系,二者的选择互为联锁。
图1中在氩气、氮气接入真空槽的环流气体总管上设有1个压力变送器,量程为0～1.5 MPa,检测总管的气体压力。在接入环流气总管前部,每种气体管道上分别设有1个切断阀,用于控制气体种类的切换。
11～13, 21～23, 31～33, 41～43-流量变送器
浸渍管环流气体设置4个支管,每个支管有一个顶部导向型单座流量调节阀和一体化孔板流量变送器,量程均为0～30m3/ h。每路支管上又分为3路旁支,总共12路,在每路旁支上设有一个流量变送器,仅作为检测管道有没有被堵住之用。总管上没有流量检测仪表,总流量采用串级回路进行控制,依靠4个支管的流量总和作为总流量。
2 系统硬件配置
宝钢不锈钢炼钢厂的计算机系统分为3级:L1级(基础自动化系统), L2级(过程计算机系统),L3级(生产管理系统)。碳钢精炼L1根据各设施及单体设备划分PLC控制单元,主要包括:ACS(控制站),A0S(操作站),ADS(数据库站),AES(工程师站)等。
从图2中可知,RH和LF/LATS精炼装置组成相对独立的网络系统,双重化冗余,共用ADS数据库站,与L2级网络采用Gateway连接,4台PLC控制站之间采用PE- LINK总线连接,PLC控制站与现场设备的连接采用T-LINK总线和EPC总线。TLINK总线有2种,T-LINK0总线连接现场操作箱单元,T-LINK 1总线连接电机及变频器单元;EPC总线连接N0DE(远程I/0模块)。其中,RH有3台AOS操作站,2个ACS控制站,1个台式AES工程师站,1台便携式AES工程师站,1台画面及报表打印机。
图2系统硬件配置
SW一网络交换机;Gateway一网关T-LINK,
EPC和PE-LINK一总线;NODE一远程I/O模块;MCC一电机控制中心
3 真空环流仪表控制
真空环流仪表控制的核心问题就是如何将操作画而上设定的“环流气体SV(Set Value)流量”,通过PID串级回路传递至现场设备并对各个支管流量进行调节。控制回路框图如图3所示。
PID控制器主要涉及3个参数:SV,PV(Process Value)和MV(Manual Value),通过SV与PV的比较来调节MV的大小。图3中主PID控制器是一个虚拟的PID调节器,实际中并不存在。需要设定的值只有环流气体SV流量，其与4个支管过程反馈的流量PV值之和作为主PID控制器的输入值,通过参数的设定,可调节输出值MV。主PID控制器的MV,除以4后,平均分配给4个PID控制器,作为各自PID控制器的SV。4个PID控制器的PV采集于4个支管的孔板流量变送器,而各自PID控制器的MV控制各自支管上的流量调节阀。
图3环流气体控制回路框图
—实际管道;—逻辑线路
针对此方式，如果直接将环流气体SV流量除以4后平均分配给4个控制器，作为各自的SV值，虽然可以减少虚拟中的主PID控制器的控制，但是没有充分考虑到支管被堵塞情况。如果1个支管的调节阀不能工作，其余3个支管所能调节的流量最多为设定值的3/4，不能满足设定值SV的需求。而采用该方式后，经过分析可知，即使一两个支管堵塞，设定的SV值，只要在其余的支管调节阀的量程总和的范围内，依然可以调节。实际使用情况也正是如此。12个环流支管，偶尔会出现个别几个支管被堵塞的情况，而并未影响整体的环流调节。
4 真空环流过程控制
在RH处理时，需根据钢水脱氧程度、处理时间、合金添加时刻等情况来改变吹氩/氮流量以调整环流速度。例如在开真空泵，特别是真空度快速下降的脱气初期，环流气体流量设定值不能太大，设定值太大一方面将妨碍真空度上升的速度，另一方面钢水飞溅严重易粘冷钢;脱气初期结束后，对于需要本处理工艺或脱碳的钢种，一般要适当增加环流气流量以增加脱气反应的界面积，从而提高脱氢或脱碳的速度;合金料投入后，也需适当增加环流气流量以加速成分的均匀及夹杂物的有效上浮去除。所以环流流量设定值需分阶段进行控制。我们采用7个流量设定控制阶段，分别为:“处理前”阶段“处理开始”阶段、阶段1～4和“处理后”阶段。“处理前”阶段指环流开始至排气开始之间的时间段;“处理后”阶段指排气结束至环流结束之间的时间段。
处理时，根据作业标准和实际工艺要求，不同处理阶段采用不同的流量设定或者是定值控制，作业标准由钢种决定。
环流流量和气体种类的切换控制有3种模式:CPU自动模式、中央自动模式、手动模式。
CPU自动模式下，按照L2级系统下达的环流控制指令进行流量调整和环流气体种类的开闭。实现方式为:在钢包到达RH处理工位时，L2下达该炉次的环流作业标准。
该作业标准在L1的操作画面上显示，操作人员可以根据具体的钢水情况等因素对其进行修改。由人工确定环流开始，环流开始确认后，根据“处理前”的气体种类，打开相应的切断阀门，并根据该阶段的规定流量值，控制4个调节阀，达到要求的流量值。当排气开始时，根据“处理开始”阶段的环流气体种类，开/关相应的切断阀门，并根据该阶段的规定流量值，控制调节阀，达到目标流量，开始时间计数。当计数值达到阶段1的流量设定值时，根据阶段1的气体种类和气体流量，开/关切断阀门，控制流量调节阀，重新开始时间计数。当计数值达到阶段2的流量设定值时，进入阶段3的种类及流量控制，直至进入阶段4。当排气终了时，环流进入“处理后’，阶段，按该阶段的气体种类及流量值，进行环流控制。最后，人工关闭气体阀门。
中央自动模式下，操作人员根据当前特殊的工艺要求，设定环流值，按照该值进行流量控制并设定环流气体种类的开闭。实现逻辑为:环流过程中，气体种类的选择由人工开关切断阀门，流量由人工设定，PLC控制4个流量调节阀，使得流量达到设定值。
中央手动模式下，人工通过操作画面给出调节阀的阀门开度，进行流量的调节;人工进行切断阀门的开/关，进行气体种类切换。
另外，在非处理时的环流和待机位的环流操作用于真空槽保护。环流保护的控制模式也有中央自动方式和中央手动方式两种，通常此时环流气体的流量采用人工设定的定值控制方式。
在操作过程中，“CPU模式”可由人工干预变为“中央自动”或“中央手动模式”。“中央自动模式”可由人工干预变为“中央手动模式”。
操作画面中有控制方式变更和气体SV流量变更的逻辑检查功能。
5 结束语
从RH投产至今，己两年多的时间，真空环流的过程控制与现场设备及生产不断磨合、逐渐完善后，己近乎成熟。RH良好的真空环流系统控制，保证了各种优质钢的冶炼，现己成功开发冶炼管线钢,IF钢等高附加值钢种。
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