炼钢转炉倾动及氧枪提升技术方案
来源: | 作者:佚名 | 发布时间: 2016-09-04 | 1555 次浏览 | 分享到:
中国作为世界第一钢铁生产大国，每年的钢产量已经突破1亿吨。钢铁生产包括炼铁，炼钢以及钢材加工（比如冷轧、热轧）三大重要环节。
1.概述
中国作为世界第一钢铁生产大国，每年的钢产量已经突破1亿吨。钢铁生产包括炼铁，炼钢以及钢材加工（比如冷轧、热轧）三大重要环节。炼钢生产在钢铁生产中占据着成前起后的关键作用。几乎所有的钢铁公司都有自己的炼钢厂或炼钢车间。
炼钢生产从生产工艺上看，可以大致分为平炉炼钢，转炉炼钢以及电炉炼钢三种方式。平炉炼钢历史悠久，但是炼钢效率低，环境污染大，已经被认为是落后工艺，因此，在新建炼钢厂时，已经不再采用这种工艺。而且，从上世纪90年代起，大量的平炉炼钢都被改造为转炉炼钢。经过这些“平改转”改造的钢铁企业，大都取得了良好的效益，尝到了甜头，最为典型的就是鞍山钢铁集团，在新的总经理刘玠带领下，该公司实现了扭亏为盈。电炉炼钢是最先进的炼钢工艺，但是，由于它的容量相对较小，所以只是在一些以高品质钢材为主打产品的钢铁企业（大多是特殊钢生产企业）才使用电炉炼钢工艺。
转炉炼钢具有容量大，炼钢效率高等特点，是各大钢铁企业所钟爱的炼钢工艺。根据各个钢铁企业的生产特点，生产能力的大小以及转炉建造的年代，钢铁企业选择了各式各样的转炉。但是通常人们是以转炉的生产能力作为划分标准，120吨以下，属于小型转炉，120吨--250吨属于中型转炉，250吨以上是大型转炉。
目前，大型转炉在国内还很少见；由于生产能力要求，以宝山钢铁公司，武汉钢铁公司等大型钢铁企业更多是采用120吨---250吨的中型转炉。这些转炉的建造项目，很多都属于需经国家计委审批的关键项目，对系统的可靠性，先进性有很强的要求，但同时也是资金相对充足，项目周期短易于控制的项目。
在国内，更多的转炉属于小型转炉。很多钢铁公司，比如邯郸钢铁公司，沙钢集团等，由于生产品种以螺纹钢，线材等建筑用钢材为主，生产结构灵活。他们往往有几个炼钢厂，每个炼钢厂的规模都不大，而且有些属于上世纪70年代建厂，所以大多采用小型转炉。比较常见的是20吨小转炉。
所有的转炉，都不可缺少的需要转炉倾动传动系统以及氧枪的提升传动系统。本文正是针对以上系统，提出以ABB传动产品为核心的解决方案。这些解决方案采用新一代ABB传动产品，在技术上具有先进性，同时，在方案本身上，考虑到各种情况，从结构上提高了系统的可靠性。应该是可以和各种竞争对手“一较高下”的解决方案。
在本文的最后，列出了几乎所有可能的解决方案，并对它们予以评价，供大家参考。由于笔者经历过某一项目的投标工作，根据纪录，列出了几组问题，以方便可能的工作。


2. 转炉倾动及氧枪提升工艺
如下图所示，通常情况下转炉更像一个“挂着的水桶”。转动转炉所需要的传动电机通过减速机钢性连接。用标准术语：全悬挂四点啮合柔性传动。
根据工艺要求，转炉倾动角度为正负360°。转炉的炉子耳轴下部比上部高，下部比上部重，按正力矩设计。因此，当转炉电控系统失灵或抱闸力不够时，依靠炉体本身的正力矩来确保炉口向上，不发生倒钢事故。
在转炉正常工作时，如果需要倾倒钢水，就由电动机输出正力矩，带动转炉缓慢倾动（一般，系统速比高达1:800）。倒完钢水后，需要缓慢的把炉体回归正位，这时，就需要把转炉的势能回馈系统，电动机工作在回馈状态。
除此之外，从系统的角度而言，整个转炉倾动系统要求及高的可靠性。以某新建转炉为例，包括：

  • 转炉倾动机械设备采用四台交流变频电机驱动，四台电动机采用四点啮合全悬挂形式，通过扭力杆装置进行力矩平衡。该转炉为全正力矩设计。

  • 四台电动机同步启动，制动及同步运行，转炉可以在0.11-1.4rpm之间进行倾动速度调节，转炉倾动角度范围±360°

  • 当一台电动机发生故障，而转炉正处于吹炼状态，则另外三台电动机降速运行维持该炉钢炼完。此时转炉速度控制在0.11-1.0rpm

  • 当两台电动机故障，正常操作力矩时以0.11rpm速度倾动，但只能完成一炉钢的操作。

  • 当转炉正在出钢，出渣时，交流电源系统发生停电故障，此时利用交流事故电源将转炉四台液压电磁制动器打开，转炉依靠自重复位，使转炉处于安全位置。

  • 当转炉出现塌炉事故时，倾动装置控制设备短时过载，转炉以0.14rpm速度旋转，倾动转炉倒出炉内装盛物，进行事故处理。

每座转炉共设四个操作控制点，分别为：转炉主控室操作台(无倾动操作)、炉前操作台、炉后操作台、炉前可移动操作台、同时只允许一点处于操作状态。
转炉炼钢的另外一个关键设备是氧枪。下图是氧枪的系统示意图。

氧枪提升时，电动机的电磁转矩克服负载转矩。电动机工作在电动状态。
氧枪下降时，负载力矩拉着电机转。电动机工作在回馈制动状态。
同样，由于氧枪对于转炉生产的重要性，一台转炉一般有两只氧枪。对氧枪的可靠工作，要求也很多，以某转炉为例：
 
·        转炉氧枪升降系统有两台氧枪升降小车，一台工作，一台备用，交替使用。升降小车采用交流变频电机驱动卷扬提升，氧枪升降过程中速度可控制变化，升降卷扬钢丝装有侧力传感器，当牵引力高出或低于设定范围值时，报警并断电。
·        氧枪升降系统设两个操作控制点：转炉主控操作台和就地操作箱。
·        氧枪在升降过程中设有以下几个控制点：
氧枪更换位
氧枪升降速度切换点
氧枪待吹位
氧枪开闭氧点
氧枪最低吹氧位
·        通常情况下，氧枪处于待吹位。当需要换枪时，首先提升到更换氧枪位，进行交换，而后新氧枪下降，氧枪停在待吹位，等待下枪吹氧的指令。
·        氧枪升降导轨上设有4个行程开关，从上至下分别为：设备上限位、工艺上限位，氧枪待吹位、设备下限位。
必须充分认识到，随着转炉的工艺设计的不同，转炉倾动传动装置和氧枪提升装置的要求将在一些方面不同。而且，随着技术的进步，工艺操作将向自动化、高可靠性、高性能的方向不断发展，所以，面对任何一个新的项目，必须清楚的描述生产工艺。


3.对传动的要求
从以上的工艺分析来说，很明显，包括炉体倾动系统和氧枪提升系统的传动，都有相对全面的要求。一方面，从功率选型而言，既要考虑到转炉倾动的力矩要求，又要考虑到由于电机制动所带来的回馈控制功能。另外一方面，从控制功能而言，既要考虑多台电机的负荷平均分配问题，又要考虑到现代传动系统中传动和抱闸电机的配合问题，甚至最好的解决方案是由传动装置控制抱闸。
 
3.1对传动的功率要求
首先，必须考虑传动的出力能力。对于转炉的工艺设计方，通常会提供所要求的转炉倾动力矩。比如，对某20t转炉，最大倾动力矩是85t.m。
更多的是已经由设计院根据工艺要求计算出所要求的电动机功率/电压/过载能力/极对数/工作频率以及其他等数据。这时候，电动机的能力就是传动选择的依据。
原则上：传动装置必须满足电机的出力（过载）运行要求。
在这里必须注意：由于电动机的选型中，已经考虑了部分电机停机时的出力情况，所以表面上电机的容量和过载能力会显得偏大。但是，传动装置的选型必须以电机为依据。
另外，在倾动操作完成阶段，转炉回归正位，由于转炉的正力矩设计，实际上倾动机构这时必须回馈能量。所以，这时电机将把能量回馈到变频器的直流母线上。为了保证系统可靠工作，就非常有必要处理这部分能量。常见的处理方式是通过制动斩波器和制动电阻的能耗制动方式。当然，也可以由可控硅或IGBT将能量电气回馈到电网。
必须考虑传动系统的能量回馈。
总之，由于转炉倾动的特点，对传动装置的要求就是：保证电机出力/保证制动。
同样，对于氧枪的提升操作，对于装置的出力能力，必须以电机的出力为依据，满足电机的工作要求。
而且，氧枪是标准的势能负载，能量的回馈占整个操作的一半，所以对于氧枪的提升传动，必须提供足够的制动能力（能量由电机到变频器公共直流母线）。
一般情况，建议采用制动占波器+制动电阻的制动方式。
 
3.2对系统控制功能的要求
通常，转炉的倾动由3-4台电机完成，所以为了系统更可靠更稳定的工作，这几台电机就有必要进行负荷平衡，也就是所有的电机出力是一样的。
为了达到负荷平衡的目的，习惯上的处理结构是所有的电机拥有同样的转矩给定。而转矩给定是来自于速度调节器的输出，所以从控制结构上，（以3台电机为例），使用一个速度调节器，速度调节器的输出作为传动装置的力矩给定。此即，主从宏。
所以，在系统配置中，将考虑一台变频器作为主机，由它进行速度调节，输出转矩给定，其它变频器作为从机，跟随主机的转矩响应。
正常操作时，这种使用将系统的性能提高到一个新高度。但是，必须清醒的认识到，转炉的生产对可靠性的极大要求。所以，必须充分考虑到某一台或两台变频器故障情况下的操作，这需要对系统作一些技巧性的考虑。
另外一个问题，就是和抱闸系统的配合问题。
开闸和抱闸，从倾动控制来看，一般是把此控制任务分配给上位自动化系统。所以，为了和抱闸系统的操作准确配合，有必要对某些参数进行精调。在这里，可以考虑利用直接转矩控制(DTC)所赋予ACS600传动的直流励磁(DC Magnetizing)性能。
对氧枪的提升操作，通常是单台传动，所以更重要的是与抱闸控制。这时，最合适的方式是把抱闸的操作控制交给传动装置，由传动来控制抱闸，达到力矩的平稳控制。
推荐使用提升软件（Crane）。


4.ABB变频器标准解决方案
简单地说，针对转炉倾动系统，使用ABB变频器的标准解决方案，就是采用一台ABB ACS600单传动外加电阻制动驱动一台转炉倾动电机。所有的变频器(3...4台)以主从方式相互连接，满足控制系统要求。
而对氧枪提升系统，使用ABB变频器的标准解决方案，就是采用一台ABB ACS600单传动外加制动电阻驱动一台氧枪提升电机。而相应的单传动软件选用提升控制软件。
 
4.1转炉倾动系统
详细的变频器接线参见附录A:接线单线图
 
4.1.1转炉倾动系统变频器的选型计算
以某20吨转炉为例，选用4台30kW绕线异步电动机驱动，电机的调速以及制动采用切转子电阻完成。现决定改造成变频器驱动。
对电机，Pe=30kW,Ue=380VAC,Ie=56A,电机具备2.5倍过载10s能力
为了满足电机的驱动能力，
2.5 x Ie = 2.5 x 56 = 140A, 以1.5倍(60s)能力覆盖，根据样本可以选择为:
ACS601-0100-3(输出能力75kW)
·        ACS600最大输出为200% Ihd;
·        如无足够把握，必须满足电机运行能力
实际上，针对此种电机应用，如果是ACS601-0070-3，那么它可以满足2.5倍电流5秒应用，这需要经过精心的计算。
 
4.1.2转炉倾动系统变频器制动斩波器的选型
查找样本，我们可以对应找出对应的制动斩波器是
NBRA-657
·        除非有足够的工艺数据，经仔细计算，才可以使用对应的制动斩波器
 
4.1.3转炉倾动系统变频器控制系统连接
·        4台电机接成主从控制链
 
·        对主控系统的控制接线
与其它ACS600 单传动应用一致。
 
4.2氧枪提升系统
4.2.1氧枪提升系统的变频器选型
氧枪提升系统的变频器选型请参见转炉倾动系统变频器选型。
 
4.2.2氧枪提升系统的变频器制动斩波器的选型
同转炉倾动系统制动斩波器的选型。
 
4.2.3氧枪提升系统的变频器软件
氧枪提升系统的变频器装提升应用软件，控制系统接线请参见《ACC600用户手册》。比如：


5.备选方案
为了满足各种应用情况，以及用户在可靠性，经济性以及操作方便性等各种平衡的不同要求，在转炉倾动传动的解决方案上，有以下几种可能：
·        一台变频器驱动所有电机
选用这种方案最大的好处是经济；同时如果使用两台(一备一用)，那么其可靠性也是大为提高。但是此种方案只能选用标量控制，所以它的控制性能也是最差的。
·        选用多传动
在欧洲，选用ACS600多传动的解决方案更多。此种方案，采用一台进线单元，多台传动单元，每台传动单元驱动一台电机。这种方式，其技术性能最好，如果使用IGBT的进线单元ISU，可靠性也是有保证的。但是，对这种高性能的系统方案也需要较高的初步投资。
·        选用直流传动
毫无疑问，作为传动装置本身，直流传动(DCS400/DCS500)能够达到性能、可靠、经济的统一。但是，由于直流电机是有刷电机，不适合此种环境，所以新的传动已经不再使用。但是，对于部分老系统的模拟向数字的改造，却也是一种解决方式。


6. 常见技术问题问答
问：使用主从控制宏，其复杂程度如何？
答：ABB主从应用宏使用起来十分方便。从硬件上来说，只需要两根光纤，一对硬线相接。参数的设置也很容易，只需在60组参数作少许设置即可。
 
问：如何解决交流电机平稳起停问题？
答：对转炉倾动传动，交流电机的平稳起停十分重要。对于传统使用标量控制技术的PWM变频器，需要对提升电压仔细调整。但是，ABB公司将先进的直接转矩控制技术(DTC)应用于其交流变频器产品ACS600中，使交流电机的控制水平达到一个崭新的高度。其零速能满转矩，以及极佳的转矩动态响应等高性能，保证了交流电机根据速度给定平稳起停。
 
问：如何处理转炉倾动中，抱闸系统和传动系统的配合？
答：尽管上位自动化系统可以控制变频器和抱闸的配合，但是，在传动系统和抱闸系统的“交接”过程中，确实需要很好的配合。ABB ACS600的直流励磁特性，可以通过调整预励磁时间，使机械抱闸释放时已建立转矩，从而保证了抱闸系统和传动系统的配合。