转炉氧枪自动控制系统

转炉氧枪自动控制系统

【摘要】为满足某大型钢厂150吨转炉控制要求，开发了转炉控制系统，系统主要包括供配电、自动化、网络系统，其中氧枪控制是自动化系统的核心部分。本文详细介绍了转炉氧枪的自动控制系统的应用，变频器完成氧枪的驱动控制，编码器完成枪位的精度控制，保证了氧枪运行的安全可靠、稳定准确。

【关键词】转炉；氧枪；控制系统

1 引言

氧枪系统是转炉的关键设备，主要由氧枪、氧枪升降装置、换枪装置三个部分组成，与其相关的还有仪表、阀门、供养管道等。它的主要功能是将炼钢需要的氧气和氮气输送到转炉中，完成冶炼和溅渣护炉的工作，氧枪控制的优劣直接影响产品质量、炉龄以及设备安全，其中抢位检测是影响氧枪自动控制水平的关键。

某钢厂150吨转炉有2套氧枪设备，各自独立升降，2台横移小车可以互为备用。2台升降小车分别装在横移换枪小车上，1台处于工作位时，另外1台处于等待为备用。氧枪升降由交流变频电机驱动，电源经过UPS由变频调速柜供电，保证电源失电时实现紧急提枪，抱闸电机和氧枪控制电源由UPS供电，其它辅助设备均由MCC供电。

2 控制系统组成

控制系统由PLC控制单元、大功率变频器（1用1备）、检测装置（机械式主令、两个绝对值编码器组成）。操作台给定控制信号送至PLC控制单元，经过PLC处理后输出控制信号给变频器，完成氧枪的高低速控制、枪位定位。

PLC部分采用西门子S7 400 系列CPU，PLC采用Profibus现场总线分布式结构。网络通信系统采用100 Mb/s工业以太网；采用工业级交换机，网络通信协议为TCP/IP；网络线路物理介质为光缆和双绞电缆。PLC与氧枪传动的连接采用Profibus现场总线分布式结构；各PLC与上位机之间通过Ethernet网络进行实时数据传输；各PLC之间，PLC与HMI之间均通过Ethernet网络进行相互通信。

3 控制方式

氧枪分两种控制方式，包括手动控制和自动控制。手动控制又分吹炼、溅渣和维护三种工作模式。自动控制又分吹炼和溅渣两种工作模式。操作画面如图1所示，在HMI上可选择氧枪为手动或自动控制方式。不管在何种控制方式下，氧枪在升降控制首先测出本炉次的液面高度，通过模型计算推断出其它炉次的液面高度，然后根据工艺要求设定间隙值（氧枪喷口与液面之间的距离），间隙值

与液面高度相加就是氧枪吹炼点的设定位置。绝对值编码器得出氧枪实际位，它与设定值比较得出偏差值，然后按速度一偏差控制曲线算出氧枪枪位停止值，控制氧枪升降。氧枪升降过程中将自动根据氧枪氧枪A、氧枪B及相关辅助设备的操作和运行过程

a.只有当横移台车移至“A枪工作位”或“B枪工作位”时，并且定位销在“锁紧到位”时才可以操作相应的氧枪，由主控台和操作箱选择操作地点。

b.检查各系统辅助设备工作状态是否能满足氧枪工作的工艺要求。

c.以上工作条件确认完毕，操作台允许氧枪操作后，方可进行氧枪操作。

d.氧枪在上位机上选择“系统手动”时，氮封阀门在氧枪插入炉内时，不会自动打开，若选择“系统自动”时，氮封阀门会自动打开。氧枪系统选择“吹炼”模式，则氧枪在自动下枪时，对应的氧气阀门在氧氮开闭点时自动打开；选择“溅渣”模式，对应的氮气阀门在氧氮开闭点时自动打开；选择“未选气体”模式，对应的氮气阀门在氧枪升降过程中不会打开。

e.炼钢周期操作顺序为：在兑铁水前，点“炉次开始”按钮，让风机房风机自动升到高速，正确选择炼钢模式及是否要自动打开氮封阀门。在“GAP设定”中输入氧枪吹炼或溅渣位置，然后点击“自动降枪”或操作台上的“吹炼”按钮，氧枪自动降至设定点，枪位误差在正负2CM。当氧枪降至氧氮开闭点时，相应阀门自动打开，同时对应气体流量自动调节。吹炼结束，点击“自动提枪”氧枪高速自动提枪，到H3等待点停止。一个吹炼或溅渣周期结束。

当需要对氧枪进行上升与下降方向转换操作时，需将摇柄开关由上升或下降转为零位，再切换为下降或上升操作，切勿将摇柄开关直接上、下切换！

由于工艺要求，在正常操作氧枪的程序下，氧枪提升到H3点以上时可以转炉倾动；当出现手动事故提枪或氧枪主令故障时，操作员必须人工确认氧枪高度，才可以操作转炉！

在正常操作氧枪时只需操作“提升/下降”摇柄开关，氧枪会自动变速，当出现如氧枪主令点消失，手动事故提枪等故障状态后，可以手动“快速/慢速”操作氧枪。

当发现氧枪不受控时，操作员可先讲将“提升/下降”选择开关恢复到零位，若发现氧枪仍自由运行，可直接按下操作台上“紧急停枪”按钮，但需确保此“急停”按钮保持自锁状态，查明故障原因后恢复。

紧急提枪：当正常吹炼的仪表信号故障，吹炼状态时风机高速信号突然消失，氧枪自动提升至H3待吹点。

自动复位：当氧枪变频器故障无法恢复或无法送电的紧急状态时，可以选择

操作台的“自动复位”，转炉依靠炉子自动回到0度。

氧枪冷却水阀，控制设备包括氧枪A、氧枪B的进水切断阀、调节阀。

氧枪冷却水阀的控制方式分为集中和机旁，控制方式由操作箱上的选择开关选择。正常情况下，冷却水阀为常开。

4 氧枪的常见故障与诊断

由于氧枪的连锁繁琐，操作时可以通过连锁画面快速查出氧枪不能动作的原因，具有权限的工长可以在画面上解锁部分联锁条件，如图2所示。比如在氧枪正常操作时，钢丝绳和编码器联锁，若信号故障时可以解锁。

如果出现紧急情况，如氧枪动力电源和正常电源断掉，则采用氧枪紧急提枪装置，将氧枪从转炉中提出，紧急提枪装置由一个气动马达驱动。

5 结束语

该系统自2013年12月投运以来，运行状态良好，性能稳定可靠，运行良好。通过氧枪自动化控制系统实现了氧枪多模式、全过程控制，不仅提高了氧枪控制精度，简化了氧枪控制操作，使得氧枪在整个炼钢过程中安全动作，有利于防止各类事故的发生，保证了生产稳定进行，从而为下一步自动化炼钢打下良好的基础。

参考文献：

[1]袁章福，潘贻芳.炼钢氧枪技术[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[2]李化得.交流调速控制系统[M].北京：北京电子工业出版社，2003.

[3]SIMOVERT MASTERDRIVERS.矢量控制使用大全[Z]. SIEMENS.2000.