質(zhì)量流量控制器在智能吹氬系統(tǒng)中的改進(jìn)與應(yīng)用

陳宏偉

（山鋼股份萊蕪分公司自動(dòng)化部，山東萊蕪 271104）

信息化建設(shè)

質(zhì)量流量控制器在智能吹氬系統(tǒng)中的改進(jìn)與應(yīng)用

陳宏偉

（山鋼股份萊蕪分公司自動(dòng)化部，山東萊蕪 271104）

萊鋼質(zhì)量流量控制器損壞的主要原因是過壓擊穿損壞和內(nèi)部電路故障。通過采取質(zhì)量流量控制器換型、增加切斷電磁閥、修改控制軟件等措施進(jìn)行改進(jìn)，提升了智能吹氬系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，質(zhì)量流量控制器損壞率顯著降低。

質(zhì)量流量控制器；吹氬系統(tǒng)；電磁閥；過壓

質(zhì)量流量控制器（MFC，Mass Flow Controller）具有流量測(cè)量和流量自動(dòng)控制的功能，以其精準(zhǔn)的測(cè)量控制、穩(wěn)定的工作性能以及易于與工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)，在冶金企業(yè)精煉爐的智能吹氬系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但也存在易于損壞的問題，萊鋼使用的質(zhì)量流量控制器2011年1—9月共損壞3臺(tái)控制器。為此，分析質(zhì)量流量控制器損壞原因，采取改進(jìn)措施，有效解決了質(zhì)量流量控制器易損壞問題。

1 智能吹氬系統(tǒng)配置及使用情況

1.1 質(zhì)量流量控制器工作原理

質(zhì)量流量控制器能自動(dòng)控制氣體流量，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行流量設(shè)定，MFC自動(dòng)地將流量恒定在設(shè)定值上，即使系統(tǒng)壓力有波動(dòng)或環(huán)境溫度有變化，也不會(huì)使其偏離設(shè)定值。質(zhì)量流量控制器由流量傳感器、分流器通道、流量調(diào)節(jié)閥門和微型處理器等部分組成［1］。其中氣體流量傳感器采用熱導(dǎo)原理測(cè)量氣體的質(zhì)量流量，微處理器采集傳感器加熱電橋測(cè)得的流量信號(hào)并與設(shè)定值進(jìn)行比較，再將差值信號(hào)輸出放大后去控制調(diào)節(jié)閥門，微處理器內(nèi)置PID控制程序，閉環(huán)控制流過通道的流量使之與設(shè)定的流量相等。

1.2 吹氬系統(tǒng)配置

LF精煉爐智能吹氬系統(tǒng)主要用于向鋼包定量噴吹氬氣，達(dá)到攪拌鋼液的目的，有兩個(gè)噴吹工位，每個(gè)工位兩路氣路，整套系統(tǒng)共4條氣路。進(jìn)網(wǎng)氣源引自企業(yè)公輔管路，壓力控制由氣路前端減壓閥整定為0.8 MPa，流量控制調(diào)節(jié)由氣體質(zhì)量流量控制器完成，氣體質(zhì)量流量控制器是系統(tǒng)的核心控制元件。每一條氣路在質(zhì)量流量控制器后安裝1個(gè)逆止閥，當(dāng)旁路打開時(shí)，防止氬氣回流。

1.3 吹氬系統(tǒng)工藝流程

進(jìn)氣管道引自公輔氬氣管路，進(jìn)口壓力1.8～2.0 MPa，經(jīng)減壓閥減壓至0.8 MPa，工藝操作過程為：鋼水包進(jìn)入噴吹工位后，選定吹氬支路和設(shè)定吹氬流量，流量設(shè)定信號(hào)送至質(zhì)量流量控制器，按下開吹按鈕，自動(dòng)回路電磁閥得電打開，質(zhì)量流量控制器根據(jù)設(shè)定吹氬流量打開相應(yīng)開度，氬氣流向鋼包透氣磚進(jìn)行吹氬攪拌。當(dāng)質(zhì)量流量控制器損壞失控時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉自動(dòng)回路的電磁閥，打開電動(dòng)旁通回路電磁閥，經(jīng)電動(dòng)旁通回路向鋼包吹氬。吹氬起始階段有時(shí)因0.8 MPa的噴吹壓力不足以吹開透氣磚，此時(shí)需操作人員手動(dòng)打開手動(dòng)旁通回路的手動(dòng)閥，經(jīng)手動(dòng)旁通回路向鋼包底部的透氣磚吹入1.8～2.0 MPa的氬氣，直至透氣磚通氣后轉(zhuǎn)回自動(dòng)吹氬操作。

2 損壞原因分析

2.1 過壓擊穿損壞

通過返廠拆解檢測(cè)，確認(rèn)損壞的主要原因?yàn)閷?duì)控制器施加了過高的壓力，導(dǎo)致流量測(cè)量部分擊穿損壞，控制器記錄的損壞時(shí)的瞬時(shí)壓力為1.81 MPa，這個(gè)壓力值超過了控制器的耐壓值。這種損壞有兩種情況：一是氣路前端減壓閥損壞，當(dāng)自動(dòng)回路的電磁閥得電導(dǎo)通時(shí)，壓力未經(jīng)減壓直接作用在質(zhì)量流量控制器上，造成擊穿損壞；二是氣路后端的逆止閥損壞失效，當(dāng)打開手動(dòng)旁路的手動(dòng)閥時(shí)，氣流經(jīng)逆止閥反向沖擊質(zhì)量流量控制器，此時(shí)氣路壓力為1.8～2.0 MPa，造成流量測(cè)量部分擊穿損壞。逆止閥損壞失效后不容易發(fā)現(xiàn)，往往造成更換后的控制器連續(xù)損壞。

2.2 內(nèi)部電路故障

內(nèi)部電路故障原因?yàn)樵O(shè)定值不為零的情況下，長(zhǎng)時(shí)間無流量，流量控制部件過度發(fā)熱導(dǎo)致?lián)p壞。當(dāng)氣路中沒有氣體流過時(shí)，若施加了不為零的給定信號(hào)，控制器就會(huì)給內(nèi)部調(diào)節(jié)閥施加調(diào)節(jié)電壓，使調(diào)節(jié)閥打開一定開度，試圖使流量達(dá)到設(shè)定流量，如果此時(shí)管道中由于前端閥門關(guān)閉等原因，盡管調(diào)節(jié)閥已打開，流量仍為零，達(dá)不到設(shè)定值，控制器就會(huì)給調(diào)節(jié)閥施加最大電壓，隨時(shí)間加長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量散發(fā)不出去，溫度升高，造成控制器內(nèi)部電路損壞。

現(xiàn)場(chǎng)觀察操作過程發(fā)現(xiàn)，吹氬完畢后，操作人員有時(shí)不按規(guī)程要求關(guān)閉吹氬系統(tǒng)，而是直接把噴吹軟管從透氣磚接口處拔下，下次再噴吹時(shí)，直接再插上使用。軟管接頭是卡套式自通接頭，接頭拔下后氣路封閉，但此時(shí)質(zhì)量流量控制器依然有給定信號(hào)，導(dǎo)致控制器損壞。

3 改進(jìn)措施

3.1 質(zhì)量流量控制器換型

原吹氬系統(tǒng)使用的質(zhì)量流量控制器最大工作壓力為145 PSI，當(dāng)在耐壓值時(shí)管路中前端減壓閥和后端逆止閥均良好時(shí)，沒有問題，但當(dāng)兩個(gè)閥門有一個(gè)損壞時(shí)，管路中1.8～2.0 MPa的氣源壓力就會(huì)對(duì)控制器產(chǎn)生擊穿性損壞。因此，質(zhì)量流量控制器更換為最大工作壓力為360 PSI的型號(hào)，但需要考慮流體沖擊作用。質(zhì)量流量控制器損壞的直接因素是氣流的沖擊力，決定于沖擊力的大小，不直接決定于管道靜壓。另外，質(zhì)量流量控制器的流量檢測(cè)部分采用熱導(dǎo)測(cè)量原理，檢測(cè)元件因受到導(dǎo)熱效率和靈敏度限制，強(qiáng)度不會(huì)太大，即使更換耐壓高的型號(hào)，其抗沖擊能力還需驗(yàn)證。可見，換型后對(duì)防止控制器擊穿損壞有效果，但能否完全杜絕還有待驗(yàn)證。因此，只采用這一項(xiàng)措施是不夠的。

3.2 增加切斷電磁閥

在每條氣路的質(zhì)量流量控制器后端和手動(dòng)旁通回路手動(dòng)閥的后端各加裝1個(gè)切斷電磁閥，這兩個(gè)切斷電磁閥與自動(dòng)回路中的電磁閥以及電動(dòng)旁路中的電磁閥進(jìn)行電氣連鎖，增加1個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)用于轉(zhuǎn)換信號(hào)的產(chǎn)生；當(dāng)自動(dòng)吹氬或電動(dòng)旁路吹氬時(shí)，轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇“禁止手動(dòng)”位，信號(hào)送至PLC，PLC控制手動(dòng)旁通回路中的切斷電磁閥失電關(guān)閉，即使打開手動(dòng)旁路的手動(dòng)閥，也不會(huì)有氣體進(jìn)入氣路；當(dāng)需要使用手動(dòng)旁通氣路時(shí)，轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇“允許手動(dòng)”位，信號(hào)送至PLC，PLC首先控制自動(dòng)回路中的電磁閥、電動(dòng)旁路中的電磁閥、新增切斷電磁閥失電關(guān)閉，然后控制手動(dòng)旁通回路中的切斷電磁閥得電打開，允許使用手動(dòng)旁路。因其他三個(gè)電磁閥關(guān)閉，自動(dòng)吹氬回路被兩端截止，手動(dòng)旁路中的高壓氣體無法對(duì)質(zhì)量流量控制器造成沖擊。管路改造示意見圖1。

圖1 管路改造示意圖

3.3 修改控制軟件

內(nèi)部電路故障是因?yàn)榭刂栖浖穆┒磳?dǎo)致違規(guī)操作，因此，對(duì)控制軟件進(jìn)行完善［2］。本著既方便生產(chǎn)操作又有效保護(hù)控制器的原則，在軟件中增加1套保護(hù)性連鎖，當(dāng)實(shí)際流量與設(shè)定流量的差值的絕對(duì)值大于3 l/min且持續(xù)3 min或?qū)嶋H流量小于7 l/ min且持續(xù)3 min，任一條件滿足后，智能吹氬系統(tǒng)復(fù)位，設(shè)定值回零，各閥門狀態(tài)復(fù)位到待機(jī)狀態(tài)；如需繼續(xù)使用，操作人員需重新進(jìn)行選擇、設(shè)定等操作。

4 結(jié)語

2011年9月萊鋼通過采取質(zhì)量流量控制器換型、增加切斷電磁閥、修改控制軟件等措施完成質(zhì)量流量控制器改造后，提升了智能吹氬系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，質(zhì)量流量控制器損壞率顯著降低，至2013年底，吹氬系統(tǒng)使用的4臺(tái)質(zhì)量流量控制器僅有1臺(tái)損壞。質(zhì)量流量控制器是一種精密儀器，需要根據(jù)使用場(chǎng)合采取有效的保護(hù)措施，避免各種因素造成的損壞，充分發(fā)揮其優(yōu)越性能。

［1］唐劍平.質(zhì)量流量控制器的原理與維修［J］.電子與封裝，2002，2（2）：34-37.

［2］張浩.精煉爐底吹氬智能控制系統(tǒng)的研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2002.

Application of MassFlow Controller in Blowing Argon Intelligent System

CHEN Hongwei
（The Automation Department of Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China）

The paper analyzes over pressure breakdown and internal circuit fault was the main cause that due to the damage of mass flow controller,and by taking measures,such as replacing the model of controller,Increasing the protection with magnet valve, modifying control software and so on,which not only improve the stability of intelligent argon blowing system,but also decrease the damage rate.

mass flow controller;blowing argon system;magnetic valve;overpressure

TP273

B

1004-4620（2014）04-0060-02

2014-04-17

陳宏偉，男，1973年生，1994年畢業(yè)于上海冶金高等專科學(xué)校電氣自動(dòng)化專業(yè)。現(xiàn)為萊鋼自動(dòng)化部工程師，從事冶金自動(dòng)化儀器儀表應(yīng)用與技術(shù)工作。