轉爐實訓教學系統設計與研制

羅志國，姜茂發，鄒宗樹，茹家勝

（東北大學 材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110819）

鋼鐵冶金專業是工程實踐性很強的專業，需要在實踐中提高學生的綜合分析和運用能力。然而鋼鐵冶金生產過程是個連續的工業過程，實際生產中一般不允許改變工藝參數，所以學生到工廠實習的效果不是很理想。另外，考慮安全等因素，在實習過程中學生不可能有機會親自動手操作。這就使理論教學與實踐環節嚴重脫節［1－4］。為彌補當前專業實踐教學的不足，促進學生對鋼鐵冶金專業基礎知識以及工藝和設備的理解，研制相關的鋼鐵冶金工藝實訓裝置，創造逼真的鋼鐵冶金生產環境是十分必要的，該種實訓裝置是加深學生對鋼鐵冶金生產過程的理解、提高工程實踐能力和創新能力、保證冶金工程專業課程教學質量的基礎之一［5－6］。由此，我們開發了鋼鐵冶金系列實踐教學模型，轉爐實訓裝置是其中之一。

1 氧化頂吹轉爐生產工藝過程

氧氣頂吹轉爐（BOF）煉鋼設備工藝過程如下：先把廢鋼等裝入爐內，然后倒入鐵水，并加入適量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧氣噴槍從爐頂插入爐內，吹入氧氣（純度大于99%的高壓氧氣流），使它直接跟高溫的鐵水發生氧化反應，除去雜質。用純氧代替空氣可以克服由于空氣里的氮氣的影響而使鋼質變脆，以及氮氣排出時帶走熱量的缺點。在除去大部分硫、磷后，當鋼水的成分和溫度都達到要求時，即停止吹煉，提升噴槍，準備出鋼。出鋼時使爐體傾斜，鋼水從出鋼口注入鋼水包里，同時加入脫氧劑進行脫氧和調節成分。

2 實訓裝置機械設備

轉爐實訓裝置（見圖1）主要包括4部分：轉爐爐體、氧槍及氧槍升降機構、轉爐傾動機構、底吹系統。

（1）轉爐模型：根據按實際工廠轉爐，按1∶6比例利用有機玻璃［7］制作。

（2）氧槍及氧槍升降機構：不銹鋼質加有機玻璃槍頭；行程為1 200mm，精度為0.02mm；配有上下限位裝置；提升方式為交流電動機拖動絲杠，提升速度為400～800mm/min；利用變頻器對升降速度進行控制。

（3）轉爐傾動機構：轉爐耳軸利用不銹鋼制作，中心為空，可通氣體管路，利用變頻器對轉爐傾動速度進行控制［8］，轉動速度為0～2r/min。

（4）底吹系統：在轉爐底部不同圓周處布置一系列底吹孔，可用來研究不同底吹布置對均混時間的影響。

圖1 轉爐過程實訓裝置

3 實訓裝置控制系統

控制系統采用機電一體化控制柜，控制柜內安放計算機系統、變頻器、PLC、斷路器和接觸器等設備?？刂乒衩姘迳习惭b控制按鈕，用于氧槍升降和轉爐傾動的就地手動控制。計算機的串口和PLC的MPI接口之間通過PC/MPI連接電纜實現。

控制模式包括遠程自動控制、遠程手動控制和就地手動控制3種模式。遠程自動控制：系統和設備由PLC直接控制，運行過程中操作人員的干預量最小，PLC內部程序能按工藝要求進行相應的保護和閉鎖。遠程手動控制：由操作人員通過人機界面接口進行操作。就地手動控制：在現場通過控制箱上的按鈕開關對各電機、閥門實現手動操作控制，便于調校設備。

實訓裝置控制系統采用兩級控制。下位機為西門子S7－300可編程序控制器（PLC），完成數據采集、閉環控制及邏輯控制功能。上位機采用主控計算機，主要完成動態流程圖顯示、工藝參數設置、自動與手動切換、噴槍的升降、轉爐爐體轉動和閥門的開關控制等功能［9］。

4 實訓系統軟件設計

本設計選用性價比好的國產紫金橋組態軟件。將組態軟件和PLC控制系統相結合，以組態軟件為基礎，進行二次開發［10－12］。組態設計包括系統流程主畫面、轉爐傾動畫面、氧槍控制畫面、底吹控制畫面、輔原料加入系統畫面、主要參數的實時曲線圖、主要參數的歷史曲線圖等。能完成生產工藝全過程的遠程手動、自動控制以及實時數據采集和數據管理，具有歷史畫面、實時畫面顯示、數據歸檔、各種報表的生成及打印等完善的功能。按照系統工藝及控制要求，自動程序的各步序之間都有嚴格的轉換條件和連鎖關系，以確保系統工藝的順利完成。各界面見圖2—圖5。

圖2 BOF過程主界面

圖3 轉爐傾動系統界面

圖4 底吹系統界面

圖5 輔原料加料系統界面

5 結論

通過研制與開發轉爐實訓仿真模型，實現了教學內容形象化、時空化，拉近課堂與實踐的距離。系統運行一年來，取得了良好的教學效果。本系統在實踐教學中具有如下特性：

（1）適用性：該實訓教學系統以其直觀的形式，使學生全面了解生產，提高了教學的時效性。通過建立逼真的模擬環境，彌補了現場實習只能看不能動的不足。

（2）綜合性：該實訓教學系統整合計算機模擬技術、機械傳動系統、電機驅動技術等，能完成鋼鐵冶金工藝及操作、傳感器、PLC控制技術、電氣控制系統、機械系統安裝調試、電機驅動技術、系統維護和故障檢測技術及組態監控技術等綜合實踐教學。

（3）靈活性：該實訓教學系統可以適合鋼鐵冶金、機械、自動化、計算機等不同專業，可同時滿足學生認識實習、生產實習、畢業實習等實訓環節的要求，因此，具有較強的靈活性和較為廣泛的適應性。另一方面，學生在實訓過程中，不但可隨時預約進行實驗，還可體會操作條件、程序改變對生產的影響，使學生加深對實踐知識的理解。

（4）安全性：鋼鐵冶金生產過程復雜化和連續性程度高，隨時隨處都有安全隱患存在。學生進入現場學習實踐就不可避免地面臨安全問題。該實訓教學系統為師生提供了一個安全的學習和實踐平臺，可在較為輕松的環境中完成教學任務，獲得知識和技能。

（5）實用性：由于現有教學模式培養的冶金類專業畢業生對實際操作過程感性認識差，在分配至該崗位后進入角色慢，工廠往往需要耗費大量時間、精力與成本對畢業生進行再培訓。通過采用該實訓教學系統，使教學緊跟生產實際，使學生步入工作之前就進行了必要的與現場控制最相近的操作訓練，獲得實踐技能，符合并滿足未來生產的要求。

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