底吹爐主驅(qū)動電機的供電、傳動與控制設計

卞海林， 顧大為

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

底吹爐主驅(qū)動電機的供電、傳動與控制設計

卞海林， 顧大為

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

底吹爐是底吹煉鉛和煉銅工藝的關(guān)鍵設備，其傳動部分的安全可靠運行直接關(guān)系著生產(chǎn)的安全性和連續(xù)性。本文簡要介紹了底吹爐的結(jié)構(gòu)及特點，分析了出現(xiàn)故障時底吹爐轉(zhuǎn)動操作的特點和要求，重點闡述了底吹爐主驅(qū)動電機的供電方式以及應急電源的選擇、傳動裝置和調(diào)速要求及控制，并根據(jù)現(xiàn)場實際運行情況，總結(jié)了設計上需要注意的環(huán)節(jié)，為以后的工程設計和改造提供借鑒。

底吹爐； 驅(qū)動裝置； 應急電源； 電氣傳動； 控制

1 工藝概述

底吹煉鉛工藝和底吹煉銅工藝為國內(nèi)研發(fā)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，相比其他煉鉛、煉銅工藝，該工藝技術(shù)具有更高的經(jīng)濟性和環(huán)保性。隨著該工藝的日趨成熟，國外內(nèi)采用這項工藝技術(shù)的冶煉廠越來越多。

底吹爐是該工藝流程的關(guān)鍵設備，其作為一種回轉(zhuǎn)爐體，具有回轉(zhuǎn)爐的通性，同時又有自己的的特點。底吹爐正常工作時是靜止，不需要操作，只有出現(xiàn)工藝流程故障或市電失電時才需要快速轉(zhuǎn)爐至檢修位，將氧槍移出液面。如果轉(zhuǎn)爐失敗，所有氧槍將會堵塞損壞，恢復生產(chǎn)時更換氧槍以及清理出鉛口和出渣口的難度加大，造成比較嚴重的經(jīng)濟損失。

底吹爐主驅(qū)動電機作為底吹爐的重要組成部分，事故狀態(tài)下能否實現(xiàn)快速可靠地轉(zhuǎn)爐，關(guān)鍵在于其供電、傳動和控制的設計是否安全可靠。底吹煉鉛爐和底吹煉銅爐的結(jié)構(gòu)以及機械傳動裝置類似，下文均以底吹煉鉛爐為例加以闡述。

2 底吹爐事故轉(zhuǎn)爐時的特點

底吹爐事故轉(zhuǎn)爐時具有以下特點：

(1)速度低、時間短。底吹煉鉛爐的工作對象是高溫液態(tài)鉛和鉛渣，由于比重的差異，鉛渣浮在鉛液上。轉(zhuǎn)動開始后爐內(nèi)熔體的溫度迅速降低，故要求轉(zhuǎn)動過程中速度可調(diào)，起動低速，中間過程速度略微加快，以免鉛液位較低時，鉛渣堵塞出鉛口，而停止速度過快也會導致爐內(nèi)鉛渣從加料口噴濺出來。失電后，制氧系統(tǒng)停止工作，氧槍的氧壓會迅速降低，如果轉(zhuǎn)爐不及時，鉛液會回灌到氧槍，導致氧槍損壞，同時增加更換氧槍的難度。

(2)重載、起動力矩大。底吹爐爐體自重很大，加上爐料的重量，整個被轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的重量達到1 000 t以上， 故要求起動轉(zhuǎn)矩大且起停速度要低。當電機停止運行時，如果速度過快，就會出現(xiàn)因爐體慣性太大而導致停位不準的情況。

(3)易偏心。偏心一般在以下兩種情況下出現(xiàn)：

一是事故轉(zhuǎn)爐時：正常工作時，底吹爐爐底有氧槍向爐內(nèi)噴氧攪動，處于熔融狀態(tài)下的鉛渣粘度大，且浮在鉛液上面，容易黏在爐壁上，導致轉(zhuǎn)動前爐內(nèi)的液位不在水平線上，形成偏心。如果偏心的情況嚴重，底吹爐從工作位轉(zhuǎn)到檢修位時，就會出現(xiàn)爐子帶著電機轉(zhuǎn)而進入發(fā)電狀態(tài)。某鉛冶煉廠就因為設計時沒有考慮這種狀況，出現(xiàn)EPS變頻器報過壓故障。

二是恢復生產(chǎn)時：爐內(nèi)需要先加熱升溫，將固態(tài)鉛和鉛渣熔化成液態(tài)，由于熔化過程比較長，完全熔化不好準確判斷，因而實際操作中，經(jīng)常會出現(xiàn)爐料沒完全熔化就開始轉(zhuǎn)爐的狀況，這時爐子會出現(xiàn)一定程度的偏心，導致負載轉(zhuǎn)矩加大，所配電機如果出力不夠就會過載。因此轉(zhuǎn)動裝置應有一定的余量，保證偏心不太嚴重時能夠正常運轉(zhuǎn)。

3 底吹爐的供電方案

底吹爐事故狀態(tài)下轉(zhuǎn)爐的允許反應時間為氧槍的保壓時間，儲氣罐的配置不同，事故供氣時間也不同，一般為3 min以上。為保證市電失電時爐體能迅速由工作位轉(zhuǎn)出至檢修位，需為主驅(qū)動電機提供可靠的電源，除市電外，還需配備應急電源。底吹爐單次轉(zhuǎn)出液面的時間不超過30 s，根據(jù)工藝要求，應急電源應能允許事故轉(zhuǎn)爐20次，共計10 min。根據(jù)這個時間要求，應急電源可以采用柴油發(fā)電機或EPS。主要的應急供電方式有四種，見圖1。

ATSE-雙電源自動投切裝置； QF-斷路器；KM-接觸器；KH-熱繼電器

4種應急供電方式各有其特點，分別適用于不同的場合和工程要求，表1是這4種應急電源特性比較。

4 底吹爐的傳動

為了滿足工藝要求，圖1中方式一所用的可調(diào)頻EPS需采用非標產(chǎn)品，標準的可變頻EPS只有電機起動控制而沒有電機的運行控制，只能起到變頻起動的作用，無法實現(xiàn)運行過程中調(diào)速。方式二和方式四所采用的應急電源不可變頻，故需另配變頻器實現(xiàn)調(diào)速功能。就傳動部分而言，可變頻EPS與變頻器基本類似。本文以某鉛冶煉工程非標可變頻EPS為例，其傳動部分加入控制聯(lián)鎖后的原理圖如圖2所示。

表1 應急電源特性比較

圖2 EPS傳動控制原理圖

對EPS的主要修改如下：

(1)主驅(qū)動電機電源。變頻器采用交直流供電，互為備用。通過EPS內(nèi)部控制板監(jiān)測外部市電電源，市電正常時，控制KM1閉合，變頻器取交流電源；市電失電時，控制KM1斷開，KM2閉合，變頻器取直流電源。

(2)主驅(qū)動電機抱閘電源。因為抱閘裝置不能使用交流變頻電源，故需要為抱閘裝置提供單獨的應急電源，即在蓄電池出口增加一個頻率為50 Hz的逆變輸出，與另一路市電形成雙電源供電。市電正常時，控制KM3閉合，抱閘裝置取市電松閘；市電失電時，控制KM3斷開，KM4閉合，抱閘裝置取逆變電源松閘。

(3)EPS參與外部控制。EPS除滿足交直流的投切控制和自身保護外，還應能實現(xiàn)外部控制裝置調(diào)速的要求：一是將EPS內(nèi)的變頻器的控制接口與外部控制裝置相連，二是將外部信號輸入到EPS內(nèi)部控制板。

(4)根據(jù)底吹爐負載的特點，EPS內(nèi)變頻器還需配置制動單元和制動電阻，以實現(xiàn)能耗制動。

5 底吹爐的控制

5.1 控制方式

采用現(xiàn)場控制箱就地控制和中央控制室DCS控制，通過現(xiàn)場控制箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇控制權(quán)限。

5.2 調(diào)速方式

底吹爐整個轉(zhuǎn)動時間很短，一般在30 s以內(nèi)完成。實際操作中，多以現(xiàn)場操作為主，且整個轉(zhuǎn)動過程中，各階段的速度要求不一樣，所以速度需要實時調(diào)節(jié)。基于上述考慮，變頻器采用開關(guān)量輸入分段速度選擇。一般設置快中慢三檔，通過在現(xiàn)場控制箱上安裝自復位的操作手柄控制速度。操作手柄的閉合表如圖2所示。當選擇DCS遠程操作時，通過頻率給定實時調(diào)節(jié)速度。

5.3 松閘控制

抱閘必須和電氣系統(tǒng)進行聯(lián)鎖，在電機建立足夠的輸出力矩后，松開抱閘。需要制動時，立即使電機停止。變頻器的松閘控制接點串入電機抱閘的控制回路中，實現(xiàn)電機零速滿矩輸出時松抱閘。

5.4 定位控制

底吹爐有4個位置，分別為工作位、檢修位、兩個極限位，可以采用轉(zhuǎn)角控制器、限位開關(guān)以及編碼器定位。其中轉(zhuǎn)角控制器和限位開關(guān)較為簡單，但精度較差。編碼器的精度高，但其角度信號不能直接接到控制回路中，需要通過DCS或變頻器處理后才能用。目前，轉(zhuǎn)角控制器和限位開關(guān)用的較多，簡單明了。

5.5 零位保護

由于現(xiàn)場控制箱上的旋轉(zhuǎn)手柄為自復位手柄，長期使用后，有可能出現(xiàn)手柄復位不好的情況。采用零位保護主要是防范爐體轉(zhuǎn)動過程中突然市電停電，操作人員松開手柄后，手柄可能會出現(xiàn)沒有自動復位到零位的情況，控制回路此時處于接通狀態(tài)，應急電源供電后，主驅(qū)動電機會自動轉(zhuǎn)動，可能引發(fā)意外。

5.6 轉(zhuǎn)爐預警

底吹爐體積龐大，周圍的工作人員較多，轉(zhuǎn)爐過程中也可能出現(xiàn)爐液噴濺的情況，出于人身安全考慮，底吹爐轉(zhuǎn)動之前必須預警，通知相關(guān)人員撤離，預警一段時間后才能轉(zhuǎn)爐。在控制回路設計里，預警及其連鎖控制也是關(guān)乎生產(chǎn)安全的重要部分。

5.7 信號顯示

底吹爐主驅(qū)動電機電流、運行、停止、故障信號同時在現(xiàn)場控制箱、EPS和DCS上顯示。

6 結(jié)束語

底吹爐主驅(qū)動電機的供電、傳動以及控制這三個環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)，相互制約。設計人員需要綜合考慮各方面的因素，比選出一個安全可靠同時又相對經(jīng)濟和合理的設計方案。隨著底吹爐煉鉛煉銅工藝的進一步發(fā)展，對底吹爐傾動控制的要求會更高，生產(chǎn)實踐中也會有新的問題出現(xiàn)，這些都需要在設計中進一步完善。

[1]天津電氣傳動設計研究所. 電氣傳動自動化手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版杜, 2005: 568-570.

[2]馮斌. 變頻器在轉(zhuǎn)爐傾動中的應用[J]. 冶金自動化, 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，工程師，主要從事有色金屬冶煉的供配電設計工作。

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