感應熔煉爐爐襯損耗監測系統設計

戴財榮，張立廣，郭 璐，宋聰聰

（西安工業大學電子信息工程學院，西安 710021）

1 引言

隨著經濟的不斷發展，機械生產和加工產量不斷增加，感應加熱技術因其低耗環保等優點大受推廣應用[1]。因此感應煉鋼已在煉鋼和鑄造行業中獲得廣泛應用，其熔煉容量也逐漸增大，漏爐、穿爐事故常有發生，可能引起感應圈和磁軛的絕緣損壞[2]，導致嚴重后果。感應爐在長期的生產過程中往往會因各種原因在爐襯和感應器熔溝中形成裂紋，如果鐵水從爐襯和熔溝中滲出，滲出的鐵水會燒損感應線圈和水套等部件，可能造成水套中的冷卻水與鐵水直接接觸，如不能及時采取措施，會威脅到現場工作人員的人身安全。因此有必要設計一種安全可靠的爐襯損耗監測系統，在鋼液未到達感應圈前就發出報警信號，爭取足夠的時間采取措施防止漏爐事故發生，保障生產安全[3]。為此，必須在熔煉過程中實時監測爐襯厚度，及時發出警報。目前市面常見的爐襯損耗監測裝置存在兩個突出的問題，一是安裝工藝復雜，導致安裝時間較長、安裝成本偏高；二是準確度低，經常誤報警，甚至報警失靈，影響感應爐正常生產。針對上述情況，在此基于感應接觸式爐襯損耗監測技術，嘗試提出一種爐襯損耗監測系統，設計將以高可靠性、簡易操作及低廉的成本為目標。

2 系統設計

感應熔煉爐使用過程中，隨著爐料的沖刷等，爐襯出現損耗而逐漸變薄甚至出現裂縫，導致爐液與爐襯外壁的間隔越來越小，絕緣電阻隨之降低[4]。將爐底探針與爐襯通過爐液構成回路，并在回路中加入直流電源，就可以根據回路中的電流值大小判斷爐襯損耗狀況[5]。因此，在接觸式爐襯損耗監測系統和感應式爐襯損耗監測系統的檢測原理基礎之上，設計一種新型感應爐爐襯損耗監測系統，從測量原理上來講是一種感應接觸式爐襯損耗監測系統。

所設計的爐襯損耗監測系統采用PLC 作為中央控制單元[6]。使用交流供電方式，通過整流電路轉換為直流電，為電流采集電路以及控制單元供電。將采集到的各回路電流信號經過隔離放大后變為電壓信號，輸入至PLC 電壓采集擴展模塊，實現電壓采集。通過PLC 進行數據處理并與觸摸屏及計算機通信，最終將處理后的數據發送到MCGS 觸摸屏上顯示出來。裝置總體方案設計圖如圖1 所示。

圖1 爐襯損耗監測裝置總體方案設計圖

它的各主要組成部分的設計考慮與功能如下：

1）檢測主控器：系統采用PLC 作為主控器，用于系統控制、電信號采集、數據通信等。

2）感應圈及中間側網回路電流采集電路：根據感應式及接觸式爐襯損耗監測技術原理分別設計兩回路電流采集電路，根據回路電流值對爐襯損耗狀況進行監測。

3）檢測棒回路電流采集電路：該電路用于工作人員對爐襯損耗狀況進行手動檢查。

4）隔離放大電路：該電路將各回路采集到的電流信號進行隔離，防止回路中的高壓及噪聲進入PLC 中損壞器件。經過隔離后，將電信號進行放大，以便主控器進行電信號采集。

5）直流供電模塊：該模塊通過整流電路獲得兩路直流電源，一路作為各回路電流采集電路電源，另一路為系統其他器件如PLC、聲光報警器等供電。為防止感應圈回路中高壓進入現場電源系統造成安全事故，本系統經隔離變壓器后再對交流電進行整流得到直流電源，接入回路。

6）光纖通信模塊：通過光纖與其他設備進行通信，可以避免現場的電磁干擾使得通信失敗。

7）MCGS 觸摸屏：在界面中，顯示各回路電流值并繪制其曲線，以便工作人員直觀獲取信息。同時在界面中顯示當前的報警狀態及報警信息，實現裝置信息可視化。

3 感應接觸式爐襯損耗監測設計

3.1 接觸式爐襯損耗監測

接觸式爐襯損耗監測裝置的工作原理如圖2 所示。將感應熔煉爐爐底接地的爐底探針作為第一電極，在石棉網與云母紙之間安裝中間金屬網，引出作為第二電極[7]，在兩電極間串聯低壓直流電源及采樣電阻。然后測量回路電流并通過濾波、隔離及放大電路將電信號輸入至主控器。由于感應熔煉爐爐襯會隨著使用過程逐漸出現損耗，絕緣阻抗降低，回路電流逐漸增大。當金屬爐料通過爐體損耗部位滲透到中間金屬網時，第一電極與第二電極間回路電流急速增大，達到報警閾值時，系統立即發出報警信息。

圖2 接觸式爐襯損耗監測裝置原理圖

在該技術實踐應用過程中，對筑爐工藝要求較高。在筑爐時，需要將金屬絲按照固定間距鋪設[8]，同時要求金屬網材料為非磁性不銹鋼，人力物力成本也較高。由于爐底探針與爐內熔融液體金屬爐料接觸，若在筑爐過程中金屬網引出線與爐底探針引出線接反，高溫會將金屬網引出線燒斷，導致該回路采集不到漏電流，更甚至熔融的金屬液體會滲透在感應圈上，導致短路，引發事故。可見接觸式爐襯損耗監測裝置在實際應用過程中，對工藝要求高、可靠性較低，故需要結合感應式爐襯損耗監測裝置，提高可靠性。

3.2 感應式爐襯損耗監測

感應式爐襯損耗監測裝置的工作原理如圖3 所示。從感應銅制線圈上引出一個電極，與爐底的電極構成回路，感應爐內金屬熔融爐料通過爐底的電極直接接地。在該回路中串入一個直流電源及大功率采樣電阻，使爐體、爐料、感應圈、采樣電阻、直流電源共同組成一個回路。在筑爐完成初期，煉鋼爐爐齡短、爐襯暫未出現損耗時，其絕緣阻抗較高，回路電流值小；隨著爐齡增加，爐襯出現損耗，絕緣阻抗降低，回路電流值增大。當電流值達到工作人員設定的報警值時，感應式爐襯損耗監測裝置發出報警，實現爐襯損耗監測。

圖3 感應式爐襯損耗監測裝置原理圖

感應熔煉爐在工作過程中，感應圈上的單相交流電會將直流電流信號掩蓋。故在該回路電流采樣電路設計過程中，首先根據交流電頻率設計LC 濾波電路，將交流電信號去除，提高直流電信號采集的信噪比。同時，由于該回路為高壓環境，故選用耐高壓、大功率器件設計電路，防止高壓對漏電流采集電路造成破壞。

由于在感應銅制線圈中，除高壓單相交流電外還包含直流分量，該直流分量與串入回路中的直流電源共同疊加在回路中后，使得回路電流增大，容易產生誤報警，因此在此處設計了反饋電路，將該直流分量去除。

4 系統硬件電路設計

4.1 漏電流采樣及放大電路

漏電流采樣電路原理圖如圖4 所示。熔煉爐感應圈引出線經LC 濾波去除交流成分后輸入該采樣路。R01、R02、R03 并聯后與R04 串聯接入漏電流值檢測回路，經串聯分壓后，取樣R04 兩端的電壓。隨著爐齡的增加，爐襯逐漸變薄，其阻抗隨之降低，采樣電壓逐漸升高。當出現漏爐時，爐襯阻抗近似為0，R04 上電壓達到最大。為防止熔煉爐感應圈引出線在現場環境中耦合共模干擾引起采樣電壓波動，故將采樣電壓經共模濾波電路濾除共模干擾后，輸出到隔離放大電路。

圖4 漏電流采樣電路原理圖

放大電路原理圖如圖5 所示。采樣信號進入該電路中，首先經過兩級RC 濾波輸入至放大電路，再經過一級RC 濾波保證采樣電壓信號平穩。將該直流電壓輸出到PLC 模擬量采集端口，從而完成漏電流值的采集。

圖5 放大電路原理圖

系統在工作中產生的歷史曲線如圖6 所示。由于中頻電源輸出的交流電中同時包含直流分量輸出在感應銅制線圈上，該直流分量與串入回路中的直流電源共同疊加在回路中后，使得電源回路漏電流出現波動，這樣就無法采集到有效的漏電流值，很容易導致系統產生誤報警，使得系統的可靠性變低。

圖6 電源漏電流值歷史曲線

4.2 反饋電壓采集電路

由于中頻電源輸出中包含的直流分量與中頻電壓成正比，此處將中頻電源輸出經變壓器采樣后，通過整流得到與中頻電壓波動同步的直流電壓，并通過運算放大器設計的減法器對采集電壓進行反饋。所設計的反饋電路如圖7 所示。現場中頻電壓經過變壓器后，輸入的交流電壓為0～10V。對其進行整流濾波獲得直流電壓，然后通過一級RC 濾波濾除回路中的諧波。為了防止加入負載后電壓降低，通過電壓跟隨器將電壓輸出并通過電位器W4、W5 調節兩路反饋電壓的幅值。同時，由于漏電流采集回路上存在LC 濾波電路及多級RC 濾波電路，因此需要保證反饋回路的電壓波動與采集回路的波動同步，所以可通過調整反饋回路中的W6 電位器來實現調整RC 濾波的時間常數，從而進一步降低漏電流值的波動。

圖7 反饋電壓采集電路原理圖

4.3 漏電流值采集反饋電路

漏電流值采集反饋電路如圖8 所示，它是一個減法器電路。將采集到的電壓與反饋電壓相減，就可將采集到的電壓中由中頻電源串入的直流干擾去除掉，使采集到的電壓保持穩定，從而得到電源漏電流的有效值。

圖8 漏電流值采集反饋電路原理圖

4.4 實驗驗證

通過實驗對上述設計進行驗證，實驗得到的電源漏電流歷史曲線如圖9 所示。可見，在本設計中，經過處理后的電源漏電流值波動明顯降低，系統的穩定性和可靠性大大提升，利用感應接觸式爐襯監測技術確實能夠實現對爐襯損耗狀態的有效監測。

圖9 電源漏電流歷史曲線實測圖

5 結束語

所設計的熔煉爐爐襯損耗監測系統是針對接觸式和感應式監測技術采集到的電路回路電流信號進行處理，包括對數據的采集、處理、分析、顯示等，可有效避免感應爐在長期的生產過程中因由多種原因導致的漏爐事故的發生。該系統應用范圍廣，安全可靠，能準確及時提供報警信息，使用方便，在使用感應爐的生產過程中有較高的應用價值。