顶吹转炉驱动控制系统设计及应用

孙宝华

（江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌 330031）

顶吹转炉驱动控制系统设计及应用

孙宝华

（江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌 330031）

针对一种可纵向回转、横向倾转的冶金熔炼炉,采用全数字直流调速模块对炉体的旋转、倾转驱动电机进行实时监控,接收现场一次仪表所采集的数据,辅以PLC系统的程序调节和控制,实现各驱动电机的实时同步、主从跟随,以及回转/倾转工作方式的平滑切换,满足生产工艺的要求,实现了操作的完全可控性、稳定性和可靠性。

顶吹转炉；驱动控制系统；PLC控制；废杂铜；熔炼

废杂铜因其良好的再生利用特性,一直是铜冶炼和加工工业的重要原料。随着国民经济各领域用铜量的不断增加,再生铜产业的比重将会逐步上升。但是我国再生铜循环利用的水平与国外相比存在很大的差距,突出表现在产业集中度低、技术装备水平落后、综合能耗高、污染物排放严重、资源有效利用率低[1]等方面。针对国内废杂铜冶炼技术长期落后,而先进技术和装备依赖进口的局面,最近国内已有一些拥有自主知识产权的先进技术和装备相继出现,并在一些大型废杂铜冶炼项目中得到推广应用[2]。

顶吹转炉作为一种火法冶炼固体废杂铜的专用工业炉具,工艺实质上是一种富氧顶吹技术。该工艺具有原料适应性强、综合能耗低、生产周期短、自动化程度高、环保效果好、生产成本低等优点,可处理各种品位的废杂铜，具有广阔的应用前景[3-4]。由于该炉形可纵向回转、横向倾转,由5台直流电机及1台交流电机驱动,因此驱动控制系统的设计在整个工艺中显得尤为重要。本文拟通过工程实例探讨此类顶吹转炉驱动控制系统的设计与应用情况，以期实现顶吹转炉操作的完全可控性、稳定性和可靠性。

1 工艺过程描述

顶吹转炉炉体呈中间大、两头略小的圆筒形,由5台直流电机及1台交流电机驱动,可以作水平轴向360°倾转运动,又可以作垂直径向360°回转运动。炉内砌筑铬镁砖,燃烧喷枪和吹炼喷枪以一定的角度插入炉内所需位置,并通过它们分别向炉内吹入氧气、天然气,进行物料的软化、熔炼、吹炼。物料通过装载车加入加料车,利用加料卷扬机驱动加料车上下往复加料。炉体正下方设有抬包车,包子被推到放铜水和放废渣的位置，包子随抬包车在轨道上来回运动。

顶吹转炉炉体运动分为回转运动和倾转运动两种。根据工艺要求,进行物料的软化、熔炼、吹炼生产作业时,炉体需要进行回转运动;进行加料、倒铜、倒渣生产作业时,炉体需要进行倾转运动[5]。回转运动和倾转运动之间互锁：回转时倾转不能够动作，倾转时回转不能够动作。

1.1 回转运动

炉体回转运动是通过4台直流电机驱动,炉体回转速度在0～15 rpm之间可调,每台电机带速度编码器,用于电机速度的反馈控制。其中,1#直流电机和3#直流电机带制动器,回转运动发生时,制动器松闸;回转运动停止时,制动器抱闸,确保炉体回转运动平稳安全。

1.2 倾转运动

倾转运动分为正常状态倾转和事故状态倾转。正常状态倾转由1台直流电机驱动,事故状态倾转由1台交流电机驱动。在直流电机驱动出现故障时,手动操作离合器，切换到事故驱动装置。正常状态下，炉体倾转速度在0～1 rpm之间可调，电机带速度编码器，用于电机速度的反馈控制。事故状态下,炉子倾转速度为0.1 rpm,速度不可调。倾转运动发生时,制动器松闸;倾转运动停止时,制动器抱闸。炉体倾转中心轴设有倾转角度编码器,用于倾转角度的控制和显示,并且在炉体特定角度位置设置机械限位,保证炉体倾转运动平稳安全。

2 控制系统实施

2.1 驱动控制系统描述

某铜冶炼厂实施的顶吹转炉驱动控制系统结构如图1所示。

图1 顶吹转炉驱动控制系统结构

图1中,直流电机与炉体相连,一部分直流电机驱动炉体回转,另一部分驱动炉体倾转。直流电机驱动装置与直流电机一一对应地相连以便控制。控制器与直流电机驱动装置均相连,炉体回转时,由控制器向控制炉体回转的直流电机的驱动装置发送指令,以便其通过相应的直流电机控制炉体回转;炉体进行倾转时,控制器向控制炉体倾转的直流电机的驱动装置发送控制指令，以便其通过相应的直流电机控制炉体倾转。

交流电机驱动装置与交流电机相连,交流电机与炉体相连。交流电机驱动装置通过对交流电机进行控制实现对炉体的倾转驱动。当炉体进行倾转,控制炉体倾转的直流电机驱动装置发生异常时,控制器向交流电机驱动装置发送控制指令以便通过交流电机控制炉体倾转。这保证了在直流电机故障以及断电的突发情况下,炉体仍能安全可靠地运行,提高生产效率。

2.2 驱动控制系统实施

以图1为依据,采用交直流电机驱动的顶吹转炉驱动控制系统示意见图2。

图2 交直流电机驱动的顶吹转炉驱动控制系统

某大型废杂铜冶炼厂采用了上述交直流电机驱动的顶吹转炉驱动控制系统，4台回转直流电机和1台倾转直流电机均采用ABB公司DMI250P型直流电机,电机额定电压DC440V,额定电流DC409A,额定输出功率158 kW。1台倾转直流电机采用ABB公司M2QA型交流电机,电机额定电压AC380V,额定电流AC23.61 A,额定输出功率11 kW。

驱动控制系统采用4层结构。第1层为交直流电机，4台回转直流电机驱动炉体作径向360°回转运动,1台倾转直流电机和1台倾转交流电机驱动炉体作轴向360°倾转运动，通过机械联动装置,使电机输出的动能平稳有效地驱动炉体。第2层为交直流电机驱动装置,4台回转直流电机驱动装置分别驱动对应的回转直流电机,1台倾转直流电机驱动装置驱动倾转直流电机，1台倾转交流电机驱动装置驱动倾转交流电机。1#回转直流电机驱动装置为主驱动,2#、3#、4#回转直流电机驱动装置为从驱动,1#回转直流电机驱动装置接受启停、正反转控制指令，2#、3#、4#回转直流电机驱动装置通过主从通讯方式与1#回转直流电机驱动装置同步动作。直流电机驱动装置接受对应电机速度编码器速度反馈信号,输出直流电机转速信号和电流信号,输出运行、故障、零速信号,输出松闸指令。第3层为可编程控制器,根据现场采集到的炉体倾转角度信号和控制信号，控制1#回转直流电机驱动装置、倾转直流电机驱动装置和倾转交流电机驱动装置的启停、正反转和转速,并根据工艺生产要求,作连锁控制。第4层为工作站,工作站集成人机界面与可编程控制器通过工业以太网通讯,具有输出控制指令、显示驱动装置状态、显示炉体工况、打印归档报表等功能。

2.3 实施效果

根据生产工艺,按照上述控制系统进行实施,具体实施效果通过4台电机的工作电流情况反应出来。其中,4台回转直流电机工作电流通过趋势曲线在WinCC监控画面上显示。

图3(a)所示为4台回转直流电机工作电流。从图中可得知4台回转直流电机同步运行效果较好; (b)为(a)中工作电流放大图,能更清楚地显示电机工作情况。图3(c)为物料由固态逐渐软化的电流趋势图。物料软化后,物料对炉壁的冲击和摩擦减小,电机电流逐渐减小,通过电流变化可以评判炉内物料软化程度。

图3 4台电机工作电流趋势

3 结论

炉体回转运动时,通过对1台主直流电机驱动控制和采用主从通讯方式对3台直流电机的驱动控制,实现了4台直流电机的同步运动,确保炉体平稳回转。炉体倾转运动时,通过对1台主直流电机和1台事故交流电机的驱动控制,满足了正常生产要求并保证事故状态下炉体的安全。

[1] 姚素平.我国废杂铜冶炼技术进步与展望[J].有色金属工程,2011, 1(1):14-17.

[2] 陈波.低品位杂铜冶炼新工艺的发展与评述[J].有色冶金设计与研究,2010,31(3):16-20.

[3] 姚素平.NGL炉精炼废杂铜工艺及其应用[J].有色金属：冶炼部分,2010(6):13-15.

[4] 陆军.卡尔多炉处理废杂铜技术[J].有色冶金设计与研究,2008, 29(4):13-16.

[5] 周瑞生.贵溪冶炼厂卡尔多炉杂铜冶炼的生产实践[J].有色金属：冶炼部分,2011(2):46-48.

Design and Application of Top-blown CF Drive Control System

SUN Baohua
(Jiangxi Nerin Electric Automation Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

For one metallurgical smelting furnace that can be longitudinally back-rotated and laterally tilt-rotated,full-digital DC speed control module should be adopted for real-time monitoring of furnace drive motor with rotation and tilt-rotation,the data collected by primary instrument should be received along with program adjustment and control of PLC system to accomplish smooth switch of real-time synchronization,master-slave follow and back rotation/tilt-rotation working method,by which controllability, stability and reliability of operation can be reached and requirement of production process can be satisfied.

top-blown CF;drive control system;PLC system;copper scrap;smelting

TP273

B

1004-4345(2014)04-0043-03

2014-04-09

孙宝华(1985—),男,工程师,主要从事电气自动化设计工作。