首钢京唐氧枪自动控制系统的应用
时间：2021-01-24 14:05:07 来源：达达文档网 本文已影响 人 
谢国栋
【摘 要】 首钢京唐公司转炉冶炼采用氧枪顶吹的工艺，氧枪在炼钢冶炼顶吹过程中起至关重要的作用，氧枪吹炼过程的控制直接影响冶炼钢水成分是否满足工艺要求。本文简述氧枪自动控制系统的构成以及工作原理，着重介绍了氧枪在计算机模式下，氧枪流量以及氧枪枪位的控制方法。
【关键词】 炼钢 转炉 顶吹 本体
前 言
首钢京唐公司现有5座300T转炉，2座脱磷炉、3座脱碳炉。氧枪系统是炼钢转炉冶炼设施中重要组成部分之一。在炼钢过程中操作人员通过氧枪喷射氧气对铁水进行冶炼，以及吹射氮气保护转炉，延长转炉的使用寿命。因此氧枪的性能直接影响钢水冶炼结果。冶炼过程中生产人员通过自动化控制系统调不断调整氧枪的吹氧量以及枪位，从而得到合格的钢水成分。
1 氧枪系统概述
氧枪设备系统包括升降卷扬、横移装置、供养供水软管以及氧枪本体四部分。京唐公司每座转炉配备两根氧枪，各自拥有独立的氧枪升降和横移装置，安装在炼钢48米平台上。两根氧枪互为备用，没有主次，在生产中可以自行选择哪根氧枪进行冶炼。在一根氧枪出现故障或需要检修时，可以利用另外一根氧枪进行冶炼，保证生产持续、稳定的进行。氧枪升降采用的是西门子250KW电机，在升降过程中通过西门子变频器进行速度调节。横移装置控制氧枪的横向移动。氧气、氮气和冷却水在各自的阀门站经过调节阀调节后提供给氧枪，其中氧气管道和水管道安装在42米平台，氮气管道安装在44米平台。氧枪系自动控制系统主要包括氧枪本体系统、顶吹氧气及溅渣用氮气系统、氧枪冷却水系统。各系统都有自己单独的PLC主站。系统PLC之间通过Profibus-DP通信协议建立通讯，读取其他系统所需要的信息，进行相关逻辑运算。
2 氧枪顶吹控制系统
2.1 顶吹系统控制模式
氧枪顶吹系统是氧枪自动控制系统的重要组成部分之一，通过自动化程序实现对氧枪氧气、冷却水以及氮气三种介质的控制，满足炼钢的工艺需求。
转炉顶吹氧枪控制系统在日常使用过程中有三种模式，维护模式，吹炼模式和溅渣模式。
维护模式是不在冶炼过程中的模式状态，在维护模式下，没有氧气和氮气使用，支管阀处于关闭状态。
吹炼模式是冶炼过程中的模式状态，氧枪使用氧气对转炉钢水进行吹炼，进行脱磷、脱碳优化钢水质量。在吹炼模式下，氧气流量达到63000 Nm3/h，一般持续10-15分钟，在吹炼过程中由于需要进行副枪对钢水进行成份测量，为避免液面波动太大，吹氧流量要进行下调，达到32000 Nm3/h左右。吹炼模式下，对氧枪的枪位以及氧流量有手动、半自动、计算机三种模式，吹炼过程中操作人员一般选择半自动、和计算机2种方式进行冶炼升产。
溅渣模式是出钢完成，用氮气对炉底和炉衬进行溅渣护炉保护，时间在3分钟左右。
2.2 氧枪计算机模式
吹炼过程中，可以HMI上位画面选择氧枪计算机模式，由计算机二级系统与PLC一级系统共同完成对氧枪氧气流量、流速以及氧枪枪位的精确控制。具体流程如下：
（1）在计算机模式下，首先操作人员配置吹炼时的的模式表，操作人员确认配置完模式表，如下图2-1，将计算机二级模式表下发到PLC一级系统中，然后PLC控制现场调节阀、变频器等现场设备动作。
二级下发枪位模式表后发送到一级PLC系统的DB数据块中，DB块中共四十步，其中有预留步，一级按照二级下发的氧步以此执行。下图截取了其中二步对应的所接收的二级数据。如下图 2-2。
a、Line_1.MOMENT_CODE 二级下发的第一步的事件类型，默认为1。
b、Line_1.START_OXY_VOLUME 二级下发的第一步枪位对应的氧气累积量。及当氧耗（吹氧累积量）到达此设定值后，氧枪自动上升或下降到此氧耗到应的枪位。
c、Line_1.TIME_DISTANCE 二级下发的第一步延时设定。
d、Line_1.TIME_OXY_FLOW_RATE 二级下发的第一步吹氧百分比。
e、Line_1.LANCE_POSITION二级下发的第一步枪位，单位厘米。程序中需要转换为毫米。
（2）“吹炼位”为二级下发的枪位模式表中，氧气累积量为0时的枪位即开吹时的初始枪位。如图2-1初始枪位为230M。（枪位为相对高度，相对于枪头到液面的距离）枪位随着吹氧累积量，自动进行调整。当实际吹氧累积到达设定吹氧总量时，吹炼结束。当吹炼结束后，氧枪自动提到二级所下发的提枪高度设定 。
3 氧枪本体控制系统
氧枪本体系统包括升降系统以及横移系统，共用一套PLC系统控制，PLC选用西门子S7-400系列。主站S7-400PLC安装在PLC室，现场操作箱采用图尔克模块作为从站安装在氧枪工作的各层平台，生产人员既能通过主控室内的HMI画面远程控制氧枪本体系统，也能在现场通过操作箱进行本地操作。
氧枪升降系统由两套西门子400KW变频器分别驱动2台250KW的西門子电机，并配备一台90KW事故氧枪变频器。氧枪变频器供电电压交流690V，经过西门子直流回馈单元装置整流成直流，在经过逆变装置逆变成交流，驱动平台上的氧枪电机。采用西门子直流回馈单元，不仅可以保持直流供电回路电压的稳定性，并且能够将氧枪电机减速时产生的能量回馈给电网，减少能量损耗。2套氧枪变频器传动柜可实现1装置对1枪、2装置对2枪，也可以相互之间通过传动柜内的切换开关进行互投操作，实现1装置对2枪、2装置对1枪。当一台变频器发生故障，短时间内无法恢复时，可以进行互投切换操作，实现用另一台变频器继续正常冶炼，保证生产有序、稳定的进行。氧枪升降系统分为正常模式和事故模式。
正常模式：PLC的CPU通过变频器的CBP2通讯板与变频器进行组网，采用西门子Profibus-DP通讯协议。正常工作时，PLC采集上位wincc画面、现场氧枪操作箱等氧枪升降信号，PLC经过内部逻辑计算将控制字与速度发送给变频器，变频器接收到信号后控制氧枪上升与下降，并提供不同的速度。氧枪在升降过程中，变频器将自身状态，电机的电流、转速和转矩通过DP网络反馈给PLC，并在HMI上实时显示。氧枪的实际位置通过绝对值编码器检测，编码器与PLC单独进行通讯，PLC接收到编码器反馈的位置信号后经过程序换算，在上位画面上实时的显示出氧枪的实际位置。
事故模式：当PLC与变频器通讯异常或者正常电源掉电时，可以通过事故提升变频器进行提枪。事故氧枪变频器拥有单独供电电源以及控制系统，和PLC系统之间没有联系，只能执行氧枪的提升动作，不能执行下降动作。事故变频器的供电是由索科曼公司提供380伏UPS不间断电源。当正常模式下无法操作氧枪时，可以选择事故模式，通过事故变频器将正在吹炼的氧枪从转炉内提出。在主控室的集中操作台上选择事故模式，然后按“事故提升”按钮后并拔出，氧枪自动提升，到等待位停止，这样可以降低冶炼当中的损失，避免氧枪本体的损坏。
4 结束语
以上是以首钢京唐公司氧枪系统为例，简述了氧枪的自动控制功能。氧枪自动控制系统运行10年以来稳定、可靠。生产期间对发现的隐患及时进行技术改造，逐步解决了通讯网络闪断、氧枪升降传动系统溜枪、氧枪位置编码器数值波动等问题，完善了氧枪自动化控制系统，为京唐首钢公司创造了极大的效益，也提高相关的工作人员的技术水平。
【参考文献】
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