RH 精煉爐頂槍控制系統(tǒng)優(yōu)化

　　摘要：RH 頂槍的主要作用是加熱爐體、在真空環(huán)境下吹氧脫碳，同時加熱鋼水，進(jìn)行噴吹粉 劑脫硫、脫磷等。頂槍控制系統(tǒng)是頂槍工藝過程的控制環(huán)節(jié)，直接影響鋼水真空精煉工藝的 控制準(zhǔn)確性、生產(chǎn)的穩(wěn)定性和安全性。針對頂槍在抱閘過程的“下溜”、精準(zhǔn)定位頂槍位置 和發(fā)生斷電故障時如何處理三方面問題進(jìn)行分析，同時分別從變頻器、故障提升、編碼器對 頂槍的控制進(jìn)行分析與優(yōu)化。結(jié)合某鋼廠 RH 頂槍的實際運行情況，在冶煉過程中進(jìn)行優(yōu)化 有效地避免事故發(fā)生，提高設(shè)備使用安全。

　　關(guān)鍵詞：頂槍控制系統(tǒng);變頻器;編碼器;氣動提升;系統(tǒng)優(yōu)化

　　0 引言

　　現(xiàn)代社會的發(fā)展對鋼質(zhì)量提出了更高的需求，由此對 RH 真空脫氣、夾雜物處理等精煉 環(huán)節(jié)提出了更高的要求。RH 真空精煉裝置具有精煉效果好、操作簡單、單體生產(chǎn)能力強、處 理時間短的優(yōu)點[1]。

　　鋼水質(zhì)量的好壞和產(chǎn)量的高低與工藝檢測是否準(zhǔn)確、自動化程度的高低 相關(guān)，及時準(zhǔn)確的檢測信息和高水平的自控能力是滿足穩(wěn)定、精準(zhǔn)控制的前提。RH 精煉爐系 統(tǒng)的主要組成部分包括鋼包車系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)流系統(tǒng)、真空槽車系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、頂槍系統(tǒng)、烘烤槍系統(tǒng)等[2]。其中頂槍控制系統(tǒng)是精煉爐系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，主要擔(dān)負(fù)著精 煉前爐內(nèi)的大氣加熱、精煉過程中的真空吹氧、精煉結(jié)束后的吹氧化渣等功能。

　　鋼鐵論文范例： 鋼鐵企業(yè)原燃料分析相關(guān)問題探討

　　頂槍在運行過程中，抱閘提前動作和抱閘延遲[3]，以及由此產(chǎn)生的位置偏差，會對煉鋼生 產(chǎn)帶來影響，嚴(yán)重的可能危害生產(chǎn)安全。近年來，國內(nèi)多家煉鋼公司對于產(chǎn)生的位置誤差采 用激光測距與編碼器相結(jié)合的方式，雖然可以得到準(zhǔn)確的位置高度，但是未能在準(zhǔn)確的位置 抱閘 [4]。對于事故提升的方式，許多鋼廠采用氣動提升方式，發(fā)生停電故障時，需要操作工 到頂槍平臺手動扳動離合器才能提升。

　　1 頂槍系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與問題分析

　　1.1 頂槍系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

　　頂槍的升降裝置主要由槍架子、升降傳動裝置、鏈條、密封氣囊、金屬軟管等部分組成 [5]。槍體由槍架子夾持，槍架子上下由鏈條帶動可在工作位和待機位進(jìn)行垂直的上下移動， 頂槍升降裝置共有 4 個限位[6]。頂槍變頻裝置采用矢量控制，每臺變頻器對應(yīng)一臺電動機， 均為帶編碼器矢量控制，抱閘采用 PLC 控制。

　　頂槍系統(tǒng)的控制對象包括頂槍槍體以及頂槍對應(yīng)的閥站。頂槍升降裝置采用齒輪減速電 機進(jìn)行驅(qū)動，通過鏈輪鏈條帶動升降小車進(jìn)行升降。頂槍升降在吹氧位、加熱位的定位由旋 轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行控制，旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在鏈輪軸端部，通過計算鏈輪軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)來進(jìn)行精確 定位[7-8]。為防止旋轉(zhuǎn)編碼器失效，還設(shè)置了 2 個行程開關(guān)作為上、下 2 個極限位的過極限保 護(hù)[9]。

　　1.2 頂槍系統(tǒng)的問題分析

　　(1)由于頂槍是垂直運動的，抱閘打開時，若控制不當(dāng)，由于重力作用，槍體會下滑。 在生產(chǎn)過程中，這種現(xiàn)象會造成危險，若爐內(nèi)有鋼水，可能會導(dǎo)致爐內(nèi)鋼水噴濺或槍體損壞 [10]。 (2)頂槍吹氧的位置對鋼水質(zhì)量有重要意義，頂槍槍體運行過程中采用編碼器測量值來 確定頂槍所在位置，整段運行需要在多個位置進(jìn)行工藝處理，所以停止位置的準(zhǔn)確性很重要。 (3)當(dāng)鋼廠遇到停電故障時，需要緊急提槍以保護(hù)槍體，防止發(fā)生設(shè)備事故。斷電后，無法采用電機轉(zhuǎn)動提槍，采用氣動馬達(dá)形式可以將槍體升至安全位置，保護(hù)設(shè)備安全。

　　2 RH 頂槍控制的優(yōu)化

　　2.1 抱閘模塊的改進(jìn)

　　針對頂槍抱閘打開時頂槍稍有下降的現(xiàn)象，通過分析頂槍電流和轉(zhuǎn)矩趨勢圖發(fā)現(xiàn)，“下 溜”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是抱閘打開時變頻器還沒有建立足夠的初始轉(zhuǎn)矩，無法承受頂槍槍體的 質(zhì)量。通過對頂槍變頻器參數(shù)的修改，使變頻器輸出足夠大的力矩后再打開抱閘，可以使頂 槍正常提升，避免瞬間啟動后出現(xiàn)“下溜”現(xiàn)象。

　　修改參數(shù)前提槍的瞬間轉(zhuǎn) 速的反饋信號為負(fù)值，修改參數(shù)后提槍的瞬間實際轉(zhuǎn)速沒有負(fù)反饋。這說明參數(shù)的修改可以 解決提槍瞬間槍體“下溜”的現(xiàn)象。結(jié)合某鋼廠頂槍系統(tǒng)的運行狀態(tài)，證明該參數(shù)的修改可 以保證頂槍系統(tǒng)穩(wěn)定運行，未發(fā)生槍體運動瞬間下滑的現(xiàn)象，同時穩(wěn)定的啟動能有效地減少 對電氣系統(tǒng)的沖擊，避免事故的發(fā)生。

　　2.2 故障提升系統(tǒng)

　　若鋼廠突遇故障發(fā)生停電，頂槍系統(tǒng)有兩種緊急處理方案：一是通過不間斷電源 (uninterrupted power supply，UPS)或緊急電力供給(emergency power supply,EPS)給頂槍 電機供電提槍;二是有制動器、氣動馬達(dá)、離合器等組成氣動控制系統(tǒng)進(jìn)行提槍。兩者相比， 由于故障提升屬于偶然事件，不間斷電源在長期不使用可能導(dǎo)致性能不佳，所以相比而言氣 動提槍的性價比較高，使用更為可靠。 頂槍的氣動控制系統(tǒng)包含頂槍、升降小車、減速電機、聯(lián)軸器、氣動馬達(dá)、氣缸、連接 器、制動器。發(fā)生斷電時，操作工按下 HMI 畫面上的啟動按鈕，即可進(jìn)行頂槍故障提升。

　　點擊 HMI 畫面上的“啟動”按鈕，提升自動 流程開始，動作依次為氣囊打開、離合動作、氣動馬達(dá)啟動、電機抱閘打開，頂槍開始上升。 到達(dá)上限位后，流程結(jié)束，抱閘關(guān)閉、馬達(dá)停止、離合松開，上升流程完成。期間有異常狀 況發(fā)生時，可以手動停止流程�？刂茪饴吠ㄟ^氣控柜，柜內(nèi)有輸入、輸出接口，氣路通過氣 管分別輸送到各個動力傳動部件(制動器、離合器、氣動馬達(dá))。閥站內(nèi)設(shè)有兩個電磁閥[11]，分別為頂槍升降電機打開電磁閥、頂槍氣動馬達(dá)啟動電磁 閥。

　　壓縮空氣通過軟管分為三路：第 1 路通過電磁閥來控制氣動馬達(dá)連接和分離閥門，同時 PLC 采集閥門打開和關(guān)閉信號;第 2 路通過電磁閥控制氣動馬達(dá)啟動;第 3 路通過電磁閥控 制升降電機松閘閥門，同時該支路設(shè)有壓力開關(guān)來顯示升降電機的抱閘狀態(tài)。以前鋼廠使用的事故提升系統(tǒng)一般需要操作工到達(dá)頂槍平臺按下操作箱上的事故提升按 鈕，同時手動打開氣動馬達(dá)連接器，槍體才開始進(jìn)行氣動提升。本文通過設(shè)置 4 個電磁閥， 通過 PLC 對閥門的控制可以使控制方式變?yōu)樽詣�，一般事故提升較為緊急，由于頂槍平臺離 主控室較遠(yuǎn)，在控制室的 HMI 畫面上操作，方便操作工及時啟動故障提升裝置。

　　2.3 編碼器信號的優(yōu)化

　　精煉過程中，頂槍需要在多個位置進(jìn)行工藝處理，包括吹氧脫碳區(qū)、大氣加熱區(qū)和吹氧 化渣區(qū)[12]，傳統(tǒng)的控制方式是利用固定的機械限位來限制頂槍的幾個極限位置，通過在程序 中設(shè)定所需要的精確定位，齒輪電機控制槍體進(jìn)行上下移動。頂槍運行至目標(biāo)位置后停止， 但是由于慣性需要對頂槍位置進(jìn)行微調(diào)，導(dǎo)致頂槍的變頻器在短時間內(nèi)進(jìn)行正反向轉(zhuǎn)動，長 期微調(diào)會導(dǎo)致變頻電機瞬間電流過大，減少變頻器使用壽命。為了減輕對變頻器的損耗，提 出一種編碼器優(yōu)化的計算方法。在實際行程中，頂槍運行時的減速距離和停止距離基本為定 值。

　　3 結(jié)論

　　(1)對于槍體在運行瞬間發(fā)生“下溜”現(xiàn)象，通過對變頻器的參數(shù)修改，增加初始轉(zhuǎn)矩 的大小，使槍提升瞬間能夠?qū)�槍體抱緊。

　　(2)對于發(fā)生故障無法進(jìn)行提槍操作，設(shè)置故障提升裝置，增設(shè)頂槍閥站，利用電磁閥 控制的方式，在 HMI 畫面上進(jìn)行事故提升的自動模式，可以及時將槍體提出，減少槍體損壞， 通過某鋼廠試驗采用事故提升裝置，可在 90 s 內(nèi)將槍體提升至上極限位。

　　(3)對于槍體運行過程能準(zhǔn)確定位位置，在運行過程中增加減速區(qū)，利用這種方式可以 使槍體到達(dá)目標(biāo)位置的時間減少 10 s 左右，同時減少停槍位置誤差。通過在某鋼廠經(jīng)冶煉過程的試驗應(yīng)用，有效減少由于頂槍產(chǎn)生的故障，冶煉過程正常，穩(wěn)定性良好 。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] Zhu B, Chattopadhyay K, Hu X, et al. Optimization of sampling location in the ladle during RH vacuum refining process[J]. Vacuum, 2015:S0042207X1830143X.

　　[2] 李瑞波,何俊正,賀恩成,等.RH真空處理裝置的應(yīng)用[J].自動化應(yīng)用,2010(6):12.(LI Ruibo,HE Junzheng,HE Encheng,et al.Application of RH vacuum treatment device[J].Applications of Automation,2010(6):12.)

　　[3] 喬衛(wèi)恒.鋼鐵冶煉中氧槍控制系統(tǒng)的創(chuàng)新研究[J].山西冶金,2020,43(4):116.(QIAO Weiheng.Innovative research on oxygen lance control system in iron and steel smelting[J].Shanxi Metallurgy,2020,43(4):116.)

　　作者：毛家怡 1，趙鋒輝 1，董 波 1，劉溪慶 2，郭高鑫 1，高 靜 1

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