转炉实训教学系统设计与研制

罗志国，姜茂发，邹宗树，茹家胜

（东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110819）

钢铁冶金专业是工程实践性很强的专业，需要在实践中提高学生的综合分析和运用能力。然而钢铁冶金生产过程是个连续的工业过程，实际生产中一般不允许改变工艺参数，所以学生到工厂实习的效果不是很理想。另外，考虑安全等因素，在实习过程中学生不可能有机会亲自动手操作。这就使理论教学与实践环节严重脱节［1－4］。为弥补当前专业实践教学的不足，促进学生对钢铁冶金专业基础知识以及工艺和设备的理解，研制相关的钢铁冶金工艺实训装置，创造逼真的钢铁冶金生产环境是十分必要的，该种实训装置是加深学生对钢铁冶金生产过程的理解、提高工程实践能力和创新能力、保证冶金工程专业课程教学质量的基础之一［5－6］。由此，我们开发了钢铁冶金系列实践教学模型，转炉实训装置是其中之一。

1 氧化顶吹转炉生产工艺过程

氧气顶吹转炉（BOF）炼钢设备工艺过程如下：先把废钢等装入炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气（纯度大于99%的高压氧气流），使它直接跟高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。用纯氧代替空气可以克服由于空气里的氮气的影响而使钢质变脆，以及氮气排出时带走热量的缺点。在除去大部分硫、磷后，当钢水的成分和温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。出钢时使炉体倾斜，钢水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧和调节成分。

2 实训装置机械设备

转炉实训装置（见图1）主要包括4部分：转炉炉体、氧枪及氧枪升降机构、转炉倾动机构、底吹系统。

（1）转炉模型：根据按实际工厂转炉，按1∶6比例利用有机玻璃［7］制作。

（2）氧枪及氧枪升降机构：不锈钢质加有机玻璃枪头；行程为1 200mm，精度为0.02mm；配有上下限位装置；提升方式为交流电动机拖动丝杠，提升速度为400～800mm/min；利用变频器对升降速度进行控制。

（3）转炉倾动机构：转炉耳轴利用不锈钢制作，中心为空，可通气体管路，利用变频器对转炉倾动速度进行控制［8］，转动速度为0～2r/min。

（4）底吹系统：在转炉底部不同圆周处布置一系列底吹孔，可用来研究不同底吹布置对均混时间的影响。

图1 转炉过程实训装置

3 实训装置控制系统

控制系统采用机电一体化控制柜，控制柜内安放计算机系统、变频器、PLC、断路器和接触器等设备。控制柜面板上安装控制按钮，用于氧枪升降和转炉倾动的就地手动控制。计算机的串口和PLC的MPI接口之间通过PC/MPI连接电缆实现。

控制模式包括远程自动控制、远程手动控制和就地手动控制3种模式。远程自动控制：系统和设备由PLC直接控制，运行过程中操作人员的干预量最小，PLC内部程序能按工艺要求进行相应的保护和闭锁。远程手动控制：由操作人员通过人机界面接口进行操作。就地手动控制：在现场通过控制箱上的按钮开关对各电机、阀门实现手动操作控制，便于调校设备。

实训装置控制系统采用两级控制。下位机为西门子S7－300可编程序控制器（PLC），完成数据采集、闭环控制及逻辑控制功能。上位机采用主控计算机，主要完成动态流程图显示、工艺参数设置、自动与手动切换、喷枪的升降、转炉炉体转动和阀门的开关控制等功能［9］。

4 实训系统软件设计

本设计选用性价比好的国产紫金桥组态软件。将组态软件和PLC控制系统相结合，以组态软件为基础，进行二次开发［10－12］。组态设计包括系统流程主画面、转炉倾动画面、氧枪控制画面、底吹控制画面、辅原料加入系统画面、主要参数的实时曲线图、主要参数的历史曲线图等。能完成生产工艺全过程的远程手动、自动控制以及实时数据采集和数据管理，具有历史画面、实时画面显示、数据归档、各种报表的生成及打印等完善的功能。按照系统工艺及控制要求，自动程序的各步序之间都有严格的转换条件和连锁关系，以确保系统工艺的顺利完成。各界面见图2—图5。

图2 BOF过程主界面

图3 转炉倾动系统界面

图4 底吹系统界面

图5 辅原料加料系统界面

5 结论

通过研制与开发转炉实训仿真模型，实现了教学内容形象化、时空化，拉近课堂与实践的距离。系统运行一年来，取得了良好的教学效果。本系统在实践教学中具有如下特性：

（1）适用性：该实训教学系统以其直观的形式，使学生全面了解生产，提高了教学的时效性。通过建立逼真的模拟环境，弥补了现场实习只能看不能动的不足。

（2）综合性：该实训教学系统整合计算机模拟技术、机械传动系统、电机驱动技术等，能完成钢铁冶金工艺及操作、传感器、PLC控制技术、电气控制系统、机械系统安装调试、电机驱动技术、系统维护和故障检测技术及组态监控技术等综合实践教学。

（3）灵活性：该实训教学系统可以适合钢铁冶金、机械、自动化、计算机等不同专业，可同时满足学生认识实习、生产实习、毕业实习等实训环节的要求，因此，具有较强的灵活性和较为广泛的适应性。另一方面，学生在实训过程中，不但可随时预约进行实验，还可体会操作条件、程序改变对生产的影响，使学生加深对实践知识的理解。

（4）安全性：钢铁冶金生产过程复杂化和连续性程度高，随时随处都有安全隐患存在。学生进入现场学习实践就不可避免地面临安全问题。该实训教学系统为师生提供了一个安全的学习和实践平台，可在较为轻松的环境中完成教学任务，获得知识和技能。

（5）实用性：由于现有教学模式培养的冶金类专业毕业生对实际操作过程感性认识差，在分配至该岗位后进入角色慢，工厂往往需要耗费大量时间、精力与成本对毕业生进行再培训。通过采用该实训教学系统，使教学紧跟生产实际，使学生步入工作之前就进行了必要的与现场控制最相近的操作训练，获得实践技能，符合并满足未来生产的要求。

（

）

［1］王鑫国，刘建峰，陆金桂.传热实训装置控制系统的设计与实现［J］.自动化与仪表，2010（12）：37－41.

［2］王刚，王瑶，袁率，等.化工原理传热实验数测平台Xworks系统的设计与实现［J］.实验技术与管理，2003，20（5）：34－37.

［3］张华，倪红卫，何环宇，等.冶金工程专业生产实习教学改革探索［J］.中国冶金教育，2009（4）：58－60.

［4］张倩影，吕俊杰.加强实习教学规范化建设培养高素质冶金人才［J］.中国冶金教育，2010（4）：78－80.

［5］姜平国，佟志芳，廖春发.冶金工程专业应用型人才培养的实践教学改革［J］.江西理工大学学报，2011，32（4）：55－57.

［6］张金锋，李艳，田合雷，等.做好实验教学是解决高校毕业生就业的一种有效途径［J］.沈阳教育学院学报，2010，12（6）：68－70.

［7］王艳国，聂云，吕平，等.全玻璃化工仿真装置实训教学的研究与实践［J］.中国现代教育装备，2005（5）：73－76.

［8］宋爽，宋兵，王明英，等.变频技术在钢铁冶金行业的应用［J］.科技信息，2007（7）：77－78.

［9］张洪欣，姜宁.机电一体化教学实训系统的设计与研制［J］.机械制造与研究，2006，35（6）：67－68.

［10］俞海珍，史旭华，蓝林花.基于组态技术的PLC实验教学平台设计与实现［J］.宁波大学学报，2010，23（1）：42－45.

［11］王月芹.基于组态的PLC实验仿真系统的开发［J］.广西轻工业，2009（8）：60－62.

［12］刘小春.基于组态控制技术的PLC实验开发［J］.机械制造与自动化，2006，35（3）：114－116.