感应熔炼炉炉衬损耗监测系统设计

戴财荣，张立广，郭 璐，宋聪聪

（西安工业大学电子信息工程学院，西安 710021）

1 引言

随着经济的不断发展，机械生产和加工产量不断增加，感应加热技术因其低耗环保等优点大受推广应用[1]。因此感应炼钢已在炼钢和铸造行业中获得广泛应用，其熔炼容量也逐渐增大，漏炉、穿炉事故常有发生，可能引起感应圈和磁轭的绝缘损坏[2]，导致严重后果。感应炉在长期的生产过程中往往会因各种原因在炉衬和感应器熔沟中形成裂纹，如果铁水从炉衬和熔沟中渗出，渗出的铁水会烧损感应线圈和水套等部件，可能造成水套中的冷却水与铁水直接接触，如不能及时采取措施，会威胁到现场工作人员的人身安全。因此有必要设计一种安全可靠的炉衬损耗监测系统，在钢液未到达感应圈前就发出报警信号，争取足够的时间采取措施防止漏炉事故发生，保障生产安全[3]。为此，必须在熔炼过程中实时监测炉衬厚度，及时发出警报。目前市面常见的炉衬损耗监测装置存在两个突出的问题，一是安装工艺复杂，导致安装时间较长、安装成本偏高；二是准确度低，经常误报警，甚至报警失灵，影响感应炉正常生产。针对上述情况，在此基于感应接触式炉衬损耗监测技术，尝试提出一种炉衬损耗监测系统，设计将以高可靠性、简易操作及低廉的成本为目标。

2 系统设计

感应熔炼炉使用过程中，随着炉料的冲刷等，炉衬出现损耗而逐渐变薄甚至出现裂缝，导致炉液与炉衬外壁的间隔越来越小，绝缘电阻随之降低[4]。将炉底探针与炉衬通过炉液构成回路，并在回路中加入直流电源，就可以根据回路中的电流值大小判断炉衬损耗状况[5]。因此，在接触式炉衬损耗监测系统和感应式炉衬损耗监测系统的检测原理基础之上，设计一种新型感应炉炉衬损耗监测系统，从测量原理上来讲是一种感应接触式炉衬损耗监测系统。

所设计的炉衬损耗监测系统采用PLC 作为中央控制单元[6]。使用交流供电方式，通过整流电路转换为直流电，为电流采集电路以及控制单元供电。将采集到的各回路电流信号经过隔离放大后变为电压信号，输入至PLC 电压采集扩展模块，实现电压采集。通过PLC 进行数据处理并与触摸屏及计算机通信，最终将处理后的数据发送到MCGS 触摸屏上显示出来。装置总体方案设计图如图1 所示。

图1 炉衬损耗监测装置总体方案设计图

它的各主要组成部分的设计考虑与功能如下：

1）检测主控器：系统采用PLC 作为主控器，用于系统控制、电信号采集、数据通信等。

2）感应圈及中间侧网回路电流采集电路：根据感应式及接触式炉衬损耗监测技术原理分别设计两回路电流采集电路，根据回路电流值对炉衬损耗状况进行监测。

3）检测棒回路电流采集电路：该电路用于工作人员对炉衬损耗状况进行手动检查。

4）隔离放大电路：该电路将各回路采集到的电流信号进行隔离，防止回路中的高压及噪声进入PLC 中损坏器件。经过隔离后，将电信号进行放大，以便主控器进行电信号采集。

5）直流供电模块：该模块通过整流电路获得两路直流电源，一路作为各回路电流采集电路电源，另一路为系统其他器件如PLC、声光报警器等供电。为防止感应圈回路中高压进入现场电源系统造成安全事故，本系统经隔离变压器后再对交流电进行整流得到直流电源，接入回路。

6）光纤通信模块：通过光纤与其他设备进行通信，可以避免现场的电磁干扰使得通信失败。

7）MCGS 触摸屏：在界面中，显示各回路电流值并绘制其曲线，以便工作人员直观获取信息。同时在界面中显示当前的报警状态及报警信息，实现装置信息可视化。

3 感应接触式炉衬损耗监测设计

3.1 接触式炉衬损耗监测

接触式炉衬损耗监测装置的工作原理如图2 所示。将感应熔炼炉炉底接地的炉底探针作为第一电极，在石棉网与云母纸之间安装中间金属网，引出作为第二电极[7]，在两电极间串联低压直流电源及采样电阻。然后测量回路电流并通过滤波、隔离及放大电路将电信号输入至主控器。由于感应熔炼炉炉衬会随着使用过程逐渐出现损耗，绝缘阻抗降低，回路电流逐渐增大。当金属炉料通过炉体损耗部位渗透到中间金属网时，第一电极与第二电极间回路电流急速增大，达到报警阈值时，系统立即发出报警信息。

图2 接触式炉衬损耗监测装置原理图

在该技术实践应用过程中，对筑炉工艺要求较高。在筑炉时，需要将金属丝按照固定间距铺设[8]，同时要求金属网材料为非磁性不锈钢，人力物力成本也较高。由于炉底探针与炉内熔融液体金属炉料接触，若在筑炉过程中金属网引出线与炉底探针引出线接反，高温会将金属网引出线烧断，导致该回路采集不到漏电流，更甚至熔融的金属液体会渗透在感应圈上，导致短路，引发事故。可见接触式炉衬损耗监测装置在实际应用过程中，对工艺要求高、可靠性较低，故需要结合感应式炉衬损耗监测装置，提高可靠性。

3.2 感应式炉衬损耗监测

感应式炉衬损耗监测装置的工作原理如图3 所示。从感应铜制线圈上引出一个电极，与炉底的电极构成回路，感应炉内金属熔融炉料通过炉底的电极直接接地。在该回路中串入一个直流电源及大功率采样电阻，使炉体、炉料、感应圈、采样电阻、直流电源共同组成一个回路。在筑炉完成初期，炼钢炉炉龄短、炉衬暂未出现损耗时，其绝缘阻抗较高，回路电流值小；随着炉龄增加，炉衬出现损耗，绝缘阻抗降低，回路电流值增大。当电流值达到工作人员设定的报警值时，感应式炉衬损耗监测装置发出报警，实现炉衬损耗监测。

图3 感应式炉衬损耗监测装置原理图

感应熔炼炉在工作过程中，感应圈上的单相交流电会将直流电流信号掩盖。故在该回路电流采样电路设计过程中，首先根据交流电频率设计LC 滤波电路，将交流电信号去除，提高直流电信号采集的信噪比。同时，由于该回路为高压环境，故选用耐高压、大功率器件设计电路，防止高压对漏电流采集电路造成破坏。

由于在感应铜制线圈中，除高压单相交流电外还包含直流分量，该直流分量与串入回路中的直流电源共同叠加在回路中后，使得回路电流增大，容易产生误报警，因此在此处设计了反馈电路，将该直流分量去除。

4 系统硬件电路设计

4.1 漏电流采样及放大电路

漏电流采样电路原理图如图4 所示。熔炼炉感应圈引出线经LC 滤波去除交流成分后输入该采样路。R01、R02、R03 并联后与R04 串联接入漏电流值检测回路，经串联分压后，取样R04 两端的电压。随着炉龄的增加，炉衬逐渐变薄，其阻抗随之降低，采样电压逐渐升高。当出现漏炉时，炉衬阻抗近似为0，R04 上电压达到最大。为防止熔炼炉感应圈引出线在现场环境中耦合共模干扰引起采样电压波动，故将采样电压经共模滤波电路滤除共模干扰后，输出到隔离放大电路。

图4 漏电流采样电路原理图

放大电路原理图如图5 所示。采样信号进入该电路中，首先经过两级RC 滤波输入至放大电路，再经过一级RC 滤波保证采样电压信号平稳。将该直流电压输出到PLC 模拟量采集端口，从而完成漏电流值的采集。

图5 放大电路原理图

系统在工作中产生的历史曲线如图6 所示。由于中频电源输出的交流电中同时包含直流分量输出在感应铜制线圈上，该直流分量与串入回路中的直流电源共同叠加在回路中后，使得电源回路漏电流出现波动，这样就无法采集到有效的漏电流值，很容易导致系统产生误报警，使得系统的可靠性变低。

图6 电源漏电流值历史曲线

4.2 反馈电压采集电路

由于中频电源输出中包含的直流分量与中频电压成正比，此处将中频电源输出经变压器采样后，通过整流得到与中频电压波动同步的直流电压，并通过运算放大器设计的减法器对采集电压进行反馈。所设计的反馈电路如图7 所示。现场中频电压经过变压器后，输入的交流电压为0～10V。对其进行整流滤波获得直流电压，然后通过一级RC 滤波滤除回路中的谐波。为了防止加入负载后电压降低，通过电压跟随器将电压输出并通过电位器W4、W5 调节两路反馈电压的幅值。同时，由于漏电流采集回路上存在LC 滤波电路及多级RC 滤波电路，因此需要保证反馈回路的电压波动与采集回路的波动同步，所以可通过调整反馈回路中的W6 电位器来实现调整RC 滤波的时间常数，从而进一步降低漏电流值的波动。

图7 反馈电压采集电路原理图

4.3 漏电流值采集反馈电路

漏电流值采集反馈电路如图8 所示，它是一个减法器电路。将采集到的电压与反馈电压相减，就可将采集到的电压中由中频电源串入的直流干扰去除掉，使采集到的电压保持稳定，从而得到电源漏电流的有效值。

图8 漏电流值采集反馈电路原理图

4.4 实验验证

通过实验对上述设计进行验证，实验得到的电源漏电流历史曲线如图9 所示。可见，在本设计中，经过处理后的电源漏电流值波动明显降低，系统的稳定性和可靠性大大提升，利用感应接触式炉衬监测技术确实能够实现对炉衬损耗状态的有效监测。

图9 电源漏电流历史曲线实测图

5 结束语

所设计的熔炼炉炉衬损耗监测系统是针对接触式和感应式监测技术采集到的电路回路电流信号进行处理，包括对数据的采集、处理、分析、显示等，可有效避免感应炉在长期的生产过程中因由多种原因导致的漏炉事故的发生。该系统应用范围广，安全可靠，能准确及时提供报警信息，使用方便，在使用感应炉的生产过程中有较高的应用价值。