雙噴頭移動式加渣機設計

聶志水 張付祥 張紅衛 肖鵬程

（1.河鋼集團石鋼公司技術中心； 2.河北科技大學機械工程學院； 3.河北前進機械廠技術科；4.華北理工大學冶金與能源學院）

0 引言

保護渣作為重要的材料廣泛用于連鑄坯生產中。保護渣加至結晶器內，不僅能夠使連鑄坯與結晶器間的傳熱得到改善和控制，也起到兩者間的潤滑作用；保護渣還能減少結晶器內熱量的損失以及避免鋼水的二次氧化[1-2]。

傳統的加渣方式是工人長時間觀察著結晶口的狀態，需要添加時就用鐵鍬填入保護渣。人工加渣的環境十分惡劣且工作繁瑣，這不僅可能會對工人的身體造成損傷，也很難保證均勻添加保護渣，從而有可能導致連鑄坯生產時產生不必要的缺陷[3]。PLC作為自動化生產中使用十分廣泛且技術成熟的工業控制器，比較適合該加渣機的控制要求[4,5]。為了改善工人惡劣的加渣工作環境，提高與加渣方式有關的連鑄坯生產質量，根據實際加渣要求，設計了一種以PLC為控制器的自動加渣機。這具有廣泛的應用價值且有利于提高工業生產中的自動化水平。

1 總體設計

1.1 系統組成

結晶器保護渣加渣口為長1 400 mm、寬175 mm的長條形，鋼水注入結晶器內的位置在加渣口中部，要實現加渣覆蓋整個加渣口則需要設計可移動的雙噴嘴。在噴嘴隨直線導軌做開合運動時，可避開加渣口中部，并實現勻速加渣。由于兩個噴嘴的加渣量需一致，設計雙料倉可提高加渣的連續性，減少填料頻率。

加渣機包括機械結構和控制系統兩部分結構，如圖1所示。機械結構部分主要由料倉、料位計、電控柜、氣/溫控箱、螺旋送料器、直線導軌、物料噴嘴等組成。控制系統由西門子PLC、限位開關、溫度控制器、中間繼電器、變頻器、氣控電磁閥等組成。

圖1 加渣機結構

1.2 自動加渣原理

加渣機執行系統的主要部件有螺旋送料器和直線導軌。螺旋送料器由步進電機驅動，變頻器給步進電機發送脈沖，進而控制步進電機的轉速，將保護渣推送至輸料管中；直線導軌電機為伺服電機，PLC發送脈沖使兩個滑臺帶動物料噴嘴做勻速往復運動，進而保護渣由噴嘴噴入結晶器中，且可以通過控制柜外的按鈕調節滑臺速度，從而實現自動勻速加渣。

1.3 溫度控制原理

在加渣過程中，溫度檢測器檢測到保護渣的溫度低于設定溫度時，溫度控制器導通接觸器給加熱板通電，當加熱到指定溫度后加熱板停止加熱。同時，當保護渣料位達到低料位時，控制柜上的信號燈則會亮起，提醒工人保護渣不足。

2 加渣工藝流程控制

加渣機控制流程主要由加熱、送料、吹渣等工序組成[6]，工藝流程如圖2所示。

具體流程：（1）料倉內的保護渣經溫度檢測器檢測，當檢測溫度低于溫度控制器設定的溫度，控制器導通接觸器加熱板開始工作，當保護渣溫度達到設定溫度，接觸器斷開停止加熱；（2）氣控電磁閥導通，給輸料管通入氣流；（3）保護渣噴嘴在直線導軌的帶動下做往復運動；（4）螺旋送料器開始工作，將料倉內的保護渣推送到輸料管中。

加渣機的關鍵部位為控制系統，該系統主要由西門子PLC、伺服驅動器、傳感器及變頻器組成。控制系統的核心部件為PLC，首先對傳入PLC的信息進行處理，再發送信息至加渣機的各執行機構，完成加渣機的輸出動作。考慮到加渣機的經濟性，采用西門子S7 200 smart PLC為控制器。磁性開關和溫度傳感器為加渣機的兩種傳感器，檢測直線導軌滑臺是否到達位置的是磁性開關，溫度傳感器用于保護渣溫度檢測，并把相應的信號輸入給PLC[7]。

圖2 工藝流程

3 系統網絡設計

雙噴頭移動式加渣機信息獲取系統是由料位計、溫度控制器、加渣機控制系統和網絡服務器組成的。料位計和溫度控制器分別用來檢測保護渣的消耗情況和料艙內保護渣的溫度數據。編碼器用以檢測伺服電機的運動速度以及運動位置，同時還起到通訊與傳輸的作用。通過網絡服務器將檢測到的數據傳送到后臺客戶端，讓檢測人員及時掌握保護渣和電機運轉情況，并進行相關操作。螺旋送料器和直線導軌均由PLC控制，為了實現對設備的遠程控制，將控制面板和操作端安裝在控制室中，PLC則安裝在加渣現場的控制柜里，PLC通過光纖或Profinet網絡協議與PLC的上位機通訊[8]。系統網絡架構如圖3所示。

4 控制系統設計

4.1 控制系統硬件設計

控制電源電路共有5個空氣開關。總開關控制開關電源和支路開關，支路開關分別控制加熱系統、變頻器和兩個伺服驅動器。兩個料倉都需加熱，經過熱負荷計算，加熱板的功率較大，空氣開關選擇額定電流63 A的，其余空氣開關選擇額定電流10 A的。端子排將開關電源提供的24V-5A電源擴展，以便為PLC以及中間繼電器供電。控制電源電路如圖4所示。

圖3 系統網絡架構

圖4 控制電源電路

根據被控對象數量計算出輸入點共13個，輸出點共12個，且直線導軌需接受脈沖才能運行，因此選擇西門子S7 200 SMART ST直流型作為控制器[9]，該型號PLC共有40個觸點（24個輸入觸點和16個輸出觸點）。繼電器作用主要是與伺服驅動器聯絡通信，給伺服驅動器發送使能，同時維護檢修控制系統也較為方便。PLC控制線路如圖5所示。

圖5 PLC控制線路

4.2 控制系統軟件設計

控制系統軟件設計主要是PLC梯形圖的編寫。直線導軌的伺服電機、螺旋送料器、料位計、溫度控制器都受PLC程序的控制。操作人員通過控制柜上的按鈕對整個設備進行啟停和自動加渣控制。

PLC程序通過STEP 7-MicroWIN SMART軟件進行編寫，主要部分包括直線導軌軸的初始化、急停、尋參啟動、重置速度以及加減速。當給PLC供電后，系統首先執行初始化；按下“重置速度”按鈕，程序中獲得一個初始速度；按下“尋參”按鈕，直線導軌滑臺開始自動尋參，當到達參考點后自動執行往復運動程序；“點動加速”、“點動減速”按鈕可控制滑臺往復運動的速度；“急停”按鈕按下系統立即停止。控制系統軟件流程如圖6所示。

圖6 控制系統軟件流程

5 加渣機運行試驗

設計開發的加渣機如圖7所示。加渣機設計的最大加渣量默認值為500 g/min，每轉對應加渣量為200 g，料倉的容積為150 L/個，提供壓縮空氣壓力為0.3～0.8 MPa，溫控器設定溫度為40 ℃，直線導軌勻速運動速度為45 mm/s。在實驗室的條件下對設計開發的加渣機進行了運行試驗，上述設計參數全部能夠實現，能夠滿足工業生產的加渣要求，實現自動化均勻加渣工作。

6 結論

為了解決工人惡劣的工作環境，提高連鑄坯的生產質量，研制了一種自動加渣機。首先對加渣機的整體結構進行設計，其次設計了物料噴嘴部件；加渣機控制器選用西門子200 SMART PLC，還進行了電路原理設計以及主要元器件選擇，編寫了控制系統程序。經過加渣機的試驗驗證，該機能實現全自動均勻加渣功能，滿足加渣工藝要求。

圖7 雙噴頭移動式加渣機樣機