轉爐副槍自動化控制系統的設計與應用

苗利明 常超 聶日光 陳鵬

（新興鑄管股份有限公司，河北武安 056300）

轉爐煉鋼是煉鋼生產中重要的工藝環節，主要作用在于凈化鋼液成分，優化鋼液合金配比。為了滿足轉爐煉鋼的工藝需求，在轉爐中設置了兩套金屬槍系統。一支是為了加快鋼液循環流動和提高冶煉效果的吹氧用氧槍；另一支是直接插入煉池中的副槍，主要用于測定熔池液位、鋼液溫度以及鋼液中氧含量、碳含量等參數。由此可以看出副槍在取樣測定鋼液成分中的重要作用，它是保證轉爐冶煉質量的關鍵，現代煉鋼工藝依靠副槍測量來判斷和調節轉爐熔劑添加量以及吹氧量。副槍在取樣檢測時主要需要對金屬槍的位置進行控制，以完成下槍、插入取樣、提槍等一系列動作。轉爐副槍在取樣中的各種動作的實現全部由副槍系統基礎自動化測控裝置予以實現，由人機交互操作進行控制，極大地提高了轉爐煉鋼的自動化水平，改善了人員工作環境。本文對轉爐副槍自動化控制系統的設計與應用進行了探討[1]。

1.轉爐副槍系統的工藝流程

轉爐副槍系統屬于一種測量裝置，主要是在轉爐不停吹的條件下對轉爐內鋼液的成分溫度進行取樣和檢測，從而為轉爐工藝參數和合金添加的調整提供依據。根據轉爐副槍系統的操作模式，首先根據檢測要求自動或是手動從探頭儲存箱中取出選定的副槍探頭類型，然后自動安裝到副槍頂端，并旋轉至轉爐上方進入工作位，等待測量命令。在轉爐每爐吹煉后期2min～3min，吹氧量達到80%時，由操作人員給予信號下達測量開始命令，轉爐上方設置有擋煙罩。在副槍控制系統接收到測量指令時，滑動門打開，副槍升降小車帶動副槍快速下降到目標位置，穿過轉爐煙罩上的密封帽入口進入轉爐熔池，測量鋼液溫度。根據所用探頭類型的不同，測量單元和熱電偶會發出相應的信號從而有不同的測量時間。測量結束后，測溫儀表單元會向PLC發出測溫結束命令，然后傳動系統開始快速提升副槍，并達到上限位置。測量結束后，副槍會旋轉到探頭收集器上方，然后打開探頭夾持器取出探頭后送至化驗室檢測。以上是副槍的一個測量周期，結束后可安裝新探頭進行下一個循環的測量。

在副槍測量的過程中，需要滿足以下測量條件：（1）準確掌握測量時機和測量時間，在接近吹煉終點時進行測量，碳含量和熔池溫度的測量結果會更加精確。在吹煉結束前2min時進行測量效果較好，可以有足夠的時間對冶煉狀態進行修正。（2）精確控制探頭位置。探頭插入太深容易損壞副槍；插入太淺則可能測不到鐵水。（3）控制吹氧量。測量時的供氧強度應是吹煉時供氧強度的大約一半，以避免過多的氧和氣流對檢測過程和結果產生影響。特別是采用底吹或是頂底復吹的轉爐系統，供氣強度應進一步降低[2]。

2.副槍的主要控制功能

副槍的控制系統應具有以下功能：（1）選擇探頭并自動安裝到副槍槍頭上；（2）控制副槍旋轉，在待機位和工作位之間移動；（3）控制探頭安裝設定的位置要求進入鋼液中取樣，完成對鋼液碳、氧、溫度等工藝參數的測量；（4）控制副槍在待機位下降至檢修平臺，對副槍進行保養和維護。

2.1 副槍的升降控制

副槍的升降主要由電動機帶動卷筒和副槍小車來實現。升降速度根據安裝在卷筒上的脈沖發生器所提供的信號，由變頻器來完成對副槍升降速度和高度的控制。副槍的升降速度通常在0.1m/min～2.5m/min。

2.2 副槍的旋轉控制

副槍的旋轉由變頻器控制，分為高速和低速，主要用于卷揚平臺在副槍的2個位置之間的旋轉。副槍的旋轉角度范圍為103°，實際的旋轉角度由脈沖發生器控制。

2.3 探頭的連接控制

探頭的連接控制主要是指探頭從探頭倉到翻轉臂之間的順序控制。首先在氣缸的推動下，探頭會從探頭倉中落到探頭運輸機上。然后由運輸機將其運輸到翻轉臂上。待翻轉臂上的夾持器閉合并加緊探頭后，翻轉臂旋轉至垂直位置，等待副槍下降進行探頭安裝。

2.4 轉爐系統與副槍的連鎖控制

副槍入爐檢測的條件之一就是控制吹氧量，將底攪拌氣的氣體流量和氧槍吹氧量降低到一定范圍內；且保持轉爐的垂直位置。通過建立轉爐系統與副槍的連鎖控制，可以滿足上述的連鎖條件。當副槍準備入爐測量時，會向轉爐系統發出信號，然后由轉爐PLC和電磁閥控制氧槍降低氧量，從而滿足副槍入爐檢測的條件。

3.轉爐副槍測控裝置的設計與實現

3.1 控制系統的組成

控制系統采用西門子S7-400PLC；執行機構由矢量控制變頻器、電動機、副槍小車、提槍切換裝置等組成。分別執行副槍系統的走行升降、旋轉、探頭夾持裝卸、密封帽、刮渣等部件的動作控制。控制系統的硬件配置主要有：機架、CPU模塊、電源模塊、高速計數模塊、以太網通訊模塊、數字量與模擬量輸入/輸出模塊等。通訊網絡采用兩種結構形式，其中DP總線網內的通訊通過PLC的通訊接口，分別連接至現場儀表、變頻器、遠程I/O從站等。控制系統PLC通過采集現場測量儀表的數據，并對數據進行分析之后，會根據設定好的程序對執行機構發出控制指令，使其自動按照程序運行。主站PLC通過工業以太網與轉爐過程計算機、操作員站之間建立數據通信，實現人機對話，由人員通過操作界面向轉爐過程計算機傳送副槍測量結果和接收指令信號[3]。

3.2 副槍系統操作方式

副槍系統的操作方式包括：自動方式、手動方式、就地方式、事故方式等4種。其中自動方式是最為常用的，一般情況下副槍系統都會處在自動方式，由人機交互系統給出測量信號后自動按照副槍系統的動作程度進行測量，直至完成該周期。如果自動測量的過程中出現超時、機械干涉等意外影響系統動作時，系統會進行蜂鳴報警，提示需要停止自動過程并采取人工干預。自動方式下，所有的動作周期由操作人員在HMI操作界面上操作完成。手動方式下，副槍的測量動作周期則全部由人員在現場操作臺下手動控制進行。手動方式通常是在自動方式故障的情況下才采用，需設置好連鎖保護，以防止誤操作。

3.3 升降控制

副槍的升降控制主要由PLC和變頻器控制完成，由電機驅動副槍小車使其按照不同的速度升降運行。位置和高度控制由PLC高速計數模塊以及2個編碼器脈沖互為校對。運行過程中如果編碼器間脈沖出現較大誤差時，系統連鎖便會控制副槍小車降低運行速度。升降時點擊鼠標在HMI界面操作，預先設定的速度給定信號經PLC程序采集處理；同時PLC發出相應的控制信號，控制變頻器按照設定的程序驅動電機正反轉，完成升降功能。

3.4 行走控制

副槍的行走控制由編碼器、接近開關、PLC高速計數模塊、變頻器等設備共同完成。行程開關負責機械保護停車，并與氧槍、轉爐等設備建立位置連鎖。當副槍小車到達測量位置時，轉爐打開密封帽入口，允許副槍升降操作降入爐內。行走控制的操作與升降控制操作基本一樣，通過點擊鼠標在操作界面進行控制。行走控制的相關信號同樣也會反饋至監控畫面，形成相關的曲線。

3.5 探頭自動裝卸控制

探頭自動裝卸控制的主要任務是負責探頭的取出安裝和卸下取樣。裝卸的執行機構主要是位于副槍頂端的夾緊裝置，根據檢測過程需要分別完成探頭供應、分揀運輸、夾緊旋轉、探頭拆卸等相關操作。所有操作流程和動作全部由PLC軟件實現自動控制。比如控制氣缸的伸縮，控制電機的翻轉等。每一步的連續動作均由相應的工位接近開關檢測識別，并由執行機構PLC接收反饋信號進行邏輯控制。

4.結語

副槍系統的自動控制極大地提高了轉爐及其工藝檢測系統的自動化水平，在提高檢測精度的同時也降低了人員的工作強度，實現了煉鋼生產的自動化、數字化，使鋼材產品質量得到了提高。