首鋼京唐氧槍自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

謝國(guó)棟

【摘 要】 首鋼京唐公司轉(zhuǎn)爐冶煉采用氧槍頂吹的工藝，氧槍在煉鋼冶煉頂吹過程中起至關(guān)重要的作用，氧槍吹煉過程的控制直接影響冶煉鋼水成分是否滿足工藝要求。本文簡(jiǎn)述氧槍自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成以及工作原理，著重介紹了氧槍在計(jì)算機(jī)模式下，氧槍流量以及氧槍槍位的控制方法。

【關(guān)鍵詞】 煉鋼 轉(zhuǎn)爐 頂吹 本體

前 言

首鋼京唐公司現(xiàn)有5座300T轉(zhuǎn)爐，2座脫磷爐、3座脫碳爐。氧槍系統(tǒng)是煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉設(shè)施中重要組成部分之一。在煉鋼過程中操作人員通過氧槍噴射氧氣對(duì)鐵水進(jìn)行冶煉，以及吹射氮?dú)獗Ｗo(hù)轉(zhuǎn)爐，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)爐的使用壽命。因此氧槍的性能直接影響鋼水冶煉結(jié)果。冶煉過程中生產(chǎn)人員通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)調(diào)不斷調(diào)整氧槍的吹氧量以及槍位，從而得到合格的鋼水成分。

1? 氧槍系統(tǒng)概述

氧槍設(shè)備系統(tǒng)包括升降卷揚(yáng)、橫移裝置、供養(yǎng)供水軟管以及氧槍本體四部分。京唐公司每座轉(zhuǎn)爐配備兩根氧槍，各自擁有獨(dú)立的氧槍升降和橫移裝置，安裝在煉鋼48米平臺(tái)上。兩根氧槍互為備用，沒有主次，在生產(chǎn)中可以自行選擇哪根氧槍進(jìn)行冶煉。在一根氧槍出現(xiàn)故障或需要檢修時(shí)，可以利用另外一根氧槍進(jìn)行冶煉，保證生產(chǎn)持續(xù)、穩(wěn)定的進(jìn)行。氧槍升降采用的是西門子250KW電機(jī)，在升降過程中通過西門子變頻器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。橫移裝置控制氧槍的橫向移動(dòng)。氧氣、氮?dú)夂屠鋮s水在各自的閥門站經(jīng)過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后提供給氧槍，其中氧氣管道和水管道安裝在42米平臺(tái)，氮?dú)夤艿腊惭b在44米平臺(tái)。氧槍系自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括氧槍本體系統(tǒng)、頂吹氧氣及濺渣用氮?dú)庀到y(tǒng)、氧槍冷卻水系統(tǒng)。各系統(tǒng)都有自己?jiǎn)为?dú)的PLC主站。系統(tǒng)PLC之間通過Profibus-DP通信協(xié)議建立通訊，讀取其他系統(tǒng)所需要的信息，進(jìn)行相關(guān)邏輯運(yùn)算。

2? 氧槍頂吹控制系統(tǒng)

2.1 頂吹系統(tǒng)控制模式

氧槍頂吹系統(tǒng)是氧槍自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，通過自動(dòng)化程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)氧槍氧氣、冷卻水以及氮?dú)馊N介質(zhì)的控制，滿足煉鋼的工藝需求。

轉(zhuǎn)爐頂吹氧槍控制系統(tǒng)在日常使用過程中有三種模式，維護(hù)模式，吹煉模式和濺渣模式。

維護(hù)模式是不在冶煉過程中的模式狀態(tài)，在維護(hù)模式下，沒有氧氣和氮?dú)馐褂茫Ч荛y處于關(guān)閉狀態(tài)。

吹煉模式是冶煉過程中的模式狀態(tài)，氧槍使用氧氣對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼水進(jìn)行吹煉，進(jìn)行脫磷、脫碳優(yōu)化鋼水質(zhì)量。在吹煉模式下，氧氣流量達(dá)到63000 Nm3/h，一般持續(xù)10-15分鐘，在吹煉過程中由于需要進(jìn)行副槍對(duì)鋼水進(jìn)行成份測(cè)量，為避免液面波動(dòng)太大，吹氧流量要進(jìn)行下調(diào)，達(dá)到32000 Nm3/h左右。吹煉模式下，對(duì)氧槍的槍位以及氧流量有手動(dòng)、半自動(dòng)、計(jì)算機(jī)三種模式，吹煉過程中操作人員一般選擇半自動(dòng)、和計(jì)算機(jī)2種方式進(jìn)行冶煉升產(chǎn)。

濺渣模式是出鋼完成，用氮?dú)鈱?duì)爐底和爐襯進(jìn)行濺渣護(hù)爐保護(hù)，時(shí)間在3分鐘左右。

2.2 氧槍計(jì)算機(jī)模式

吹煉過程中，可以HMI上位畫面選擇氧槍計(jì)算機(jī)模式，由計(jì)算機(jī)二級(jí)系統(tǒng)與PLC一級(jí)系統(tǒng)共同完成對(duì)氧槍氧氣流量、流速以及氧槍槍位的精確控制。具體流程如下：

（1）在計(jì)算機(jī)模式下，首先操作人員配置吹煉時(shí)的的模式表，操作人員確認(rèn)配置完模式表，如下圖2-1，將計(jì)算機(jī)二級(jí)模式表下發(fā)到PLC一級(jí)系統(tǒng)中，然后PLC控制現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥、變頻器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作。

二級(jí)下發(fā)槍位模式表后發(fā)送到一級(jí)PLC系統(tǒng)的DB數(shù)據(jù)塊中，DB塊中共四十步，其中有預(yù)留步，一級(jí)按照二級(jí)下發(fā)的氧步以此執(zhí)行。下圖截取了其中二步對(duì)應(yīng)的所接收的二級(jí)數(shù)據(jù)。如下圖 2-2。

a、Line_1.MOMENT_CODE 二級(jí)下發(fā)的第一步的事件類型，默認(rèn)為1。

b、Line_1.START_OXY_VOLUME 二級(jí)下發(fā)的第一步槍位對(duì)應(yīng)的氧氣累積量。及當(dāng)氧耗（吹氧累積量）到達(dá)此設(shè)定值后，氧槍自動(dòng)上升或下降到此氧耗到應(yīng)的槍位。

c、Line_1.TIME_DISTANCE 二級(jí)下發(fā)的第一步延時(shí)設(shè)定。

d、Line_1.TIME_OXY_FLOW_RATE 二級(jí)下發(fā)的第一步吹氧百分比。

e、Line_1.LANCE_POSITION二級(jí)下發(fā)的第一步槍位，單位厘米。程序中需要轉(zhuǎn)換為毫米。

（2）“吹煉位”為二級(jí)下發(fā)的槍位模式表中，氧氣累積量為0時(shí)的槍位即開吹時(shí)的初始槍位。如圖2-1初始槍位為230M。（槍位為相對(duì)高度，相對(duì)于槍頭到液面的距離）槍位隨著吹氧累積量，自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)實(shí)際吹氧累積到達(dá)設(shè)定吹氧總量時(shí)，吹煉結(jié)束。當(dāng)吹煉結(jié)束后，氧槍自動(dòng)提到二級(jí)所下發(fā)的提槍高度設(shè)定 。

3? 氧槍本體控制系統(tǒng)

氧槍本體系統(tǒng)包括升降系統(tǒng)以及橫移系統(tǒng)，共用一套PLC系統(tǒng)控制，PLC選用西門子S7-400系列。主站S7-400PLC安裝在PLC室，現(xiàn)場(chǎng)操作箱采用圖爾克模塊作為從站安裝在氧槍工作的各層平臺(tái)，生產(chǎn)人員既能通過主控室內(nèi)的HMI畫面遠(yuǎn)程控制氧槍本體系統(tǒng)，也能在現(xiàn)場(chǎng)通過操作箱進(jìn)行本地操作。

氧槍升降系統(tǒng)由兩套西門子400KW變頻器分別驅(qū)動(dòng)2臺(tái)250KW的西門子電機(jī)，并配備一臺(tái)90KW事故氧槍變頻器。氧槍變頻器供電電壓交流690V，經(jīng)過西門子直流回饋單元裝置整流成直流，在經(jīng)過逆變裝置逆變成交流，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上的氧槍電機(jī)。采用西門子直流回饋單元，不僅可以保持直流供電回路電壓的穩(wěn)定性，并且能夠?qū)⒀鯓岆姍C(jī)減速時(shí)產(chǎn)生的能量回饋給電網(wǎng)，減少能量損耗。2套氧槍變頻器傳動(dòng)柜可實(shí)現(xiàn)1裝置對(duì)1槍、2裝置對(duì)2槍，也可以相互之間通過傳動(dòng)柜內(nèi)的切換開關(guān)進(jìn)行互投操作，實(shí)現(xiàn)1裝置對(duì)2槍、2裝置對(duì)1槍。當(dāng)一臺(tái)變頻器發(fā)生故障，短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)時(shí)，可以進(jìn)行互投切換操作，實(shí)現(xiàn)用另一臺(tái)變頻器繼續(xù)正常冶煉，保證生產(chǎn)有序、穩(wěn)定的進(jìn)行。氧槍升降系統(tǒng)分為正常模式和事故模式。

正常模式：PLC的CPU通過變頻器的CBP2通訊板與變頻器進(jìn)行組網(wǎng)，采用西門子Profibus-DP通訊協(xié)議。正常工作時(shí)，PLC采集上位wincc畫面、現(xiàn)場(chǎng)氧槍操作箱等氧槍升降信號(hào)，PLC經(jīng)過內(nèi)部邏輯計(jì)算將控制字與速度發(fā)送給變頻器，變頻器接收到信號(hào)后控制氧槍上升與下降，并提供不同的速度。氧槍在升降過程中，變頻器將自身狀態(tài)，電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過DP網(wǎng)絡(luò)反饋給PLC，并在HMI上實(shí)時(shí)顯示。氧槍的實(shí)際位置通過絕對(duì)值編碼器檢測(cè)，編碼器與PLC單獨(dú)進(jìn)行通訊，PLC接收到編碼器反饋的位置信號(hào)后經(jīng)過程序換算，在上位畫面上實(shí)時(shí)的顯示出氧槍的實(shí)際位置。

事故模式：當(dāng)PLC與變頻器通訊異常或者正常電源掉電時(shí)，可以通過事故提升變頻器進(jìn)行提槍。事故氧槍變頻器擁有單獨(dú)供電電源以及控制系統(tǒng)，和PLC系統(tǒng)之間沒有聯(lián)系，只能執(zhí)行氧槍的提升動(dòng)作，不能執(zhí)行下降動(dòng)作。事故變頻器的供電是由索科曼公司提供380伏UPS不間斷電源。當(dāng)正常模式下無法操作氧槍時(shí)，可以選擇事故模式，通過事故變頻器將正在吹煉的氧槍從轉(zhuǎn)爐內(nèi)提出。在主控室的集中操作臺(tái)上選擇事故模式，然后按“事故提升”按鈕后并拔出，氧槍自動(dòng)提升，到等待位停止，這樣可以降低冶煉當(dāng)中的損失，避免氧槍本體的損壞。

4? 結(jié)束語

以上是以首鋼京唐公司氧槍系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)述了氧槍的自動(dòng)控制功能。氧槍自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行10年以來穩(wěn)定、可靠。生產(chǎn)期間對(duì)發(fā)現(xiàn)的隱患及時(shí)進(jìn)行技術(shù)改造，逐步解決了通訊網(wǎng)絡(luò)閃斷、氧槍升降傳動(dòng)系統(tǒng)溜槍、氧槍位置編碼器數(shù)值波動(dòng)等問題，完善了氧槍自動(dòng)化控制系統(tǒng)，為京唐首鋼公司創(chuàng)造了極大的效益，也提高相關(guān)的工作人員的技術(shù)水平。

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