自動捅風眼機控制系統研發與應用

摘要：轉爐捅風眼機是銅冶煉轉爐的重要輔助設備，其作用是清理轉爐的風眼，防止風眼導管被堵住。轉爐風眼機由于人工操作導致風眼機工作效率低下，故障較高。造成轉爐吹煉時間加長，影響整個生產過程。隨著智能工廠的推進，陳舊、效率低下的設備需要進行自動化研發，取代人工操作。根據我廠自動化改造的過程及改造過程中遇到的問題及成效，對自動風眼機的控制系統進行研發。

關鍵詞：轉爐;捅風眼機;自動化;伺服

引言

PS轉爐捅風眼機是轉爐的重要組成設備。傳統的風眼機由于自動化程度低，全由操作工手動操作。無法滿足現在智能化工廠發展的趨勢。為了提供冶煉工藝安全可靠、高效智能的要求，全自動捅風眼機的研發，將改善操作人員的作業環境，降低勞動強度，減少操作工人數，提高工人的勞動效率，滿足現代智能化工廠的技術要求。

1 工藝要求

轉爐吹煉的主要過程是精礦經過熔煉后，把精礦中部分硫、鐵除掉，而銅熔體中依然含有硫化物與鐵的硫化物，化合物組成冰銅（Cu+Fe+S=85%～95%），冰銅由包子吊車運至PS轉爐，進行送風吹煉，把冰銅中的硫和鐵幾乎全部氧化除去而得到粗銅（Cu98.5%～99.5%），金、銀等貴金屬熔于粗銅中。

冰銅的吹煉過程是分周期進行的，作業分為造渣期和造銅期。在造渣期，從風口向爐內熔體中鼓入空氣或富氧空氣，通過空氣的攪拌，冰銅中的硫化亞鐵被氧化，生成氧化亞鐵和二氧化硫;氧化亞鐵再與添加的 熔劑中的二氧化硅進行造渣反應。在造銅期，留在爐內的白冰銅（主要以Cu2S的形式存在）與鼓入的空氣中的氧反應，生成粗銅和二氧化硫煙氣。通過動力送風機鼓入的空氣及富氧和爐內熔體進行化學反應，為了確保送風量及送風壓力，必須保證風管通風橫截面積，因此要進行捅風眼作業。捅風眼作業對轉爐的生產起著至關重要的作用，保證捅風眼機的穩定將會提高轉爐的工作效率。

2 捅風眼機的功能及工作特點

傳統捅風眼機主要由機械部分和電氣部分組成。

機械部分：主體框架、捅打氣缸、捅打機構、車輪、軌道、齒輪、減速機、氣動系統等組成。

電氣部分：電氣控制、PLC控制、變頻器、回位限位、電機等組成。

操作人員操作捅風眼機左右行走，在捅風眼機的釬桿對齊要捅的風眼后，使小車迅速停車并操作發出捅打信號，壓縮空氣推動氣缸動作，使釬桿捅入風眼完成捅打風眼的工作。這個風眼捅打完畢后，滑座帶動鋼釬收回，行走到下一個風眼迅速停車捅打風眼。

手動操作的捅風眼機的步驟：行走→停車→捅打風眼→行走→停車→捅打風眼。

3自動捅風眼機改造

滿足自動捅風眼機則需要精準定準風眼位置，所以采用伺服驅動將解決定位問題。如果采用其他的定位方式，所需要安裝的諸多的傳感器。安裝完成后定位調整則需要花費大量的時間和材料，并且穩定性能也會隨之降低，導致故障率提高最終，可能無法實現自動捅風眼機。

采用伺服定位的方式進行建模，可降低費用的投入。如圖1，自動捅風眼機的控制系統與轉爐和人機交互的關系。從而提供滿足操作需要的個性化編程，可提供多種自動化控制的方式。

4自動捅風眼機達到的目的

4.1、實現操作人員在轉爐操作室直接輸入命令直接進行自動捅風眼、自動清風眼作業;

4.2、實現可視監控的全自動化控制系統;

4.3、捅風眼機實現自動精準定位、捅打、故障自動退出、安全警示等功能;

4.4、以軸編碼器及硬接限位開關的定位方式實現精準定位，以硬接開關實現風眼機的極限保護功能;

4.5、實現轉爐各時期各區域風眼捅打深度的自動調節功能;

4.6、操作模式實現手動、半自動、自動三種模式，操作方式實現操作臺、遙控器兩種操作方式;

5自動捅風眼機使用方法

在PLC控制系統上實現了捅風眼機在1#風眼處設置原點位置，消除在整體運行中產生的累計誤差。

當生產中有損壞的風眼時，通過在操作屏上面設置故障風眼后自動捅風眼機自動跳過該故障眼，避免了誤操作帶來的設備損傷。如果風眼中有損壞，則在PLC控制屏幕上直接把他設置成故障風眼，自動捅風眼將自動跳過該故障眼繼續完成捅風眼作業。

自動捅風眼機可以選用兩種捅釬桿模式：單釬桿和雙釬桿。自動捅風眼機是采用雙釬桿工作的，即一次性捅兩個風眼，盲的風眼是偶數個，捅風眼正常做和正常停止，當盲風眼是奇數個，則電機步進一個風眼位置與前一個風眼共同捅。如果盲區內只有一個風眼的，則該風眼不能自動捅，也是和人工操作一樣，拿下一根釬桿，實行手動操作。

6自動捅風眼機的控制邏輯

由圖3可以看出整個捅風眼機的閉環控制原理。所有電源供電，伺服電機無報警，急停復位，檢查觸摸屏上的故障燈全滅，然后在進行電氣送電。

按下啟動按鈕自動捅風眼機送電，此時可以使用觸摸屏上的手動或者遙控器上的手動控制自動捅風眼機左右運行。自動捅風眼機手動情況下不受任何限位限制，以便于自動捅風眼機在故障情況下可以離開工作區域。

自動捅風眼機的風眼位置設置，自動捅風眼機采用的是伺服電機進行定位控制。所以定位準確與否對機械有著較高的要求。首先要求運行時無晃動，其次在捅打過程中無明顯的震動導致跳齒或者整個機構晃動。

確保機械穩定工作之后，將自動捅風眼機點擊自動復位按鈕，自動捅風眼機將自動查找零點，零點完成后自動風眼機會到達第一個風眼位置，然后手動操作風眼機對正風眼位置，然后記錄坐標值輸入進對應的風眼地址。

自動捅風眼機分為兩個坐標，第一個坐標是從1#風眼至最后一個風眼，第二個坐標是從最后一個坐標至1#風眼。按原理來說兩邊的坐標值應該一樣，但是實際的機械運行過程中正向運動與反向運動會有偏差。所以設置兩個坐標，讓其精度準確。在校對風眼坐標時應單向運行，盡量不要反向運行。這樣在調試過程中可以減少誤差。完成此步驟后將完成自動風眼機的初步建模。

校對完風眼后進行風眼機的自動測試，可以將所有風眼設置成壞風眼，使用清風眼模式進行風眼核對。完成此步驟后將完成自動風眼機的最終建模。

核對無誤后，可以使用自動模式進行風眼機使用風眼機進行捅打，捅打一次后回位傳感器感應到回位后，自動捅風眼機運行至下一個風眼進行捅打。如此進行自動循環操作，在做好了最后一次的捅風眼操作后進行反向捅打，直至回到1#風眼位置，然后又進行零點校準。當風眼機自動運行至零點接近開關感應位置后，零點校準完畢，運行到1#風眼位置進行準備，等待操作命令。

7自動捅風眼機的效果

通過自動捅風眼機的投用，我廠的風眼機電氣故障率呈現斷崖式的下降。主要是降低了操作人員的手動操作和機械振動的影響。手動操作雖然一氣呵成，但是操作工的操作總存在失誤的概率。一旦失誤就會對設備進行損壞，一段時間內就會出現故障。而電氣故障在風眼機上最為明顯。自動捅風眼機的投用降低了電氣故障率，提高了設備的穩定性。提高了轉爐的工作效率，為整個工藝生產流程提供有力的保障。

2017年年底3臺轉爐捅風眼機改造成自動捅風眼機，電氣故障率下降較為明顯。

8自動捅風眼機的未來

自動捅風眼機有著很多好處，減少了操作工的勞動強度，同時減少設備故障率。

自動捅風眼機是智能工廠建設的需要，也是推行智慧冶煉、引領行業發展的使命。同時也改變工人的現場工作環境和勞動強度，當全面推廣自動通風眼后可實現減員增效，目前是銅冶煉行業的創新，是人類智慧的結晶。后續在不斷地使用過程中還將進一步完善設備的性能，為轉爐提供穩定的設備條件。

參考文獻：

[1]童吉才，煉銅轉爐機械捅風眼機的實踐，中國有色冶金，1993，（5）：47-49

[2]江西華正新技術有限公司，捅風眼機說明書，2007，3.

[3]張志中，汪秉文，運用神經網絡對捅風眼機定位，機電一體化，2003，（9）：68-69

[4]齊俊峰，轉爐機械捅風眼機的改造，新疆有色金屬，2012，（2）：80-82

[5]龔思南 徐東祥 自動捅風眼機在轉爐上的應用 湖南有色金屬，2020，第二期：48-49

作者簡介：呂堅，男，電子信息工程學士學位，電氣工程師，從事電氣自動化工作10年，對工業自動化，現場儀表具有豐富的理論和實踐。