钢包底吹氩智能控制系统
时间：2012-09-2215:20:10来源：瑞士FCT流体技术中国服务中心作者：樊栋岩
摘要：介绍钢包吹氩原理及钢包底吹氩工艺和装置，采用S7-300
PLC作为控制器，气体控制使用热式气体质量流量控制器和压力调
节系统，实现精确智能的流量控制。比较自动底吹氩装置与传统
底吹氩方式的优缺点，并对自动底吹氩装置进行优化。
关键词：钢包；底吹氩；闭环PID控制；热式气体质量流量控制
器
LadleBottomBlowingArgonIntelligentControlSystem
0前言
随着现代科学技术和工业的发展，要求炉外精炼的效果要好，时
间要短，要具备能够和转炉匹配的快工艺节奏。而底吹氩技术具有搅
拌力强，成份、温度均匀等良好的冶金特点，国内许多钢厂已经使用，
并取得了很好的效果。但一直人工手动操作，氩气的流量、压力的控
制要依靠人工手动调节，增加了工作中的失误率，最终直接影响钢水
质量。
1钢包吹氩原理
钢液吹氩处理，是一种简易的钢液脱气和去除非金属夹杂物的炉
外精炼方法。依据所需钢液在常温下的组织（如奥氏体、铁素体等）
以及处理目的的不同，吹入钢液的气体，可以选用氩气、氮气、一氧
化碳、水蒸气、空气，或先吹入氮气、一氧化碳、水蒸气、空气，然
后再吹入氩气。钢液吹氩处理有重要的冶金意义：降低钢液中溶入气
体（如氢、氮、氧）的含量，将钢包中的有害气体溶于易形成真空的
氩气泡中，随着翻滚的钢水将其带到钢水表面以便将其去除；去除钢
液中残余的非金属夹杂物（如氧化物、硫化物、氮化物等）；使钢液
受热均匀；防止钢水氧化作用，因为氩气是惰性气体，在钢水表面能
防止钢水氧化，起到保护膜的作用。这种方法使钢液与炉渣能够充分
接触，创造了良好的冶金反应条件，增强了脱硫和脱氧的冶金效果，
但脱氢的效果差。而底吹氩的优点是均匀钢水温度、成分和去除夹杂
物的效果好，设备简单，操作灵便。钢包底吹氩对透气砖位置有很高
的要求，吹气位置会影响搅拌效果，水力学模型和生产实践都表明，
吹气点的最佳位置通常应当在包底半径方向（离包底中心）的1/2~2/3
处。此处上升的气泡流会引起水平方向的冲击力，从而促进钢水的循
环流动，减少涡流区，缩短了混匀时间，同时使钢渣乳化程度低，脱
硫效果好。以均匀钢水温度和成分为主要目的的吹氩搅拌，吹气点应
偏离包底中心位置为好。
某钢厂在引进钢包底吹氩之前，采用的是顶吹氩，顶吹氩是通过
吹氩枪从钢包上部浸入钢水进行吹氩搅拌。设有专门的吹氩平台，当
钢包进入到吹氩站以后，工人先进行测温取样，按照设计好的合金量，
不断吹氩，稍后加入铁合金或废钢搅拌，经过一段时间后，停止搅拌，
之后再进行测温，最后，钢包车开出吹氩站。但是这种方法完全依靠
人工完成，凭借工人自己的经验。
去年开始，该厂1#、2#、3#炉相继采用钢包自动底吹氩装置。控
制原则是根据不同的工况条件实现不同的压力调节。
1系统硬件
吹氩自动控制系统的结构如图1所示。选用S7-300PLC作控制器，
向上通过工业以太网和上位机通信，接受上位机命令，并将现场工况
(流量、压力、吹氩时间、累计流量等)向上位机传送；向下能接受炉
前操作箱的命令，采集现场工况的信息，并根据程序的控制发布命令，
控制质量流量控制器的开启状态，达到完全的自动控制。操作人员还
可通过计算机在操作室内控制当前吹氩流量、吹氩时间、累积流量等
工艺参数的设置。在堵塞、气源压力低、管道漏气等故障时，系统报
警，便于操作人员及时了解工况并快速排除故障。同时，还可以从计
算机上了解设备状态和历史曲线等。
图1
2流量控制原理
流量控制采用国际先进的瑞士FCT流体技术公司的冶金专用气
体质量流量控制器。该气体质量流量控制器是将流量计与比例电磁阀
高度集成内部形成闭环控制系统。内部测量采用热风速测量原理（温
度总是从高温物体向低温物体传递），在测量旁路管路内有一个温度
传感器和两个温度加热器，两个温度传感器位于温度加热器的两侧如
图2。给加热器一个恒定的电流，保持恒定的温度，则两个温度传感
器的电压差即可用于测量通道中流过的气体质量流量。比例电磁阀根
据控制信号来确定其开度，它的的主要优点是：位置控制的重复性高，
响应时间极短、尤其适用于闭环过程控制。该控制器的流量控制不受
介质压力、温度波动的影响，所以使得整套系统控制快速准确稳定。
温度传感器1加热器温度传感器2
图2
3该技术与常规技术的比较
常规钢包底吹氩系统，是根据吹氩量的要求来控制一组电磁阀的
开关组合，通过开关不同通径的孔板实现流量输出。这种方法存在以
下问题：节流式孔板的开口面积大的节流阀打开时，其局部压力损失
少于开口面积小的压力损失，这样开口面积小的实际流量值就比计算
的值小，带来一定的误差，很难实现大范围的高精度的流量调节，并
且控制流量变化大时，很难保持压力差。因此，在小流量调节时，输
出的氩气流量时大时小，在大流量调节时，阀组动作到最大时，仍达
不到设定值。
经过技术研发和创新，设计出新型钢包自动吹氩装置，核心技术采
用冶金专用气体质量流量控制器、恒压差调节单元、模糊控制理论等，
大大提高设备的反应速度，实现精确小流量范围的调整，同时考虑到
钢包透气砖性能的影响，在系统中又增加了稳流装置。结合现场工况
条件，制定出三段基本精炼吹氩曲线，对搅拌进行计算、分析，提出
了合理的搅拌工艺和智能控制方法。其流量控制方案如图3所示。
流量设定
流量输出
图3流量控制方案图
质量流量控制器可以将流量测量值以输出标准电信号输出，很容易实现
流量的数字显示、累积流量自动计量、数据自动记录、计算机管理等，可
实现流量的自动控制。
综合工艺要求，对氩气流量、压力建立起系统的数学模型，为本系统的设
计和分析提供基础保证。程序根据钢种、包况预定工艺曲线，测温后自动
选择是否需要调温，并修订（或延长）吹氩工艺曲线。
P1（渣薄曲线）：出口压力范围为0.1～O.2MPa，流量范围为10～100L／min;
P2(正常曲线)：出口压力范围为0.2～O.5MPa，流量范围为80～220L／min;
P3(渣厚曲线)：出口压力范围为0.5～O.9MPa，流量范围为200～250L／min。
本系统应用模糊控制理论的控制方案，采用PLC及PID技术，并对
其优化，对钢包底吹氩的流量进行自动控制。系统在控制流量时具有
压力信号
PLC
气体质量流控制器（MFC）
de（t)
dt
以下特点：可靠性高、抗干扰性强；智能性高，能够精确、快速地调
整流量的大小，自动跟踪流量设定值；采用人机界面、炉前操作，操
作简单灵活；精炼时间缩短，钢的纯精度高；系统出现异常情况时
（如过压、欠压、管道泄漏、堵塞等）可自动诊断，实现完全自动吹
氩。程序包含3套工艺卡、8个节点，可以在调节范围内自由修改吹氩
时间、流量参数。
通过PLC实现转炉顶底复吹系统与钢包底吹氩系统之间的通信。吹
氩系统及时调整工艺参数，满足快节奏的生产需要。
4系统软件
本系统采用西门子S7-300PLC作控制器，软件流程如图4所示。
5系统功能
(1)根据工况条件实现不同压力的调节。
(2)随时调整氩气流量，实现“软吹”，即根据工况条件适时地缓慢增
加或减少氩气流量，以达到均匀成份和温度、去除杂质、脱去有害气
体的目的。
(3)根据不同钢种、温度和精炼目的来调节总耗氩量。
(4)克服了操作工熟练程度和外界环境(压力、温度)及钢包的钢砖堵
塞、管道漏气等的影响。
(5)具有堵塞、漏气、气源压力低等故障报警功能。
6效益分析
某炼钢厂转炉2010年开始全面使用钢包底吹氩自动控制系统。根
据2009年使用手动吹氩装置情况与2010年使用自动吹氩控制系统使
用情况进行对比。
采用智能底吹氩装置后：碳铁收得率提高5％；钢水均匀性大幅提
高；缩短冶炼周期约每炉2～3min；节约电耗约1．8kWh／t；钢中气
体含量O降低6．02×10-6，N降低14．89×10-6；包内大沸腾造成的
喷溅粘渣现象基本消除，包龄和透气砖寿命同步，安全操作性提高；
劳动强度明显下降。
以上各项合计节约成本每吨1.89元。按年产钢量220万t计算，共
节约成本415.8万元／年。
7结语
钢包底吹氩装置在钢厂的应用，使工人的操作简单灵活，精炼时
间缩短，钢的质量提高，吹氩时间和消耗降低，提高了钢包的工作效
率。