转炉副枪自动化控制系统的设计与应用

2022-11-16苗利明常超聂日光陈鹏

中国科技纵横 2022年1期

苗利明常超聂日光陈鹏

（新兴铸管股份有限公司，河北武安 056300）

转炉炼钢是炼钢生产中重要的工艺环节，主要作用在于净化钢液成分，优化钢液合金配比。为了满足转炉炼钢的工艺需求，在转炉中设置了两套金属枪系统。一支是为了加快钢液循环流动和提高冶炼效果的吹氧用氧枪；另一支是直接插入炼池中的副枪，主要用于测定熔池液位、钢液温度以及钢液中氧含量、碳含量等参数。由此可以看出副枪在取样测定钢液成分中的重要作用，它是保证转炉冶炼质量的关键，现代炼钢工艺依靠副枪测量来判断和调节转炉熔剂添加量以及吹氧量。副枪在取样检测时主要需要对金属枪的位置进行控制，以完成下枪、插入取样、提枪等一系列动作。转炉副枪在取样中的各种动作的实现全部由副枪系统基础自动化测控装置予以实现，由人机交互操作进行控制，极大地提高了转炉炼钢的自动化水平，改善了人员工作环境。本文对转炉副枪自动化控制系统的设计与应用进行了探讨[1]。

1.转炉副枪系统的工艺流程

转炉副枪系统属于一种测量装置，主要是在转炉不停吹的条件下对转炉内钢液的成分温度进行取样和检测，从而为转炉工艺参数和合金添加的调整提供依据。根据转炉副枪系统的操作模式，首先根据检测要求自动或是手动从探头储存箱中取出选定的副枪探头类型，然后自动安装到副枪顶端，并旋转至转炉上方进入工作位，等待测量命令。在转炉每炉吹炼后期2min～3min，吹氧量达到80%时，由操作人员给予信号下达测量开始命令，转炉上方设置有挡烟罩。在副枪控制系统接收到测量指令时，滑动门打开，副枪升降小车带动副枪快速下降到目标位置，穿过转炉烟罩上的密封帽入口进入转炉熔池，测量钢液温度。根据所用探头类型的不同，测量单元和热电偶会发出相应的信号从而有不同的测量时间。测量结束后，测温仪表单元会向PLC发出测温结束命令，然后传动系统开始快速提升副枪，并达到上限位置。测量结束后，副枪会旋转到探头收集器上方，然后打开探头夹持器取出探头后送至化验室检测。以上是副枪的一个测量周期，结束后可安装新探头进行下一个循环的测量。

在副枪测量的过程中，需要满足以下测量条件：（1）准确掌握测量时机和测量时间，在接近吹炼终点时进行测量，碳含量和熔池温度的测量结果会更加精确。在吹炼结束前2min时进行测量效果较好，可以有足够的时间对冶炼状态进行修正。（2）精确控制探头位置。探头插入太深容易损坏副枪；插入太浅则可能测不到铁水。（3）控制吹氧量。测量时的供氧强度应是吹炼时供氧强度的大约一半，以避免过多的氧和气流对检测过程和结果产生影响。特别是采用底吹或是顶底复吹的转炉系统，供气强度应进一步降低[2]。

2.副枪的主要控制功能

副枪的控制系统应具有以下功能：（1）选择探头并自动安装到副枪枪头上；（2）控制副枪旋转，在待机位和工作位之间移动；（3）控制探头安装设定的位置要求进入钢液中取样，完成对钢液碳、氧、温度等工艺参数的测量；（4）控制副枪在待机位下降至检修平台，对副枪进行保养和维护。

2.1 副枪的升降控制

副枪的升降主要由电动机带动卷筒和副枪小车来实现。升降速度根据安装在卷筒上的脉冲发生器所提供的信号，由变频器来完成对副枪升降速度和高度的控制。副枪的升降速度通常在0.1m/min～2.5m/min。

2.2 副枪的旋转控制

副枪的旋转由变频器控制，分为高速和低速，主要用于卷扬平台在副枪的2个位置之间的旋转。副枪的旋转角度范围为103°，实际的旋转角度由脉冲发生器控制。

2.3 探头的连接控制

探头的连接控制主要是指探头从探头仓到翻转臂之间的顺序控制。首先在气缸的推动下，探头会从探头仓中落到探头运输机上。然后由运输机将其运输到翻转臂上。待翻转臂上的夹持器闭合并加紧探头后，翻转臂旋转至垂直位置，等待副枪下降进行探头安装。

2.4 转炉系统与副枪的连锁控制

副枪入炉检测的条件之一就是控制吹氧量，将底搅拌气的气体流量和氧枪吹氧量降低到一定范围内；且保持转炉的垂直位置。通过建立转炉系统与副枪的连锁控制，可以满足上述的连锁条件。当副枪准备入炉测量时，会向转炉系统发出信号，然后由转炉PLC和电磁阀控制氧枪降低氧量，从而满足副枪入炉检测的条件。

3.转炉副枪测控装置的设计与实现

3.1 控制系统的组成

控制系统采用西门子S7-400PLC；执行机构由矢量控制变频器、电动机、副枪小车、提枪切换装置等组成。分别执行副枪系统的走行升降、旋转、探头夹持装卸、密封帽、刮渣等部件的动作控制。控制系统的硬件配置主要有：机架、CPU模块、电源模块、高速计数模块、以太网通讯模块、数字量与模拟量输入/输出模块等。通讯网络采用两种结构形式，其中DP总线网内的通讯通过PLC的通讯接口，分别连接至现场仪表、变频器、远程I/O从站等。控制系统PLC通过采集现场测量仪表的数据，并对数据进行分析之后，会根据设定好的程序对执行机构发出控制指令，使其自动按照程序运行。主站PLC通过工业以太网与转炉过程计算机、操作员站之间建立数据通信，实现人机对话，由人员通过操作界面向转炉过程计算机传送副枪测量结果和接收指令信号[3]。

3.2 副枪系统操作方式

副枪系统的操作方式包括：自动方式、手动方式、就地方式、事故方式等4种。其中自动方式是最为常用的，一般情况下副枪系统都会处在自动方式，由人机交互系统给出测量信号后自动按照副枪系统的动作程度进行测量，直至完成该周期。如果自动测量的过程中出现超时、机械干涉等意外影响系统动作时，系统会进行蜂鸣报警，提示需要停止自动过程并采取人工干预。自动方式下，所有的动作周期由操作人员在HMI操作界面上操作完成。手动方式下，副枪的测量动作周期则全部由人员在现场操作台下手动控制进行。手动方式通常是在自动方式故障的情况下才采用，需设置好连锁保护，以防止误操作。

3.3 升降控制

副枪的升降控制主要由PLC和变频器控制完成，由电机驱动副枪小车使其按照不同的速度升降运行。位置和高度控制由PLC高速计数模块以及2个编码器脉冲互为校对。运行过程中如果编码器间脉冲出现较大误差时，系统连锁便会控制副枪小车降低运行速度。升降时点击鼠标在HMI界面操作，预先设定的速度给定信号经PLC程序采集处理；同时PLC发出相应的控制信号，控制变频器按照设定的程序驱动电机正反转，完成升降功能。

3.4 行走控制

副枪的行走控制由编码器、接近开关、PLC高速计数模块、变频器等设备共同完成。行程开关负责机械保护停车，并与氧枪、转炉等设备建立位置连锁。当副枪小车到达测量位置时，转炉打开密封帽入口，允许副枪升降操作降入炉内。行走控制的操作与升降控制操作基本一样，通过点击鼠标在操作界面进行控制。行走控制的相关信号同样也会反馈至监控画面，形成相关的曲线。

3.5 探头自动装卸控制

探头自动装卸控制的主要任务是负责探头的取出安装和卸下取样。装卸的执行机构主要是位于副枪顶端的夹紧装置，根据检测过程需要分别完成探头供应、分拣运输、夹紧旋转、探头拆卸等相关操作。所有操作流程和动作全部由PLC软件实现自动控制。比如控制气缸的伸缩，控制电机的翻转等。每一步的连续动作均由相应的工位接近开关检测识别，并由执行机构PLC接收反馈信号进行逻辑控制。