自动捅风眼机控制系统研发与应用

摘要：转炉捅风眼机是铜冶炼转炉的重要辅助设备，其作用是清理转炉的风眼，防止风眼导管被堵住。转炉风眼机由于人工操作导致风眼机工作效率低下，故障较高。造成转炉吹炼时间加长，影响整个生产过程。随着智能工厂的推进，陈旧、效率低下的设备需要进行自动化研发，取代人工操作。根据我厂自动化改造的过程及改造过程中遇到的问题及成效，对自动风眼机的控制系统进行研发。

关键词：转炉;捅风眼机;自动化;伺服

引言

PS转炉捅风眼机是转炉的重要组成设备。传统的风眼机由于自动化程度低，全由操作工手动操作。无法满足现在智能化工厂发展的趋势。为了提供冶炼工艺安全可靠、高效智能的要求，全自动捅风眼机的研发，将改善操作人员的作业环境，降低劳动强度，减少操作工人数，提高工人的劳动效率，满足现代智能化工厂的技术要求。

1 工艺要求

转炉吹炼的主要过程是精矿经过熔炼后，把精矿中部分硫、铁除掉，而铜熔体中依然含有硫化物与铁的硫化物，化合物组成冰铜（Cu+Fe+S=85%～95%），冰铜由包子吊车运至PS转炉，进行送风吹炼，把冰铜中的硫和铁几乎全部氧化除去而得到粗铜（Cu98.5%～99.5%），金、银等贵金属熔于粗铜中。

冰铜的吹炼过程是分周期进行的，作业分为造渣期和造铜期。在造渣期，从风口向炉内熔体中鼓入空气或富氧空气，通过空气的搅拌，冰铜中的硫化亚铁被氧化，生成氧化亚铁和二氧化硫;氧化亚铁再与添加的 熔剂中的二氧化硅进行造渣反应。在造铜期，留在炉内的白冰铜（主要以Cu2S的形式存在）与鼓入的空气中的氧反应，生成粗铜和二氧化硫烟气。通过动力送风机鼓入的空气及富氧和炉内熔体进行化学反应，为了确保送风量及送风压力，必须保证风管通风横截面积，因此要进行捅风眼作业。捅风眼作业对转炉的生产起着至关重要的作用，保证捅风眼机的稳定将会提高转炉的工作效率。

2 捅风眼机的功能及工作特点

传统捅风眼机主要由机械部分和电气部分组成。

机械部分：主体框架、捅打气缸、捅打机构、车轮、轨道、齿轮、减速机、气动系统等组成。

电气部分：电气控制、PLC控制、变频器、回位限位、电机等组成。

操作人员操作捅风眼机左右行走，在捅风眼机的钎杆对齐要捅的风眼后，使小车迅速停车并操作发出捅打信号，压缩空气推动气缸动作，使钎杆捅入风眼完成捅打风眼的工作。这个风眼捅打完毕后，滑座带动钢钎收回，行走到下一个风眼迅速停车捅打风眼。

手动操作的捅风眼机的步骤：行走→停车→捅打风眼→行走→停车→捅打风眼。

3自动捅风眼机改造

满足自动捅风眼机则需要精准定准风眼位置，所以采用伺服驱动将解决定位问题。如果采用其他的定位方式，所需要安装的诸多的传感器。安装完成后定位调整则需要花费大量的时间和材料，并且稳定性能也会随之降低，导致故障率提高最终，可能无法实现自动捅风眼机。

采用伺服定位的方式进行建模，可降低费用的投入。如图1，自动捅风眼机的控制系统与转炉和人机交互的关系。从而提供满足操作需要的个性化编程，可提供多种自动化控制的方式。

4自动捅风眼机达到的目的

4.1、实现操作人员在转炉操作室直接输入命令直接进行自动捅风眼、自动清风眼作业;

4.2、实现可视监控的全自动化控制系统;

4.3、捅风眼机实现自动精准定位、捅打、故障自动退出、安全警示等功能;

4.4、以轴编码器及硬接限位开关的定位方式实现精准定位，以硬接开关实现风眼机的极限保护功能;

4.5、实现转炉各时期各区域风眼捅打深度的自动调节功能;

4.6、操作模式实现手动、半自动、自动三种模式，操作方式实现操作台、遥控器两种操作方式;

5自动捅风眼机使用方法

在PLC控制系统上实现了捅风眼机在1#风眼处设置原点位置，消除在整体运行中产生的累计误差。

当生产中有损坏的风眼时，通过在操作屏上面设置故障风眼后自动捅风眼机自动跳过该故障眼，避免了误操作带来的设备损伤。如果风眼中有损坏，则在PLC控制屏幕上直接把他设置成故障风眼，自动捅风眼将自动跳过该故障眼继续完成捅风眼作业。

自动捅风眼机可以选用两种捅钎杆模式：单钎杆和双钎杆。自动捅风眼机是采用雙钎杆工作的，即一次性捅两个风眼，盲的风眼是偶数个，捅风眼正常做和正常停止，当盲风眼是奇数个，则电机步进一个风眼位置与前一个风眼共同捅。如果盲区内只有一个风眼的，则该风眼不能自动捅，也是和人工操作一样，拿下一根钎杆，实行手动操作。

6自动捅风眼机的控制逻辑

由图3可以看出整个捅风眼机的闭环控制原理。所有电源供电，伺服电机无报警，急停复位，检查触摸屏上的故障灯全灭，然后在进行电气送电。

按下启动按钮自动捅风眼机送电，此时可以使用触摸屏上的手动或者遥控器上的手动控制自动捅风眼机左右运行。自动捅风眼机手动情况下不受任何限位限制，以便于自动捅风眼机在故障情况下可以离开工作区域。

自动捅风眼机的风眼位置设置，自动捅风眼机采用的是伺服电机进行定位控制。所以定位准确与否对机械有着较高的要求。首先要求运行时无晃动，其次在捅打过程中无明显的震动导致跳齿或者整个机构晃动。

确保机械稳定工作之后，将自动捅风眼机点击自动复位按钮，自动捅风眼机将自动查找零点，零点完成后自动风眼机会到达第一个风眼位置，然后手动操作风眼机对正风眼位置，然后记录坐标值输入进对应的风眼地址。

自动捅风眼机分为两个坐标，第一个坐标是从1#风眼至最后一个风眼，第二个坐标是从最后一个坐标至1#风眼。按原理来说两边的坐标值应该一样，但是实际的机械运行过程中正向运动与反向运动会有偏差。所以设置两个坐标，让其精度准确。在校对风眼坐标时应单向运行，尽量不要反向运行。这样在调试过程中可以减少误差。完成此步骤后将完成自动风眼机的初步建模。

校对完风眼后进行风眼机的自动测试，可以将所有风眼设置成坏风眼，使用清风眼模式进行风眼核对。完成此步骤后将完成自动风眼机的最终建模。

核对无误后，可以使用自动模式进行风眼机使用风眼机进行捅打，捅打一次后回位传感器感应到回位后，自动捅风眼机运行至下一个风眼进行捅打。如此进行自动循环操作，在做好了最后一次的捅风眼操作后进行反向捅打，直至回到1#风眼位置，然后又进行零点校准。当风眼机自动运行至零点接近开关感应位置后，零点校准完毕，运行到1#风眼位置进行准备，等待操作命令。

7自动捅风眼机的效果

通过自动捅风眼机的投用，我厂的风眼机电气故障率呈现断崖式的下降。主要是降低了操作人员的手动操作和机械振动的影响。手动操作虽然一气呵成，但是操作工的操作总存在失误的概率。一旦失误就会对设备进行损坏，一段时间内就会出现故障。而电气故障在风眼机上最为明显。自动捅风眼机的投用降低了电气故障率，提高了设备的稳定性。提高了转炉的工作效率，为整个工艺生产流程提供有力的保障。

2017年年底3臺转炉捅风眼机改造成自动捅风眼机，电气故障率下降较为明显。

8自动捅风眼机的未来

自动捅风眼机有着很多好处，减少了操作工的劳动强度，同时减少设备故障率。

自动捅风眼机是智能工厂建设的需要，也是推行智慧冶炼、引领行业发展的使命。同时也改变工人的现场工作环境和劳动强度，当全面推广自动通风眼后可实现减员增效，目前是铜冶炼行业的创新，是人类智慧的结晶。后续在不断地使用过程中还将进一步完善设备的性能，为转炉提供稳定的设备条件。

参考文献：

[1]童吉才，炼铜转炉机械捅风眼机的实践，中国有色冶金，1993，（5）：47-49

[2]江西华正新技术有限公司，捅风眼机说明书，2007，3.

[3]张志中，汪秉文，运用神经网络对捅风眼机定位，机电一体化，2003，（9）：68-69

[4]齐俊峰，转炉机械捅风眼机的改造，新疆有色金属，2012，（2）：80-82

[5]龚思南 徐东祥 自动捅风眼机在转炉上的应用 湖南有色金属，2020，第二期：48-49

作者简介：吕坚，男，电子信息工程学士学位，电气工程师，从事电气自动化工作10年，对工业自动化，现场仪表具有丰富的理论和实践。