孫寶華

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌 330031）

頂吹轉(zhuǎn)爐驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

孫寶華

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌 330031）

針對一種可縱向回轉(zhuǎn)、橫向傾轉(zhuǎn)的冶金熔煉爐,采用全數(shù)字直流調(diào)速模塊對爐體的旋轉(zhuǎn)、傾轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控,接收現(xiàn)場一次儀表所采集的數(shù)據(jù),輔以PLC系統(tǒng)的程序調(diào)節(jié)和控制,實現(xiàn)各驅(qū)動電機(jī)的實時同步、主從跟隨,以及回轉(zhuǎn)/傾轉(zhuǎn)工作方式的平滑切換,滿足生產(chǎn)工藝的要求,實現(xiàn)了操作的完全可控性、穩(wěn)定性和可靠性。

頂吹轉(zhuǎn)爐；驅(qū)動控制系統(tǒng)；PLC控制；廢雜銅；熔煉

廢雜銅因其良好的再生利用特性,一直是銅冶煉和加工工業(yè)的重要原料。隨著國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域用銅量的不斷增加,再生銅產(chǎn)業(yè)的比重將會逐步上升。但是我國再生銅循環(huán)利用的水平與國外相比存在很大的差距,突出表現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)集中度低、技術(shù)裝備水平落后、綜合能耗高、污染物排放嚴(yán)重、資源有效利用率低[1]等方面。針對國內(nèi)廢雜銅冶煉技術(shù)長期落后,而先進(jìn)技術(shù)和裝備依賴進(jìn)口的局面,最近國內(nèi)已有一些擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)技術(shù)和裝備相繼出現(xiàn),并在一些大型廢雜銅冶煉項目中得到推廣應(yīng)用[2]。

頂吹轉(zhuǎn)爐作為一種火法冶煉固體廢雜銅的專用工業(yè)爐具,工藝實質(zhì)上是一種富氧頂吹技術(shù)。該工藝具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、綜合能耗低、生產(chǎn)周期短、自動化程度高、環(huán)保效果好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點,可處理各種品位的廢雜銅，具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。由于該爐形可縱向回轉(zhuǎn)、橫向傾轉(zhuǎn),由5臺直流電機(jī)及1臺交流電機(jī)驅(qū)動,因此驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計在整個工藝中顯得尤為重要。本文擬通過工程實例探討此類頂吹轉(zhuǎn)爐驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用情況，以期實現(xiàn)頂吹轉(zhuǎn)爐操作的完全可控性、穩(wěn)定性和可靠性。

1 工藝過程描述

頂吹轉(zhuǎn)爐爐體呈中間大、兩頭略小的圓筒形,由5臺直流電機(jī)及1臺交流電機(jī)驅(qū)動,可以作水平軸向360°傾轉(zhuǎn)運(yùn)動,又可以作垂直徑向360°回轉(zhuǎn)運(yùn)動。爐內(nèi)砌筑鉻鎂磚,燃燒噴槍和吹煉噴槍以一定的角度插入爐內(nèi)所需位置,并通過它們分別向爐內(nèi)吹入氧氣、天然氣,進(jìn)行物料的軟化、熔煉、吹煉。物料通過裝載車加入加料車,利用加料卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動加料車上下往復(fù)加料。爐體正下方設(shè)有抬包車,包子被推到放銅水和放廢渣的位置，包子隨抬包車在軌道上來回運(yùn)動。

頂吹轉(zhuǎn)爐爐體運(yùn)動分為回轉(zhuǎn)運(yùn)動和傾轉(zhuǎn)運(yùn)動兩種。根據(jù)工藝要求,進(jìn)行物料的軟化、熔煉、吹煉生產(chǎn)作業(yè)時,爐體需要進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動;進(jìn)行加料、倒銅、倒渣生產(chǎn)作業(yè)時,爐體需要進(jìn)行傾轉(zhuǎn)運(yùn)動[5]?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動和傾轉(zhuǎn)運(yùn)動之間互鎖：回轉(zhuǎn)時傾轉(zhuǎn)不能夠動作，傾轉(zhuǎn)時回轉(zhuǎn)不能夠動作。

1.1 回轉(zhuǎn)運(yùn)動

爐體回轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過4臺直流電機(jī)驅(qū)動,爐體回轉(zhuǎn)速度在0～15 rpm之間可調(diào),每臺電機(jī)帶速度編碼器,用于電機(jī)速度的反饋控制。其中,1#直流電機(jī)和3#直流電機(jī)帶制動器,回轉(zhuǎn)運(yùn)動發(fā)生時,制動器松閘;回轉(zhuǎn)運(yùn)動停止時,制動器抱閘,確保爐體回轉(zhuǎn)運(yùn)動平穩(wěn)安全。

1.2 傾轉(zhuǎn)運(yùn)動

傾轉(zhuǎn)運(yùn)動分為正常狀態(tài)傾轉(zhuǎn)和事故狀態(tài)傾轉(zhuǎn)。正常狀態(tài)傾轉(zhuǎn)由1臺直流電機(jī)驅(qū)動,事故狀態(tài)傾轉(zhuǎn)由1臺交流電機(jī)驅(qū)動。在直流電機(jī)驅(qū)動出現(xiàn)故障時,手動操作離合器，切換到事故驅(qū)動裝置。正常狀態(tài)下，爐體傾轉(zhuǎn)速度在0～1 rpm之間可調(diào)，電機(jī)帶速度編碼器，用于電機(jī)速度的反饋控制。事故狀態(tài)下,爐子傾轉(zhuǎn)速度為0.1 rpm,速度不可調(diào)。傾轉(zhuǎn)運(yùn)動發(fā)生時,制動器松閘;傾轉(zhuǎn)運(yùn)動停止時,制動器抱閘。爐體傾轉(zhuǎn)中心軸設(shè)有傾轉(zhuǎn)角度編碼器,用于傾轉(zhuǎn)角度的控制和顯示,并且在爐體特定角度位置設(shè)置機(jī)械限位,保證爐體傾轉(zhuǎn)運(yùn)動平穩(wěn)安全。

2 控制系統(tǒng)實施

2.1 驅(qū)動控制系統(tǒng)描述

某銅冶煉廠實施的頂吹轉(zhuǎn)爐驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頂吹轉(zhuǎn)爐驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中,直流電機(jī)與爐體相連,一部分直流電機(jī)驅(qū)動爐體回轉(zhuǎn),另一部分驅(qū)動爐體傾轉(zhuǎn)。直流電機(jī)驅(qū)動裝置與直流電機(jī)一一對應(yīng)地相連以便控制。控制器與直流電機(jī)驅(qū)動裝置均相連,爐體回轉(zhuǎn)時,由控制器向控制爐體回轉(zhuǎn)的直流電機(jī)的驅(qū)動裝置發(fā)送指令,以便其通過相應(yīng)的直流電機(jī)控制爐體回轉(zhuǎn);爐體進(jìn)行傾轉(zhuǎn)時,控制器向控制爐體傾轉(zhuǎn)的直流電機(jī)的驅(qū)動裝置發(fā)送控制指令，以便其通過相應(yīng)的直流電機(jī)控制爐體傾轉(zhuǎn)。

交流電機(jī)驅(qū)動裝置與交流電機(jī)相連,交流電機(jī)與爐體相連。交流電機(jī)驅(qū)動裝置通過對交流電機(jī)進(jìn)行控制實現(xiàn)對爐體的傾轉(zhuǎn)驅(qū)動。當(dāng)爐體進(jìn)行傾轉(zhuǎn),控制爐體傾轉(zhuǎn)的直流電機(jī)驅(qū)動裝置發(fā)生異常時,控制器向交流電機(jī)驅(qū)動裝置發(fā)送控制指令以便通過交流電機(jī)控制爐體傾轉(zhuǎn)。這保證了在直流電機(jī)故障以及斷電的突發(fā)情況下,爐體仍能安全可靠地運(yùn)行,提高生產(chǎn)效率。

2.2 驅(qū)動控制系統(tǒng)實施

以圖1為依據(jù),采用交直流電機(jī)驅(qū)動的頂吹轉(zhuǎn)爐驅(qū)動控制系統(tǒng)示意見圖2。

圖2 交直流電機(jī)驅(qū)動的頂吹轉(zhuǎn)爐驅(qū)動控制系統(tǒng)

某大型廢雜銅冶煉廠采用了上述交直流電機(jī)驅(qū)動的頂吹轉(zhuǎn)爐驅(qū)動控制系統(tǒng)，4臺回轉(zhuǎn)直流電機(jī)和1臺傾轉(zhuǎn)直流電機(jī)均采用ABB公司DMI250P型直流電機(jī),電機(jī)額定電壓DC440V,額定電流DC409A,額定輸出功率158 kW。1臺傾轉(zhuǎn)直流電機(jī)采用ABB公司M2QA型交流電機(jī),電機(jī)額定電壓AC380V,額定電流AC23.61 A,額定輸出功率11 kW。

驅(qū)動控制系統(tǒng)采用4層結(jié)構(gòu)。第1層為交直流電機(jī)，4臺回轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動爐體作徑向360°回轉(zhuǎn)運(yùn)動,1臺傾轉(zhuǎn)直流電機(jī)和1臺傾轉(zhuǎn)交流電機(jī)驅(qū)動爐體作軸向360°傾轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過機(jī)械聯(lián)動裝置,使電機(jī)輸出的動能平穩(wěn)有效地驅(qū)動爐體。第2層為交直流電機(jī)驅(qū)動裝置,4臺回轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動裝置分別驅(qū)動對應(yīng)的回轉(zhuǎn)直流電機(jī),1臺傾轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動裝置驅(qū)動傾轉(zhuǎn)直流電機(jī)，1臺傾轉(zhuǎn)交流電機(jī)驅(qū)動裝置驅(qū)動傾轉(zhuǎn)交流電機(jī)。1#回轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動裝置為主驅(qū)動,2#、3#、4#回轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動裝置為從驅(qū)動,1#回轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動裝置接受啟停、正反轉(zhuǎn)控制指令，2#、3#、4#回轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動裝置通過主從通訊方式與1#回轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動裝置同步動作。直流電機(jī)驅(qū)動裝置接受對應(yīng)電機(jī)速度編碼器速度反饋信號,輸出直流電機(jī)轉(zhuǎn)速信號和電流信號,輸出運(yùn)行、故障、零速信號,輸出松閘指令。第3層為可編程控制器,根據(jù)現(xiàn)場采集到的爐體傾轉(zhuǎn)角度信號和控制信號，控制1#回轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動裝置、傾轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動裝置和傾轉(zhuǎn)交流電機(jī)驅(qū)動裝置的啟停、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速,并根據(jù)工藝生產(chǎn)要求,作連鎖控制。第4層為工作站,工作站集成人機(jī)界面與可編程控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊,具有輸出控制指令、顯示驅(qū)動裝置狀態(tài)、顯示爐體工況、打印歸檔報表等功能。

2.3 實施效果

根據(jù)生產(chǎn)工藝,按照上述控制系統(tǒng)進(jìn)行實施,具體實施效果通過4臺電機(jī)的工作電流情況反應(yīng)出來。其中,4臺回轉(zhuǎn)直流電機(jī)工作電流通過趨勢曲線在WinCC監(jiān)控畫面上顯示。

圖3(a)所示為4臺回轉(zhuǎn)直流電機(jī)工作電流。從圖中可得知4臺回轉(zhuǎn)直流電機(jī)同步運(yùn)行效果較好; (b)為(a)中工作電流放大圖,能更清楚地顯示電機(jī)工作情況。圖3(c)為物料由固態(tài)逐漸軟化的電流趨勢圖。物料軟化后,物料對爐壁的沖擊和摩擦減小,電機(jī)電流逐漸減小,通過電流變化可以評判爐內(nèi)物料軟化程度。

圖3 4臺電機(jī)工作電流趨勢

3 結(jié)論

爐體回轉(zhuǎn)運(yùn)動時,通過對1臺主直流電機(jī)驅(qū)動控制和采用主從通訊方式對3臺直流電機(jī)的驅(qū)動控制,實現(xiàn)了4臺直流電機(jī)的同步運(yùn)動,確保爐體平穩(wěn)回轉(zhuǎn)。爐體傾轉(zhuǎn)運(yùn)動時,通過對1臺主直流電機(jī)和1臺事故交流電機(jī)的驅(qū)動控制,滿足了正常生產(chǎn)要求并保證事故狀態(tài)下爐體的安全。

[1] 姚素平.我國廢雜銅冶煉技術(shù)進(jìn)步與展望[J].有色金屬工程,2011, 1(1):14-17.

[2] 陳波.低品位雜銅冶煉新工藝的發(fā)展與評述[J].有色冶金設(shè)計與研究,2010,31(3):16-20.

[3] 姚素平.NGL爐精煉廢雜銅工藝及其應(yīng)用[J].有色金屬：冶煉部分,2010(6):13-15.

[4] 陸軍.卡爾多爐處理廢雜銅技術(shù)[J].有色冶金設(shè)計與研究,2008, 29(4):13-16.

[5] 周瑞生.貴溪冶煉廠卡爾多爐雜銅冶煉的生產(chǎn)實踐[J].有色金屬：冶煉部分,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

孫寶華(1985—),男,工程師,主要從事電氣自動化設(shè)計工作。