炼钢转炉的氧枪系统.docx
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炼钢转炉的氧枪系统
毕业论文
课题名称：
炼钢转炉的氧枪系统
系别：
机电工程系
专业班级：
05级机电一体化技术
学生姓名：
指导教师：
二OO八年五月
毕业论文任务书
专业
机电一体化技术
班级
学生姓名
同组学生姓名
幺琳、陈浩、陈雨、国冲、张恒、张凤伟、徐超
课题名称
炼钢转炉的氧枪系统
设计内容及要求
内容：
氧枪系统的概述、操作、变频调速、事故提升电源、维护与点检。
要求：
综述简练完整，有见解；结构严谨合理；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、正确、论文结果有应用价值。
基本工作量要求
正文5000字以上论文一篇
进度计划
起止时间
工作内容
3月1日～3月10日
3月11日～3月15日
3月16日～3月30日
4月1日～4月20日
4月21日～4月23日
4月24日～5月12日
5月13日～5月15日
5月16日～5月22日
5月23日～5月30日
毕业实习、收集资料
报课题
写开题报告
撰写毕业论文
毕业设计中期检查
撰写毕业论文
毕业设计末期检查
结题验收
答辩
参考文献
[1]乔世民.《机械制造基础》，北京：
高等教育出版社，2006
[2]童林毅.《免维护变频型交流不停电电源》，北京:
中国电力出版社,2001
[3]刘光源.《电工技能训练》，北京：
中国劳动社会保障出版社，2001
[4]李雅轩.《模拟电子技术》，西安:
电子科技大学出版社，2003
[5]芮延年.《机电一体化系统设计》，北京：
机械工业出版社，2001
指导教师：
教研室主任：
系主任：
开题报告
选题名称
炼钢转炉的氧枪系统
课题内容
转炉的自动化控制功能以及参数选用，事故提升电源
选题的目的和意义
机电一体化技术在钢铁行业中已经得到了广泛的应用，自动化技术的普及逐步的代替人力资源，节省了人力，为生产的稳定可靠运行提供了保障。
变频器的发展和应用在机电一体化技术系统中发挥了更加重要的作用，为今后机电一体化技术的发展提供了更有利的帮助。
预期达到的目标
通过对氧枪系统的认识和研究，进一步理解并掌握有关氧枪系统的理论知识，了解实际生产中它们对转炉炼钢的影响。
研究方案
参考炼钢工序设备规程及实习过程中的感触与收获。
计划进度
3月1日～3月10日毕业实习、收集资料
3月11日～3月15日报课题
3月16日～3月30日写开题报告
4月1日～4月20日撰写毕业论文
4月21日～4月23日毕业设计中期检查
4月24日～5月12日撰写毕业论文
5月13日～5月15日毕业设计末期检查
5月16日～5月22日结题验收
5月23日～5月30日答辩
参考文献
[1]乔世民.《机械制造基础》，北京：
高等教育出版社，2006
[2]童林毅.《免维护变频型交流不停电电源》，北京:
中国电力出版社,2001
[3]刘光源.《电工技能训练》，北京：
中国劳动社会保障出版社，2001
[4]李雅轩.《模拟电子技术》，西安:
电子科技大学出版社，2003
[5]芮延年.《机电一体化系统设计》，北京：
机械工业出版社，2001
指导教师
意见
指导教师签字：
年月日
可行性论证结论
教研室主任签字：
年月日
目 录
摘要
氧枪系统由机械和介质供应系统两部分组成。
氧枪升降采用双卷扬型升降机构，在升降过程中速度是可控制的有高速和低速。
氧枪升降的变频调速控制系统，是转炉控制系统中变频技术应用的另一个重点和难点。
氧枪的操作可以在主控室也可以在现场，在停电或者氧枪在炉中不能提出来时要用事故电机提枪，由EPS供电。
炼钢转炉氧枪电机目前多采用交流电动机，交流电源正常时由变频器供电，实现氧枪的下降、吹氧、提升的调速运行；交流电源事故停电时必须由另一套应急电源供电，紧急提升氧枪，防止发生设备事故。
要保证设备的稳定运行，在一定的周期要对设备进行检修。
关键词：
介质EPS事故电源
引 言
机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多种学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要方向有数字化、智能化、模块化、网络化、微型化。
尤其在钢铁行业中，机电一体化系统以微处理机为核心，把微机、工控机、数据通讯、显示装置结合在一起。
自2007年七月份到中厚板实习以来，在炼钢工序设备点检对设备的情况有了一定的了解。
炼钢工序的工艺程序为铁水到以后加入转炉对其成分冶炼，过程中加氧、氮、辅原料、铁合金原料，然后到精炼继续冶炼使成分合格，再到连铸浇成钢坯，为成品。
在下面主要介绍氧枪。
氧枪电机是交流电机，双卷扬型升降机构带动滚筒使氧枪小车上升和下降，氧枪本体采用三层套管式，喷头为四孔在冶炼过程中吹氧。
厂区设备为自动控制、设备，使用电脑操作，应用了PLC技术，画面与设备之间进行编程，控制设备的运行。
PLC技术在各个行业中得到了广泛的应用，为生产提供了方便。
1炼钢转炉氧枪系统概述
1.1氧枪系统的组成
氧枪系统由机械和介质供应系统两部分组成。
机械设备包括有：
两台氧枪横移车和两台氧枪升降车（左右装配）。
正常生产时，一台工作（位于转炉中心上方），一台备用（位于待机位），交替使用。
介质供应系统包括：
氧枪冷却水、氧气、氮气阀门站及管道。
氧枪升降采用双卷扬型升降机构，交流电机带动卷筒减速机为二级减速，钢丝绳装有张力传感器，在张力过高或过低时报警氧枪不能升降。
氧枪在升降过程中速度是可控制的有高速和低速。
氧枪电机连减速机两侧,使用液压推动制动器，工作时同时打开和抱死。
还装有事故电机，在电源发生故障时备用EPS备用电源自动投入。
进行事故提枪。
氧枪横移车行走采用交流电机驱动，在工作位设有定位锁紧装置。
1.2氧枪系统的参数
采用双卷扬升降装置机构，卷扬能力：
14.5t
卷筒直径：
ф630mm
减速机：
HH121B3-2
速比：
34.6（正常）、99.2（事故）
氧枪横移车装置参数：
负载：
30吨
行程：
4000mm
定位装置由电液推杆使其定位，保证了冶炼过程中枪的准确位置。
2氧枪的操作系统
氧枪的操作系统为全自动操作,本系统的监控采用了西门子公司的S7系列PLC控制，每座转炉的氧枪倾动系统使用一套PLC控制。
主操作室设在主控制室，设有S7-400PLC主站、多个远程I/O站以及HMI操作站。
整个系统接入转炉自动化控制系统的100M光纤环网之中，实现与其他系统间的信息交换。
在程序中倾动有操作外部连锁条件：
1升降烟罩位于下限时，转炉不能倾动；
2氧枪位于待吹位以下时，转炉不能倾动；
3倾动机构润滑站不正常时，转炉不能倾动。
倾动本身的条件还有变频器正常，按钮指示灯显示正常，这些在程序中都作为倾动的条件，与氧枪的连锁，在炉子垂直时才能下枪，钢丝绳张力没报警。
氧枪有四种控制方式：
计算机、自动、手动、机旁手动。
计算机：
由二级传送氧枪高度设定值，由PLC自动完成；
自动：
操作工通过键盘给出氧枪位置设定值，PLC自动完成；
手动：
操作工按画面的按钮；
机旁手动：
用于紧急处理事故，有优先选择权。
因此在主控室就可以对氧枪下枪进行确认，对它的位置有准确的反馈信号显示在画面上，氧枪在整个行程有8个点分别为最低吹氧点、换枪点、上变速点、等待点、开闭氧点、下极限点、开闭氮点、最低吹氮点。
这8个点使氧枪在下降和上升过程中对氧、氮的开闭进行控制，在氧枪的主电机卷筒一侧由凸轮控制器的限位进行控制由编码器进行定位反馈给主控室。
氧枪也可以在现场进行控制，在程序出现问题时把选择开关打在现场就可以操作了，现场也可以对枪的进行快速和低速提升，在倒枪过程中要先把横移小车解锁，横移到位要进行锁紧。
在停电或者氧枪在炉中不能提出来时要用事故电机提枪，它是由EPS供电，EPS是由交流电变直流电再由直流电变交流电使氧枪在停电时提枪。
在正常生产的情况下事故电机是不工作的。
3氧枪升降的变频调速控制系统
氧枪升降的变频调速控制系统，是转炉控制系统中变频技术应用的另一个重点和难点。
氧枪升降是典型的位能负载，靠钢丝绳牵引，按照炼钢工艺专业的要求，氧枪在升降过程中要实现慢速到快速以及快速到慢速的转换，在待吹点和吹炼点均要求准确停车。
尤其是在吹炼点，氧枪的枪位直接影响到炼钢的质量。
因此，应用变频器控制氧枪升降是氧枪调速控制系统的理想之选。
下面以唐山中厚板材钢铁公司120吨转炉为例，说明ABB、ACS800系列变频器在氧枪升降设计中的应用：
唐山中厚板材钢铁公司120吨转炉设有2套氧枪，互为备用。
每套氧枪升降系统由一台YZPFM315M-6110KW交流电动机传动，在生产过程中当工作氧枪发生故障时，可快速通过横移换枪等操作，使用备用氧枪继续生产。
当氧枪系统停电时，可自动切换到EPS将氧枪提起，并且还能使两台变频器实现对应和交换控制。
实现氧枪升降系统联锁条件较多，是转炉控制系统中最重要的部分，其工作程序和联锁控制是通过计算机控制系统（PLC）实现的。
同样，为了抑制电源侧过电压以及变频器对其它设备的高频干扰，减少电流畸变，在变频器输入侧配有进线电抗器，在变频器输出侧配有输出电抗器。
变频器与计算机控制系统之间的信号与数据传输同样采用了国际开放式的DEVICENET网络进行通讯，而不是采用以往常用的控制电缆硬线连接的方式，这样，节省了许多控制电缆，而且在以后的调试工作中也证明了这种通讯方式大大方便了变频器与计算机控制系统之间的信号采集与数据传输。
氧枪实际枪位的检测由脉冲编码器和计算机系统高速计数模块实现，在现场设一个氧枪上极限接近开关检测氧枪换枪位，以确定高速计数模块计数的起始点及枪位校验点。
交流变频技术在转炉调速控制系统中的应用越来越广泛，具有极大的应用潜力，经济效益非常客观。
目前在我国许多中小型转炉的自动化控制水平还不是很高，如有条件对这些转炉进行交流变频器与计算机（PLC）控制系统相配合的技术改造，其社会效益、经济效益都是十分巨大的。
4炼钢转炉氧枪事故提升电源
4.1工艺要求
炼钢转炉氧枪电机目前多采用交流电动机，交流电源正常时由变频器供电，实现氧枪的下降、吹氧、提升的调速运行。
交流电源事故停电时必须由另一套应急电源供电，紧急提升氧枪，防止发生设备事故。
根据中厚板厂炼钢转炉的工艺要求，在交流事故停电时应急电源需要供电的负载为:
1、氧枪电机1台，电压380V，容量55kW；
2、氧枪抱闸电机1台，电压380V，容量0.33kW；
3、转炉抱闸电机4台，电压380V，容量0.45kW×4＝1.8kW；
4、事故控制电源，电压380V，容量2.4kW；
5、要求应急电源的备用时间为1小时。
应急电源的工作情况有以下2种情况:
当转炉正在炼钢吹氧时，交流电源突然停电，应急电源中的可变频逆变器应首先输出给氧枪电机使其处于堵转状态，同时应急电源中的工频逆变器输出事故控制电源，给氧枪抱闸电机供电，松开氧枪抱闸，然后紧急提升氧枪到最高位。
因为炼钢时，转炉已经在零位，应急电源不需给转炉抱闸电机供电。
如转炉正在出钢时，交流电源突然停电，应急电源中的可变频逆变器应输出给转炉抱闸电机，松开转炉抱闸，转炉靠自重倾转回到零位。
因为出钢时，氧枪已经在最高位，应急电源不需给氧枪电机供电。
4.2应急电源的配置
根据上述工艺要求，应急电源的配置应为:
1、75kW可变频逆变器1台（考虑氧枪最大负载情况，过载能力150%，60s）；
2、3kVA工频正弦波逆变器1台
（按氧枪抱闸电机全压启动及交流接触器线圈最大吸合功率考虑）；
3、充电模块2台（输出电流按电池容量的10%计算）；
4、免维护铅酸蓄电池1组（电池容量按负载电流和后备时间计算）。
4.3应急电源的原理设计和参数计算
4.3.1原理设计
因为在交流电源正常时，氧枪电机由一台变频器供电，控制电源、氧枪抱闸电机、转炉抱闸电机都是由交流电源供电，只有交流电源停电时，氧枪电机、控制电源、氧枪抱闸电机、转炉抱闸电机才由应急电源供电，所以应急电源设计成离线式。
氧枪电机变频器和应急电源的可变频逆变器分别通过两台输出交流接触器给氧枪电机供电，两台接触器由操作连锁系统控制，接触器线圈分别由交流电源和应急电源中的工频正弦波逆变器供电，交流电源正常时，氧枪电机由原控制系统控制工作，交流电源事故停电时在机旁箱操作事故氧枪提升按钮和事故松转炉抱闸按钮。
氧枪提升到上极限自动停止，转炉倾转到零位停止。
4.3.2参数计算
1、可变频逆变器技术参数
可变频逆变器采用西门子矢量型逆变器，其电气参数为:
输入:
DC510V（-15%）~650V（+10%）
输出:
0~3AC380
额定频率
输入:
直流
输出:
0~50Hz
额定电流
输入:
174A
输出:
146A
过载电流:
198A
过载时间:
60S
2、工频正弦波逆变器技术参数
直流输入电压:
180~300V
直流输入电流:
13.6A
交流旁路输入电压:
380V±15%
交流旁路输入电流:
4.5A
切换时间:
≤5ms
交流输出电压:
380V±3%
交流输出电流:
3.6A
过载能力:
120%1min;150%10s;200%1s
3、逆变器容量核算
a）可变频逆变器容量核算
氧枪电机容量为55KW，额定电流约110A，考虑氧枪刮渣过负荷情况，电流1.5倍为165A＜198A（逆变器过载电流），故逆变器容量能够满足。
b）工频正旋波逆变器容量核算
该逆变器负载是氧枪抱闸电机（直接启动）和控制电源，氧枪抱闸电机容量为0.33kW,额定电流约0.66A，直接启动电流按8倍计算为5.28A，逆变器额定输出电流为3.6A,过载1.5倍电流为5.4A＞5.28A。
控制电源的负载为氧枪电机、氧枪抱闸电机、转炉抱闸电机输入接触器线圈，因为它们不是同时工作，所以可以按最大线圈的吸合功率考虑，氧枪电机输入接触器为250A，线圈吸合功率为1430W，电流为1430W/220V＝6.5A，吸合时间0.5s;而逆变器过载能力:
200%1s，既容许电流为3.6×2＝7.2A＞6.5A。
因为氧枪抱闸电机启动和接触器操作不是同时进行的，所以可以按最大负载考虑，由以上计算可以看出逆变器容量可以满足。
4、电池容量和串联只数的计算
a）电池容量计算
电池组是当交流事故停电时，作为2台逆变器的输入电源为负载提供能量，电池组的容量由逆变器输出的最大负载电流和持续时间决定。
由西门子逆变器技术参数可知:
额定交流输出电流为146A时，直流输入电流为174A，那么氧枪电机工作在额定电流110A时，直流输入电流为110A×174A/146A＝131A。
由工频正弦波逆变器技术参数可知:
在额定情况下，逆变器直流输入电流为13.6A。
因此2台逆变器总的直流输入电流为144.6A。
既电池组需要提供的最大持续电流为144.6A，而持续时间为60min。
根据这两个数据就可以计算电池组的容量。
按恒流放电计算电池组容量，已知条件为:
单只电池额定电压:
12V
单只电池放电后的截止电压:
10.8V
恒流放电电流:
144.6A
放电持续时间:
1h
放电容量为144.6A×1.0h＝144.6Ah
由电池放电曲线可以得出1h对应12×J20曲线，再由电池容量曲线可以得出容量60%;设所求电池容量为C，按下面公式计算:
60%×144.6=100%×C
C=100×144.6/60=241Ah故选240Ah电池。
b）电池串联只数计算
串联只数N取决于逆变器输入直流电压的最大和最小允许值。
不间断电源在正常运行时，系统处于浮充电状态，电池只数应为:
N=Ue/6Uf（12V/单只电池）
式中:
N为蓄电池组串联只数
Ue逆变器输入或变频器中间直流回路额定电压
Uf单体电池的浮充电电压
以12V/单只电池为例，单体电池的浮充电压Uf=2.25V,单只电池的浮充电压Uf=13.5V。
西门子逆变器的输入电压为:
Ue=510～650V±10%,即Ue（min）=510V﹡
650V和715V是逆变器能正常工作的电压上限和下限值，取平均值:
Ue=（459V+715V）/2=587V。
则N=Ue/6Uf=587V/6×2.25V=43.48只。
取N=42只。
浮充电时,电池组端电压Ud=42×2.25V×６=567V。
电压在设备允许范围内。
4.3.3应急电源的设备组成
应急电源的组成:
1、断路器:
1QF:
交流输入断路器;2QF:
工频逆变器输入断路器;3QF:
工频逆变器输出断路器;QS:
可变频逆变器输入开关；
2、接触器:
1KM:
交流输入接触器;2KM、4KM:
可变频逆变器输出接触器;3KM:
变频器输出接触器（用户设备）;5KM:
转炉抱闸电机输入接触器（用户设备）；
3、TR:
隔离变压器；
4、CM1、CM2:
高频开关充电模块；
5、DC1、DC2:
免维护铅酸蓄电池组；
6、1NB:
可变频逆变器；
7、2NB:
工频逆变器；
8、VF:
变频器（用户设备）。
4.4可变频应急电源的工作状态
4.4.1交流电源正常时的运行
当交流电源正常供电时，充电模块对电池组进行浮充电，同时2NB逆变器由交流供电旁路输出（注:
2NB输入电源以交流优先），为控制电源供电；1NB逆变器处于热备待启动状态，电机由用户变频器供电。
4.4.2交流电源断电时的运行
当交流电源断电时，1KM接触器断开，充电模块停止工作；2NB逆变器输入电源由交流切换到电池组供电，保证外部控制电源不间断；同时外部连锁系统停电启动信号（用户提供）启动1NB逆变器，输出接触器3KM断开，2KM接通，用户电机由1NB供电。
此时1NB，2NB的运行是靠电池组放电来维持的，电池组对逆变器提供一个稳定的直流电压，因时不会因交流电源断电而影响负载工作。
4.4.3交流电源恢复时的运行
在交流电源恢复正常时，应急电源可不需人工操作便可自动重新启动，充电模块开始对电池组补充充电，这时电源恢复到正常运行状态，等待下次使用。
5维护与点检
5.1设备维护与检修
要保证设备的稳定运行，在一定的周期要对设备进行检修，磨损的部件进行更换，阀门的检查与更换，以保证下一周期设备的稳定运行。
在检修中要对倾动氧枪电机紧固，变频柜端子紧固，吹扫，对变频器开盖检查。
摇炉主令控制器进行清洗，抱闸进行调节。
氧枪行程的8个点进行定位，根据炼钢的工艺要求对点的高度调整。
电机编码器要进行检查，是否松动。
在年修时要对老化的电缆进行更换，电机要进行摇测绝缘阻值，确认电机的正常使用。
在生产中出现问题而查不出来，可以通过PLC在程序中找到哪个条件没满足，比如说转炉倾动没有动作了，电气检查正常，操作地点选择正确，指示正常电源也有，就是炉子不动，就可以把主电源先断开，在操作台上摇炉看模块的显示正常，配合程序检查哪个条件没有满足。
5.2日常点检
点检员的日常工作就是对设备进行检查，在设备出现问题之前检查出问题，排除隐患，保证正常的生产。
每天对设备要看、听、闻、摸，准确了解运行情况。
电机要听有没有刺耳的声音，温度是否高，地脚螺栓有无松动，轴承的震动情况。
对于倾动要看电机运转情况，抱闸的磨损，电机要保持清洁，防止杂质进入电机，用锤敲检查地脚有无松动，电机声音正常，温度小于65度。
制动器动作灵活，可靠，制动轮磨损在控制范围内。
主令控制器控制准确，旋钮动作灵活。
减速机润滑是否良好，油路畅通接头密封良好，运行平稳，无异常噪音和振动，各轴承油隙应在控制范围内。
氧枪抱闸检查最重要，防止溜枪，主副抱闸同时动作，检查限位的准确度，对刮坏的接近开关及时进行更换，尤其是在温度过高的地方限位容易烧坏。
横移车有锁紧装置，在经过改造后锁紧信号准确，没有出现问题，经常的对不合适的设备进行改造，方便我们的维修，保护设备。
氧枪事故电机每个班都要试一次，防止停电时出现问题，对抱闸的松紧程度进行调节。
结论
机电一体化技术在钢铁行业中已经得到了广泛的应用，自动化技术的普及逐步的代替人力资源，节省了人力，为生产的稳定可靠运行提供了保障，电气系统的维修也方便了许多。
机电一体化技术的发展在以后的企业中发展的会更快。
交流变频器在转炉炼钢转炉控制系统中，主要应用于转炉倾动、氧枪升降、一次除尘的风机运行、散状料给料机下料、运输车辆的行走等生产过程，近几年在炼钢车间大型吊车的行走控制中，也逐步使用了交流变频器。
交流变频器的使用除了大量节约电能外，也极大地提高了转炉生产的安全可靠性。
若交流变频器与基础级计算机（PLC）系统联网配合使用，效果会更好。
参考文献
[1]乔世民主编.机械制造基础[M].北京：
高等教育出版社，2006
[2]童林毅主编.免维护变频型交流不停电电源.北京:
中国电力出版社,2001
[3]刘光源主编.电工技能训练.北京：
中国劳动社会保障出版社，2001
[4]李雅轩主编.模拟电子技术.西安:
电子科技大学出版社，2003
[5]芮延年主编.机电一体化系统设计.北京：
机械工业出版社，2001
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