转炉底吹系统控制系统故障及改进措施

转炉底吹系统控制系统故障及改进措施

任洁于洪波

北京建龙重工集团有限公司 100070

摘要：本文详细介绍了转炉底吹系统的工艺控制原理，以及炼钢厂常见故障的原因分析，以及现有设备的改进措施。对从事炼钢设备维护的工程技术人员有较强的指导作用。

关键词：转炉底吹工艺控制故障

一、前言

随着国内钢产量的迅猛增加，据专家估计，钢材市场将成为买方市场，形势更加严峻，在激烈的竞争下，长线产品获取利润十分艰难。

转炉底吹系统是为适应产品开发所进行的设备改进项目之一。

顶底复吹技术是从二十是七十年代末、八十年代初发展起来的，它是转炉炼钢的一项新技术，原来转炉是氧气顶吹，现在此基础上，另外在炉底装上底枪（或透气砖），在转炉顶吹氧气，同时底吹氩气或（氮气、二氧化碳、氧气）。对炉内铁水进行搅拌，加速炉内反应，使喷溅减少，从而提高了金属的收得率，温度和成分更加均匀。这种新型工艺弥补了顶吹的缺点，使惰性气体在炉内减少了一氧化碳的的分压，使低碳钢用转炉冶炼在技术上又一次突破。在国内，各个大中型钢铁企业均效仿此技术，在转炉生产中，取得了巨大的经济效益，提高了经济技术指标。由于应用顶底复吹技术，钢水中的氧含量大量降低，从而可以降低废铁、合金、石灰等辅料消耗，还可以缩短冶炼的时间，提高一代炉龄，平稳吹炼，产生很高的边际效益。

转炉生产中，应用底吹工艺，可以根据冶炼强度的需求，控制仪器仪表、底吹阀门站、供气管路的阀门、透气砖的气孔，最终实现给转炉底端供气，实现对不同钢水的搅拌。

钢水熔池均匀、钢渣成分平衡、终点样控制是底吹控制的关键环节，这些控制足以满足不同钢种的生产任务。如果控制精度较高，可以提高脱氧率、合金化率、锰收得率、降低喷溅、降低渣铁含量等经济技术指标。

二、工艺设计

为满足底吹功能需求，设计从能源中心将氩气管路、氮气管路送至底吹阀门站，为满足底吹的供气制度，需要在氩气管路与氮气管路上分别设计一个快切阀，并在管路上安装调节阀，用来控制每种气体的流量大小。每座转炉设计一个阀门站，在两种气体管路交接的地方设计阀门保证安全供气，最终阀门站四条管线分别进入转炉四块透气砖，每条管路单独控制，并设计有旁通阀，用来防止气路堵死，吹炼不均匀。阀门站前氮气的压力1.0-1.8Mpa（实际已达到1.9 Mpa左右），流量30-120Nm3/h，阀站前氩气压力1.0-1.2Mpa，流量30-120Nm3/h。

转炉炉底透气砖设计成四块，（转炉北侧耳轴旋转接头现有四个通道，根据炼钢厂转炉的现状，四块透气砖的布置更合理，搅拌效果更佳，操作更容易掌握。）

一个通道对应一块透气砖，能够实现一对一控制，如果一块砖堵塞，也不会影响其它透气砖的流量、压力控制。

三、控制原理

在设计时，在保证实现功能的前提下，充分考虑了尽量少增加设备、降低投资成本，并且具有离线编程的硬、软件条件，同时工程人员对原系统的控制程序要非常熟悉，可以在保证安全生产的前提下将新的程序嵌入到原系统中。因此在转炉本体PLC上增加输入输出模板，设计底吹控制程序下载至CPU中，并在操作员站上增加画面，包含底吹操作画面、历史趋势画面、报警故障画面等。

联锁功能充分考虑了系统的安全性，如压力过低需及时切断快切阀，在选择了操作制度后，自动关闭制度外的阀门，为防止调节阀卡死，尽量使阀门在20-80的开度之间来回活动等等。

转炉底吹气体流向是氮气、氩气由总管流量调节阀及切断阀进入分气包，总管设有流量检测，分气包分别有压力和温度检测，在经分气包分别进入对应的四条支管线至炉底的四块透气砖，在每条支管线分别有压力和流量检测，并有切断阀和调节阀控制，流量调节阀和切断阀为并联关系。

3.1 底吹系统的操作模式有四种：模型自动、自动模式、手动模式、检修模式

模型自动：在HMI上设计操作按钮，由主控操作人员控制，单击按钮进入该模式，程序根据模型在不同钢种在不同时期给出的供气制度以及流量值，自动开关阀门，并对流量调节阀进行PID调节，开关调节阀大小，来控制不同钢种所需的气体流量。

自动模式：在HMI上设计操作按钮，由主控操作人员控制，单击按钮进入该模式，操作人员可根据冶炼不同钢种，手动来选择不同的供气制度。供气制度总体分为三种：吹氮气、吹氩气、氮氩气混吹。供气制度由炼钢厂技术人员来提出，由设备维护人员来设定，并加以密码保护。在完成供气制度的设定后，PLC系统根据设定好的钢种供气制度对切断阀控制，并按照给定流量对调节阀进行PID 调节。

手动模式：在HMI上设计操作按钮，由主控操作人员控制，单击按钮进入该模式，该模式一般在自动程序无法使用时操作，在该模式下，各设备间有必要的安全联锁。（如：氮气总管切断阀开时，不能操作氩气切断阀开；而氩气总管切断阀开时，不能操作氮气切断阀开，以防止氮、氩气同吹。）

检修模式：在HMI上设计操作按钮，由主控操作人员控制，单击按钮进入该模式，该模式一般在检修时使用，用于单机设备调试，阀门等设备直接由电气回路控制，没有任何安全联锁，一般需要空载调试。

生产初期，采用手动模式，当运行稳定之后切换到自动模式，开始比较复杂的底吹过程。

3.2 PID自动调节

底吹PID调节包含两个回路，一个是分气包压力调节，另一个是各个支管流量调节。

分气包压力调节：手动方式为操作人员设定阀位给定值，阀门按操作人员的阀位给定大小动作，直到达到开度为止。压力方式为操作人员设定压力给定值，PLC按照比例、积分参数设置大小，自动识别阀门是开方向动作还是关方向动作，直至压力与操作人员给定压力值一致为止。

支管流量调节：手动方式为操作人员设定阀位给定值，阀门按操作人员的阀位给定大小动作，直到达到开度为止。流量方式为操作人员设定流量给定值，PLC 按照比例、积分参数设置大小，自动识别阀门是开方向动作还是关方向动作，直至流量与操作人员给定流量值一致为止。

四、故障分析

4.1 气体流量故障分析

当气体流量值发生异常时，首先检查流量计本身，4-20mA信号是否正确，如信号与程序对应不正确，检查PLC程序，按步骤依次进行调试，排除故障；如信号正常，流量计管路是否堵塞，操作是否异常。故障都排除后，其次检查系统是否故障，系统压力是否足够、现场调节阀开度是否正常等系统与设备间故障联锁引起。例如流量给定需要阀门打开，可反馈流量始终为零，原来是调节阀未打开所导致，调节阀电动失灵，排除故障，问题解决。

4.2 压力信号故障

当压力仪表显示故障时，首先检测压力传感器本身，4-20mA信号是否正常，如果信号与程序不对应，检查PLC程序，并按步骤依次进行调试，排除故障；如果信号正常，检查压力传感器是否正常，压力变送器是否正常，检测引压管是否存在堵住的情况。其次检测是否为系统问题，如果压力显示出现快速来回震荡时，要检测工艺参数是否正确，比例积分参数是否正确，必要的时候重新整定PID

参数，解决问题。

4.3 调节阀故障：

调节阀发生故障，一般在系统自动操作时，会提示系统故障，显示为压力、流量信号异常，检查调节器输出，发现调节阀输出与实际反馈不对应，判断为调节阀故障。检查输出信号是否给到调节阀上，在阀门控制器输入端用万用表串联查看4-20mA是否加载至控制器上。其次检测反馈信号是否正常，反馈信号是否与阀门实际机械位置相对应。故障都排除后，确定为阀门本身问题，检查阀门定位器是否正常，查看喷嘴档板机构变化时，定位器是否变化，检查节流孔是否正常，若全部正常判断是否为放大器出现问题，是否为放大器薄膜片故障，都排除后，应确定为调节阀机械故障，是否滑动机构无法活动。

4.4 切断阀报警的故障原因分析

切断阀报警会导致切断阀自动关闭，管线中无气体流动，堵塞透气元件，如果不及时处理危害很大，出现该类故障的原因主要有以下几个方面：1、气源压力不够或断气；2、切断阀限位装置机构松动或损坏；3、限位反馈线路断线；4、PLC输入或输出电源跳闸。