感應(yīng)爐爐體冷卻水控制系統(tǒng)的設(shè)計

唐亞軍,唐亞洲

(杭州四達(dá)電爐成套設(shè)備有限公司,浙江 杭州 311305)

感應(yīng)熔化爐廣泛用于特種鋼材冶煉與鑄造領(lǐng)域,具有如下特點:①爐料由于自身感應(yīng)發(fā)熱,能量轉(zhuǎn)化效率高;②熔煉狀況好,無環(huán)境污染,熔煉過程成分損失少,避免增硫、增磷的問題,特別適合稀有金屬及合金的熔煉;③爐料在真空或保護氣氛的措施下可以獲得高質(zhì)量模鑄件的合金液體;④噪聲、煙塵易于治理,環(huán)境污染小[1-2]。根據(jù)有關(guān)感應(yīng)熔的故障統(tǒng)計,多達(dá)90%的故障與冷卻水有關(guān),良好完備的冷卻水系統(tǒng)是保證感應(yīng)爐系統(tǒng)正常工作的前提。一般感應(yīng)熔化爐冷卻系統(tǒng)分為電源冷卻水系統(tǒng)和爐體冷卻水系統(tǒng)。電源冷卻水系統(tǒng)一般是冷卻變頻電源柜的晶閘管、平波電抗器、電熱電容器、整流變壓器、連接水冷電纜等元器件。對于產(chǎn)生高溫的感應(yīng)線圈單獨進(jìn)行冷卻組成爐體冷卻水系統(tǒng)是整個冷卻系統(tǒng)的重點。爐體冷卻水系統(tǒng)不僅保護系統(tǒng)的正常工作,還保障著安全生產(chǎn)的責(zé)任。隨著感應(yīng)熔化爐的容量的加大,電柜的功率增加、感應(yīng)線圈的電流加大,冷卻性能要求不斷提高,不及時的散熱和故障斷水,極易造成感應(yīng)線圈內(nèi)的水汽化,造成線圈燒穿的故障,或者外漏水帶來爐體打火的事故,造成設(shè)備的損壞。還有可能引發(fā)嚴(yán)重的穿爐事件,造成設(shè)備與人員的損傷。

為保障感應(yīng)爐的可靠運行,開發(fā)了基于S7-1500PLC的爐體冷卻水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能遠(yuǎn)程控制冷卻水系統(tǒng)的工作,還能實時監(jiān)控冷卻水的運行情況,根據(jù)不同情況采取不同的冷卻方式。

1 爐體冷卻系統(tǒng)的組成及水環(huán)境要求

1.1 爐體冷卻系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)主要是對水冷電纜、爐體線圈及附屬磁軛的冷卻。采用了雙回路循環(huán)系統(tǒng)即內(nèi)回路為純水的密閉式循環(huán)冷卻水,外回路開放式冷卻塔循環(huán)冷卻的方式,通過板式換熱器進(jìn)行內(nèi)外水熱量交換。補水一般連接到制水機的管道。此方式,結(jié)合了密閉式冷卻系統(tǒng)與開式冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點,是主流大型熔化爐的冷卻趨勢。密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水與大氣不接觸,水量損失少、水質(zhì)質(zhì)量高、不結(jié)垢、冷卻效果好,一般用在小型設(shè)備[3]。開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻量大,經(jīng)濟效果好。爐體冷卻水系統(tǒng)還增加了高位水箱,提供的應(yīng)急水冷卻回路。爐體冷卻系統(tǒng)水路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示(本文以90 t爐體冷卻舉例說明)。

圖1 爐體冷卻系統(tǒng)水路結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 爐體冷卻水環(huán)境要求

隨著感應(yīng)爐容量的加大,對于感應(yīng)爐系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,單回路循環(huán)冷卻系統(tǒng)已不滿足生產(chǎn)需求,本文以雙回路循環(huán)冷卻系統(tǒng)介紹感應(yīng)爐冷卻系統(tǒng)。一般對爐體冷卻環(huán)境的要求:

(1)爐體進(jìn)水溫度15～37 ℃,出水溫度不超過55 ℃,允許溫升小于20 ℃。實際生產(chǎn)中,感應(yīng)線圈冷卻水出水一般控制在60～70 ℃,溫控開關(guān)設(shè)置在65 ℃。水溫過冷會造成感應(yīng)圈銅管表面結(jié)冷凝水,影響爐體絕緣,要根據(jù)實際環(huán)境溫度控制進(jìn)水溫度。

(2)內(nèi)水水路水壓0.3～0.7 MPa。壓力過低,冷卻效果不好。壓力過高對水冷電纜與線圈接頭的要求高,接頭脫落,高水壓容易對爐襯造成嚴(yán)重的破壞。

(3)水質(zhì)要求外回路CaO質(zhì)量濃度小于60 mg/L,內(nèi)回路CaO質(zhì)量濃度小于2.5 mg/L。內(nèi)水電導(dǎo)率小于等于10 us/ms,過高的電導(dǎo)率帶來電解,導(dǎo)致水冷系統(tǒng)中的金屬產(chǎn)生腐蝕。pH值7.0～8.5?？偣腆w含量:溶解性<300 mg/L、懸浮性<10 mg/L。

1.3 爐體冷卻水系統(tǒng)流量

坩堝直徑d2=2.21 m,爐襯外直徑d3=2.48 m,爐襯厚=d3-d2=0.27 m,石棉布總厚度0.006 m,d1=d3+石棉布厚度=2.486 m,線圈高度h1=3.4 m,圖2中給出了經(jīng)測量得出的爐襯內(nèi)表面接觸爐料的最高溫度1 700 ℃,爐料經(jīng)過爐襯到達(dá)爐襯外表面的溫度400 ℃,及經(jīng)過石棉布到達(dá)感應(yīng)線的最高溫度值60 ℃。爐體冷卻水系統(tǒng)需帶走的發(fā)熱量主要來自感應(yīng)線圈的發(fā)熱量,主要是感應(yīng)線圈通過的大電流產(chǎn)生的熱量,和爐料被加熱后通過耐熱層(爐襯)和隔熱層(石棉布)到達(dá)感應(yīng)線圈的熱量[4]。90 t爐體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

Q=PC+P22

(1)

式中:Q為感應(yīng)線圈的發(fā)熱量, kW;PC為感應(yīng)線圈發(fā)熱損失的功率, kW;P22為爐料通過耐熱層和隔熱層的熱傳損失, kW。

(2)

(3)

熱阻公式如下:

(4)

式中:R1為爐襯的熱阻值, ℃/ kW;d3為爐襯外直徑,m;d2坩堝直徑,m;λ1中性剛玉材料熱導(dǎo)率, kW/(m·K);h2為液體爐料高度h2=h1/1.13,m;R2為石棉布的熱阻值, ℃/ kW;d1為爐體爐襯外直徑加石棉布厚度,m;λ2石棉布熱導(dǎo)率, kW/(m·K);T2為爐襯表面溫度, ℃;T1為經(jīng)石棉布阻熱后的溫度, ℃;R為二層熱阻R=R1+R2, ℃/ kW。以上參數(shù)代入式(2)～式(4),可以求得P22= 732.4 kW。

已知90 t感應(yīng)爐的額定功率P為42 000 kW,為求得感應(yīng)線圈發(fā)熱損失的功率通過下式計算[5]:

PT=Pη

(5)

P2=PT/ηu

(6)

PC=P-P2

(7)

式中:PT為爐料加熱熔化有效功率, kW;P為感應(yīng)爐額定功率, kW;η為感應(yīng)器總效率,熔煉鑄鋼η取0.65～0.70,大容量取上限,這里取η=0.7;P2為爐料總功率, kW;ηu為感應(yīng)器熱效率,近式計算取0.8;PC感應(yīng)線圈發(fā)熱損失的功率, kW。以上參數(shù)代入式(5)、式(6)、式(7),可以求得Pc=5 250 kW。

所需冷卻水量以下式計算:

(8)

式中:G為冷卻水量,kg/h;Q為爐體感應(yīng)線圈帶走的發(fā)熱量, kW;t1為冷卻水進(jìn)入感應(yīng)線圈時的溫度, ℃;t2為冷卻水出感應(yīng)線圈時的溫度, ℃;由于要求進(jìn)出水溫差小于20 ℃,一般取進(jìn)水t1=30 ℃,則t2=50 ℃。以上參數(shù)代入式(1)、式(8),可以求得G= 257 243 kg/h,即257.243 m3/h。計算的是單爐子,設(shè)備一般有兩個爐子組成備用爐的冷卻預(yù)留30%的流量,因此設(shè)備總計算流量約為260×(1+0.3)=340 m3/h?？紤]實際中要根據(jù)理論計算的結(jié)果乘以2～3倍的系數(shù),這里取3倍則需要配置不小于1 020 m3/h的水量,設(shè)計多臺水泵組成,綜合水泵的參數(shù)選擇了單臺400 m3/h的水泵四臺組成,三用一備。

2 爐體冷卻水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

2.1 爐體冷卻水控制系統(tǒng)組成

爐體冷卻水控制系統(tǒng)主要由電源、電機、變頻器、氣動閥、DDC信號與AFC信號采集板、工程師站、上位機監(jiān)控等幾部分組成,如圖3所示。控制系統(tǒng)分二級控制,上層由工控機與工程師站組成。下層由PLC1500控制。上下層控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接交換機進(jìn)行通信。通過交換機下層可以擴展多套爐體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖。單套感應(yīng)爐爐體冷卻水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 單套感應(yīng)爐爐體冷卻水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 爐體冷卻水控制系統(tǒng)的功能

爐體冷卻水控制系統(tǒng)由不同的功能,不同模塊組成,通過緊密聯(lián)系,才能實現(xiàn)對爐體實時有效的冷卻控制。電機與變頻器是整個換爐冷卻控制系統(tǒng)的動力來源,考慮到感應(yīng)爐的電磁干擾PLC直接通過端口控制變頻器的工作。電機根據(jù)系統(tǒng)流量計算三用一備,考慮到可靠性一個軟啟動帶動一臺電機,一臺電機回路有問題,PLC能夠切換到備用電機回路。1號氣動閥控制1號爐爐體水路工作。2號氣動閥控制2號爐爐體水路工作。一般只有一個爐體工作,另外一個爐體備用。3號氣動閥控制1號爐爐體水路應(yīng)急高位水箱工作。4號氣動閥控制2號爐爐體水路應(yīng)急高位水箱工作。應(yīng)急氣動閥要根據(jù)工作爐體打開對應(yīng)的閥門。5號氣動閥控制水箱缺水后補水工作。DCC采集板是專門為PLC采集開關(guān)量的設(shè)備,一塊能采集16路信號。采集的信號有壓力開關(guān)信號、溫度開關(guān)信號。爐體的壓力開關(guān)信號包括2路信號1#爐體水壓信號、2#爐體水壓信號。溫度開關(guān)信號包括1#爐體線圈24路信號,1#爐體水冷電纜4路信號,1#爐體磁軛2路信號,2#爐體線圈24路信號,2#爐體水冷電纜4路信號,2#爐體磁軛2路信號,總共60路溫度開關(guān)信號。AFC采集板是專門為PLC采集模擬量的設(shè)備,一塊能采集16路模擬信號。采集的信號有流量信號、溫度信號、液位信號、壓力信號。爐體的流量信號包括1#爐體線圈24路信號,1#爐體水冷電纜2路信號,2#爐體線圈24路信號,2#爐體水冷電纜2路信號,再加總進(jìn)水流量信號、總回水流量信號,總共54路信號。溫度信號4路,液位信號1路,壓力信號2路。上位機是整個控制系統(tǒng)的操作中心并能實時地監(jiān)控水冷卻系統(tǒng)的運行情況。工程師站是專門給技術(shù)人員修改和維護的窗口,減少對生產(chǎn)的影響。

3 爐體冷卻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計選型

爐體冷卻控制系統(tǒng)要有高可靠性、強抗干擾能力、綜合客戶需要,上位機選擇了HP工控機和工程師站,下位控制選擇了西門子S7-1500PLC系列。依據(jù)設(shè)計要求,本系統(tǒng)選擇了如下主要硬件。

(1)上位工控機和工程師站。分別為HP工控機:酷睿i7,8代6核CPU,8G 內(nèi)存,256固態(tài)+1G硬盤,22寸顯示器;HP工控機:酷睿i7,8代6核CPU,16G 內(nèi)存,256固態(tài)+1G硬盤,22寸顯示器。

(2)下位1500PLC系列。選用了一個中央處理器CPU1515-2PN,集成了兩個PROFINET通信接口,通過網(wǎng)絡(luò)接口組建上下層之間的工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò),用于編程調(diào)試、數(shù)據(jù)處理、擴建多設(shè)備組成的控制系統(tǒng)[6];一個數(shù)字輸入模塊DI 16X24VDC BA,16位輸入I/O端口接收信號;一個數(shù)字輸出模塊DQ 16X24VDC/0.5 BA,16位輸出I/0端口;一個模擬量輸出模塊 AQ 8xU/I/ HS,8路16位信號;一個模擬量輸入模塊 AI 8xU/I/RTD/TC ST,8路16位信號。

(3)冷卻泵的動力采用了PLC控制軟啟動帶動電機。電機根據(jù)泵的流量選擇了湘潭電機股份有限公司三相異步電機型號YE3-250-4,55 kW三臺。爐體冷卻系統(tǒng)的冷卻量相對固定一般選擇軟啟動,本項目軟啟動選擇了55 kW的ABB軟啟動型號PSTX105-600-70。PSTX軟起動器采用最近技術(shù),適用于標(biāo)準(zhǔn)鼠籠式電動機,可設(shè)置信號4～20 mA模擬量作為電機電流信號傳給PLC監(jiān)控。

(4)水路管道的選擇通過天津佰儀控制儀表有限公司的氣動閥進(jìn)行控制。爐體一般配置兩個爐體,一用一備。水路的切換通過兩臺不銹鋼氣動球閥Q641F-16P-250氣動閥來選擇,通過4～20 mA模擬量還能控制氣動閥的打開或關(guān)閉角度控制水流量。應(yīng)急高位水箱的水路通過二臺Q641F-16P-125氣動閥來選擇。補水閥由氣動閥Q641F-16P-40來控制。

(5)水路系統(tǒng)運行監(jiān)控通過開關(guān)量DDC采集板和模擬量AFC采集板獲得。一塊DDC采集板是通過PLC四個數(shù)字端口輸出組合,一個數(shù)字輸入端口,來獲得16路開關(guān)信號。一塊AFC采集板是通過PLC四個數(shù)字端口輸出組合,一個模擬量輸入端口,來獲得16路模擬信號。本系統(tǒng)中,需要5塊DDC采集板,5塊AFC采集板,留有20%以上的采集端口。

3.2 電氣控制系統(tǒng)

由動力柜、UPS柜、PLC控制柜、爐體冷卻控制柜及本地控制箱等組成。動力柜是整個系統(tǒng)的電源分配中心,由二路進(jìn)線組成,一路380V進(jìn)線,另一路由柴油發(fā)電機組供電,通過雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)自動切換回路。爐體冷卻控制柜主要是隔離開關(guān)、斷路器、軟器動、繼電器等相關(guān)電機的控制與指示元器件。本地控制箱是用作調(diào)試用的面板,可以單臺啟停電機,通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換遠(yuǎn)程與本地控制模式。PLC控制柜是控制中心是信息輸入輸出的匯總地。UPS柜帶有UPS主機和電池,即使二路進(jìn)線回路斷電后,依然可以由電池供電能給PLC及儀表供電1.2 h,保證氣動閥的動作可靠,保障應(yīng)急水路暢通。爐體冷卻水控制系統(tǒng)電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 爐體冷卻水控制系統(tǒng)電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

4 爐體冷卻控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 下位機控制程序設(shè)計

下位編程軟件采用了西門子TIA 博途V15, 是西門子自動化的全新工程設(shè)計軟件平臺[7]。根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),PLC程序采用模塊化結(jié)構(gòu)分為電機控制程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、報警處理子程序、應(yīng)急水處理程序等幾個部分,如圖5所示。系統(tǒng)分為本地/遠(yuǎn)程兩種控制模式,本地控制模式主要是調(diào)試和PLC非正常情況下應(yīng)急操作;遠(yuǎn)程控制模式通過上位機的操作由PLC自動進(jìn)行控制。

圖5 主程序流程圖

主程序調(diào)用子程序的功能實現(xiàn)控制目的。上位機把啟動操作命令傳給PLC后,當(dāng)本地操作箱所有泵控制械式為“遠(yuǎn)程”狀態(tài)時,PLC根據(jù)電機控制程序選擇泵的啟動,并能根據(jù)泵的實際情況切換備用泵。信息采集程序能掃描整個爐體水路的溫控開關(guān)信號、流量信號、壓力信號。數(shù)據(jù)處理程序能夠根據(jù)換爐開關(guān)的信息控制氣動閥的動作。對于異常信號報警處理程序了能記錄錯誤信息并能發(fā)出停止感應(yīng)爐的運行。應(yīng)急水處理程序主要是判斷系統(tǒng)在熔化過程中停電后,一定時間內(nèi)無法恢復(fù)時,啟動應(yīng)急電動閥供水。

4.2 上位機控制程序設(shè)計

爐體冷卻水控制系統(tǒng)有上百條水路的信息需要進(jìn)行監(jiān)控與測量。采用西門子WinCC7.5軟件,是一個可以在Windows下使用的功能強大的HMI系統(tǒng),可實現(xiàn)過程可視化和組態(tài)圖形用戶界面[8-9]。圖6中集中了三套設(shè)備控制畫面,名字加1、2、3進(jìn)行區(qū)別。程序分為:主界面、電源水(電源冷卻水控制系統(tǒng))、爐體水(爐體冷卻水控制系統(tǒng))、變壓器液壓、信息列表、數(shù)據(jù)記錄。爐體冷卻水控制系統(tǒng)主界面如圖6所示。圖6中主畫面選中的是1#設(shè)備爐體水控制系統(tǒng)的主界面。分爐體實時顯示了24路爐體水路流量計數(shù)據(jù)。24路爐體水路溫度開關(guān)保護狀態(tài),綠色正常,紅色保護。及水冷電纜與磁軛水溫度開關(guān)狀態(tài)。在右側(cè)畫面上有水路的主回路圖,對應(yīng)總流量、壓力、液位、溫度、電導(dǎo)率等信號的實時值,也能觀看到氣動閥的狀態(tài)值。電機的操作通過點相應(yīng)的電機圖標(biāo),可彈出操作界面。

圖6 爐體冷卻水控制系統(tǒng)主界面

通過信息列表可以詳細(xì)地了解系統(tǒng)各監(jiān)控部件運行狀態(tài)、保護狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)記錄可以記錄各種保護信息的時間,可以調(diào)用信號的歷史曲線。

5 系統(tǒng)運行情況

從2021年6月投入生產(chǎn)以來,系統(tǒng)運行正常、操作響應(yīng)快、報警及時、水路故障定位快,減少了水路相關(guān)的故障和處理時間,能有效地監(jiān)控水路的運行狀態(tài),提高了爐體水路系統(tǒng)的自動化程度,沒有因為缺水造成安全生產(chǎn)事故。在數(shù)據(jù)記錄中通過Wincc online TableControl控件調(diào)用了一個熔化周期的冷卻運行記錄。 爐體進(jìn)水溫度最低25.0 ℃,泵站出口(爐體出水)溫度最高32.5 ℃,進(jìn)出水溫升不超過6.2 ℃,冷卻效果極好。

6 結(jié) 論

本設(shè)計符合最新有關(guān)爐體流量計監(jiān)測的要求,能有效地保證設(shè)備的安全運行。爐體冷卻控制系統(tǒng)采取了多種措施來保障爐體的安全運行:

(1)水路多泵設(shè)計,一臺有故障能切換備用泵或者多臺有故障至少有一臺工作也能保障水回路不斷水。

(2)雙電源供電設(shè)計,常規(guī)電源與柴油發(fā)電回路通過雙電源開關(guān)自動切換,保障供電穩(wěn)定。

(3)雙水路設(shè)計,常規(guī)冷卻水與高位水箱供水補充,保障水路連續(xù)。

(4)UPS電源加電池向PLC供電,解決了泵完全不能工作的情況與系統(tǒng)不能正常供電的情況,PLC能控制氣動閥打開應(yīng)急水箱。也解決了在感應(yīng)爐生產(chǎn)中大電流對PLC電源的干擾。

(5)系統(tǒng)控制器采用了西門子最新一代的1500PLC技術(shù),CPU可達(dá)到1ns,能快速地響應(yīng)和監(jiān)測系統(tǒng)運行情況,大大提高設(shè)備可靠性,保證了系統(tǒng)的正常運行。雙回路循環(huán)冷卻系統(tǒng)雖然前期投資大,但后期維護量大大減少,故障率明顯減少,是大容量爐體冷卻系統(tǒng)的主流設(shè)計,并已成功應(yīng)用在寶鋼德盛、鞍鋼聯(lián)眾等大型熔化爐項目。