基于光譜識別的LF氬氣底吹自適應(yīng)控制設(shè)計

任鐵良 王衛(wèi)紅 李寶東 胡中博 袁祺森

(中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司)

煉鋼過程中，鋼水中夾雜物是影響鋼水質(zhì)量的重要因素。為了降低鋼水中夾雜物含量，鋼包精煉爐(LF)一般采用底吹氬氣(根據(jù)冶煉鋼種不同還有可能吹入氮?dú)饣蚨趸?來促使鋼水中夾雜物上浮，同時還能使鋼水成分和溫度均勻化。吹氬過程對后續(xù)成品鋼質(zhì)量起著關(guān)鍵作用，若氬氣供應(yīng)不穩(wěn)定就會造成后續(xù)成品鋼質(zhì)量差，甚至產(chǎn)生次品、廢品，嚴(yán)重時出現(xiàn)“夾渣”質(zhì)量事故。目前煉鋼企業(yè)的吹氬控制相對比較簡單，一般利用輸送管道將氬氣站產(chǎn)生的氬氣通過閥站直接輸送到鋼包底部的吹氬口。當(dāng)LF大于100 t時，氬氣站為鋼包輸出兩路氬氣。氬氣操作人員人工給定每路的氬氣流量，通過LF爐蓋上的窺視孔觀察熔渣翻騰情況，逐漸調(diào)節(jié)每路的氬氣流量，直至熔渣達(dá)到最佳翻騰狀態(tài)為止?；蛘哂蒔LC控制LF氬氣流量，一般控制方法是不同的冶煉時段設(shè)定不同的固定流量，但是難以達(dá)到熔渣最佳翻騰效果[1-2]。

1 控制原理

基于光譜識別LF氬氣底吹自適應(yīng)控制系統(tǒng)，模擬人工經(jīng)驗進(jìn)行LF吹氬氣操作。當(dāng)氬氣吹入過多時，渣層下面的鋼水翻騰至渣面，由于鋼水溫度高于渣層表面溫度，鋼水翻騰區(qū)域的亮度明顯高于周圍區(qū)域。當(dāng)氬氣吹入過少時，渣層下面的鋼水翻騰不出渣面，由于渣層表面溫度低于其下的鋼水溫度，吹氬區(qū)域渣面亮度與周圍區(qū)域無明顯差別。通過實時檢測LF爐內(nèi)吹氬區(qū)域熔渣表面光譜發(fā)光強(qiáng)度，調(diào)整氬氣流量，控制渣層表面光譜發(fā)光強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)，既保證不裸露鋼水，還能達(dá)到熔渣最佳翻騰效果，以最低的氬氣消耗量獲得最佳鋼水?dāng)嚢栊Ч?/p>

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于光譜識別的LF氬氣底吹自適應(yīng)控制系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。在LF水冷爐蓋上的人工窺視孔上方固定安裝一個光譜火焰強(qiáng)度檢測器B(簡稱光譜火檢)，光譜火檢的鏡頭對準(zhǔn)LF爐內(nèi)氬氣翻騰明顯的區(qū)域，即LF 2根氬氣管路入口2塊透氣磚上方鋼水之上渣層表面的中間區(qū)域。在LF氬氣站的2個支路上設(shè)有氬氣流量控制調(diào)節(jié)閥、氬氣質(zhì)量流量計、氬氣壓力傳感器。

光譜火檢的檢測信號B、氬氣質(zhì)量流量計的檢測信號F1和F2、氬氣壓力傳感器的檢測信號P1和P2，接入可編程控制器PLC的模擬量輸入模塊；氬氣流量控制調(diào)節(jié)閥控制信號FV1和FV2，接入可編程控制器PLC的模擬量輸出模塊。輸入信號B、F1、P1與輸出信號FV1構(gòu)成一閉環(huán)控制，輸入信號B、F2、P2與輸出信號FV2構(gòu)成另一閉環(huán)控制，構(gòu)成的兩閉環(huán)控制如圖1中虛線連接所示?；诠庾V識別的鋼包精煉爐氬氣底吹自適應(yīng)控制系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。PLC通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與IPC工控機(jī)連接，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通訊協(xié)議為TCP/IP，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為LF控制系統(tǒng)共用，LF其它檢測和控制信號可同時接入IPC工控機(jī)[3]。

圖1 LF氬氣底吹自適應(yīng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 氬氣底吹自適應(yīng)控制系統(tǒng)的硬件組成

每路氬氣采用單獨(dú)的閉環(huán)控制，為使氬氣引起的渣面翻騰效果最佳且受外界擾動(如氬氣壓力擾動)最小，應(yīng)用串級PID控制，即PID控制有主、副兩個控制回路。其中主控回路(外回路)控制渣層表面光譜發(fā)光強(qiáng)度，副回路(內(nèi)回路)控制氬氣流量， LF氬氣流量PID串級控制原理見圖3。

圖3中所示PID1為LF第一路氬氣管線的串級PID控制的主回路控制器(主PID函數(shù)塊)，PID2為第一路氬氣管線的串級PID控制的副回路控制器(副PID函數(shù)塊)。第二路氬氣的串級PID控制的主副回路與第一路氬氣相同，圖3中未標(biāo)出第二路氬氣串級PID控制回路。

圖3 LF氬氣流量PID串級控制原理

主PID回路控制渣層表面光譜發(fā)光強(qiáng)度，副PID回路控制氬氣流量。

主PID函數(shù)塊B反饋的輸入信號為實際光譜發(fā)光強(qiáng)度，是把檢測到的LF渣層表面的光譜發(fā)光強(qiáng)度B信號經(jīng)過輸入轉(zhuǎn)換后得到的。主PID函數(shù)塊的給定值為給定光譜發(fā)光強(qiáng)度，是按LF渣層達(dá)到最佳效果標(biāo)定出的，主PID函數(shù)塊輸出為氬氣給定流量，是副回路控制的給定值。

副PID函數(shù)塊F反饋輸入信號為實際流量，是把檢測到的氬氣回路中的壓力P1(或P2)、質(zhì)量流量F1(或F2)，經(jīng)過F1/P1換算(或F2/P2換算)得到的。副函數(shù)塊給定流量，即主PID函數(shù)塊輸出值。副PID函數(shù)塊經(jīng)計算、轉(zhuǎn)換輸出，加載給調(diào)節(jié)閥，以確保有合適的氬氣流量從LF底部吹入鋼水中。

當(dāng)吹氬區(qū)域?qū)嶋H光譜發(fā)光強(qiáng)度由于氬氣壓力的降低低于給定光譜發(fā)光強(qiáng)度時，主PID函數(shù)塊控制輸出的給定流量將增加，即副PID函數(shù)塊的給定流量增加，如此時實際流量未變化，則流量偏差增大，經(jīng)副PID函數(shù)塊調(diào)節(jié)，將增大對調(diào)節(jié)閥的控制輸出，使調(diào)節(jié)閥開大，增加氬氣流量。當(dāng)氬氣流量趨于最佳時，LF吹氬區(qū)域鋼水翻騰更好，能確保鋼水恰好不裸露出渣面，吹氬區(qū)域光譜發(fā)光強(qiáng)度增大直至趨近于給定的光譜發(fā)光強(qiáng)度，即實現(xiàn)了對光譜發(fā)光強(qiáng)度的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

LF 2路氬氣串級PID控制共用一個光譜發(fā)光強(qiáng)度檢測輸入信號，為避免2個串級PID控制產(chǎn)生過大耦合效應(yīng)，對2路氬氣經(jīng)輸入轉(zhuǎn)換的實際流量比值限定在一固定范圍內(nèi)。

基于光譜識別的LF 2路氬氣底吹自適應(yīng)控制系統(tǒng)，涉及的檢測輸入?yún)⒘浚篖F渣層表面光譜發(fā)光強(qiáng)度信號1個，LF氬氣管線壓力信號2個，LF氬氣管線流量信號2個；涉及的控制輸出參量：LF氬氣管線流量調(diào)節(jié)閥2個。

3 系統(tǒng)標(biāo)定

控制系統(tǒng)應(yīng)用前需對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。LF 2路底吹氬氣流量最佳時、過大時和過小時的鋼水翻騰狀態(tài)見圖4、圖5和圖6。

人工控制LF底吹氬氣流量的過程為，通過工業(yè)攝像機(jī)觀察LF渣層表面，目測到圖5的狀態(tài)減小氬氣流量，目測到圖6的狀態(tài)增大氬氣流量，直至調(diào)整氬氣流量到鋼水翻騰效果達(dá)到圖4的狀態(tài)為止。

圖5 2路底吹氬氣流量過大時鋼水翻騰狀態(tài)

圖6 2路底吹氬氣流量過小時鋼水翻騰狀態(tài)

該控制系統(tǒng)完全模擬上述LF底吹氬氣人工操作過程，系統(tǒng)運(yùn)行前，按照人工控制氬氣流量的方式，將氬氣流量調(diào)整到最佳狀態(tài)(即目標(biāo)實際鋼水翻騰效果對應(yīng)圖4)，安裝于LF窺視孔處的光譜火檢標(biāo)定出此時對應(yīng)的光譜發(fā)光強(qiáng)度，記錄于上位機(jī)中保存(編制相應(yīng)光譜標(biāo)定程序)，PLC根據(jù)上位機(jī)的光譜標(biāo)定結(jié)果，進(jìn)行2路氬氣串級PID控制。

圖4 2路底吹氬氣流量最佳時鋼水翻騰狀態(tài)

在底吹氬系統(tǒng)正式投運(yùn)前，需要分別對每路氬氣的主、副回路的PID參數(shù)(比例常數(shù)、積分時間、微分時間、控制死區(qū))進(jìn)行摸索整定，使其以最快的收斂速度趨于穩(wěn)定狀態(tài)；還需要對氬氣轉(zhuǎn)換后的實際氬氣流量比值進(jìn)行范圍整定，確保不產(chǎn)生過大耦合效應(yīng)。

4 系統(tǒng)特點

與目前LF現(xiàn)有氬氣底吹控制相比，該控制設(shè)計具有以下特點：

(1)模擬LF人工底吹氬調(diào)節(jié)過程，實現(xiàn)LF氬氣底吹自適應(yīng)控制，無需人工干預(yù)；

(2)以最低的氬氣消耗量獲得最佳鋼水?dāng)嚢栊Ч?/p>

(3)無需對現(xiàn)有LF設(shè)備進(jìn)行改造，僅需在LF窺視口加裝一光譜火焰強(qiáng)度檢測器，光譜火檢信號接入現(xiàn)有PLC系統(tǒng)，編制相應(yīng)的軟件即可，簡便易行。

該控制設(shè)計不僅適用2塊透氣磚的LF，還適用于2塊以上底部透氣磚的LF，且對于吹氮?dú)饣蚨趸嫉腖F也適用。