钢铁冶炼中氧枪控制系统的创新研究

乔卫恒

（济钢集团有限公司资产管理部，山东 济南250101）

1 项目概况

炼钢厂生产车间中氧枪设备是重要生产设备之一，因此氧枪电力控制设备是转炉主要的电力传动设备。转炉的氧枪控制作为炼钢车间电气传动控制系统中的关键部分，炼钢转炉系统氧枪电机的控制直接关系到生产的连贯性、可靠性及生产效率。济钢集团炼钢厂生产车间全部实现PLC控制自动化生产，氧枪控制系统是PLC控制系统的关系子系统，主要实现对从转炉顶部进行吹氧冶炼的氧枪的升降控制作业。从济钢集团有限公司（全文简称济钢）炼钢厂氧枪控制系统的动作实践过程可知，氧枪的升降作业常常出现误差，会出现抱闸提前动作和抱闸滞后动作，都会给炼钢厂车间的生产带来影响，危害安全生产。

针对济钢炼钢厂氧枪控制系统氧枪的升降作业的作业误差现象，从氧枪控制系统的原理和工作过程着手，分析了氧枪控制系统影响安全运行的关键因素，主要是氧枪控制系统提升瞬间“下溜”及运行过程中“溜车”现象。针对这二种情况进行了相应的氧枪控制系统的创新改进设计，希望能有效解决氧枪抱闸问题，保障济钢集团炼钢厂氧枪控制系统的安全稳定运行。

2 氧枪控制系统概述

在转炉炼钢生产过程中，氧枪系统的控制是非常重要的环节，氧枪系统的控制可以直接影响转炉炼钢钢水质量，同时保障车间生产的安全性和高效性。基于氧枪控制系统的组成，阐述了氧枪控制系统各部分的功能及控制方式，并就氧枪系统在运行过程中出现的问题进行分析。

2.1 氧枪的传动控制

氧枪系统为双小车双卷扬系统装置，一座转炉装有两套氧枪，变频装置采用矢量控制方式，两台电动机（一工作一备用）用于氧枪作业，二对二方式。正常生产中，两支氧枪的变频器、升降电机可以做到互为备用。

2.2 氧枪的抱闸控制

氧枪抱闸由PLC控制抱闸供电为有后备电源的两路电源，电源切换自动完成并采用失电抱闸控制方式。

氧枪电机控制系统具备合闸条件后，主控室发出合闸指令，此时氧枪电机进入预励磁阶段，当预励磁结束、此时有操作指令时，报闸打开，氧枪动作。

抱闸的打开：氧枪启动命令发出后，电机预励磁结束后，PLC控制抱闸打开，氧枪开始下降，此时氧枪电机并没有建立足够的力矩，启动瞬间随重力下降一定距离再进行提升动作。抱闸的关闭：氧枪停止命令发出后，氧枪电机速度未降低到较低速度的情况下，抱闸立即关闭。

2.3 氧枪系统出现的隐患及分析

1）从车间实践观察情况发现，氧枪提升启动瞬间，抱闸打开后氧枪出现20～50 mm的下降后再恢复正常提升。该情况会导致氧枪出现坠枪危险，有时会导致钢水喷溅安全事故发生，另外有时会损坏氧枪枪体。该安全隐患的出现主要是由于抱闸打开过早，变频器无足够初始转矩，导致氧枪溜枪现象发生，对机械、电气传动系统有很大的影响。

2）另外在生产实践中氧枪出现提升或下降时“溜车”现象，分析原因主要是设备在启动、运行过程中编码器发生故障导致，危害巨大。对于提升系统来说，在提升或下降时“溜车”的现象，对生产系统及设备本身都将产生一定的影响。而采用变频器本身的逻辑控制功能来控制抱闸的输出时，安全性更能得到保证，控制更可靠，依据前段提出的抱闸控制的特点，构建氧枪控制系统改进抱闸模块的设计思路，实现对氧枪系统的精确控制通过对氧枪系统的设备组成及各部分控制功能的介绍，并结合氧枪机械传动的特点，以及对氧枪系统抱闸控制的分析，提出了基于氧枪控制系统改进抱闸模块的设计思想。其主要作用是加大系统的静态力矩，提高控制系统的可靠性和安全性。

3 氧枪变频控制系统的创新改进设计

本节对氧枪变频控制系统的改进设计，模块改造的实现过程，以及实验结果进行详细分析。

3.1 抱闸模块的改进设计

针对氧枪提升启动瞬间抱闸打开后氧枪出现的下降情况对抱闸模块进行如下改进设计。在氧枪变频柜抱闸控制回路中新增一个继电器，此继电器的打开和关闭完全由氧枪变频器控制。将抱闸打开电流阀值设定在50%，将变频器的参数设置在较好状态，可以使得变频器输出足够大力矩后再打开抱闸，从而可以维持零速满力矩运行作业，该设计可以保障氧枪正常提升，而不再出现瞬间下溜现象。

3.2 偏差模块的改进

针对氧枪出现提升或下降时“溜车”现象情况对偏差模块进行如下改进设计。在氧枪变频柜控制系统中加入偏差控制模块，同时设定偏差模块的参数在一个合适状态，当变频器输出至电机的给定转速与编码器反馈回的实际转速偏差若在1.5 s内持续在6%以上，变频器将默认为F150故障，同时抱闸线圈失电，抱闸将抱死，从而可以有效避免“溜车”现象的发生。

3.3 实验结果分析

在现场中通过DRIVE MORNITOR软件监视氧枪变频器的各种参数，得到1号脱磷1号氧枪变频器的各种运行数据。从运行数据中看出在改动前提升瞬间转速反馈为负，从运行数据中可以看出在改动设计后提升瞬间实际转速无负反馈现象，这一数据充分证明改进设计及参数的调整能有效的抑制氧枪提升启动瞬间溜车的现象。从改进设计及参数的调整的整体运行状况来看，氧枪控制系统运行非常稳定，氧枪升降作业的可靠性和安全性大幅度提高，同时有效的减少了氧枪控制系统对机械、电气传动系统的冲击，避免氧枪坠枪安全事故发生。从工厂实际应用出发，根据氧枪机构负载的控制特点以及现场具体情况，通过对氧枪系统的抱闸控制进行深入分析，对抱闸模块控制系统的设计过程进行了详细描述，现场实验结果证明了抱闸模块控制的有效性。

4 结论

本文以济钢炼钢厂氧枪系统为研究背景，针对氧枪系统提升瞬间“下溜”及运行过程中“溜车”的问题展开研究。论文中对氧枪原有控制系统存在的不足进行了分析，结合现有设备及控制系统的状况，提出了在控制系统中增加抱闸模块及偏差模块的控制策略。通过研究，得出以下结论：

1）抱闸控制系统利用逆变器内部的功能块进行组态，利用变频器自身的参数功能控制抱闸的动作安全性、可靠性高。

2）增加抱闸模块及偏差模块控制后，启动时系统能在更短的时间内达到稳态，稳定性好。

3）改造后的系统电控设备线路简化，优化了逆变器内部可控参数，安全效益经济效益得到了大幅度的提升，有效提高了生产车间的安全系数，避免重大安全事故的发生。