RH-TB钢水真空处理控制系统.doc

RH-TB钢水真空处理控制系统 尤克强 （鞍钢设计研究院 114021）摘要：文章全面介绍钢水真空处理的控制系统构成，重点论述蒸汽泵抽真空、真空室加热、顶枪控制、合金料投入等控制子系统的控制策略。关键词：真空处理 配比控制 串级控制 真空曲线 升温曲线 一 前言真空冶金技术的开发主要源于钢水脱气的需要。在钢水凝固过程中，氢在钢中的溶解度明显降低，氢气沉积并以分子形式存在。这种氢气的沉积,明显降低钢材的质量。为了适应市场对高质量钢材的需求，1998年初鞍钢决定引进德国梅索公司的RH-TB钢水真空处理技术。梅索公司的RH-TB脱气工艺，主要有五项功能：l 钢水脱氢l 钢水脱碳l 钢水中合金元素调整l 真空室顶吹氧气强制脱碳l 真空室顶吹氧气加铝升温RH-TB钢水真空处理采用两级计算机控制系统。基础自动化包含电控和仪控，是电仪合一的PLC控制系统；二级自动化采用奔腾PC机，编制数学模型实现过程控制。二 基础自动化控制系统基础自动化的电控和仪控采用两台西门子公司的可编程序控制器S7-400和作为操作站的两台工业PC组成。控制系统配置图从略。系统通讯采用工业以太网TCP/IP,操作台和现场控制单元通过工业以太网联络，并以此实现与二级计算机通讯。PLC系统收集现场仪表设备传输来的各种原始信号，经CPU处理后输出信号控制现场执行机构；同时将现场设备运行状态信号和数据送操作站监视。操作站在显示现场设备运行状态和数据的同时，可以通过键盘和鼠标对现场设备和执行机构进行操作和控制。操作站是人机联系接口设备，其彩色显示器可以进行7种画面（工艺流程画面、分组画面、回路调整画面、报警画面、故障事故画面、趋势画面、显示画面菜单）的显示和控制。操作者可以按键盘和鼠标调动各种画面进行监视，也可以通过键盘和鼠标下达操作命令，调节过程参数，选择手动和自动控制方式等。三 钢水真空处理的检测控制项目RH-TB钢水真空处理的检测点为246点，控制回路为12个。另外的配套项目：水处理站和蒸汽蓄热站，还有检测点80点，控制回路4个。现场仪表（包括控制阀）总共有400台。主要的检测和控制项目分8个子系统叙述如下：31 蒸汽泵抽真空系统抽气真空主阀前后设有真空度检测，根据不同的真空度分段采用量程不同的4台绝对压力变送器测量真空度。测量范围0-1200KPa，最小值可测得0.65KPa。同时还配一台水银真空计用以意校验真空度。系统设真空度调节阀1台，用以控制真空度。蒸汽供应主管设有温度和压力检测，分汽缸各输出支管均有压力显示仪表。6台蒸汽真空泵组成四级，配用3个喷水冷凝器，冷凝器各设置1支热电阻检测回水温度，K1冷凝器设置1台浮球式水位计，用作水位高限报警。回水贮罐的水位检测采用电容式水位计，监控贮水罐水位，并实现越限报警。3台回水泵出口各设置1台压力开关。回水贮罐周围设有4台一氧化碳检测仪，当一氧化碳浓度越限时报警，保障人身安全。废气排放管设置有温度、压力、流量检测；流量检测采用阿牛巴流量计。另外还设有氧气、氧化碳和二氧化碳分析仪。浊环水设有温度和压力检测。32 钢水罐旋转和举升系统钢水罐处理位设有，钢水测温定氧仪（采用消耗式热电偶和氧化锆测头）测温范围400-1760，定氧范围0-1000PPm；钢水定氢仪，测氢范围0-12PPm；钢水罐称重装置，检测范围0-300t，精度为0.5%。33 真空处理供气系统供气系统设有，蒸汽温度和压力检测；氩气、氮气、氧气、压缩空气压力检测；高压煤气、低压煤气压力检测。34 机器冷却水系统冷却水系统设有，冷却水总管温度和压力检测；顶枪冷却进出口水温度检测和报警；顶枪冷却进出口水流量及其差值检测和报警；烟道及冷却器9路冷却水的温度及流量开关；1号和2号待机位真空室各5路冷却水的温度及流量开关；真空室干燥站4路冷却水温度及流量开关；液压站冷却水温度及流量开关；事故水箱水位和温度检测。35 顶枪吹氧气和吹煤气系统真空室处理位的顶枪设有，氧气温度、压力、流量检测及流量控制调节阀；高压煤气温度、压力、流量检测及流量控制调节阀；氧气和煤气配比燃烧控制；火焰监测。从安全生产出发还设有保护气体（氩气或氮气）流量控制调节阀。3 6 室待机位加热系统真空室有两个待机位，检测与控制均相同。1号和2号待机位的加热系统各设有，氧气压力、流量检测及其流量控制调节阀；低压煤气压力、流量检测及其流量控制调节阀；氧气和煤气配比燃烧控制；真空室壁和顶盖温度检测，系统可以依据顶盖温度按升温曲线对氧煤气燃烧进行自动控制。烧咀旁设有自动点火装置和火焰监视。浸渍管提升气体（氩气或氮气）设有压力、流量检测及流量自动控制调节阀。氧气、煤气、压缩空气管路不同区段设有压力开关。37 真空室干燥系统新砌筑耐火材料内衬的真空室首先需要长时间缓慢加热，实现真空室干燥预热。然后在挪到待机位。系统设有，煤气压力、流量检测及其流量控制调节阀；助燃鼓风机的风量检测及其流量控制调节阀；空气和煤气配比燃烧控制。3 8 合金料称量投入系统合金系统设有，16个高位存贮合金料仓的高、低位电容式料位计；3台称重料斗电子秤装置，称重范围0-3500Kg，静态称量精度为0.2%；1台真空称量料斗电子秤装置，称重范围0-2500Kg，静态称量精度为0.2%。真空汇料斗还设有压力检测和越限报警。四 RH-TB钢水真空处理的主要测控系统钢水真空处理工艺是一个比较复杂的工艺，有一些特殊的测控项目，仪控子系统比较多，技术含量较高。4 1 钢水真空处理的抽真空控制在钢水罐尚未到达处理位之前，蒸汽真空泵就要启动，对系统预抽真空。首先启动E4a和E4b两台真空泵，而后第二步再启动E3a和E3b两台真空泵，真空度逐渐加深、第三步关闭E4b和E3b真空泵，同时启动E2真空泵，此时真空泵系统的真空度已经相当深，绝对压力在0.1KPa以下。届时钢水罐已到处理位置，并举升使钢水液面升到真空室浸渍管的中部。第四步打开真空主阀，并启动E1真空泵，对钢水进行真空处理。参见图1 图1 抽真空检测控制流程图在对钢水真空处理脱气期间，根据工艺要求必须对真空度过程进行控制。对于不同的钢种，要按不同的真空曲线进行控制。仪控系统根据工艺要求编制了九条真空曲线。按程序开启真空泵，并根据检测的真空度控制回流气调节蝶阀，从而保证真空度达到工艺的要求。图2表示某一条工艺要求的真空曲线。 图2 真空曲线42 真空处理废气分析仪钢水真空处理时排出的废气进入烟道，在排放之前需进行气体分析。气体分析装置配有采样抽气泵和气样净化设施，而后经磁氧分析仪和红外线分析仪，分析得出废气中的O2、CO、CO2浓度。浓度信号送往计算机，一方面送操作站CRT进行监视；同时此信号送往二级计算机并根据废气流量算出钢水脱碳的程度，以便进行数模控制。43 钢水定氢仪检测钢水含氢量RH-TB钢板水真空处理除了有钢水测温、定氧、取样而外，还装配定氢仪。定氢仪用来检测钢水处理前后的含氢量，检测脱氢效果。定氢仪是用测枪插上定氢测头，将氮气导入钢水中，并以氮气为载气将钢水中的氢气引出。含氢气的氮气通过热传导检测器测出含氢量。经真空处理后的钢水含氢量在1-2PPm以下，定氢仪的检测范围为0-12PPm。44 真空室待机位加热控制系统 真空室是钢水真空处理的主要设备，钢水在真空室中循环脱气。钢水温度达到1600-1700，于是真空室必须加热到1400以上。真空室在移动到处理位以前是在待机位，真空室必须加热到1200才能从待机位移至处理位。本系统有左、右两个待机位，其控制系统相同，真空室采用低压煤气配氧气燃烧来加热，参见图3在待机位的真空室加热过程是这样：首先揭盖，当冷却水、煤气、氧气等条件具备时，点火煤气管的阀门开启辅助烧嘴自动点火。当火焰监器RS001检测到火苗之后，自动开启主烧嘴的煤气和氧气，点燃主烧嘴，然后落盖正式进入真空室加热阶段。如果真空室温度在800以上，也可以不揭盖点火。氧气和煤气的燃烧控制有单回路自动、配比控制和以温度为主环、流量为付环的串级控制3种方式。根据工艺要求，真空室从常温加热到1200必须按照升温曲线逐步升温，因此本系统具有升温曲线程序控制功能。其升温曲线见图4。真空室加热的同时，必须通入提升气体，以防浸渍管耐火衬中的小孔堵塞。提升气体流量控制为单参数流量调节。一般来说在待机位时通入氮气，当真空室挪到处理位时，将切换成氩气，氩气和氮气密度不同，流量值需进行密度修正。 图3 真空室待机位检测与控制图 图4 待机位真空室升温曲线4 5 处理位顶枪控制系统RH钢水真空处理增设顶枪之后称为RH-TB，顶枪为钢水真空处理增加了许多功能。顶枪通入煤气和氧气实现真空室大气加热和真空加热功能，可以对真空室实现再加热。顶枪大流量吹氧，可以实现钢水强制脱碳；在大流量吹氧同时，钢水加铝可以实现钢水升温。顶枪检测与控制参见图5。顶枪在实现大气加热或真空加热时，降顶枪到预定位置，自动通入高压煤气和氧气，由于真空室温度很高，煤气自动点燃。系统有单回路自动，氧气与煤气配比两种控制方式。顶枪在实现大流量吹氧时，根据上位计算机设定的供氧强度和供氧累计总流量对氧气进行串级控制，当氧气流量累计值达到预设定总量时自动停吹，并提升顶枪到待机位。 图5 顶枪检测控制图顶枪在完成预定功能后关闭氧气和煤气阀门，此时顶枪保护气体自动输入，吹扫顶枪中的残存煤气确保安全。保护气体可以是氮气或氩气。保护气体的流量是采用单参数自动控制方式。46 合金料自动投入控制系统RH-TB钢水处理的又一项重要功能是进行钢水中合金元素调整，同时亦可以加铝实现吹氧升温，参见图6 图6 合金料投入控制系统系统共有16个高位合金料仓，每料仓均设有高低料位报警。16个料仓分为3组，各配置称重料斗。合金料的投入量是依据钢水的原始成分和处理后的目标成分进行计算得出各种料的投入量进行逐个品种的称量，称料开始由电磁振动给料器快速振动，当称量值达到90%时转慢速，当称量值达到98%时，电磁振动给料器停振，以后靠惯性达到100%预定配料量。第一种料称量完毕，开始第二种料称量，直到全部称量完成。此后在卸料到可移动式胶带运输机送至两个真空料斗后，送至溜槽进入真空室投入钢水中。由于钢水加升温铝的快速要求，专门设置一个真空铝料斗电子秤，在真空铝料斗预装一定量的铝粒，一旦工艺操作需要可实现快速加铝的功能。五 结束语仪控系统软件编程约400页，编制操作和控制画面30多帧，设计院软件人员付出了大量艰苦的劳动。RH-TB钢水真空处理工程从开工到投产仅用了不到一年的时间。在1999年12月17日热负荷试车胜利成功。整个工程投资省、速度快创国内历史最高水平。第三炼钢厂的领导和同志们十分满意设计院人的劳动成果。鞍钢公司领导多次表扬设计院人在RH-TB工程作出了杰出贡献。如今鞍钢第三炼钢厂的RH-TB钢水真空处理已经顺利投产，正常运行半年之久，经济效益十分显著，钢水真空处理之后的钢板质量有很大提高，2000年5月产品就打入美国市场。作者简介：尤克强 男，1943年12月生。高级工程师（教授级），中国仪器仪表学会东北过程自动化设计专业委员会兼职秘书长。1966年大学本科毕业后，从事电气和仪表自动化领域的技术工作，完成较大工程设计30项。获国优、省优设计各两项。在学术会议和杂志上发表了十多篇论文，其中有五篇在国家级杂志上发表。You Ke Qiang, male, Birthday: December, 1943.Senior Engineer (professor). The director of secretary of Automation Design Committee in Northeast area, China Instrument Institute. After graduation from University in