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： 钢水脱氢
钢水脱碳
钢水中合金元素调整
真空室顶吹氧气强制脱碳
真空室顶吹氧气加铝升温
RH-TB钢水真空处理采用二级计算机控制系统。基础自动化包含电控和仪控，是电仪合一的P LC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，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：
3．1 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，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。
3．2 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400～1 760 ℃，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，精确度为±0.5%。
3．3 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。
3．4 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。
3．5 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。烧嘴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 。
3．7 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。然后再挪到 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，静态称量精确度为±0.2%；1台真空称量料斗电子秤装置，称重范围 0～2500kg，静态称量精确度为±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(参见图1)。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0.1kP a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。
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1 抽真空检测控制流程图
真空曲线
4．2 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。
4．3 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。
4．4 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。
图3 真空室待机位检测与控制图
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。当火焰监测器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、流量为副环的串级控制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4 待机位真空室升温曲线
图5 顶枪检测控制图
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。
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
