钢包精炼炉(LF)工艺与自动化技术

在液压操作柜或HMI上，可通过手动操作全部液压泵（1#、 2#、3#电机）的启动和停止。在液压操作箱或HMI上还可 分别对两台循环冷却泵电机、加热器进行操作。
通常工作时采用自动模式，液压控制柜上的手/自动转换 开关通常拨至自动位置，只有在检修或其它特殊情况下才 拨至手动位置。
液压站控制
液压系统设有三台主泵（两工一备）。 主泵的运行：每次运行都有两台泵同时工作（1#泵、2#泵；或2#
电极升降控制
35kV母线
1
2
abc
测量环节
设定值
3
-
控制器
4
6
5
7
10 8 9
11
控制策略的分析与比较
电极控制策略概述 控制策略的选择 两种恒阻抗控制策略的比较
电极控制策略概述
电极控制的最终目的是想通过控制电弧的弧长来调节电弧 电流，而弧长在工业现场是无法检测到的，所以提出以下三种 控制策略，这些控制策略实质上都是控制电弧的弧长。
动作条件
液压泵启动控制的条件是：
液压泵不过载 液压系统液位不过低 液压温度不过高 液压温度不过低
卸压电磁阀控制的条件是：
液压泵启动命令发出后，通电3秒钟
水冷检测
冷却水流量检测—四线制仪表 冷却水压力检测—二线制仪表 冷却水温度检测—PT100
变压器换档操作在主操作台上或计算机HMI上进 行，主操作台上设有变压器换档操作的开关，开 关每扳动一次，升压或降压一档。
变压器的档位值可从操作台的计算机HMI上显示。 变压器换档操作可在现场手动或电动进行。
炼钢操作之前必须启动1台变压器冷却泵。
液压站
三台液压泵，两工一备 液压泵的启停
卸荷3S 液压站状态检测 温度、压力、液位 液压站状态故障检测
正常工作情况下采用常压操作方式，将氩气常压控制开关 打开，则常压回路通，通过调节阀控制不同的流量。采用 常压操作方式，共有1#~4#四种吹氩流量选择，1#吹氩流 量最小，4#吹氩流量最大。通常情况下，首选常压操作方 式。
当吹氩孔堵塞时，可以采用高压操作方式，将氩气高压控 制开关打开，则高压回路通。
恒功率控制
在两种截然不同的电流下（A，B两点），其所产生 的电弧功率却是相同的。若电弧炉在点弧阶段即电极短 路时（相当于C点），调节器能将电极引至相当于B点的 位置，而不是A点。但从效率、功率因数及变压器负荷的 观点来看，工作在A点要比B点更符合要求，因此一般情 况下不选择恒功率控制。
η Cosφ A
水冷系统
加料系统
1号称量斗
2号称量斗
3号称量斗
4号称量斗
加料系统
1#称 量斗
2#称 量斗
3#称 量斗
4#称 量斗
LC
LC LC
LC LC
LC LC
LC
JB1
JB2
JB3
JB4
1
2
S7300/400
3
喂丝系统
吹氩系统
LF自动化系统结构
基础钢自包动精化炼炉的
基础自动化
1.电极升降控制 2.吹氩控制 3.加料称量控制 4.钢包车定位控制 5.高压系统控制 6.变压器调档控制 7.液压站控制 8.水冷检测 9.辅助控制
22MVA 电弧炉
其它负载
高压供电
1高压母线； 2隔离开关； 3高压断路器； 4电抗器； 5电抗器短炉开关； 6电弧炉变压器； 7电极； 8电弧； 9金属
变压器
变压器原理图(单相)
电弧炉等效电路
加热系统结构
炉盖控制
合金加 料系统
电 极
水冷包盖
电缆
钢 包
水冷系统
水温检测 水压检测 流量监测
高压系统控制
真空断路器分闸控制的条件是：
变压器重瓦斯 调压开关重瓦斯 变压器油温超高 变压器冷却泵全停 一次过流 一次欠压 二次过载 液压系统油位过低 变压器压力释放阀故障 急停按钮按下
变压器控制
变压器控制系统包括变压器换档、变压器冷却1、 变压器冷却2。主要设备包括：变压器换档电机、 变压器冷却泵1、变压器冷却泵2、。
C+FeO=Fe+CO C+MnO=Mn+CO 2C+WO2=W+2CO 5C+V2O5=2V+5CO 上述反应不仅提高了渣的还原性，而且还提高合金回收 率，生成CO使LF炉内气氛更具还原性。
还原渣精炼
钢包精炼炉 的冶金手段
LF 炉 白 渣 以 CaO-CaF2 或 CaO-Al2O3SiO2为主要成分，渣对钢液中氧化物吸附和溶 解，达到脱氧效果。
钢包精炼炉（LF）工艺设备 与自动化技术
现代炼钢工艺流程
LF设备
合金ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 料系统
电 极
水冷包盖
电缆
钢 包
钢包精炼炉
冶金功能 设备组成 基础自动化 过程自动化
钢包精炼炉的 冶金功能
➢脱硫：加入脱硫剂 ➢升温：电弧加热 ➢脱氧、合金化：加入脱氧剂加入合金元素 ➢均匀成分和温度：吹氩搅拌 ➢脱除非金属夹杂 物：吹氩搅拌 ➢夹杂物改性：喂Ca线，与Al2O3形成 12CaO.7Al2O3的球形夹杂物。
为了快速处理紧急情况，主操作台上还设有紧急分闸按钮， 控制系统接受到紧急分闸命令后，不管电弧电流多大，立 即分断电源。
真空开关合闸前，隔离开关电磁锁先断电（确保真空开关 合闸后，隔离开关不能被分断）；真空开关分闸后，隔离 电磁锁开关送电。
高压系统控制
真空断路器合闸控制的条件是：
变压器无重瓦斯 变压器无轻瓦斯 调压开关无重瓦斯 变压器油温不超高 变压器压力释放阀没有故障 变压器冷却泵已开 一次不过流 一次不欠压 二次不过载 液压系统油位不过低 急停按钮没有按下 分合闸允许开关在允许位置
1
e In I
In是给定电弧电流， I是实测电弧电流。 通过调节电流偏差， 使e0，满足恒电流 控制的要求。
•恒电流控制
2
e Pn P
其中，
P 3U1I1 cos
Pn是功率设定值， P是当前状态的实际 功率值。
•恒功率控制
3
e KUU KI I
当e＝0时，U K I I KU
KU、KI －电弧电压、 电流检测环节设定的常 值，由变压器档位和设 定电弧电流值决定。 U、I －电弧电压和电弧
变频器无故障 电极上限位 炉盖上限位
高压系统控制
高压控制系统用于供给电炉电源，主要设备包括：真空断 路器2个及相关保护信号，其中1#真空断路器和2#真空断 路器不能同时工作，只能一台真空断路器工作。
操作台上设有允许合闸指示灯，若具备合闸条件，则指示 灯亮，此时合闸命令才能被接受。真空断路器的合分闸操 作在主操作台上进行，主操作台上设有合分闸操作的按钮。 控制系统接到分闸命令后，首先抬电极，直到电弧电流小 于一定值（可根据用户要求来确定）后，才分断电源，这 样有利于延长真空断路器寿命。
脱氧剂、 精炼渣 发泡剂 合金
脱改 氧质 剂剂
挡渣出钢
LF精炼工艺流程
吹氩搅拌
钢包精炼炉 的冶金手段
炉内处于还原气氛
由于钢包与炉盖密封，隔离空气，加热时 石墨电极与渣中FeO、MnO等反应生成CO气 体，使LF炉内气氛中氧分压减少，属于还原气 氛。
钢液在还原条件下，有利于脱氧、脱硫及 去除非金属夹杂。
U
Vmax
( A1
Vmaxe 2
x
)2
,
x x
A1 A1
A(k
1)
A(k
)
A(k) K1E
K2
A(k) (T t
t t ), t
T T
钢包车定位控制
加热工位 喂丝工位 吊包工位
减速接近开关 停车接近开关
开入加热工位连锁条件
变频器无故障 电极上限位 炉盖上限位
开出加热工位连锁条件
Pn B
Pn、η、Cosφ
I1
I2 C
恒阻抗控制
e KUU KI I
e RU I
恒阻抗原则适合于任何型式炉子的主回路，并且在一切情况下， 都能保证调节过程的高度自动程度。
用恒阻抗原则调节时当一相电极受到扰动，它的提升或下降，对 其它两相处于平衡状态的电极的弧流、弧压的影响可以忽略不计，三 相电极调节器之间基本上实现了自动解耦，这是电流调节原则所不能 达到的；当两相或三相电极受到扰动时，恒阻抗调节原则的抗干扰能 力较恒电流原则要强得多。
吹氩控制系统，可在炉后台或计算机HMI上通过鼠标电击 画面上的操作开关进行操作。
氩气流量控制
PID控制 最小阀开度 参数调整
加料称量控制
加料重量 设定值
PLC控制器
异步电动机
惯性振料机
加料重量 实际值
称量斗
称重仪表
传感器
加料称量控制
Wset W2 W1
E A
E W3
0
T1
T2
T3
t
加料称量控制策略—迭代控制
吊包位 喂丝位 加热位 三个工位、共7个限位开关
加热系统
高压供电(变压器、真空开关、继电保护) 电极升降 炉盖、电极旋转 液压站 水冷系统
液压站
液压动作表
液压动作表
高压供电
电源
110kV (PCC)
架空线 钢厂主变压器
35kV母线 架空线 电缆
架空线 电缆
电弧炉变压器
变压器
短网
泵、3#泵；或3#泵、1#泵），即使当前工作的泵没有过载或者工 作的两台泵停泵时，当工作时间达到设定的值时（可根据厂方的 要求确定，暂定为2小时），其中一台泵也自动切换到备用泵。 当某台液压主泵过载时，系统将给出指示并自动切换到另一台泵， 保证任何时候有两台泵同时工作。此时，维护人员应迅速维修有 故障的液压泵，以确保“两工一备”的要求。 启动每台液压主泵前，系统自动先将相应的电磁铁通电，泵启动3 秒钟之后，相应的电磁铁失电。 当液压系统油温高（55℃）时，循环冷却泵自动启动；当液压系 统油温低（30℃）时，循环冷却泵自动停止。循环冷却泵的启动 和停止还可以在液压控制柜或HMI上手动实现。 加热器的启动和停止可在液压控制柜或HMI上手动实现。当液压 系统油温过低（10℃）时，加热器自动启动，当液压系统油温过 低信号消失后，加热器自动停止。 当液压系统液位过低时，三台液压主泵全停泵并报警。 当某台液压主泵过载时，该台液压主泵停泵并报警。 当液压油箱液位低、液位高、油温高、五个滤油器堵塞时，液压 系统报警。
LF炉由于有温度补偿，吹氩强烈搅拌，随 渣中碱度提高，硫的分配比增大，可炼出低硫 钢或超低硫钢。
钢包精炼炉 设备功能
➢钢水运转钢包车系统 ➢钢水升温加热系统 ➢造渣、合金化加料系统 ➢均匀成分和温度、脱除夹杂 物吹氩系统 ➢喂Ca线(夹杂物改性) 喂丝系统
钢包车系统
钢包车，变频电机驱动 定位控制
恒电流控制
优点： 调节器具有足够高的灵敏度，电网内的电流比较平稳，
输入炉内的功率也很平稳，耗费在变压器中的电能比较小。
缺点： （1）在单独使用恒电流调节时，不能在所有情况下都保证高 度的自动程度； （2）在某些场合下，不能以纯粹的恒电流调节器的形式出现， 而必须伴随有弧电压信号。 （3）在该原则方式下工作的三相电极调节器没有自动解耦的 特性。
钢包精炼炉 的冶金手段
底吹氩气搅拌
从钢包底部吹入氩气，在浮力作用下，氩 气泡上浮，带动钢水上下循环流动，从而加速 钢—渣之间物质传递，有利于钢液脱氧、脱硫反 应。使钢水成分和温度均匀。
吹氩可以加速非金属夹杂物碰撞长大，增加 上浮速度，有利于去除夹杂物。
埋弧加热
钢包精炼炉 的冶金手段
LF炉三根电极插入渣层中进行埋弧加热，这种方法 辐射散热小，对炉衬有保护作用，热效率高，浸入渣中 石墨与渣中氧化物反应为：
电流。
•恒阻抗控制
控制策略的选择
节约能源
提高产品 质量
电极调节器
抗干扰性强 调节迅速 灵敏
减少吨钢 电耗
减少电极 消耗
在生产过程中，为了节约能源，减少吨钢的电耗，减少电极消耗，提高产品 质量，需要在不同的冶炼阶段采取不同的弧功率值，并保持恒定。即要求电极调 节器具有抗干扰性强，调节迅速、灵敏的特点。通过选择适当的电极控制策略， 就会达到此目的并获得满意的效果。
液压电气动作表
液压站控制
液压控制系统是整个电炉动作控制的动力源，液压控制系 统指液压泵的控制。主要设备包括：液压泵3台、卸压电 磁阀3个及相关限位。由于液压泵为75kW，容量较大，采 用软启动器进行启动控制。
液压站的控制分自动和手动两种模式，手/自动转换开关 设在液压操作柜上。选择手动控制模式时，手动操作分现 场和远程两种，现场与远程转换开关设在液压操作柜上。 现场手动优先。
恒阻抗控制削弱三相之间的耦合
A相电极弧长突然加长：
A
B
C
三相平衡电路，一相负
载突然增加，其他两相
A相 U
负载电压减小
B、C相 U
R
R
R
I
I
ia ib ic 0
L
L
L
Ra
Rb Rc
Ra＝
U I
大
Rb、c＝
U I
变化小
۩ 在下一章的仿真图中，也能看出同样的变化趋势。
吹氩控制
出钢车吹氩控制系统用于钢包底吹氩，其主要设备包括： 氩气正常回路打开电磁阀1个、氩气高压回路打开电磁阀1 个、氩气管路流量控制调节阀1个以及相关限位。