底吹炉主驱动电机的供电、传动与控制设计

卞海林， 顾大为

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

底吹炉主驱动电机的供电、传动与控制设计

卞海林， 顾大为

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

底吹炉是底吹炼铅和炼铜工艺的关键设备，其传动部分的安全可靠运行直接关系着生产的安全性和连续性。本文简要介绍了底吹炉的结构及特点，分析了出现故障时底吹炉转动操作的特点和要求，重点阐述了底吹炉主驱动电机的供电方式以及应急电源的选择、传动装置和调速要求及控制，并根据现场实际运行情况，总结了设计上需要注意的环节，为以后的工程设计和改造提供借鉴。

底吹炉； 驱动装置； 应急电源； 电气传动； 控制

1 工艺概述

底吹炼铅工艺和底吹炼铜工艺为国内研发，具有完全自主知识产权，相比其他炼铅、炼铜工艺，该工艺技术具有更高的经济性和环保性。随着该工艺的日趋成熟，国外内采用这项工艺技术的冶炼厂越来越多。

底吹炉是该工艺流程的关键设备，其作为一种回转炉体，具有回转炉的通性，同时又有自己的的特点。底吹炉正常工作时是静止，不需要操作，只有出现工艺流程故障或市电失电时才需要快速转炉至检修位，将氧枪移出液面。如果转炉失败，所有氧枪将会堵塞损坏，恢复生产时更换氧枪以及清理出铅口和出渣口的难度加大，造成比较严重的经济损失。

底吹炉主驱动电机作为底吹炉的重要组成部分，事故状态下能否实现快速可靠地转炉，关键在于其供电、传动和控制的设计是否安全可靠。底吹炼铅炉和底吹炼铜炉的结构以及机械传动装置类似，下文均以底吹炼铅炉为例加以阐述。

2 底吹炉事故转炉时的特点

底吹炉事故转炉时具有以下特点：

(1)速度低、时间短。底吹炼铅炉的工作对象是高温液态铅和铅渣，由于比重的差异，铅渣浮在铅液上。转动开始后炉内熔体的温度迅速降低，故要求转动过程中速度可调，起动低速，中间过程速度略微加快，以免铅液位较低时，铅渣堵塞出铅口，而停止速度过快也会导致炉内铅渣从加料口喷溅出来。失电后，制氧系统停止工作，氧枪的氧压会迅速降低，如果转炉不及时，铅液会回灌到氧枪，导致氧枪损坏，同时增加更换氧枪的难度。

(2)重载、起动力矩大。底吹炉炉体自重很大，加上炉料的重量，整个被转动系统的重量达到1 000 t以上， 故要求起动转矩大且起停速度要低。当电机停止运行时，如果速度过快，就会出现因炉体惯性太大而导致停位不准的情况。

(3)易偏心。偏心一般在以下两种情况下出现：

一是事故转炉时：正常工作时，底吹炉炉底有氧枪向炉内喷氧搅动，处于熔融状态下的铅渣粘度大，且浮在铅液上面，容易黏在炉壁上，导致转动前炉内的液位不在水平线上，形成偏心。如果偏心的情况严重，底吹炉从工作位转到检修位时，就会出现炉子带着电机转而进入发电状态。某铅冶炼厂就因为设计时没有考虑这种状况，出现EPS变频器报过压故障。

二是恢复生产时：炉内需要先加热升温，将固态铅和铅渣熔化成液态，由于熔化过程比较长，完全熔化不好准确判断，因而实际操作中，经常会出现炉料没完全熔化就开始转炉的状况，这时炉子会出现一定程度的偏心，导致负载转矩加大，所配电机如果出力不够就会过载。因此转动装置应有一定的余量，保证偏心不太严重时能够正常运转。

3 底吹炉的供电方案

底吹炉事故状态下转炉的允许反应时间为氧枪的保压时间，储气罐的配置不同，事故供气时间也不同，一般为3 min以上。为保证市电失电时炉体能迅速由工作位转出至检修位，需为主驱动电机提供可靠的电源，除市电外，还需配备应急电源。底吹炉单次转出液面的时间不超过30 s，根据工艺要求，应急电源应能允许事故转炉20次，共计10 min。根据这个时间要求，应急电源可以采用柴油发电机或EPS。主要的应急供电方式有四种，见图1。

ATSE-双电源自动投切装置； QF-断路器；KM-接触器；KH-热继电器

4种应急供电方式各有其特点，分别适用于不同的场合和工程要求，表1是这4种应急电源特性比较。

4 底吹炉的传动

为了满足工艺要求，图1中方式一所用的可调频EPS需采用非标产品，标准的可变频EPS只有电机起动控制而没有电机的运行控制，只能起到变频起动的作用，无法实现运行过程中调速。方式二和方式四所采用的应急电源不可变频，故需另配变频器实现调速功能。就传动部分而言，可变频EPS与变频器基本类似。本文以某铅冶炼工程非标可变频EPS为例，其传动部分加入控制联锁后的原理图如图2所示。

表1 应急电源特性比较

图2 EPS传动控制原理图

对EPS的主要修改如下：

(1)主驱动电机电源。变频器采用交直流供电，互为备用。通过EPS内部控制板监测外部市电电源，市电正常时，控制KM1闭合，变频器取交流电源；市电失电时，控制KM1断开，KM2闭合，变频器取直流电源。

(2)主驱动电机抱闸电源。因为抱闸装置不能使用交流变频电源，故需要为抱闸装置提供单独的应急电源，即在蓄电池出口增加一个频率为50 Hz的逆变输出，与另一路市电形成双电源供电。市电正常时，控制KM3闭合，抱闸装置取市电松闸；市电失电时，控制KM3断开，KM4闭合，抱闸装置取逆变电源松闸。

(3)EPS参与外部控制。EPS除满足交直流的投切控制和自身保护外，还应能实现外部控制装置调速的要求：一是将EPS内的变频器的控制接口与外部控制装置相连，二是将外部信号输入到EPS内部控制板。

(4)根据底吹炉负载的特点，EPS内变频器还需配置制动单元和制动电阻，以实现能耗制动。

5 底吹炉的控制

5.1 控制方式

采用现场控制箱就地控制和中央控制室DCS控制，通过现场控制箱上的转换开关选择控制权限。

5.2 调速方式

底吹炉整个转动时间很短，一般在30 s以内完成。实际操作中，多以现场操作为主，且整个转动过程中，各阶段的速度要求不一样，所以速度需要实时调节。基于上述考虑，变频器采用开关量输入分段速度选择。一般设置快中慢三档，通过在现场控制箱上安装自复位的操作手柄控制速度。操作手柄的闭合表如图2所示。当选择DCS远程操作时，通过频率给定实时调节速度。

5.3 松闸控制

抱闸必须和电气系统进行联锁，在电机建立足够的输出力矩后，松开抱闸。需要制动时，立即使电机停止。变频器的松闸控制接点串入电机抱闸的控制回路中，实现电机零速满矩输出时松抱闸。

5.4 定位控制

底吹炉有4个位置，分别为工作位、检修位、两个极限位，可以采用转角控制器、限位开关以及编码器定位。其中转角控制器和限位开关较为简单，但精度较差。编码器的精度高，但其角度信号不能直接接到控制回路中，需要通过DCS或变频器处理后才能用。目前，转角控制器和限位开关用的较多，简单明了。

5.5 零位保护

由于现场控制箱上的旋转手柄为自复位手柄，长期使用后，有可能出现手柄复位不好的情况。采用零位保护主要是防范炉体转动过程中突然市电停电，操作人员松开手柄后，手柄可能会出现没有自动复位到零位的情况，控制回路此时处于接通状态，应急电源供电后，主驱动电机会自动转动，可能引发意外。

5.6 转炉预警

底吹炉体积庞大，周围的工作人员较多，转炉过程中也可能出现炉液喷溅的情况，出于人身安全考虑，底吹炉转动之前必须预警，通知相关人员撤离，预警一段时间后才能转炉。在控制回路设计里，预警及其连锁控制也是关乎生产安全的重要部分。

5.7 信号显示

底吹炉主驱动电机电流、运行、停止、故障信号同时在现场控制箱、EPS和DCS上显示。

6 结束语

底吹炉主驱动电机的供电、传动以及控制这三个环节相互关联，相互制约。设计人员需要综合考虑各方面的因素，比选出一个安全可靠同时又相对经济和合理的设计方案。随着底吹炉炼铅炼铜工艺的进一步发展，对底吹炉倾动控制的要求会更高，生产实践中也会有新的问题出现，这些都需要在设计中进一步完善。

[1]天津电气传动设计研究所. 电气传动自动化手册[M]. 北京：机械工业出版杜, 2005: 568-570.

[2]冯斌. 变频器在转炉倾动中的应用[J]. 冶金自动化, 2011(S2)：543-546.

Powersupply,electricdriveandcontroldesignofbottom
blownconvertermaindrivemotor

BIAN Hai-lin, GU Da-wei

Bottom blown converter has been the key equipment in the lead & copper smelting crafts. The safety and consistence of the production process lies highly in the SKS furnace’s reliable electric drive section. After a brief introduction of the components & structural features of bottom blown converter and a deep analysis of its characteristics & requirements when in accidental circumstances, this article will attach great importance to the power supply of the furnace main drive motor, emergency power supply selection, the drive section, speed requirements and the control security. According to the real feedback of the actual operation, details and aspects needed to be paid special attention to will be summarized to set an example to provide references for future engineering and plant transformation.

bottom blown converter furnace; drive unit; emergency power supply; electric drive; control

卞海林(1983—),男，湖北宜昌人，工程师，主要从事有色金属冶炼的供配电设计工作。

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