双喷头移动式加渣机设计

聂志水 张付祥 张红卫 肖鹏程

（1.河钢集团石钢公司技术中心； 2.河北科技大学机械工程学院； 3.河北前进机械厂技术科；4.华北理工大学冶金与能源学院）

0 引言

保护渣作为重要的材料广泛用于连铸坯生产中。保护渣加至结晶器内，不仅能够使连铸坯与结晶器间的传热得到改善和控制，也起到两者间的润滑作用；保护渣还能减少结晶器内热量的损失以及避免钢水的二次氧化[1-2]。

传统的加渣方式是工人长时间观察着结晶口的状态，需要添加时就用铁锹填入保护渣。人工加渣的环境十分恶劣且工作繁琐，这不仅可能会对工人的身体造成损伤，也很难保证均匀添加保护渣，从而有可能导致连铸坯生产时产生不必要的缺陷[3]。PLC作为自动化生产中使用十分广泛且技术成熟的工业控制器，比较适合该加渣机的控制要求[4,5]。为了改善工人恶劣的加渣工作环境，提高与加渣方式有关的连铸坯生产质量，根据实际加渣要求，设计了一种以PLC为控制器的自动加渣机。这具有广泛的应用价值且有利于提高工业生产中的自动化水平。

1 总体设计

1.1 系统组成

结晶器保护渣加渣口为长1 400 mm、宽175 mm的长条形，钢水注入结晶器内的位置在加渣口中部，要实现加渣覆盖整个加渣口则需要设计可移动的双喷嘴。在喷嘴随直线导轨做开合运动时，可避开加渣口中部，并实现匀速加渣。由于两个喷嘴的加渣量需一致，设计双料仓可提高加渣的连续性，减少填料频率。

加渣机包括机械结构和控制系统两部分结构，如图1所示。机械结构部分主要由料仓、料位计、电控柜、气/温控箱、螺旋送料器、直线导轨、物料喷嘴等组成。控制系统由西门子PLC、限位开关、温度控制器、中间继电器、变频器、气控电磁阀等组成。

图1 加渣机结构

1.2 自动加渣原理

加渣机执行系统的主要部件有螺旋送料器和直线导轨。螺旋送料器由步进电机驱动，变频器给步进电机发送脉冲，进而控制步进电机的转速，将保护渣推送至输料管中；直线导轨电机为伺服电机，PLC发送脉冲使两个滑台带动物料喷嘴做匀速往复运动，进而保护渣由喷嘴喷入结晶器中，且可以通过控制柜外的按钮调节滑台速度，从而实现自动匀速加渣。

1.3 温度控制原理

在加渣过程中，温度检测器检测到保护渣的温度低于设定温度时，温度控制器导通接触器给加热板通电，当加热到指定温度后加热板停止加热。同时，当保护渣料位达到低料位时，控制柜上的信号灯则会亮起，提醒工人保护渣不足。

2 加渣工艺流程控制

加渣机控制流程主要由加热、送料、吹渣等工序组成[6]，工艺流程如图2所示。

具体流程：（1）料仓内的保护渣经温度检测器检测，当检测温度低于温度控制器设定的温度，控制器导通接触器加热板开始工作，当保护渣温度达到设定温度，接触器断开停止加热；（2）气控电磁阀导通，给输料管通入气流；（3）保护渣喷嘴在直线导轨的带动下做往复运动；（4）螺旋送料器开始工作，将料仓内的保护渣推送到输料管中。

加渣机的关键部位为控制系统，该系统主要由西门子PLC、伺服驱动器、传感器及变频器组成。控制系统的核心部件为PLC，首先对传入PLC的信息进行处理，再发送信息至加渣机的各执行机构，完成加渣机的输出动作。考虑到加渣机的经济性，采用西门子S7 200 smart PLC为控制器。磁性开关和温度传感器为加渣机的两种传感器，检测直线导轨滑台是否到达位置的是磁性开关，温度传感器用于保护渣温度检测，并把相应的信号输入给PLC[7]。

图2 工艺流程

3 系统网络设计

双喷头移动式加渣机信息获取系统是由料位计、温度控制器、加渣机控制系统和网络服务器组成的。料位计和温度控制器分别用来检测保护渣的消耗情况和料舱内保护渣的温度数据。编码器用以检测伺服电机的运动速度以及运动位置，同时还起到通讯与传输的作用。通过网络服务器将检测到的数据传送到后台客户端，让检测人员及时掌握保护渣和电机运转情况，并进行相关操作。螺旋送料器和直线导轨均由PLC控制，为了实现对设备的远程控制，将控制面板和操作端安装在控制室中，PLC则安装在加渣现场的控制柜里，PLC通过光纤或Profinet网络协议与PLC的上位机通讯[8]。系统网络架构如图3所示。

4 控制系统设计

4.1 控制系统硬件设计

控制电源电路共有5个空气开关。总开关控制开关电源和支路开关，支路开关分别控制加热系统、变频器和两个伺服驱动器。两个料仓都需加热，经过热负荷计算，加热板的功率较大，空气开关选择额定电流63 A的，其余空气开关选择额定电流10 A的。端子排将开关电源提供的24V-5A电源扩展，以便为PLC以及中间继电器供电。控制电源电路如图4所示。

图3 系统网络架构

图4 控制电源电路

根据被控对象数量计算出输入点共13个，输出点共12个，且直线导轨需接受脉冲才能运行，因此选择西门子S7 200 SMART ST直流型作为控制器[9]，该型号PLC共有40个触点（24个输入触点和16个输出触点）。继电器作用主要是与伺服驱动器联络通信，给伺服驱动器发送使能，同时维护检修控制系统也较为方便。PLC控制线路如图5所示。

图5 PLC控制线路

4.2 控制系统软件设计

控制系统软件设计主要是PLC梯形图的编写。直线导轨的伺服电机、螺旋送料器、料位计、温度控制器都受PLC程序的控制。操作人员通过控制柜上的按钮对整个设备进行启停和自动加渣控制。

PLC程序通过STEP 7-MicroWIN SMART软件进行编写，主要部分包括直线导轨轴的初始化、急停、寻参启动、重置速度以及加减速。当给PLC供电后，系统首先执行初始化；按下“重置速度”按钮，程序中获得一个初始速度；按下“寻参”按钮，直线导轨滑台开始自动寻参，当到达参考点后自动执行往复运动程序；“点动加速”、“点动减速”按钮可控制滑台往复运动的速度；“急停”按钮按下系统立即停止。控制系统软件流程如图6所示。

图6 控制系统软件流程

5 加渣机运行试验

设计开发的加渣机如图7所示。加渣机设计的最大加渣量默认值为500 g/min，每转对应加渣量为200 g，料仓的容积为150 L/个，提供压缩空气压力为0.3～0.8 MPa，温控器设定温度为40 ℃，直线导轨匀速运动速度为45 mm/s。在实验室的条件下对设计开发的加渣机进行了运行试验，上述设计参数全部能够实现，能够满足工业生产的加渣要求，实现自动化均匀加渣工作。

6 结论

为了解决工人恶劣的工作环境，提高连铸坯的生产质量，研制了一种自动加渣机。首先对加渣机的整体结构进行设计，其次设计了物料喷嘴部件；加渣机控制器选用西门子200 SMART PLC，还进行了电路原理设计以及主要元器件选择，编写了控制系统程序。经过加渣机的试验验证，该机能实现全自动均匀加渣功能，满足加渣工艺要求。

图7 双喷头移动式加渣机样机