轉(zhuǎn)爐實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制

羅志國(guó)，姜茂發(fā)，鄒宗樹(shù)，茹家勝

（東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

鋼鐵冶金專業(yè)是工程實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，需要在實(shí)踐中提高學(xué)生的綜合分析和運(yùn)用能力。然而鋼鐵冶金生產(chǎn)過(guò)程是個(gè)連續(xù)的工業(yè)過(guò)程，實(shí)際生產(chǎn)中一般不允許改變工藝參數(shù)，所以學(xué)生到工廠實(shí)習(xí)的效果不是很理想。另外，考慮安全等因素，在實(shí)習(xí)過(guò)程中學(xué)生不可能有機(jī)會(huì)親自動(dòng)手操作。這就使理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)嚴(yán)重脫節(jié)［1－4］。為彌補(bǔ)當(dāng)前專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的不足，促進(jìn)學(xué)生對(duì)鋼鐵冶金專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以及工藝和設(shè)備的理解，研制相關(guān)的鋼鐵冶金工藝實(shí)訓(xùn)裝置，創(chuàng)造逼真的鋼鐵冶金生產(chǎn)環(huán)境是十分必要的，該種實(shí)訓(xùn)裝置是加深學(xué)生對(duì)鋼鐵冶金生產(chǎn)過(guò)程的理解、提高工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力、保證冶金工程專業(yè)課程教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)之一［5－6］。由此，我們開(kāi)發(fā)了鋼鐵冶金系列實(shí)踐教學(xué)模型，轉(zhuǎn)爐實(shí)訓(xùn)裝置是其中之一。

1 氧化頂吹轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝過(guò)程

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐（BOF）煉鋼設(shè)備工藝過(guò)程如下：先把廢鋼等裝入爐內(nèi)，然后倒入鐵水，并加入適量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧氣噴槍從爐頂插入爐內(nèi)，吹入氧氣（純度大于99%的高壓氧氣流），使它直接跟高溫的鐵水發(fā)生氧化反應(yīng)，除去雜質(zhì)。用純氧代替空氣可以克服由于空氣里的氮?dú)獾挠绊懚逛撡|(zhì)變脆，以及氮?dú)馀懦鰰r(shí)帶走熱量的缺點(diǎn)。在除去大部分硫、磷后，當(dāng)鋼水的成分和溫度都達(dá)到要求時(shí)，即停止吹煉，提升噴槍，準(zhǔn)備出鋼。出鋼時(shí)使?fàn)t體傾斜，鋼水從出鋼口注入鋼水包里，同時(shí)加入脫氧劑進(jìn)行脫氧和調(diào)節(jié)成分。

2 實(shí)訓(xùn)裝置機(jī)械設(shè)備

轉(zhuǎn)爐實(shí)訓(xùn)裝置（見(jiàn)圖1）主要包括4部分：轉(zhuǎn)爐爐體、氧槍及氧槍升降機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)、底吹系統(tǒng)。

（1）轉(zhuǎn)爐模型：根據(jù)按實(shí)際工廠轉(zhuǎn)爐，按1∶6比例利用有機(jī)玻璃［7］制作。

（2）氧槍及氧槍升降機(jī)構(gòu)：不銹鋼質(zhì)加有機(jī)玻璃槍頭；行程為1 200mm，精度為0.02mm；配有上下限位裝置；提升方式為交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)絲杠，提升速度為400～800mm/min；利用變頻器對(duì)升降速度進(jìn)行控制。

（3）轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)爐耳軸利用不銹鋼制作，中心為空，可通氣體管路，利用變頻器對(duì)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)速度進(jìn)行控制［8］，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0～2r/min。

（4）底吹系統(tǒng)：在轉(zhuǎn)爐底部不同圓周處布置一系列底吹孔，可用來(lái)研究不同底吹布置對(duì)均混時(shí)間的影響。

圖1 轉(zhuǎn)爐過(guò)程實(shí)訓(xùn)裝置

3 實(shí)訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用機(jī)電一體化控制柜，控制柜內(nèi)安放計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、變頻器、PLC、斷路器和接觸器等設(shè)備?？刂乒衩姘迳习惭b控制按鈕，用于氧槍升降和轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的就地手動(dòng)控制。計(jì)算機(jī)的串口和PLC的MPI接口之間通過(guò)PC/MPI連接電纜實(shí)現(xiàn)。

控制模式包括遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制和就地手動(dòng)控制3種模式。遠(yuǎn)程自動(dòng)控制：系統(tǒng)和設(shè)備由PLC直接控制，運(yùn)行過(guò)程中操作人員的干預(yù)量最小，PLC內(nèi)部程序能按工藝要求進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)和閉鎖。遠(yuǎn)程手動(dòng)控制：由操作人員通過(guò)人機(jī)界面接口進(jìn)行操作。就地手動(dòng)控制：在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)控制箱上的按鈕開(kāi)關(guān)對(duì)各電機(jī)、閥門實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作控制，便于調(diào)校設(shè)備。

實(shí)訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)采用兩級(jí)控制。下位機(jī)為西門子S7－300可編程序控制器（PLC），完成數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制及邏輯控制功能。上位機(jī)采用主控計(jì)算機(jī)，主要完成動(dòng)態(tài)流程圖顯示、工藝參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)與手動(dòng)切換、噴槍的升降、轉(zhuǎn)爐爐體轉(zhuǎn)動(dòng)和閥門的開(kāi)關(guān)控制等功能［9］。

4 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用性價(jià)比好的國(guó)產(chǎn)紫金橋組態(tài)軟件。將組態(tài)軟件和PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，以組態(tài)軟件為基礎(chǔ)，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)［10－12］。組態(tài)設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)流程主畫面、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)畫面、氧槍控制畫面、底吹控制畫面、輔原料加入系統(tǒng)畫面、主要參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線圖、主要參數(shù)的歷史曲線圖等。能完成生產(chǎn)工藝全過(guò)程的遠(yuǎn)程手動(dòng)、自動(dòng)控制以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理，具有歷史畫面、實(shí)時(shí)畫面顯示、數(shù)據(jù)歸檔、各種報(bào)表的生成及打印等完善的功能。按照系統(tǒng)工藝及控制要求，自動(dòng)程序的各步序之間都有嚴(yán)格的轉(zhuǎn)換條件和連鎖關(guān)系，以確保系統(tǒng)工藝的順利完成。各界面見(jiàn)圖2—圖5。

圖2 BOF過(guò)程主界面

圖3 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)界面

圖4 底吹系統(tǒng)界面

圖5 輔原料加料系統(tǒng)界面

5 結(jié)論

通過(guò)研制與開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)爐實(shí)訓(xùn)仿真模型，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容形象化、時(shí)空化，拉近課堂與實(shí)踐的距離。系統(tǒng)運(yùn)行一年來(lái)，取得了良好的教學(xué)效果。本系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)中具有如下特性：

（1）適用性：該實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)以其直觀的形式，使學(xué)生全面了解生產(chǎn)，提高了教學(xué)的時(shí)效性。通過(guò)建立逼真的模擬環(huán)境，彌補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)只能看不能動(dòng)的不足。

（2）綜合性：該實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)整合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等，能完成鋼鐵冶金工藝及操作、傳感器、PLC控制技術(shù)、電氣控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)安裝調(diào)試、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、系統(tǒng)維護(hù)和故障檢測(cè)技術(shù)及組態(tài)監(jiān)控技術(shù)等綜合實(shí)踐教學(xué)。

（3）靈活性：該實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)可以適合鋼鐵冶金、機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等不同專業(yè)，可同時(shí)滿足學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的要求，因此，具有較強(qiáng)的靈活性和較為廣泛的適應(yīng)性。另一方面，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，不但可隨時(shí)預(yù)約進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還可體會(huì)操作條件、程序改變對(duì)生產(chǎn)的影響，使學(xué)生加深對(duì)實(shí)踐知識(shí)的理解。

（4）安全性：鋼鐵冶金生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜化和連續(xù)性程度高，隨時(shí)隨處都有安全隱患存在。學(xué)生進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)實(shí)踐就不可避免地面臨安全問(wèn)題。該實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)為師生提供了一個(gè)安全的學(xué)習(xí)和實(shí)踐平臺(tái)，可在較為輕松的環(huán)境中完成教學(xué)任務(wù)，獲得知識(shí)和技能。

（5）實(shí)用性：由于現(xiàn)有教學(xué)模式培養(yǎng)的冶金類專業(yè)畢業(yè)生對(duì)實(shí)際操作過(guò)程感性認(rèn)識(shí)差，在分配至該崗位后進(jìn)入角色慢，工廠往往需要耗費(fèi)大量時(shí)間、精力與成本對(duì)畢業(yè)生進(jìn)行再培訓(xùn)。通過(guò)采用該實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，使教學(xué)緊跟生產(chǎn)實(shí)際，使學(xué)生步入工作之前就進(jìn)行了必要的與現(xiàn)場(chǎng)控制最相近的操作訓(xùn)練，獲得實(shí)踐技能，符合并滿足未來(lái)生產(chǎn)的要求。

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