大型轉(zhuǎn)爐傾轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)及其優(yōu)化

童想勝，張偉旗

（1.江西銅業(yè)集團(tuán)貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424；2.江西銅業(yè)集團(tuán)銅材有限公司，江西貴溪 335424)

銅精礦經(jīng)閃速爐熔煉，只是除掉銅精礦中的脈石和部分硫和鐵，而銅仍以硫化物與鐵的硫化物組成冰銅，冰銅由包子吊車裝入轉(zhuǎn)爐，進(jìn)行送風(fēng)吹煉，脫除“冰銅”中的硫和鐵后得到粗銅。而轉(zhuǎn)爐冶煉是有色金屬熔煉最常用的冶煉方法之一，其突出特點是低速重載、頻繁起制動、正反轉(zhuǎn)、沖擊載荷大。其吹煉過程分周期作業(yè)，包括造渣期和造銅期。轉(zhuǎn)爐供風(fēng)是通過浸埋在銅液中的風(fēng)管，向爐內(nèi)熔體鼓風(fēng)，既要克服風(fēng)眼上部熔體的靜壓，又要保證爐內(nèi)銅液的充分?jǐn)嚢琛Ｕ４禑捵鳂I(yè)時，轉(zhuǎn)爐風(fēng)口浸泡在銅液內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)爐送風(fēng)機、排煙風(fēng)機停機、送風(fēng)閥全開限位脫開、總風(fēng)管壓力＜0.05MPa、偶爾停電停風(fēng)或內(nèi)壓不足時，轉(zhuǎn)爐須轉(zhuǎn)動，使風(fēng)口脫離銅液，保證風(fēng)眼不被灌死。

國內(nèi)某特大型銅冶煉廠一系列于建廠初期從日本引進(jìn)大型轉(zhuǎn)爐共3 臺，由于設(shè)備制造廠家轉(zhuǎn)爐工藝存在設(shè)計誤差，未曾考慮到某些特例，易造成風(fēng)眼被灌死，就必須倒出爐子內(nèi)的銅液，且需在其他爐子有裝入容量時才能倒入，或用空包子倒出，中間物料多，需再次回爐處理，不僅影響爐齡，還因檢修時間過長，會打亂整個熔煉系統(tǒng)的生產(chǎn)周期。由于銅熔煉工藝較復(fù)雜，轉(zhuǎn)爐動作頻繁，爐內(nèi)的熾熱銅液及爐體傾轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大慣性力等，因而其產(chǎn)品質(zhì)量和安全穩(wěn)定性主要取決于轉(zhuǎn)爐傾轉(zhuǎn)控制水平的高低。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

轉(zhuǎn)爐吹煉過程是發(fā)生在一個復(fù)雜的高溫多相流體系，涉及到多相間的流動并耦合著傳熱、傳質(zhì)、相變及化學(xué)反應(yīng)等[1]。其最核心的功能就是按照設(shè)定的程序，由PLC 控制相應(yīng)設(shè)備的動作，使轉(zhuǎn)爐傾轉(zhuǎn)至各種指定的角度，事故傾轉(zhuǎn)則是吹煉作業(yè)過程中與之相連鎖的重要環(huán)節(jié)。爐體在滿足事故傾轉(zhuǎn)條件下會自行傾轉(zhuǎn)，使風(fēng)口脫離銅液面。該系統(tǒng)的送風(fēng)、停風(fēng)及事故傾轉(zhuǎn)等動作極為關(guān)鍵，皆需檢測正確的爐傾角。

轉(zhuǎn)爐作業(yè)過程中，爐體主要承受熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，其中熱應(yīng)力會隨著轉(zhuǎn)爐濺渣工藝、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計變化而改變，不確定性強。其影響主因有爐殼耐材厚度、導(dǎo)熱系數(shù)及爐殼結(jié)構(gòu)，爐殼在縱向、徑向上產(chǎn)生的溫度梯度應(yīng)力大，爐殼與耐材之間的溫度、熱膨脹系數(shù)差異大，導(dǎo)致爐體產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)力；轉(zhuǎn)爐爐殼的熱應(yīng)力主要集中在爐身直線段、爐殼下過渡段，且前者只依靠自然對流散熱作用；機械應(yīng)力是指爐體在傾動、吹煉等過程中所產(chǎn)生的動載荷，以及由爐體自重、銅液等質(zhì)量所產(chǎn)生的應(yīng)力，由于在爐體設(shè)計時已充分考慮，故可忽略[2，3]。

轉(zhuǎn)爐傾轉(zhuǎn)裝置由電動機通過傳動機構(gòu)帶動大齒圈，可驅(qū)使?fàn)t體正、反向傾轉(zhuǎn)。通過LS 裝置檢測爐體角度并控制爐體傾轉(zhuǎn)，采用專用抱閘控制裝置讓爐體制動。減速機出力軸的對側(cè)設(shè)有旋轉(zhuǎn)形的限位LS 裝置，且以與小齒輪、大齒圈相同的減速比減速，即爐體和LS 凸輪軸旋轉(zhuǎn)速度一致。轉(zhuǎn)爐傾轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)爐傾轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)爐傾轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)主要有爐體操作臺、PLC控制柜、驅(qū)動控制系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)、UPS 安全保證系統(tǒng)組成，控制邏輯復(fù)雜，牽涉范圍廣。原轉(zhuǎn)爐控制邏輯框圖，見圖2。

圖2 原轉(zhuǎn)爐控制邏輯框圖

2 主要存在的問題

轉(zhuǎn)爐傾轉(zhuǎn)過程中，爐況和現(xiàn)場狀況變化最大，易突發(fā)氧槍堵塞、尾氣超標(biāo)、結(jié)焦脫落卡住膜式壁、現(xiàn)場環(huán)境惡化等問題[4]。轉(zhuǎn)爐原傾轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計缺陷有：

（1）外部信號全部送入PLC 控制器處理，再進(jìn)行邏輯控制，發(fā)出指令控制。如爐體限位LS 裝置的信號直接進(jìn)入PLC，由PLC 控制爐體傾轉(zhuǎn)。一旦PLC 系統(tǒng)崩潰或掉電，爐體則無安全保護(hù)措施。若事故傾轉(zhuǎn)來信號時，由于爐體傾轉(zhuǎn)找不到角度，極可能導(dǎo)致倒掉一爐銅液，浪費且不安全。

（2）搖爐控制信號直接進(jìn)PLC，控制方式唯一。搖爐控制信號進(jìn)PLC 再由PLC 發(fā)出指令控制爐體傾轉(zhuǎn)，因爐體傾轉(zhuǎn)太依賴PLC，PLC 失效時，爐體就不傾轉(zhuǎn)。

（3）事故傾轉(zhuǎn)信號采用常開點控制，設(shè)計不合理。全廠停電、PLC 掉電時，因爐體傾轉(zhuǎn)電源由大型UPS 供電，爐體接收不到事故傾轉(zhuǎn)信號，傾轉(zhuǎn)不到安全角度，爐體風(fēng)眼易被灌死；同時爐體角度信號丟失，爐體也傾轉(zhuǎn)不到位，安全隱患大。

（4）控制電源設(shè)計混亂，選取不合理。爐體傾轉(zhuǎn)控制電源是從UPS 取到操作室，再從操作室轉(zhuǎn)接至驅(qū)動柜，電纜走向不清楚；爐體角度位置電源取至PLC 電源等；缺少電源缺相保護(hù)，電機存在安全隱患。

（5）爐體傾轉(zhuǎn)抱閘得電打開，長時間、大電壓工作，發(fā)熱嚴(yán)重。

（6）轉(zhuǎn)爐驅(qū)動控制系統(tǒng)更新改造多次，控制柜內(nèi)線路零亂，許多線路無線號標(biāo)記，圖紙未及時更新，故障查找難度大。

（7）可動煙罩故障時，會引起爐體傾轉(zhuǎn)電源跳電，導(dǎo)致不能搖爐。

（8）爐體改造后，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動扭矩增大，在爐齡中后期或筑爐拆除耐火磚時，常出現(xiàn)電機過載、減速機齒面啃噬現(xiàn)象。

（9）設(shè)備使用年限長，控制元器件劣化嚴(yán)重，且因部分設(shè)備升級產(chǎn)生的廢棄元器件，導(dǎo)致后來的點檢員不知其作用。

3 轉(zhuǎn)爐傾轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)及其優(yōu)化

3.1 新增爐體LS 限位裝置

該裝置是爐體傾轉(zhuǎn)安全保障。其信號直接進(jìn)驅(qū)動控制器PLC，從驅(qū)動控制器獲取爐體角度控制信號。控制電源、LS 限位裝置電源必須取至爐體傾轉(zhuǎn)驅(qū)動柜。新增爐體LS 限位裝置，見圖3。

圖3 新增爐體LS 限位裝置

調(diào)整時需注意，將爐體傾轉(zhuǎn)至需要的角度，調(diào)整對應(yīng)的凸輪塊，利用勾頭扳手松動緊固螺栓，再調(diào)整限位動作；有的限位是只有在某一點動作，或是在一個范圍動作，調(diào)整時要確保動作可靠；調(diào)整好后，需鎖緊緊固螺栓，轉(zhuǎn)動爐體查看限位動作情況。

3.2 新增爐體專用抱閘控制回路

該回路可防止?fàn)t體抱閘常時間處于大電壓工作發(fā)熱而燒毀。因抱閘控制電路中無電壓切換功能，電磁體要在初始時使抱閘動作，工作電壓相對較高；而實際抱閘動作時，電磁體并不需要高電壓，但在無電壓切換功能的情況下，只能始終選擇相對較高的電壓來工作，導(dǎo)致電磁體發(fā)熱量大，電能消耗大，電磁體線圈燒毀幾率相對較高，常出現(xiàn)動作不柔和、噪音大等弊端。

設(shè)計采用一體式抱閘控制器，可改變原有的抱閘控制方式，能使運行電流＜3A，抱閘打開的穩(wěn)定性高。新增爐體專用抱閘控制回路圖，見圖4。改進(jìn)后，爐體傾轉(zhuǎn)抱閘控制器先以一大電壓、大電流強迫使抱閘打開，延時一段時間后，再切換至抱閘一，維持電壓保證抱閘打開，大電流對抱閘的傷害小，能有效地延長抱閘的使用壽命。

圖4 新增爐體專用抱閘控制回路

3.3 新增真空接觸器、控制變壓器

主電源開關(guān)選用專業(yè)于90kW 電機控制的帶脫扣線圈的ABB 三相斷路器MCCB-1，控制電源、抱閘電源設(shè)于總電源開關(guān)MCCB-1 后面，按急停時該斷路器帶有脫扣跳閘裝置，爐體停止。

爐子“運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備入”、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、切換電阻接觸器皆選用真空接觸器，能最大限度防止接觸器拉弧導(dǎo)致接觸器粘死。真空接觸器觸頭在真空泡里，其拉弧和動作聲音小、壽命長，多用于大電流接觸器上，真空接觸器利用真空滅弧室滅弧，可頻繁切斷與接通正常工作電流，常用于遠(yuǎn)距離切斷和接通工作、低壓頻繁啟停的低壓交流電機。

控制電源取自爐子傾轉(zhuǎn)電源，新增一臺1kVA控制變壓器，可有效地隔離干擾。爐子傾轉(zhuǎn)時，才需要控制電源、控制角度，另新增2 個380V 接觸器監(jiān)測三相電源用作缺相保護(hù)。爐體角度、凸輪操作手柄電源和爐子傾轉(zhuǎn)電源皆使用同一電源。

3.4 新增手動操控爐體傾轉(zhuǎn)應(yīng)急回路

當(dāng)爐體程序失效、PLC 死機、控制回路故障時，原先無法搖動爐體，風(fēng)眼浸泡在銅液中，只能等待維修人員來處理。新增一套手動操控爐體傾轉(zhuǎn)應(yīng)急回路，人為傾轉(zhuǎn)至安全角度，以確保爐體傾轉(zhuǎn)安全性。可選擇“爐修”位置，所有聯(lián)鎖取消，操作搖爐手柄，爐子可實現(xiàn)360°傾轉(zhuǎn)，有事故傾轉(zhuǎn)信號也不起作用。“爐修”作業(yè)時，選擇的是硬線回路，與PLC 無關(guān)。PLC 掉電時，可人為切換至“爐修”作業(yè)，正轉(zhuǎn)將爐子搖至安全角度，可提高系統(tǒng)安全可靠性。

3.5 新增緊急搖爐至45°傾角轉(zhuǎn)換開關(guān)

該轉(zhuǎn)換開關(guān)為最高優(yōu)先級別。平時在開爐前可檢驗事故傾轉(zhuǎn)回路的安全可靠性；PLC 系統(tǒng)失效時，操作該轉(zhuǎn)換開關(guān)，即可將爐子正轉(zhuǎn)至45°安全角度。

3.6 爐體事故傾轉(zhuǎn)信號的安全控制

事故傾轉(zhuǎn)是保證轉(zhuǎn)爐風(fēng)眼作業(yè)安全的重要條件。爐體事故傾轉(zhuǎn)信號選用常閉點控制，當(dāng)PLC掉電或全廠停電時，事故傾轉(zhuǎn)信號會自動傳輸至爐體驅(qū)動柜內(nèi)。爐體驅(qū)動柜由大的UPS 供電，以保證爐體傾轉(zhuǎn)。

一旦有事故傾轉(zhuǎn)信號時，爐子在LS1 事故傾轉(zhuǎn)限范圍內(nèi)，未選擇到“爐修”位置，延時0.5s 確認(rèn)，可防止事故傾轉(zhuǎn)信號誤觸發(fā)。事故傾轉(zhuǎn)指示燈點亮，并直接合上“運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備”接觸器，即使按“運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備”停止按鈕也不會切斷“運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備入”接觸器，可防止誤操作時將“運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備入”接觸器停止。消除事故傾轉(zhuǎn)信號時，再按“運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備”停止按鈕，可斷掉“運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備入”電源。爐子事故傾轉(zhuǎn)信號確認(rèn)后，系統(tǒng)會自動將爐子傾轉(zhuǎn)至45°安全角度，可自動消除事故傾轉(zhuǎn)信號。爐體事故傾轉(zhuǎn)到45°安全角度停止；若45°限位損壞，會繼續(xù)正轉(zhuǎn)至145°停止，能起到雙重保險作用。

當(dāng)有事故傾轉(zhuǎn)信號時，即使凸輪手柄不在“零位”時，“運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備入”接觸器也會吸合，即使操作停止按鈕“運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備入”接觸器也不能分?jǐn)啵瑺t子會自動事故傾轉(zhuǎn)至安全角度45°停止。邏輯框圖，見圖5。

圖5 邏輯框圖

轉(zhuǎn)爐爐體設(shè)有1#爐、2#爐、3#爐共三臺，爐體選擇開關(guān)有“1/2”“1/3”“2/3”三檔，需選擇對應(yīng)的爐體吹煉。每臺爐體有轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇“作業(yè)”“爐修”2 個位置。當(dāng)爐體控制用PLC、公用設(shè)備控制用PLC 失電時，若爐體選擇開關(guān)選到1#爐，且轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇在“作業(yè)”位置時，1#爐子處于正常作業(yè)范圍內(nèi)即-20°～30°，凸輪限位LS1 動作，延時0.5s 確認(rèn)，可防止事故傾轉(zhuǎn)信號誤動作。事故傾轉(zhuǎn)信號EX1 發(fā)出，爐體會正轉(zhuǎn)至安全角度45°停止。

4 結(jié)束語

生產(chǎn)實踐表明，該廠針對大型轉(zhuǎn)爐傾轉(zhuǎn)安全控制設(shè)計改進(jìn)及其優(yōu)化是成功的。改進(jìn)后，生產(chǎn)節(jié)奏快，再無風(fēng)眼被灌死事故。

（1）系統(tǒng)作業(yè)效率可提高30%，能穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐吹煉工藝，縮短吹煉時間。

（2）爐體傾轉(zhuǎn)驅(qū)動手段呈現(xiàn)出多樣性，可大幅提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，也極大地增強了轉(zhuǎn)爐操作工的安全意識。

（3）設(shè)計采用一體式抱閘控制器，可改變原有的抱閘控制方式，能將運行電流降至3A 以內(nèi)，提高了抱閘打開的穩(wěn)定性。

（4）設(shè)置安全角度，可在正常生產(chǎn)中灌輸安全概念，優(yōu)化了硬件控制回路，更新了安全生產(chǎn)觀念，杜絕了“倒銅”事故。

（5）該系統(tǒng)操作簡便，維護(hù)可靠，勞動強度低，生產(chǎn)成本低，收效良好。