大型转炉倾转控制系统设计改进及其优化

童想胜，张伟旗

（1.江西铜业集团贵溪冶炼厂，江西贵溪 335424；2.江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

铜精矿经闪速炉熔炼，只是除掉铜精矿中的脉石和部分硫和铁，而铜仍以硫化物与铁的硫化物组成冰铜，冰铜由包子吊车装入转炉，进行送风吹炼，脱除“冰铜”中的硫和铁后得到粗铜。而转炉冶炼是有色金属熔炼最常用的冶炼方法之一，其突出特点是低速重载、频繁起制动、正反转、冲击载荷大。其吹炼过程分周期作业，包括造渣期和造铜期。转炉供风是通过浸埋在铜液中的风管，向炉内熔体鼓风，既要克服风眼上部熔体的静压，又要保证炉内铜液的充分搅拌。正常吹炼作业时，转炉风口浸泡在铜液内，当转炉送风机、排烟风机停机、送风阀全开限位脱开、总风管压力＜0.05MPa、偶尔停电停风或内压不足时，转炉须转动，使风口脱离铜液，保证风眼不被灌死。

国内某特大型铜冶炼厂一系列于建厂初期从日本引进大型转炉共3 台，由于设备制造厂家转炉工艺存在设计误差，未曾考虑到某些特例，易造成风眼被灌死，就必须倒出炉子内的铜液，且需在其他炉子有装入容量时才能倒入，或用空包子倒出，中间物料多，需再次回炉处理，不仅影响炉龄，还因检修时间过长，会打乱整个熔炼系统的生产周期。由于铜熔炼工艺较复杂，转炉动作频繁，炉内的炽热铜液及炉体倾转产生的巨大惯性力等，因而其产品质量和安全稳定性主要取决于转炉倾转控制水平的高低。

1 系统设计原理

转炉吹炼过程是发生在一个复杂的高温多相流体系，涉及到多相间的流动并耦合着传热、传质、相变及化学反应等[1]。其最核心的功能就是按照设定的程序，由PLC 控制相应设备的动作，使转炉倾转至各种指定的角度，事故倾转则是吹炼作业过程中与之相连锁的重要环节。炉体在满足事故倾转条件下会自行倾转，使风口脱离铜液面。该系统的送风、停风及事故倾转等动作极为关键，皆需检测正确的炉倾角。

转炉作业过程中，炉体主要承受热应力和机械应力，其中热应力会随着转炉溅渣工艺、内衬结构设计变化而改变，不确定性强。其影响主因有炉壳耐材厚度、导热系数及炉壳结构，炉壳在纵向、径向上产生的温度梯度应力大，炉壳与耐材之间的温度、热膨胀系数差异大，导致炉体产生热膨胀应力；转炉炉壳的热应力主要集中在炉身直线段、炉壳下过渡段，且前者只依靠自然对流散热作用；机械应力是指炉体在倾动、吹炼等过程中所产生的动载荷，以及由炉体自重、铜液等质量所产生的应力，由于在炉体设计时已充分考虑，故可忽略[2，3]。

转炉倾转装置由电动机通过传动机构带动大齿圈，可驱使炉体正、反向倾转。通过LS 装置检测炉体角度并控制炉体倾转，采用专用抱闸控制装置让炉体制动。减速机出力轴的对侧设有旋转形的限位LS 装置，且以与小齿轮、大齿圈相同的减速比减速，即炉体和LS 凸轮轴旋转速度一致。转炉倾转装置结构示意图，见图1。

图1 转炉倾转装置结构示意图

转炉倾转控制系统主要有炉体操作台、PLC控制柜、驱动控制系统、辅机系统、UPS 安全保证系统组成，控制逻辑复杂，牵涉范围广。原转炉控制逻辑框图，见图2。

图2 原转炉控制逻辑框图

2 主要存在的问题

转炉倾转过程中，炉况和现场状况变化最大，易突发氧枪堵塞、尾气超标、结焦脱落卡住膜式壁、现场环境恶化等问题[4]。转炉原倾转控制系统的主要设计缺陷有：

（1）外部信号全部送入PLC 控制器处理，再进行逻辑控制，发出指令控制。如炉体限位LS 装置的信号直接进入PLC，由PLC 控制炉体倾转。一旦PLC 系统崩溃或掉电，炉体则无安全保护措施。若事故倾转来信号时，由于炉体倾转找不到角度，极可能导致倒掉一炉铜液，浪费且不安全。

（2）摇炉控制信号直接进PLC，控制方式唯一。摇炉控制信号进PLC 再由PLC 发出指令控制炉体倾转，因炉体倾转太依赖PLC，PLC 失效时，炉体就不倾转。

（3）事故倾转信号采用常开点控制，设计不合理。全厂停电、PLC 掉电时，因炉体倾转电源由大型UPS 供电，炉体接收不到事故倾转信号，倾转不到安全角度，炉体风眼易被灌死；同时炉体角度信号丢失，炉体也倾转不到位，安全隐患大。

（4）控制电源设计混乱，选取不合理。炉体倾转控制电源是从UPS 取到操作室，再从操作室转接至驱动柜，电缆走向不清楚；炉体角度位置电源取至PLC 电源等；缺少电源缺相保护，电机存在安全隐患。

（5）炉体倾转抱闸得电打开，长时间、大电压工作，发热严重。

（6）转炉驱动控制系统更新改造多次，控制柜内线路零乱，许多线路无线号标记，图纸未及时更新，故障查找难度大。

（7）可动烟罩故障时，会引起炉体倾转电源跳电，导致不能摇炉。

（8）炉体改造后，旋转驱动扭矩增大，在炉龄中后期或筑炉拆除耐火砖时，常出现电机过载、减速机齿面啃噬现象。

（9）设备使用年限长，控制元器件劣化严重，且因部分设备升级产生的废弃元器件，导致后来的点检员不知其作用。

3 转炉倾转控制系统设计改进及其优化

3.1 新增炉体LS 限位装置

该装置是炉体倾转安全保障。其信号直接进驱动控制器PLC，从驱动控制器获取炉体角度控制信号。控制电源、LS 限位装置电源必须取至炉体倾转驱动柜。新增炉体LS 限位装置，见图3。

图3 新增炉体LS 限位装置

调整时需注意，将炉体倾转至需要的角度，调整对应的凸轮块，利用勾头扳手松动紧固螺栓，再调整限位动作；有的限位是只有在某一点动作，或是在一个范围动作，调整时要确保动作可靠；调整好后，需锁紧紧固螺栓，转动炉体查看限位动作情况。

3.2 新增炉体专用抱闸控制回路

该回路可防止炉体抱闸常时间处于大电压工作发热而烧毁。因抱闸控制电路中无电压切换功能，电磁体要在初始时使抱闸动作，工作电压相对较高；而实际抱闸动作时，电磁体并不需要高电压，但在无电压切换功能的情况下，只能始终选择相对较高的电压来工作，导致电磁体发热量大，电能消耗大，电磁体线圈烧毁几率相对较高，常出现动作不柔和、噪音大等弊端。

设计采用一体式抱闸控制器，可改变原有的抱闸控制方式，能使运行电流＜3A，抱闸打开的稳定性高。新增炉体专用抱闸控制回路图，见图4。改进后，炉体倾转抱闸控制器先以一大电压、大电流强迫使抱闸打开，延时一段时间后，再切换至抱闸一，维持电压保证抱闸打开，大电流对抱闸的伤害小，能有效地延长抱闸的使用寿命。

图4 新增炉体专用抱闸控制回路

3.3 新增真空接触器、控制变压器

主电源开关选用专业于90kW 电机控制的带脱扣线圈的ABB 三相断路器MCCB-1，控制电源、抱闸电源设于总电源开关MCCB-1 后面，按急停时该断路器带有脱扣跳闸装置，炉体停止。

炉子“运转准备入”、正转、反转、切换电阻接触器皆选用真空接触器，能最大限度防止接触器拉弧导致接触器粘死。真空接触器触头在真空泡里，其拉弧和动作声音小、寿命长，多用于大电流接触器上，真空接触器利用真空灭弧室灭弧，可频繁切断与接通正常工作电流，常用于远距离切断和接通工作、低压频繁启停的低压交流电机。

控制电源取自炉子倾转电源，新增一台1kVA控制变压器，可有效地隔离干扰。炉子倾转时，才需要控制电源、控制角度，另新增2 个380V 接触器监测三相电源用作缺相保护。炉体角度、凸轮操作手柄电源和炉子倾转电源皆使用同一电源。

3.4 新增手动操控炉体倾转应急回路

当炉体程序失效、PLC 死机、控制回路故障时，原先无法摇动炉体，风眼浸泡在铜液中，只能等待维修人员来处理。新增一套手动操控炉体倾转应急回路，人为倾转至安全角度，以确保炉体倾转安全性。可选择“炉修”位置，所有联锁取消，操作摇炉手柄，炉子可实现360°倾转，有事故倾转信号也不起作用。“炉修”作业时，选择的是硬线回路，与PLC 无关。PLC 掉电时，可人为切换至“炉修”作业，正转将炉子摇至安全角度，可提高系统安全可靠性。

3.5 新增紧急摇炉至45°倾角转换开关

该转换开关为最高优先级别。平时在开炉前可检验事故倾转回路的安全可靠性；PLC 系统失效时，操作该转换开关，即可将炉子正转至45°安全角度。

3.6 炉体事故倾转信号的安全控制

事故倾转是保证转炉风眼作业安全的重要条件。炉体事故倾转信号选用常闭点控制，当PLC掉电或全厂停电时，事故倾转信号会自动传输至炉体驱动柜内。炉体驱动柜由大的UPS 供电，以保证炉体倾转。

一旦有事故倾转信号时，炉子在LS1 事故倾转限范围内，未选择到“炉修”位置，延时0.5s 确认，可防止事故倾转信号误触发。事故倾转指示灯点亮，并直接合上“运转准备”接触器，即使按“运转准备”停止按钮也不会切断“运转准备入”接触器，可防止误操作时将“运转准备入”接触器停止。消除事故倾转信号时，再按“运转准备”停止按钮，可断掉“运转准备入”电源。炉子事故倾转信号确认后，系统会自动将炉子倾转至45°安全角度，可自动消除事故倾转信号。炉体事故倾转到45°安全角度停止；若45°限位损坏，会继续正转至145°停止，能起到双重保险作用。

当有事故倾转信号时，即使凸轮手柄不在“零位”时，“运转准备入”接触器也会吸合，即使操作停止按钮“运转准备入”接触器也不能分断，炉子会自动事故倾转至安全角度45°停止。逻辑框图，见图5。

图5 逻辑框图

转炉炉体设有1#炉、2#炉、3#炉共三台，炉体选择开关有“1/2”“1/3”“2/3”三档，需选择对应的炉体吹炼。每台炉体有转换开关选择“作业”“炉修”2 个位置。当炉体控制用PLC、公用设备控制用PLC 失电时，若炉体选择开关选到1#炉，且转换开关选择在“作业”位置时，1#炉子处于正常作业范围内即-20°～30°，凸轮限位LS1 动作，延时0.5s 确认，可防止事故倾转信号误动作。事故倾转信号EX1 发出，炉体会正转至安全角度45°停止。

4 结束语

生产实践表明，该厂针对大型转炉倾转安全控制设计改进及其优化是成功的。改进后，生产节奏快，再无风眼被灌死事故。

（1）系统作业效率可提高30%，能稳定转炉吹炼工艺，缩短吹炼时间。

（2）炉体倾转驱动手段呈现出多样性，可大幅提高系统安全稳定性，也极大地增强了转炉操作工的安全意识。

（3）设计采用一体式抱闸控制器，可改变原有的抱闸控制方式，能将运行电流降至3A 以内，提高了抱闸打开的稳定性。

（4）设置安全角度，可在正常生产中灌输安全概念，优化了硬件控制回路，更新了安全生产观念，杜绝了“倒铜”事故。

（5）该系统操作简便，维护可靠，劳动强度低，生产成本低，收效良好。