鋼鐵冶煉中氧槍控制系統的創新研究

喬衛恒

（濟鋼集團有限公司資產管理部，山東 濟南250101）

1 項目概況

煉鋼廠生產車間中氧槍設備是重要生產設備之一，因此氧槍電力控制設備是轉爐主要的電力傳動設備。轉爐的氧槍控制作為煉鋼車間電氣傳動控制系統中的關鍵部分，煉鋼轉爐系統氧槍電機的控制直接關系到生產的連貫性、可靠性及生產效率。濟鋼集團煉鋼廠生產車間全部實現PLC控制自動化生產，氧槍控制系統是PLC控制系統的關系子系統，主要實現對從轉爐頂部進行吹氧冶煉的氧槍的升降控制作業。從濟鋼集團有限公司（全文簡稱濟鋼）煉鋼廠氧槍控制系統的動作實踐過程可知，氧槍的升降作業常常出現誤差，會出現抱閘提前動作和抱閘滯后動作，都會給煉鋼廠車間的生產帶來影響，危害安全生產。

針對濟鋼煉鋼廠氧槍控制系統氧槍的升降作業的作業誤差現象，從氧槍控制系統的原理和工作過程著手，分析了氧槍控制系統影響安全運行的關鍵因素，主要是氧槍控制系統提升瞬間“下溜”及運行過程中“溜車”現象。針對這二種情況進行了相應的氧槍控制系統的創新改進設計，希望能有效解決氧槍抱閘問題，保障濟鋼集團煉鋼廠氧槍控制系統的安全穩定運行。

2 氧槍控制系統概述

在轉爐煉鋼生產過程中，氧槍系統的控制是非常重要的環節，氧槍系統的控制可以直接影響轉爐煉鋼鋼水質量，同時保障車間生產的安全性和高效性。基于氧槍控制系統的組成，闡述了氧槍控制系統各部分的功能及控制方式，并就氧槍系統在運行過程中出現的問題進行分析。

2.1 氧槍的傳動控制

氧槍系統為雙小車雙卷揚系統裝置，一座轉爐裝有兩套氧槍，變頻裝置采用矢量控制方式，兩臺電動機（一工作一備用）用于氧槍作業，二對二方式。正常生產中，兩支氧槍的變頻器、升降電機可以做到互為備用。

2.2 氧槍的抱閘控制

氧槍抱閘由PLC控制抱閘供電為有后備電源的兩路電源，電源切換自動完成并采用失電抱閘控制方式。

氧槍電機控制系統具備合閘條件后，主控室發出合閘指令，此時氧槍電機進入預勵磁階段，當預勵磁結束、此時有操作指令時，報閘打開，氧槍動作。

抱閘的打開：氧槍啟動命令發出后，電機預勵磁結束后，PLC控制抱閘打開，氧槍開始下降，此時氧槍電機并沒有建立足夠的力矩，啟動瞬間隨重力下降一定距離再進行提升動作。抱閘的關閉：氧槍停止命令發出后，氧槍電機速度未降低到較低速度的情況下，抱閘立即關閉。

2.3 氧槍系統出現的隱患及分析

1）從車間實踐觀察情況發現，氧槍提升啟動瞬間，抱閘打開后氧槍出現20～50 mm的下降后再恢復正常提升。該情況會導致氧槍出現墜槍危險，有時會導致鋼水噴濺安全事故發生，另外有時會損壞氧槍槍體。該安全隱患的出現主要是由于抱閘打開過早，變頻器無足夠初始轉矩，導致氧槍溜槍現象發生，對機械、電氣傳動系統有很大的影響。

2）另外在生產實踐中氧槍出現提升或下降時“溜車”現象，分析原因主要是設備在啟動、運行過程中編碼器發生故障導致，危害巨大。對于提升系統來說，在提升或下降時“溜車”的現象，對生產系統及設備本身都將產生一定的影響。而采用變頻器本身的邏輯控制功能來控制抱閘的輸出時，安全性更能得到保證，控制更可靠，依據前段提出的抱閘控制的特點，構建氧槍控制系統改進抱閘模塊的設計思路，實現對氧槍系統的精確控制通過對氧槍系統的設備組成及各部分控制功能的介紹，并結合氧槍機械傳動的特點，以及對氧槍系統抱閘控制的分析，提出了基于氧槍控制系統改進抱閘模塊的設計思想。其主要作用是加大系統的靜態力矩，提高控制系統的可靠性和安全性。

3 氧槍變頻控制系統的創新改進設計

本節對氧槍變頻控制系統的改進設計，模塊改造的實現過程，以及實驗結果進行詳細分析。

3.1 抱閘模塊的改進設計

針對氧槍提升啟動瞬間抱閘打開后氧槍出現的下降情況對抱閘模塊進行如下改進設計。在氧槍變頻柜抱閘控制回路中新增一個繼電器，此繼電器的打開和關閉完全由氧槍變頻器控制。將抱閘打開電流閥值設定在50%，將變頻器的參數設置在較好狀態，可以使得變頻器輸出足夠大力矩后再打開抱閘，從而可以維持零速滿力矩運行作業，該設計可以保障氧槍正常提升，而不再出現瞬間下溜現象。

3.2 偏差模塊的改進

針對氧槍出現提升或下降時“溜車”現象情況對偏差模塊進行如下改進設計。在氧槍變頻柜控制系統中加入偏差控制模塊，同時設定偏差模塊的參數在一個合適狀態，當變頻器輸出至電機的給定轉速與編碼器反饋回的實際轉速偏差若在1.5 s內持續在6%以上，變頻器將默認為F150故障，同時抱閘線圈失電，抱閘將抱死，從而可以有效避免“溜車”現象的發生。

3.3 實驗結果分析

在現場中通過DRIVE MORNITOR軟件監視氧槍變頻器的各種參數，得到1號脫磷1號氧槍變頻器的各種運行數據。從運行數據中看出在改動前提升瞬間轉速反饋為負，從運行數據中可以看出在改動設計后提升瞬間實際轉速無負反饋現象，這一數據充分證明改進設計及參數的調整能有效的抑制氧槍提升啟動瞬間溜車的現象。從改進設計及參數的調整的整體運行狀況來看，氧槍控制系統運行非常穩定，氧槍升降作業的可靠性和安全性大幅度提高，同時有效的減少了氧槍控制系統對機械、電氣傳動系統的沖擊，避免氧槍墜槍安全事故發生。從工廠實際應用出發，根據氧槍機構負載的控制特點以及現場具體情況，通過對氧槍系統的抱閘控制進行深入分析，對抱閘模塊控制系統的設計過程進行了詳細描述，現場實驗結果證明了抱閘模塊控制的有效性。

4 結論

本文以濟鋼煉鋼廠氧槍系統為研究背景，針對氧槍系統提升瞬間“下溜”及運行過程中“溜車”的問題展開研究。論文中對氧槍原有控制系統存在的不足進行了分析，結合現有設備及控制系統的狀況，提出了在控制系統中增加抱閘模塊及偏差模塊的控制策略。通過研究，得出以下結論：

1）抱閘控制系統利用逆變器內部的功能塊進行組態，利用變頻器自身的參數功能控制抱閘的動作安全性、可靠性高。

2）增加抱閘模塊及偏差模塊控制后，啟動時系統能在更短的時間內達到穩態，穩定性好。

3）改造后的系統電控設備線路簡化，優化了逆變器內部可控參數，安全效益經濟效益得到了大幅度的提升，有效提高了生產車間的安全系數，避免重大安全事故的發生。