三相化渣爐及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

余 強(qiáng)，邵寶霞，魏瀟瀟，王 宇，趙明軒

(1.東北大學(xué) 信息學(xué)院，沈陽(yáng) 110004;2.邢臺(tái)軋輥鑄成工程技術(shù)有限公司，河北 邢臺(tái) 054025)

三相化渣爐及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

余 強(qiáng)1，邵寶霞2，魏瀟瀟1，王 宇1，趙明軒1

(1.東北大學(xué) 信息學(xué)院，沈陽(yáng) 110004;2.邢臺(tái)軋輥鑄成工程技術(shù)有限公司，河北 邢臺(tái) 054025)

在對(duì)化渣理論、工藝技術(shù)、設(shè)備等方面研究的基礎(chǔ)上，為滿足對(duì)化渣控制要簡(jiǎn)單、可靠的需求，開發(fā)了三相化渣爐控制系統(tǒng).本化渣爐采用三相交流工頻供電，三相供電負(fù)荷平衡，且可減小短網(wǎng)感抗損失，節(jié)省電能，提高化渣效率.電極升降控制采用雙速電機(jī)控制，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，節(jié)省成本.

化渣爐;三相供電;雙速電機(jī)

電渣爐化渣方法大體上歸結(jié)為兩種:一種是用電渣爐設(shè)備在電渣熔煉前先進(jìn)行化渣作業(yè)，可采用石墨電極或直接用金屬電極進(jìn)行熔煉;另一種方法是通過獨(dú)立的化渣設(shè)備將爐渣熔化后，再裝入結(jié)晶器中.后一種方法主要用于大型電渣爐或使用特殊結(jié)晶器的電渣爐中.隨著生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)的提升，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)于優(yōu)質(zhì)合金鋼的需求和數(shù)量日益增多，對(duì)金屬材料的性能與質(zhì)量的要求不斷提高，從而對(duì)提純預(yù)熔渣的質(zhì)量以及特殊電冶金效率要求提高.目前，正在推廣采用獨(dú)立的化渣爐熔煉預(yù)熔渣，經(jīng)過此處理的渣粉直接用于電渣爐.基于這些需要，開發(fā)一種低成本、高效率的獨(dú)立化渣設(shè)備十分必要.

限于技術(shù)水平，很多現(xiàn)有的化渣爐控制系統(tǒng)多采用繼電器點(diǎn)動(dòng)控制，主要依靠操作工的經(jīng)驗(yàn)在生產(chǎn)，有的化渣爐支臂采用纜繩吊掛式，控制精度不高.有的采用單極化渣，在渣量大時(shí)化渣效果不好，且單相供電容易使電網(wǎng)產(chǎn)生畸變.因此，研究和設(shè)計(jì)高水平的化渣爐控制系統(tǒng)是提高冶煉特種鋼質(zhì)量和效率的重要途徑.本文在此背景下，結(jié)合化渣爐生產(chǎn)工藝的要求，設(shè)計(jì)了一套以西門子S7 300 PLC為核心的化渣爐自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集基礎(chǔ)控制、過程監(jiān)控和生產(chǎn)管理于一體.

1 三相化渣爐設(shè)備與工藝

1.1 工藝

設(shè)備為1臺(tái)1.6 t化渣爐，滿足液態(tài)爐渣的供應(yīng).化渣量:額定1 300 kg，最大1 600 kg;渣主要成分:螢石、工業(yè)氧化鋁和石灰等;渣料入爐溫度:200～300℃;液渣出爐溫度:1 550～1 600℃;化渣時(shí)間:90～120 min;加料方式:采用振動(dòng)給料器機(jī)械加料;出渣方式:采用天車主勾吊包，副勾翻轉(zhuǎn)方式將液渣倒入帶有流槽的中間小包注入電渣爐結(jié)晶器內(nèi).煙氣量:最大值6 000 m3/h，爐頂吸塵罩直排方式.其工作原理與煉鋼電弧爐基本相同.采用焦碳或?qū)щ娫?，通電后利用電弧產(chǎn)生的熱量逐漸將渣料熔化.隨著渣料的不斷熔化，負(fù)載呈陰性，逐漸分批加入事先經(jīng)烘烤的渣料.當(dāng)渣料全部熔化后再精煉20～30 min，溫度達(dá)到預(yù)定值(約1 600℃)化渣結(jié)束.

1.2 三相化渣爐設(shè)備組成

三相化渣爐由熔煉電源、短網(wǎng)、電極升降系統(tǒng)、化渣包和渣包車、爐蓋、冷卻水系統(tǒng)等部分組成.

(1)熔煉電源

考慮到三相平衡的供電要求，本系統(tǒng)使用1臺(tái)1 600 kVA三相化渣爐變壓器，調(diào)壓方式采用電動(dòng)有載有級(jí)調(diào)壓，接線方式采用一次Y，二次出線外封Δ.冷卻方式采用強(qiáng)油水冷，采用兩臺(tái)油泵，一用一備.高壓柜采用KYN61－40.5柜，高壓開關(guān)采用真空斷路器以適應(yīng)化渣爐頻繁開閉的要求.高壓真空斷路器的合、分閘控制，可同時(shí)由高壓柜和控制室的主操作臺(tái)完成，變壓器運(yùn)行與保護(hù)信號(hào)輸入PLC系統(tǒng).35 kV電能計(jì)量采用與計(jì)算機(jī)通訊的智能儀表，可檢測(cè)有功功率、無功功率、功率因數(shù)cos Φ、電壓和電流.

(2)短網(wǎng)

變壓器二次銅排出線，經(jīng)水冷電纜到橫臂導(dǎo)電銅管.電纜采用水冷大截面電纜，每相總面積不小于1 500 mm2，二次側(cè)銅排采用三角形對(duì)稱布置，每相銅排截面積大于4 600 mm2.三相電流檢測(cè)采用6 600 A/4～20 mA的高精度羅氏線圈;三相線電壓信號(hào)經(jīng)電壓變送器到PLC.

(3)電極升降驅(qū)動(dòng)

由于本系統(tǒng)采用三相供電，因此對(duì)應(yīng)3支石墨電極有3套驅(qū)動(dòng)升降系統(tǒng).采用齒輪齒條式傳動(dòng)方式，利用雙速交流電機(jī)驅(qū)動(dòng).設(shè)有升降限位、升降行程檢測(cè)(利用絕對(duì)值編碼器).

(4)化渣包、渣包車、爐蓋

渣包有兩個(gè)主要作用，一是用作化渣容器，另一個(gè)是作輸送容器.渣包車包括車架、車輪、傳動(dòng)裝置.渣包車驅(qū)動(dòng)為變頻調(diào)速，保證渣包車移動(dòng)過程中鋼夜面平穩(wěn).渣包車定位采用機(jī)械定位方式，保障安全.

爐蓋作為排煙通道，安有排煙口.在化渣前后，將爐蓋提起;化渣時(shí)將爐蓋降至渣包上.

(5)冷卻水系統(tǒng)

冷卻水用于水冷電纜、導(dǎo)電銅管、電極夾頭的冷卻.安裝有進(jìn)水溫度、壓力檢測(cè)，各水路溫度、水堵檢測(cè).上述信號(hào)通過PLC的信息采集和處理，通過上位計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化控制軟件實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警.

2 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示.

圖1 控制系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Schematic diagram of control system

以PLC為核心的基礎(chǔ)檢測(cè)與控制級(jí)承擔(dān)I/O點(diǎn)的過程邏輯控制、物理量采集以及故障診斷，實(shí)現(xiàn)化渣過程實(shí)時(shí)控制.PLC采用西門子公司的S7－300系列產(chǎn)品.絕對(duì)值編碼器與S7－300SM338模塊連接，信號(hào)以SSI形式直接送入PLC.

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)設(shè)定控制策略，獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，監(jiān)視整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及化渣過程中各個(gè)量的變化趨勢(shì)、故障報(bào)警、生產(chǎn)與消耗報(bào)表等，幫助操作人員及時(shí)、全面地完成各種操作.上位機(jī)為西門子工控機(jī)和19”彩色液晶顯示器.UPS選用在線雙轉(zhuǎn)換，后備時(shí)間30 min.電度表(Modbus協(xié)議)通過RS485/RS232轉(zhuǎn)換模塊與工控機(jī)連接.

3 電極升降控制

3.1 雙速電機(jī)的提出

電渣熔煉時(shí)，電流的路徑是:電源→A相電極→渣池→B相電極(或C相)→電源.液態(tài)渣池呈現(xiàn)阻性負(fù)載，也就是說，電流不斷增加，在渣阻上產(chǎn)生的熱量增大，使周圍的固態(tài)渣不斷熔化，渣夜面不斷上升，電極也要不斷提升.考慮電網(wǎng)波動(dòng)、渣夜面波動(dòng)，不斷要調(diào)整電極位置，但這一過程是非常緩慢的.由于冶煉開始、冶煉結(jié)束或遇到緊急情況，要求電極快速升降，因此，電極升降調(diào)速范圍在0～1 000 mm/min.

為實(shí)現(xiàn)上述工藝要求，一般采用兩臺(tái)容量不同的電機(jī)，通過兩臺(tái)減速比不同的減速機(jī)分別完成慢速控制和快速控制，兩臺(tái)電機(jī)通過差動(dòng)減速器或電磁離合器作用于一個(gè)升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上.本系統(tǒng)在充分研究雙速電機(jī)及西門子變頻器的基礎(chǔ)上，提出采用一臺(tái)雙速電機(jī)實(shí)現(xiàn)上述功能設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍寬，負(fù)載特性好，滿足化渣工藝要求，具有較高的性價(jià)比.

3.2 雙速電機(jī)調(diào)速原理

交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速n、頻率f與磁極對(duì)數(shù)p的關(guān)系如下:

由公式(1)可知異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與磁極對(duì)數(shù)成反比，磁極對(duì)數(shù)增加一倍，同步轉(zhuǎn)速n下降至原轉(zhuǎn)速的一半，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速n也將下降近似一半，所以改變磁極對(duì)數(shù)可以達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的.

雙速電機(jī)通過改變電機(jī)磁極對(duì)數(shù)來改變速度.雙速電動(dòng)機(jī)的定子繞組的聯(lián)接方式常有兩種:一種是繞組從三角形改成雙星形，即△/YY，如圖2(a)所示的連接方式(兩個(gè)繞組串聯(lián)，磁極對(duì)數(shù)2)轉(zhuǎn)換成如圖(c)所示的連接方式(兩個(gè)繞組并聯(lián)，磁極對(duì)數(shù)1)，另一種是繞組從單星形改成雙星形，即Y/YY，如圖2(b)所示的連接方式轉(zhuǎn)換成如圖2(c)所示的連接方式，這兩種接法都能使磁極對(duì)數(shù)減少一半即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高一倍.

圖2 兩種雙速電機(jī)連接方法Fig.2 Two kinds of two－speed motor

兩種雙速電機(jī)的連接方法機(jī)械特性如圖3所示.

圖3 兩種雙速電機(jī)的機(jī)械特性Fig.3 Mechanical character of two kinds of two－speed motor

圖3曲線①為YY接(高速)，曲線②為Y接(低速)，顯然，圖3(a)為恒轉(zhuǎn)矩特性.圖3曲線③為YY(高速)，曲線④為△(低速)，圖3(b)為恒功率特性.

變極調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，既可適用于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速(Y/YY)，也可適用于近似恒功率調(diào)速(△/YY).其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速只能成倍變化，為有極調(diào)速.Y/YY變極調(diào)速應(yīng)用于起重電葫蘆、運(yùn)輸傳送帶等;△/YY變極調(diào)速應(yīng)用于各種機(jī)床的粗加工和精加工.

3.3 西門子變頻器工作模式的切換

用一臺(tái)變頻器帶一臺(tái)雙速電機(jī)，如同用一臺(tái)變頻器在不同時(shí)刻帶兩臺(tái)不同參數(shù)的電機(jī).為了最大限度發(fā)揮變頻器特性，必須輸入不同的電機(jī)參數(shù).這就是說變頻器必須具有工作模式轉(zhuǎn)換功能.而西門子變頻器正具有多電機(jī)模式的運(yùn)行方式.

西門子變頻器有關(guān)電機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)塊(MDS)共提供4組數(shù)據(jù)組(即4個(gè)標(biāo)號(hào))，如控制模式參數(shù)共有:P100.1、P100.2、P100.3、P100.4.如果MDS1被激活，則使用被存貯在參數(shù)標(biāo)號(hào)為1中的參數(shù)值;如果MDS2被激活，則使用被存貯在參數(shù)標(biāo)號(hào)為2中的參數(shù)值等等.各個(gè)電機(jī)數(shù)據(jù)組用在控制字2中的18、19位(P578.B和P579.B)來選擇，但僅在傳動(dòng)系統(tǒng)脫離電源狀態(tài)下才能轉(zhuǎn)換.可利用開關(guān)量輸入方式改變18、19位狀態(tài)，從而完成參數(shù)組轉(zhuǎn)換.

3.4 三相化渣爐雙速電機(jī)變頻調(diào)速原理與控制回路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用變頻器連接雙速電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙速電機(jī)的控制，變頻器快慢速開入信號(hào)實(shí)際上是切換變頻器的工作模式，快速時(shí)，磁極對(duì)數(shù)設(shè)為p=2，慢速時(shí)磁極對(duì)數(shù)設(shè)為p=4，這樣，電機(jī)轉(zhuǎn)速減一半.例如電機(jī)額定轉(zhuǎn)速=1 500 r/min，當(dāng)p=2時(shí)(YY接)，變頻器從0～50 Hz調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)速變化范圍是0～1 500 r/min，如果設(shè)定頻率為50 Hz，則滿足電機(jī)快速運(yùn)轉(zhuǎn)要求;當(dāng)p=4時(shí)(Y接或△接)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=750 r/min，變頻器從0～50 Hz調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)速變化范圍是0～750 r/min，這樣基本滿足慢速化渣的自動(dòng)控制要求.由于兩種轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化(功率，額定轉(zhuǎn)數(shù)，極對(duì)數(shù))，因此，當(dāng)使用一臺(tái)變頻器帶雙速電機(jī)時(shí)，針對(duì)不同的磁極對(duì)數(shù)必須修改變頻器設(shè)定的電機(jī)參數(shù)，否則達(dá)不到控制效果.

圖4 西門子變頻器控制一臺(tái)雙速電機(jī)電路原理圖Fig.4 Schematic diagram using Siemens converter to control two－speed motor

4 結(jié)束語(yǔ)

本三相化渣爐，使用了三相平衡供電，使負(fù)荷平衡，避免了單相供電對(duì)電網(wǎng)可能產(chǎn)生的畸變現(xiàn)象，并減少了短網(wǎng)感抗，節(jié)省電能.電極升降驅(qū)動(dòng)控制首次采用一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)雙速電機(jī)的方法，并用切換變頻器工作模式的方法實(shí)現(xiàn)電極升降快、慢速的切換.使用雙速電機(jī)節(jié)省成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，并能達(dá)到系統(tǒng)工藝與控制要求.本設(shè)備及系統(tǒng)的開發(fā)提高了化渣爐技術(shù)水平.

［1］陸文偉.三相異步電動(dòng)機(jī)的控制線路［M］.北京:電力工業(yè)出版社，1981:183－219.

［2］任興權(quán)，電力拖動(dòng)基礎(chǔ)(修訂版)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1989:203 －205.

［3］余強(qiáng).電渣爐智能控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.中國(guó)冶金，2006，17(12):34 －37.

［4］西門子(中國(guó))有限公司.變頻器使用大全(上冊(cè))［M］.北京:西門子(中國(guó))有限公司，2002，11:72 －73.

Development and design of device and control system for three－phase slag malte furnace

YU Qiang1，SHAO Bao-Xia2，WEI Xiao-xiao1，WANG Yu1，ZHAO Ming － xuan1

(1.College of Informantion Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang 110004，China;2.Xingtai Machinery ＆Mill Roll Zhucheng Engineering technique Co.，Ltd，Xingtai 054025，China)

One the basis of investigation for technology，integrating technology and equipment characteristic of slag melting furnace.In order to meet the simple and reliable require of the slag melting system，we exploit a three－phase slag melting system.The system use three－phase AC frequency power supply，as the three－phase power supply can make the load balanced，and decrease the inductance of the short circuit net，save the electronic energy，increase the efficiency of slag melting.We use the control of two － speed motor to control the lifting of the electrode.The advantage is that it simplified the equipment，and save the cost

slag melting furnace;three－phase power supply;two－speed motor

TF 748.6

A

1671-6620(2011)S1-0161-04

2010-10-15.

余強(qiáng) (1960—)，男，東北大學(xué)副教授，E－mail:yuqiang11@ise.neu.edu.cn.