感應(yīng)熔煉爐爐襯損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴財(cái)榮，張立廣，郭 璐，宋聰聰

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安 710021）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，機(jī)械生產(chǎn)和加工產(chǎn)量不斷增加，感應(yīng)加熱技術(shù)因其低耗環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)大受推廣應(yīng)用[1]。因此感應(yīng)煉鋼已在煉鋼和鑄造行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，其熔煉容量也逐漸增大，漏爐、穿爐事故常有發(fā)生，可能引起感應(yīng)圈和磁軛的絕緣損壞[2]，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。感應(yīng)爐在長(zhǎng)期的生產(chǎn)過(guò)程中往往會(huì)因各種原因在爐襯和感應(yīng)器熔溝中形成裂紋，如果鐵水從爐襯和熔溝中滲出，滲出的鐵水會(huì)燒損感應(yīng)線(xiàn)圈和水套等部件，可能造成水套中的冷卻水與鐵水直接接觸，如不能及時(shí)采取措施，會(huì)威脅到現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全。因此有必要設(shè)計(jì)一種安全可靠的爐襯損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在鋼液未到達(dá)感應(yīng)圈前就發(fā)出報(bào)警信號(hào)，爭(zhēng)取足夠的時(shí)間采取措施防止漏爐事故發(fā)生，保障生產(chǎn)安全[3]。為此，必須在熔煉過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐襯厚度，及時(shí)發(fā)出警報(bào)。目前市面常見(jiàn)的爐襯損耗監(jiān)測(cè)裝置存在兩個(gè)突出的問(wèn)題，一是安裝工藝復(fù)雜，導(dǎo)致安裝時(shí)間較長(zhǎng)、安裝成本偏高；二是準(zhǔn)確度低，經(jīng)常誤報(bào)警，甚至報(bào)警失靈，影響感應(yīng)爐正常生產(chǎn)。針對(duì)上述情況，在此基于感應(yīng)接觸式爐襯損耗監(jiān)測(cè)技術(shù)，嘗試提出一種爐襯損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)將以高可靠性、簡(jiǎn)易操作及低廉的成本為目標(biāo)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

感應(yīng)熔煉爐使用過(guò)程中，隨著爐料的沖刷等，爐襯出現(xiàn)損耗而逐漸變薄甚至出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致?tīng)t液與爐襯外壁的間隔越來(lái)越小，絕緣電阻隨之降低[4]。將爐底探針與爐襯通過(guò)爐液構(gòu)成回路，并在回路中加入直流電源，就可以根據(jù)回路中的電流值大小判斷爐襯損耗狀況[5]。因此，在接觸式爐襯損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和感應(yīng)式爐襯損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)一種新型感應(yīng)爐爐襯損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從測(cè)量原理上來(lái)講是一種感應(yīng)接觸式爐襯損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

所設(shè)計(jì)的爐襯損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用PLC 作為中央控制單元[6]。使用交流供電方式，通過(guò)整流電路轉(zhuǎn)換為直流電，為電流采集電路以及控制單元供電。將采集到的各回路電流信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離放大后變?yōu)殡妷盒盘?hào)，輸入至PLC 電壓采集擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)電壓采集。通過(guò)PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并與觸摸屏及計(jì)算機(jī)通信，最終將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到MCGS 觸摸屏上顯示出來(lái)。裝置總體方案設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 爐襯損耗監(jiān)測(cè)裝置總體方案設(shè)計(jì)圖

它的各主要組成部分的設(shè)計(jì)考慮與功能如下：

1）檢測(cè)主控器：系統(tǒng)采用PLC 作為主控器，用于系統(tǒng)控制、電信號(hào)采集、數(shù)據(jù)通信等。

2）感應(yīng)圈及中間側(cè)網(wǎng)回路電流采集電路：根據(jù)感應(yīng)式及接觸式爐襯損耗監(jiān)測(cè)技術(shù)原理分別設(shè)計(jì)兩回路電流采集電路，根據(jù)回路電流值對(duì)爐襯損耗狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3）檢測(cè)棒回路電流采集電路：該電路用于工作人員對(duì)爐襯損耗狀況進(jìn)行手動(dòng)檢查。

4）隔離放大電路：該電路將各回路采集到的電流信號(hào)進(jìn)行隔離，防止回路中的高壓及噪聲進(jìn)入PLC 中損壞器件。經(jīng)過(guò)隔離后，將電信號(hào)進(jìn)行放大，以便主控器進(jìn)行電信號(hào)采集。

5）直流供電模塊：該模塊通過(guò)整流電路獲得兩路直流電源，一路作為各回路電流采集電路電源，另一路為系統(tǒng)其他器件如PLC、聲光報(bào)警器等供電。為防止感應(yīng)圈回路中高壓進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)電源系統(tǒng)造成安全事故，本系統(tǒng)經(jīng)隔離變壓器后再對(duì)交流電進(jìn)行整流得到直流電源，接入回路。

6）光纖通信模塊：通過(guò)光纖與其他設(shè)備進(jìn)行通信，可以避免現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾使得通信失敗。

7）MCGS 觸摸屏：在界面中，顯示各回路電流值并繪制其曲線(xiàn)，以便工作人員直觀(guān)獲取信息。同時(shí)在界面中顯示當(dāng)前的報(bào)警狀態(tài)及報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)裝置信息可視化。

3 感應(yīng)接觸式爐襯損耗監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

3.1 接觸式爐襯損耗監(jiān)測(cè)

接觸式爐襯損耗監(jiān)測(cè)裝置的工作原理如圖2 所示。將感應(yīng)熔煉爐爐底接地的爐底探針作為第一電極，在石棉網(wǎng)與云母紙之間安裝中間金屬網(wǎng)，引出作為第二電極[7]，在兩電極間串聯(lián)低壓直流電源及采樣電阻。然后測(cè)量回路電流并通過(guò)濾波、隔離及放大電路將電信號(hào)輸入至主控器。由于感應(yīng)熔煉爐爐襯會(huì)隨著使用過(guò)程逐漸出現(xiàn)損耗，絕緣阻抗降低，回路電流逐漸增大。當(dāng)金屬爐料通過(guò)爐體損耗部位滲透到中間金屬網(wǎng)時(shí)，第一電極與第二電極間回路電流急速增大，達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)立即發(fā)出報(bào)警信息。

圖2 接觸式爐襯損耗監(jiān)測(cè)裝置原理圖

在該技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)筑爐工藝要求較高。在筑爐時(shí)，需要將金屬絲按照固定間距鋪設(shè)[8]，同時(shí)要求金屬網(wǎng)材料為非磁性不銹鋼，人力物力成本也較高。由于爐底探針與爐內(nèi)熔融液體金屬爐料接觸，若在筑爐過(guò)程中金屬網(wǎng)引出線(xiàn)與爐底探針引出線(xiàn)接反，高溫會(huì)將金屬網(wǎng)引出線(xiàn)燒斷，導(dǎo)致該回路采集不到漏電流，更甚至熔融的金屬液體會(huì)滲透在感應(yīng)圈上，導(dǎo)致短路，引發(fā)事故?？梢?jiàn)接觸式爐襯損耗監(jiān)測(cè)裝置在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)工藝要求高、可靠性較低，故需要結(jié)合感應(yīng)式爐襯損耗監(jiān)測(cè)裝置，提高可靠性。

3.2 感應(yīng)式爐襯損耗監(jiān)測(cè)

感應(yīng)式爐襯損耗監(jiān)測(cè)裝置的工作原理如圖3 所示。從感應(yīng)銅制線(xiàn)圈上引出一個(gè)電極，與爐底的電極構(gòu)成回路，感應(yīng)爐內(nèi)金屬熔融爐料通過(guò)爐底的電極直接接地。在該回路中串入一個(gè)直流電源及大功率采樣電阻，使?fàn)t體、爐料、感應(yīng)圈、采樣電阻、直流電源共同組成一個(gè)回路。在筑爐完成初期，煉鋼爐爐齡短、爐襯暫未出現(xiàn)損耗時(shí)，其絕緣阻抗較高，回路電流值?。浑S著爐齡增加，爐襯出現(xiàn)損耗，絕緣阻抗降低，回路電流值增大。當(dāng)電流值達(dá)到工作人員設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，感應(yīng)式爐襯損耗監(jiān)測(cè)裝置發(fā)出報(bào)警，實(shí)現(xiàn)爐襯損耗監(jiān)測(cè)。

圖3 感應(yīng)式爐襯損耗監(jiān)測(cè)裝置原理圖

感應(yīng)熔煉爐在工作過(guò)程中，感應(yīng)圈上的單相交流電會(huì)將直流電流信號(hào)掩蓋。故在該回路電流采樣電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先根據(jù)交流電頻率設(shè)計(jì)LC 濾波電路，將交流電信號(hào)去除，提高直流電信號(hào)采集的信噪比。同時(shí)，由于該回路為高壓環(huán)境，故選用耐高壓、大功率器件設(shè)計(jì)電路，防止高壓對(duì)漏電流采集電路造成破壞。

由于在感應(yīng)銅制線(xiàn)圈中，除高壓?jiǎn)蜗嘟涣麟娡膺€包含直流分量，該直流分量與串入回路中的直流電源共同疊加在回路中后，使得回路電流增大，容易產(chǎn)生誤報(bào)警，因此在此處設(shè)計(jì)了反饋電路，將該直流分量去除。

4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 漏電流采樣及放大電路

漏電流采樣電路原理圖如圖4 所示。熔煉爐感應(yīng)圈引出線(xiàn)經(jīng)LC 濾波去除交流成分后輸入該采樣路。R01、R02、R03 并聯(lián)后與R04 串聯(lián)接入漏電流值檢測(cè)回路，經(jīng)串聯(lián)分壓后，取樣R04 兩端的電壓。隨著爐齡的增加，爐襯逐漸變薄，其阻抗隨之降低，采樣電壓逐漸升高。當(dāng)出現(xiàn)漏爐時(shí)，爐襯阻抗近似為0，R04 上電壓達(dá)到最大。為防止熔煉爐感應(yīng)圈引出線(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中耦合共模干擾引起采樣電壓波動(dòng)，故將采樣電壓經(jīng)共模濾波電路濾除共模干擾后，輸出到隔離放大電路。

圖4 漏電流采樣電路原理圖

放大電路原理圖如圖5 所示。采樣信號(hào)進(jìn)入該電路中，首先經(jīng)過(guò)兩級(jí)RC 濾波輸入至放大電路，再經(jīng)過(guò)一級(jí)RC 濾波保證采樣電壓信號(hào)平穩(wěn)。將該直流電壓輸出到PLC 模擬量采集端口，從而完成漏電流值的采集。

圖5 放大電路原理圖

系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生的歷史曲線(xiàn)如圖6 所示。由于中頻電源輸出的交流電中同時(shí)包含直流分量輸出在感應(yīng)銅制線(xiàn)圈上，該直流分量與串入回路中的直流電源共同疊加在回路中后，使得電源回路漏電流出現(xiàn)波動(dòng)，這樣就無(wú)法采集到有效的漏電流值，很容易導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生誤報(bào)警，使得系統(tǒng)的可靠性變低。

圖6 電源漏電流值歷史曲線(xiàn)

4.2 反饋電壓采集電路

由于中頻電源輸出中包含的直流分量與中頻電壓成正比，此處將中頻電源輸出經(jīng)變壓器采樣后，通過(guò)整流得到與中頻電壓波動(dòng)同步的直流電壓，并通過(guò)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的減法器對(duì)采集電壓進(jìn)行反饋。所設(shè)計(jì)的反饋電路如圖7 所示。現(xiàn)場(chǎng)中頻電壓經(jīng)過(guò)變壓器后，輸入的交流電壓為0～10V。對(duì)其進(jìn)行整流濾波獲得直流電壓，然后通過(guò)一級(jí)RC 濾波濾除回路中的諧波。為了防止加入負(fù)載后電壓降低，通過(guò)電壓跟隨器將電壓輸出并通過(guò)電位器W4、W5 調(diào)節(jié)兩路反饋電壓的幅值。同時(shí)，由于漏電流采集回路上存在LC 濾波電路及多級(jí)RC 濾波電路，因此需要保證反饋回路的電壓波動(dòng)與采集回路的波動(dòng)同步，所以可通過(guò)調(diào)整反饋回路中的W6 電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整RC 濾波的時(shí)間常數(shù)，從而進(jìn)一步降低漏電流值的波動(dòng)。

圖7 反饋電壓采集電路原理圖

4.3 漏電流值采集反饋電路

漏電流值采集反饋電路如圖8 所示，它是一個(gè)減法器電路。將采集到的電壓與反饋電壓相減，就可將采集到的電壓中由中頻電源串入的直流干擾去除掉，使采集到的電壓保持穩(wěn)定，從而得到電源漏電流的有效值。

圖8 漏電流值采集反饋電路原理圖

4.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)得到的電源漏電流歷史曲線(xiàn)如圖9 所示?？梢?jiàn)，在本設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)處理后的電源漏電流值波動(dòng)明顯降低，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性大大提升，利用感應(yīng)接觸式爐襯監(jiān)測(cè)技術(shù)確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)爐襯損耗狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)。

圖9 電源漏電流歷史曲線(xiàn)實(shí)測(cè)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的熔煉爐爐襯損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)接觸式和感應(yīng)式監(jiān)測(cè)技術(shù)采集到的電路回路電流信號(hào)進(jìn)行處理，包括對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、顯示等，可有效避免感應(yīng)爐在長(zhǎng)期的生產(chǎn)過(guò)程中因由多種原因?qū)е碌穆t事故的發(fā)生。該系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣，安全可靠，能準(zhǔn)確及時(shí)提供報(bào)警信息，使用方便，在使用感應(yīng)爐的生產(chǎn)過(guò)程中有較高的應(yīng)用價(jià)值。