天铁2 800 m3高炉炉顶布料器旋转变速运动设计及应用

庞顺清（天津天铁冶金集团有限公司第二炼铁厂，河北涉县056404）



天铁2 800 m3高炉炉顶布料器旋转变速运动设计及应用

庞顺清
（天津天铁冶金集团有限公司第二炼铁厂，河北涉县056404）

［摘要］为确保高炉稳定顺行，结合高炉生产工艺，将天铁2 800 m3高炉炉顶布料器旋转的电气系统及自动化控制系统进行重新设计，使得布料器运转更加稳定，延长了设备生命周期，降低了电能损耗，取得了较好的经济效益。

［关键词］高炉；布料器；旋转；变速

1　引言

天铁2 800 m3高炉（以下简称：高炉）是一座现代化的大型高炉。高炉自2009年6月19日投产以来，运行相对稳定，但一些核心部件运行故障时有发生。高炉炉顶布料器是实现高炉精准布料的核心部件，它的运行状况将直接影响到高炉炉况的稳定顺行。但自投产以来，该部件故障时有发生，且非常棘手，严重时导致休风或重新更换布料器。由于布料器体积庞大，与其他炉顶设备连接复杂，更换一次的周期达到70 h左右，严重影响到高炉的生产运行。而且布料器价格昂贵，备件费用较高，每次更换带来的直接和间接经济损失较大。为此单位多次组织专家对事故布料器进行分析论证，发现主要是其核心部件回转轴承长期高速运行磨损所致。经反复研究并结合工艺生产实际情况，决定对布料器的旋转运动方式进行重新设计，即在布料器非布料状态的间歇时期进行降速运行，以减少布料器长期高速运行带来的不必要磨损。通过变频调速的方式，实现“间歇减速，布料正常”的运行模式。为此单位组织相关技术人员对电气自动化及PLC程序进行重新设计。方案施工完成后，运行效果良好，达到了预期设计要求，为公司节约了设备及电力成本，确保了高炉长周期稳定顺行。

2　炉顶布料器工作原理、重要性及结构介绍

2.1布料器工作原理及其重要性

布料器也称气密箱，是无钟炉顶的核心设备，其功能是驱动并控制布料溜槽绕高炉中心线的旋转和倾动，以完成高炉不同的布料要求。布料溜槽与高炉垂直中线倾角-α角，它的变化由3个垂直油缸驱动，通过油缸的上下运动带动布料溜槽倾角的变化。布料器溜槽的旋转角-β角，它的变化是由电机旋转带动上回转支撑的外齿圈旋转，外齿圈旋转带动溜槽旋转。α角倾动和β角旋转配合，可以实现环形、螺旋形、扇形、定点、中心加焦等布料方式，可将炉料布到炉喉断面的任意位置。因此，布料器的精确性和稳定性将直接影响到高炉炉况的稳定顺行。

2.2布料器的结构组成

布料器主要由布料器外壳、布料溜槽、托架、上、下回转支撑、中心喉管、旋转电机、齿轮、导向装置、倾动油缸、各种管道（水管、液压管、润滑油管）等组成。布料器结构及驱动原理如图1所示。

图1　布料器结构及驱动原理

3　高炉炉顶布料器旋转变速运动设计方案可行性分析

3.1提出设计思想

为确保高炉稳定顺行，在几次布料器故障的分析论证中发现，布料器内部的坏损部位多是回转轴承等部件因高速运转磨损所致。因此，专家提出布料器是否可降速间歇式运行，从而减少布料器的高速磨损，延长其使用寿命。结合高炉生产工艺发现在正常布料结束后，布焦的间歇时间为120 s，布矿的间歇时间为330 s。这个间歇时间完全可以将布料器的速度降下来，待进行下一次布料时，再将布料器的速度调回至正常运行的状态，确保精准布料。

3.2可行性分析

通过电气及自动化相关技术人员的分析确定，在布料器旋转电机回路中加装变频器，并对原布料器运行程序进行重新设计和完善，可以实现这一设计要求。在设计施工中可以保留原工频控制操作系统，作为备用控制。在原人机交互界面中可设计为变频与工频、自动与手动的灵活运行模式，最终实现布料间歇时旋转电机慢速运行，需要布料时旋转电机提速为正常运行模式，所谓“间歇减速，布料正常”。

3.3预期可达到的效果

这一方案的设计和实施，一方面可以通过变频器降速，从而减少因布料器内部长期高速运转带来的设备磨损，减少故障率，延长布料器的使用生命周期，为企业节约设备成本；另一方面，可节约电机运转的电力成本，实现良好的经济效益。

4　高炉炉顶布料器旋转变速运动设计方案的实施

4.1电气系统设计

该电气及自动化系统的设计是在保留原模式的基础上进行优化的另一个控制方案，投入运行后原系统将作为备用控制系统保留，两个系统可通过人机交互的方式进行切换使用，以便更加可靠地控制布料器。电气控制图如图2所示。KM14为变频器合闸接触器，它与原工频回路中的接触器KM11、KM12形成电气互锁，优先使用变频器回路控制旋转电机。KM13为变频器对布料器旋转电机的输出接触器，只有当KM14合闸后，它才具备使用条件，否则变频器可能被工频反送电。旋转电机采用Altivar71施奈德变频器控制，电机的转速由K14和K15分别控制变频器输出速度1和速度2。当布料器需要降速旋转式，仅K14得电，电机慢速运行；当布料器需要布料时，K14和K15会同时得电，电机以50 Hz运行，确保布料器按照工艺要求精准布料。变频器采用开环固定频率控制，斜坡时间均为5 s。慢速频率可根据实际运行需要对变频器进行调节，目前设定为25 Hz。

4.2 PLC程序设计

高炉炉顶PLC系统采用GE PAC Rx3i自动控制系统与图尔克BL67 TRUCK总线系统相结合的技术，实现对高炉炉顶的自动化控制。在对旋转电机程序编译的过程中紧密结合了生产工艺的实际情况，实现了人机交互对布料电机变频控制的手自动转换，确保炉顶系统在全自动运行过程中，旋转电机的变速能够自动运行。当炉顶中心料仓发出“料空”信号时程序输出降速命令，当炉顶发出“系统到料线”信号时程序输出提速命令。此时在探尺提升到“上限”位置，下密阀、下节阀分别打开的过程中，布料器就已经“旋转速度到位”满足正常布料的条件。在程序编译过程中，同样以互锁的形式使变频控制与原工频控制系统进行了有效的融合，确保自动控制系统安全运行。

5　投入运行具体情况

5.1炉况保持稳定顺行

布料器变速控制系统能满足高炉的正常布料，该系统实施后高炉保持了长期稳定顺行，各项技术经济指标也保持了相对稳定并有所改善（见表1）。

图2　布料器旋转电机电气控制原理

表1　天铁6号高炉主要经济指标

5.2降低了布料器故障率，延长使用寿命

布料器变速运行后，明显降低了布料器故障率。通过对布料器温度的监测发现，改造前布料器的平均运行温度为47℃，改造后的平均运行温度能够保持在34℃左右。这说明因内部运转摩擦产生的热量大大减少，内部轴承间高速的磨损时间降低了，这将延长布料器的使用寿命，确保布料器长周期安全运行。同时根据布料器内部润滑油使用情况，适当延长了炉顶智能系统润滑系统润滑油的打油间隔时间，节约了润滑成本。

5.3节约了电力成本

试车运行后，布料器运行完全能够满足工艺应用的要求，实现了“间歇减速，布料正常”的设计要求。当电机转速从N1变到N2时，电机轴功率P的变化关系为P2/P1=（N2/N1）3，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。以慢速时25 Hz计算，减速后能够节约87.5％的电能，从而大幅度降低了电力成本。

6　结束语

通过这次对高炉炉顶布料器旋转变速运动的精心设计和工艺应用，使得布料器运转更加稳定，达到了预期的效果。该项目实施后不仅保持了炉况的稳定顺行，而且减少了布料器故障率，延长了设备生命周期，降低了电能损耗，实现了良好的经济效益，为高炉的长期稳定顺行奠定了基础。

参考文献

［1］姜文革，张玉奎.高炉气密箱回转支承事故分析［J］.中国设备工程，2004（8）：38-39.

［2］董英斌.高炉炉顶大型齿轮箱监测诊断系统［J］.北京科技大学学报，2000（3）：278-280.

Design and Application of Variable Rotation of Tiantie 2 800 m3BF Top Distributor

PANG Shun-qing
（Iron-making Plant 2，Tianjin Tiantie Metallurgy Group Co.，Ltd.，She County，Heibei Province，China 056404）

AbstractIn order to ensure the stable and smooth running of the blast furnace，the electrical system and automatic control system for the rotation of Tiantie 2 800 m3BF top distributor was redesigned in combination of production process. Afterwards the distributor ran more stably with prolonged equipment service life and reduced power consumption. Good economic benefit was obtained.

Key wordsBF；material distributor；rotation；speed variation

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2016.03.018

收稿日期：2016- 02- 08修回日期：2016- 02- 25

作者简介：庞顺清（1963—），男，工程师，现在天铁集团第二炼铁厂从事设备管理工作。