大型轉爐傾轉控制系統(tǒng)設計改進及其優(yōu)化

童想勝，張偉旗

（1.江西銅業(yè)集團貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424；2.江西銅業(yè)集團銅材有限公司，江西貴溪 335424)

銅精礦經閃速爐熔煉，只是除掉銅精礦中的脈石和部分硫和鐵，而銅仍以硫化物與鐵的硫化物組成冰銅，冰銅由包子吊車裝入轉爐，進行送風吹煉，脫除“冰銅”中的硫和鐵后得到粗銅。而轉爐冶煉是有色金屬熔煉最常用的冶煉方法之一，其突出特點是低速重載、頻繁起制動、正反轉、沖擊載荷大。其吹煉過程分周期作業(yè)，包括造渣期和造銅期。轉爐供風是通過浸埋在銅液中的風管，向爐內熔體鼓風，既要克服風眼上部熔體的靜壓，又要保證爐內銅液的充分攪拌。正常吹煉作業(yè)時，轉爐風口浸泡在銅液內，當轉爐送風機、排煙風機停機、送風閥全開限位脫開、總風管壓力＜0.05MPa、偶爾停電停風或內壓不足時，轉爐須轉動，使風口脫離銅液，保證風眼不被灌死。

國內某特大型銅冶煉廠一系列于建廠初期從日本引進大型轉爐共3 臺，由于設備制造廠家轉爐工藝存在設計誤差，未曾考慮到某些特例，易造成風眼被灌死，就必須倒出爐子內的銅液，且需在其他爐子有裝入容量時才能倒入，或用空包子倒出，中間物料多，需再次回爐處理，不僅影響爐齡，還因檢修時間過長，會打亂整個熔煉系統(tǒng)的生產周期。由于銅熔煉工藝較復雜，轉爐動作頻繁，爐內的熾熱銅液及爐體傾轉產生的巨大慣性力等，因而其產品質量和安全穩(wěn)定性主要取決于轉爐傾轉控制水平的高低。

1 系統(tǒng)設計原理

轉爐吹煉過程是發(fā)生在一個復雜的高溫多相流體系，涉及到多相間的流動并耦合著傳熱、傳質、相變及化學反應等[1]。其最核心的功能就是按照設定的程序，由PLC 控制相應設備的動作，使轉爐傾轉至各種指定的角度，事故傾轉則是吹煉作業(yè)過程中與之相連鎖的重要環(huán)節(jié)。爐體在滿足事故傾轉條件下會自行傾轉，使風口脫離銅液面。該系統(tǒng)的送風、停風及事故傾轉等動作極為關鍵，皆需檢測正確的爐傾角。

轉爐作業(yè)過程中，爐體主要承受熱應力和機械應力，其中熱應力會隨著轉爐濺渣工藝、內襯結構設計變化而改變，不確定性強。其影響主因有爐殼耐材厚度、導熱系數(shù)及爐殼結構，爐殼在縱向、徑向上產生的溫度梯度應力大，爐殼與耐材之間的溫度、熱膨脹系數(shù)差異大，導致爐體產生熱膨脹應力；轉爐爐殼的熱應力主要集中在爐身直線段、爐殼下過渡段，且前者只依靠自然對流散熱作用；機械應力是指爐體在傾動、吹煉等過程中所產生的動載荷，以及由爐體自重、銅液等質量所產生的應力，由于在爐體設計時已充分考慮，故可忽略[2，3]。

轉爐傾轉裝置由電動機通過傳動機構帶動大齒圈，可驅使爐體正、反向傾轉。通過LS 裝置檢測爐體角度并控制爐體傾轉，采用專用抱閘控制裝置讓爐體制動。減速機出力軸的對側設有旋轉形的限位LS 裝置，且以與小齒輪、大齒圈相同的減速比減速，即爐體和LS 凸輪軸旋轉速度一致。轉爐傾轉裝置結構示意圖，見圖1。

圖1 轉爐傾轉裝置結構示意圖

轉爐傾轉控制系統(tǒng)主要有爐體操作臺、PLC控制柜、驅動控制系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)、UPS 安全保證系統(tǒng)組成，控制邏輯復雜，牽涉范圍廣。原轉爐控制邏輯框圖，見圖2。

圖2 原轉爐控制邏輯框圖

2 主要存在的問題

轉爐傾轉過程中，爐況和現(xiàn)場狀況變化最大，易突發(fā)氧槍堵塞、尾氣超標、結焦脫落卡住膜式壁、現(xiàn)場環(huán)境惡化等問題[4]。轉爐原傾轉控制系統(tǒng)的主要設計缺陷有：

（1）外部信號全部送入PLC 控制器處理，再進行邏輯控制，發(fā)出指令控制。如爐體限位LS 裝置的信號直接進入PLC，由PLC 控制爐體傾轉。一旦PLC 系統(tǒng)崩潰或掉電，爐體則無安全保護措施。若事故傾轉來信號時，由于爐體傾轉找不到角度，極可能導致倒掉一爐銅液，浪費且不安全。

（2）搖爐控制信號直接進PLC，控制方式唯一。搖爐控制信號進PLC 再由PLC 發(fā)出指令控制爐體傾轉，因爐體傾轉太依賴PLC，PLC 失效時，爐體就不傾轉。

（3）事故傾轉信號采用常開點控制，設計不合理。全廠停電、PLC 掉電時，因爐體傾轉電源由大型UPS 供電，爐體接收不到事故傾轉信號，傾轉不到安全角度，爐體風眼易被灌死；同時爐體角度信號丟失，爐體也傾轉不到位，安全隱患大。

（4）控制電源設計混亂，選取不合理。爐體傾轉控制電源是從UPS 取到操作室，再從操作室轉接至驅動柜，電纜走向不清楚；爐體角度位置電源取至PLC 電源等；缺少電源缺相保護，電機存在安全隱患。

（5）爐體傾轉抱閘得電打開，長時間、大電壓工作，發(fā)熱嚴重。

（6）轉爐驅動控制系統(tǒng)更新改造多次，控制柜內線路零亂，許多線路無線號標記，圖紙未及時更新，故障查找難度大。

（7）可動煙罩故障時，會引起爐體傾轉電源跳電，導致不能搖爐。

（8）爐體改造后，旋轉驅動扭矩增大，在爐齡中后期或筑爐拆除耐火磚時，常出現(xiàn)電機過載、減速機齒面啃噬現(xiàn)象。

（9）設備使用年限長，控制元器件劣化嚴重，且因部分設備升級產生的廢棄元器件，導致后來的點檢員不知其作用。

3 轉爐傾轉控制系統(tǒng)設計改進及其優(yōu)化

3.1 新增爐體LS 限位裝置

該裝置是爐體傾轉安全保障。其信號直接進驅動控制器PLC，從驅動控制器獲取爐體角度控制信號?？刂齐娫?、LS 限位裝置電源必須取至爐體傾轉驅動柜。新增爐體LS 限位裝置，見圖3。

圖3 新增爐體LS 限位裝置

調整時需注意，將爐體傾轉至需要的角度，調整對應的凸輪塊，利用勾頭扳手松動緊固螺栓，再調整限位動作；有的限位是只有在某一點動作，或是在一個范圍動作，調整時要確保動作可靠；調整好后，需鎖緊緊固螺栓，轉動爐體查看限位動作情況。

3.2 新增爐體專用抱閘控制回路

該回路可防止爐體抱閘常時間處于大電壓工作發(fā)熱而燒毀。因抱閘控制電路中無電壓切換功能，電磁體要在初始時使抱閘動作，工作電壓相對較高；而實際抱閘動作時，電磁體并不需要高電壓，但在無電壓切換功能的情況下，只能始終選擇相對較高的電壓來工作，導致電磁體發(fā)熱量大，電能消耗大，電磁體線圈燒毀幾率相對較高，常出現(xiàn)動作不柔和、噪音大等弊端。

設計采用一體式抱閘控制器，可改變原有的抱閘控制方式，能使運行電流＜3A，抱閘打開的穩(wěn)定性高。新增爐體專用抱閘控制回路圖，見圖4。改進后，爐體傾轉抱閘控制器先以一大電壓、大電流強迫使抱閘打開，延時一段時間后，再切換至抱閘一，維持電壓保證抱閘打開，大電流對抱閘的傷害小，能有效地延長抱閘的使用壽命。

圖4 新增爐體專用抱閘控制回路

3.3 新增真空接觸器、控制變壓器

主電源開關選用專業(yè)于90kW 電機控制的帶脫扣線圈的ABB 三相斷路器MCCB-1，控制電源、抱閘電源設于總電源開關MCCB-1 后面，按急停時該斷路器帶有脫扣跳閘裝置，爐體停止。

爐子“運轉準備入”、正轉、反轉、切換電阻接觸器皆選用真空接觸器，能最大限度防止接觸器拉弧導致接觸器粘死。真空接觸器觸頭在真空泡里，其拉弧和動作聲音小、壽命長，多用于大電流接觸器上，真空接觸器利用真空滅弧室滅弧，可頻繁切斷與接通正常工作電流，常用于遠距離切斷和接通工作、低壓頻繁啟停的低壓交流電機。

控制電源取自爐子傾轉電源，新增一臺1kVA控制變壓器，可有效地隔離干擾。爐子傾轉時，才需要控制電源、控制角度，另新增2 個380V 接觸器監(jiān)測三相電源用作缺相保護。爐體角度、凸輪操作手柄電源和爐子傾轉電源皆使用同一電源。

3.4 新增手動操控爐體傾轉應急回路

當爐體程序失效、PLC 死機、控制回路故障時，原先無法搖動爐體，風眼浸泡在銅液中，只能等待維修人員來處理。新增一套手動操控爐體傾轉應急回路，人為傾轉至安全角度，以確保爐體傾轉安全性?？蛇x擇“爐修”位置，所有聯(lián)鎖取消，操作搖爐手柄，爐子可實現(xiàn)360°傾轉，有事故傾轉信號也不起作用。“爐修”作業(yè)時，選擇的是硬線回路，與PLC 無關。PLC 掉電時，可人為切換至“爐修”作業(yè)，正轉將爐子搖至安全角度，可提高系統(tǒng)安全可靠性。

3.5 新增緊急搖爐至45°傾角轉換開關

該轉換開關為最高優(yōu)先級別。平時在開爐前可檢驗事故傾轉回路的安全可靠性；PLC 系統(tǒng)失效時，操作該轉換開關，即可將爐子正轉至45°安全角度。

3.6 爐體事故傾轉信號的安全控制

事故傾轉是保證轉爐風眼作業(yè)安全的重要條件。爐體事故傾轉信號選用常閉點控制，當PLC掉電或全廠停電時，事故傾轉信號會自動傳輸至爐體驅動柜內。爐體驅動柜由大的UPS 供電，以保證爐體傾轉。

一旦有事故傾轉信號時，爐子在LS1 事故傾轉限范圍內，未選擇到“爐修”位置，延時0.5s 確認，可防止事故傾轉信號誤觸發(fā)。事故傾轉指示燈點亮，并直接合上“運轉準備”接觸器，即使按“運轉準備”停止按鈕也不會切斷“運轉準備入”接觸器，可防止誤操作時將“運轉準備入”接觸器停止。消除事故傾轉信號時，再按“運轉準備”停止按鈕，可斷掉“運轉準備入”電源。爐子事故傾轉信號確認后，系統(tǒng)會自動將爐子傾轉至45°安全角度，可自動消除事故傾轉信號。爐體事故傾轉到45°安全角度停止；若45°限位損壞，會繼續(xù)正轉至145°停止，能起到雙重保險作用。

當有事故傾轉信號時，即使凸輪手柄不在“零位”時，“運轉準備入”接觸器也會吸合，即使操作停止按鈕“運轉準備入”接觸器也不能分斷，爐子會自動事故傾轉至安全角度45°停止。邏輯框圖，見圖5。

圖5 邏輯框圖

轉爐爐體設有1#爐、2#爐、3#爐共三臺，爐體選擇開關有“1/2”“1/3”“2/3”三檔，需選擇對應的爐體吹煉。每臺爐體有轉換開關選擇“作業(yè)”“爐修”2 個位置。當爐體控制用PLC、公用設備控制用PLC 失電時，若爐體選擇開關選到1#爐，且轉換開關選擇在“作業(yè)”位置時，1#爐子處于正常作業(yè)范圍內即-20°～30°，凸輪限位LS1 動作，延時0.5s 確認，可防止事故傾轉信號誤動作。事故傾轉信號EX1 發(fā)出，爐體會正轉至安全角度45°停止。

4 結束語

生產實踐表明，該廠針對大型轉爐傾轉安全控制設計改進及其優(yōu)化是成功的。改進后，生產節(jié)奏快，再無風眼被灌死事故。

（1）系統(tǒng)作業(yè)效率可提高30%，能穩(wěn)定轉爐吹煉工藝，縮短吹煉時間。

（2）爐體傾轉驅動手段呈現(xiàn)出多樣性，可大幅提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，也極大地增強了轉爐操作工的安全意識。

（3）設計采用一體式抱閘控制器，可改變原有的抱閘控制方式，能將運行電流降至3A 以內，提高了抱閘打開的穩(wěn)定性。

（4）設置安全角度，可在正常生產中灌輸安全概念，優(yōu)化了硬件控制回路，更新了安全生產觀念，杜絕了“倒銅”事故。

（5）該系統(tǒng)操作簡便，維護可靠，勞動強度低，生產成本低，收效良好。