RH 精炼炉顶枪控制系统优化

　　摘要：RH 顶枪的主要作用是加热炉体、在真空环境下吹氧脱碳，同时加热钢水，进行喷吹粉 剂脱硫、脱磷等。顶枪控制系统是顶枪工艺过程的控制环节，直接影响钢水真空精炼工艺的 控制准确性、生产的稳定性和安全性。针对顶枪在抱闸过程的“下溜”、精准定位顶枪位置 和发生断电故障时如何处理三方面问题进行分析，同时分别从变频器、故障提升、编码器对 顶枪的控制进行分析与优化。结合某钢厂 RH 顶枪的实际运行情况，在冶炼过程中进行优化 有效地避免事故发生，提高设备使用安全。

　　关键词：顶枪控制系统;变频器;编码器;气动提升;系统优化

　　0 引言

　　现代社会的发展对钢质量提出了更高的需求，由此对 RH 真空脱气、夹杂物处理等精炼 环节提出了更高的要求。RH 真空精炼装置具有精炼效果好、操作简单、单体生产能力强、处 理时间短的优点[1]。

　　钢水质量的好坏和产量的高低与工艺检测是否准确、自动化程度的高低 相关，及时准确的检测信息和高水平的自控能力是满足稳定、精准控制的前提。RH 精炼炉系 统的主要组成部分包括钢包车系统、液压系统、环流系统、真空槽车系统、加料系统、顶枪系统、烘烤枪系统等[2]。其中顶枪控制系统是精炼炉系统的一个重要子系统，主要担负着精 炼前炉内的大气加热、精炼过程中的真空吹氧、精炼结束后的吹氧化渣等功能。

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　　顶枪在运行过程中，抱闸提前动作和抱闸延迟[3]，以及由此产生的位置偏差，会对炼钢生 产带来影响，严重的可能危害生产安全。近年来，国内多家炼钢公司对于产生的位置误差采 用激光测距与编码器相结合的方式，虽然可以得到准确的位置高度，但是未能在准确的位置 抱闸 [4]。对于事故提升的方式，许多钢厂采用气动提升方式，发生停电故障时，需要操作工 到顶枪平台手动扳动离合器才能提升。

　　1 顶枪系统的基本结构与问题分析

　　1.1 顶枪系统的基本结构

　　顶枪的升降装置主要由枪架子、升降传动装置、链条、密封气囊、金属软管等部分组成 [5]。枪体由枪架子夹持，枪架子上下由链条带动可在工作位和待机位进行垂直的上下移动， 顶枪升降装置共有 4 个限位[6]。顶枪变频装置采用矢量控制，每台变频器对应一台电动机， 均为带编码器矢量控制，抱闸采用 PLC 控制。

　　顶枪系统的控制对象包括顶枪枪体以及顶枪对应的阀站。顶枪升降装置采用齿轮减速电 机进行驱动，通过链轮链条带动升降小车进行升降。顶枪升降在吹氧位、加热位的定位由旋 转编码器进行控制，旋转编码器安装在链轮轴端部，通过计算链轮轴的旋转圈数来进行精确 定位[7-8]。为防止旋转编码器失效，还设置了 2 个行程开关作为上、下 2 个极限位的过极限保 护[9]。

　　1.2 顶枪系统的问题分析

　　(1)由于顶枪是垂直运动的，抱闸打开时，若控制不当，由于重力作用，枪体会下滑。 在生产过程中，这种现象会造成危险，若炉内有钢水，可能会导致炉内钢水喷溅或枪体损坏 [10]。 (2)顶枪吹氧的位置对钢水质量有重要意义，顶枪枪体运行过程中采用编码器测量值来 确定顶枪所在位置，整段运行需要在多个位置进行工艺处理，所以停止位置的准确性很重要。 (3)当钢厂遇到停电故障时，需要紧急提枪以保护枪体，防止发生设备事故。断电后，无法采用电机转动提枪，采用气动马达形式可以将枪体升至安全位置，保护设备安全。

　　2 RH 顶枪控制的优化

　　2.1 抱闸模块的改进

　　针对顶枪抱闸打开时顶枪稍有下降的现象，通过分析顶枪电流和转矩趋势图发现，“下 溜”现象产生的原因是抱闸打开时变频器还没有建立足够的初始转矩，无法承受顶枪枪体的 质量。通过对顶枪变频器参数的修改，使变频器输出足够大的力矩后再打开抱闸，可以使顶 枪正常提升，避免瞬间启动后出现“下溜”现象。

　　修改参数前提枪的瞬间转 速的反馈信号为负值，修改参数后提枪的瞬间实际转速没有负反馈。这说明参数的修改可以 解决提枪瞬间枪体“下溜”的现象。结合某钢厂顶枪系统的运行状态，证明该参数的修改可 以保证顶枪系统稳定运行，未发生枪体运动瞬间下滑的现象，同时稳定的启动能有效地减少 对电气系统的冲击，避免事故的发生。

　　2.2 故障提升系统

　　若钢厂突遇故障发生停电，顶枪系统有两种紧急处理方案：一是通过不间断电源 (uninterrupted power supply，UPS)或紧急电力供给(emergency power supply,EPS)给顶枪 电机供电提枪;二是有制动器、气动马达、离合器等组成气动控制系统进行提枪。两者相比， 由于故障提升属于偶然事件，不间断电源在长期不使用可能导致性能不佳，所以相比而言气 动提枪的性价比较高，使用更为可靠。 顶枪的气动控制系统包含顶枪、升降小车、减速电机、联轴器、气动马达、气缸、连接 器、制动器。发生断电时，操作工按下 HMI 画面上的启动按钮，即可进行顶枪故障提升。

　　点击 HMI 画面上的“启动”按钮，提升自动 流程开始，动作依次为气囊打开、离合动作、气动马达启动、电机抱闸打开，顶枪开始上升。 到达上限位后，流程结束，抱闸关闭、马达停止、离合松开，上升流程完成。期间有异常状 况发生时，可以手动停止流程。控制气路通过气控柜，柜内有输入、输出接口，气路通过气 管分别输送到各个动力传动部件(制动器、离合器、气动马达)。阀站内设有两个电磁阀[11]，分别为顶枪升降电机打开电磁阀、顶枪气动马达启动电磁 阀。

　　压缩空气通过软管分为三路：第 1 路通过电磁阀来控制气动马达连接和分离阀门，同时 PLC 采集阀门打开和关闭信号;第 2 路通过电磁阀控制气动马达启动;第 3 路通过电磁阀控 制升降电机松闸阀门，同时该支路设有压力开关来显示升降电机的抱闸状态。以前钢厂使用的事故提升系统一般需要操作工到达顶枪平台按下操作箱上的事故提升按 钮，同时手动打开气动马达连接器，枪体才开始进行气动提升。本文通过设置 4 个电磁阀， 通过 PLC 对阀门的控制可以使控制方式变为自动，一般事故提升较为紧急，由于顶枪平台离 主控室较远，在控制室的 HMI 画面上操作，方便操作工及时启动故障提升装置。

　　2.3 编码器信号的优化

　　精炼过程中，顶枪需要在多个位置进行工艺处理，包括吹氧脱碳区、大气加热区和吹氧 化渣区[12]，传统的控制方式是利用固定的机械限位来限制顶枪的几个极限位置，通过在程序 中设定所需要的精确定位，齿轮电机控制枪体进行上下移动。顶枪运行至目标位置后停止， 但是由于惯性需要对顶枪位置进行微调，导致顶枪的变频器在短时间内进行正反向转动，长 期微调会导致变频电机瞬间电流过大，减少变频器使用寿命。为了减轻对变频器的损耗，提 出一种编码器优化的计算方法。在实际行程中，顶枪运行时的减速距离和停止距离基本为定 值。

　　3 结论

　　(1)对于枪体在运行瞬间发生“下溜”现象，通过对变频器的参数修改，增加初始转矩 的大小，使枪提升瞬间能够将枪体抱紧。

　　(2)对于发生故障无法进行提枪操作，设置故障提升装置，增设顶枪阀站，利用电磁阀 控制的方式，在 HMI 画面上进行事故提升的自动模式，可以及时将枪体提出，减少枪体损坏， 通过某钢厂试验采用事故提升装置，可在 90 s 内将枪体提升至上极限位。

　　(3)对于枪体运行过程能准确定位位置，在运行过程中增加减速区，利用这种方式可以 使枪体到达目标位置的时间减少 10 s 左右，同时减少停枪位置误差。通过在某钢厂经冶炼过程的试验应用，有效减少由于顶枪产生的故障，冶炼过程正常，稳定性良好 。

　　参考文献：

　　[1] Zhu B, Chattopadhyay K, Hu X, et al. Optimization of sampling location in the ladle during RH vacuum refining process[J]. Vacuum, 2015:S0042207X1830143X.

　　[2] 李瑞波,何俊正,贺恩成,等.RH真空处理装置的应用[J].自动化应用,2010(6):12.(LI Ruibo,HE Junzheng,HE Encheng,et al.Application of RH vacuum treatment device[J].Applications of Automation,2010(6):12.)

　　[3] 乔卫恒.钢铁冶炼中氧枪控制系统的创新研究[J].山西冶金,2020,43(4):116.(QIAO Weiheng.Innovative research on oxygen lance control system in iron and steel smelting[J].Shanxi Metallurgy,2020,43(4):116.)

　　作者：毛家怡 1，赵锋辉 1，董 波 1，刘溪庆 2，郭高鑫 1，高 静 1

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