(中色(寧夏)東方集團(tuán)有限公司1,寧夏 石嘴山 753000;寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2，寧夏 銀川 750021)

0 引言

長期以來，釩鐵冶煉裝置一直處于自研自用的狀態(tài)。研發(fā)主體通常是爐體和工藝，其點(diǎn)火裝置研究明顯不足。實(shí)踐中，冶煉爐點(diǎn)火普遍采用人工操作形式，不僅工作量較大、強(qiáng)度高、日點(diǎn)火操作頻次高，而且危險(xiǎn)有害因素多、人員受害和設(shè)備損壞較為常見。某企業(yè)50釩鐵冶煉引進(jìn)自動(dòng)化點(diǎn)火裝置[1-5]，但在首次使用中就發(fā)生整體燒毀，雖未造成人員傷亡，但經(jīng)濟(jì)損失、事故連帶效應(yīng)嚴(yán)重。

本文立足安全點(diǎn)火操作理念，引入遠(yuǎn)程點(diǎn)火、火焰在線監(jiān)測(cè)、連鎖保護(hù)、聲光報(bào)警及PLC過程控制，構(gòu)建了釩鐵冶煉爐安全自動(dòng)點(diǎn)火裝置。

1 點(diǎn)火過程分析

自動(dòng)點(diǎn)火的需求是與點(diǎn)火過程的危險(xiǎn)有害因素密不可分的，特別是熱輻射。

1.1 傳統(tǒng)點(diǎn)火過程

① 工具：長2 m、直徑10 mm鋼筋，鋼筋一端焊接直徑50 mm、高50 mm的圓柱形鋼杯。

② 燃劑：工業(yè)丙酮，約50 mL；棉紗。

③ 主要反應(yīng)

釩鐵是采用還原劑將含釩原料中的氧化釩(V2O5和V2O3)在1 600～1 650 ℃下還原成金屬釩并熔于鐵水中而制得的。在50釩鐵冶煉、80釩鐵冶煉等高釩釩鐵冶煉中，主要以鋁作還原劑，采用爐外法實(shí)現(xiàn)釩鐵冶煉。

3V2O5+10Al=6V+5Al2O3

ΔH°=-491.8 kJ/mol

單位反應(yīng)熱為4 523 kJ/mol，冶煉用氧化釩純度一般為93%～95%，單位反應(yīng)熱為3 765 kJ/kg，不需外部供熱。

④ 操作方法：采用上部點(diǎn)火方式，釩鐵冶煉爐內(nèi)的爐料上部預(yù)先堆放直徑500～600 mm引燃物；操作人員將丙酮等易燃物裝入小鋼杯中，然后將其點(diǎn)燃；爬上2.5 m高的釩鐵冶煉爐體，將已燃丙酮倒入爐內(nèi)后，快速跳下，跑至安全區(qū)域。

⑤ 點(diǎn)火方式：傳統(tǒng)明火點(diǎn)火方式，傳遞跨越空間距離達(dá)到數(shù)米左右，涉及的操作人員至少2人，且無安全防護(hù)措施，全部憑借人工把控。

1.2 熱輻射的影響

① 火焰高度估算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[2](1)，可得:

(1)

式中：L為火焰高度，m；D為火池的等效直徑，m；mf為燃燒速率，kg/(m2s)；ρ0為空氣密度，kg/m3；g為引力常數(shù)(取g=9.8 m/s2)。

② 火焰表面熱通量

反應(yīng)爐為圓桶體，內(nèi)裝3 100 kg氧化釩熔片和1 400 kg鋁,還原反應(yīng)從引發(fā)至完成需90～120 s?；鹧?zhèn)让婧晚敳肯蛑車鶆蜉椛?，其熱通量為?/p>

(2)

式中：qo為火焰表面的熱通量，kW/m2；ΔHc為燃燒熱，kJ/kg；m為物料量，kg；t為反應(yīng)時(shí)間，s。

③ 目標(biāo)熱通量

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(3)，可計(jì)算目標(biāo)熱通量為：

q(r)=qo(1-0.058lnr)V

(3)

式中：q(r)為目標(biāo)接收到的熱通量，kW/m2；r為目標(biāo)到火池中心的水平距離，m；V為視角系數(shù)。

(4)

經(jīng)推算和實(shí)測(cè)，火焰高度為4.4 m；冶煉爐輻射半徑16.91 m處，目標(biāo)熱通量為熱輻射閾值37.5 kW/m2，輻射范圍內(nèi)設(shè)備損害程度為“操作設(shè)備全部損壞”，輻射范圍內(nèi)的人員每滯留10 s將遞增1%傷亡率，滯留1 min后傷亡率為100%。

1.3 改進(jìn)方向

由于熱輻射的存在，必須在實(shí)踐中進(jìn)行的改進(jìn)需求主要有以下幾個(gè)方面。

① 工作人員應(yīng)處于點(diǎn)火點(diǎn)及冶煉設(shè)備安全距離以外，設(shè)置保護(hù)屏障；

② 操作人員僅需點(diǎn)擊按鈕即可完成任務(wù)，降低人工操作量；

③ 無明火轉(zhuǎn)移的過程，點(diǎn)火范圍縮小至設(shè)備內(nèi)；

④ 自動(dòng)點(diǎn)火時(shí)，不事先點(diǎn)燃丙酮；

⑤ 為點(diǎn)火裝置設(shè)計(jì)耐火隔熱保護(hù)屏，點(diǎn)火后應(yīng)自動(dòng)快速退出火區(qū)；

⑥ 安全自動(dòng)化、安全聯(lián)鎖裝置，當(dāng)火焰檢測(cè)器未檢測(cè)到明火時(shí)，會(huì)繼續(xù)點(diǎn)火。

⑦ 點(diǎn)火操作由自動(dòng)化控制系統(tǒng)監(jiān)控，以PLC作為主控制單元[3-5]。

由點(diǎn)火過程及其潛在危險(xiǎn)分析可見，過程及裝備的改進(jìn)可從人機(jī)隔離、自動(dòng)化操作、機(jī)器自身防護(hù)、先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用等方面開展。

2 安全防護(hù)措施選型

安全防護(hù)措施選型分為以下4個(gè)方面。

① 防輻射隔熱保護(hù)屏

利用兩層云母板耐火材料包裹自動(dòng)點(diǎn)火裝置，起到防輻射隔熱屏障作用，其層間為厚50 mm的耐火保溫棉。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，防輻射隔熱保護(hù)屏能阻止噴濺的液態(tài)合金及熱輻射對(duì)點(diǎn)火裝置的直接作用，防止燒毀或熱變形，極大程度地保護(hù)點(diǎn)火裝置。

② 火焰檢測(cè)

燃燒放熱是釩鐵冶煉的防護(hù)核心，火焰狀態(tài)檢測(cè)就成為全過程關(guān)聯(lián)邏輯控制的重點(diǎn)，它是觸發(fā)PLC及時(shí)進(jìn)入防護(hù)動(dòng)作的關(guān)鍵。此外，在控制室通過火焰監(jiān)測(cè)指示儀表就能直接掌握點(diǎn)火情況，在點(diǎn)火過程中不必冒險(xiǎn)觀察點(diǎn)火槍是否點(diǎn)燃。這樣不僅提高了操作的數(shù)字化水平，還可提高操作過程的安全防護(hù)水平。

③ 電子點(diǎn)火槍的自動(dòng)點(diǎn)火和自動(dòng)撤離

一鍵式“點(diǎn)火按鈕”從點(diǎn)火器開啟、火焰監(jiān)測(cè)點(diǎn)火槍點(diǎn)燃全過程自動(dòng)進(jìn)行，不僅能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制室自動(dòng)點(diǎn)火操作，而且在PLC控制下不斷監(jiān)測(cè)火焰狀態(tài)。在確認(rèn)物料點(diǎn)燃以后，PLC通過旋轉(zhuǎn)立柱和火桿伸縮裝置在4～5 s內(nèi)將電子點(diǎn)火器件自動(dòng)移出冶煉爐至保護(hù)屏障之外，從而避免燒毀，大幅提高安全防護(hù)水平。

④ 安全信息

電源指示燈、著火指示燈、信息顯示屏以及報(bào)警裝置是操作過程的安全信息化標(biāo)志，可為點(diǎn)火過程融入冶煉過程監(jiān)控奠定全程安全信息基礎(chǔ)。

3 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)選型

針對(duì)爐外法釩鐵冶煉的圓筒形爐體結(jié)構(gòu)及其臺(tái)車路軌的運(yùn)輸方式，釩鐵治煉安全自動(dòng)點(diǎn)火裝置[6]由以下6個(gè)主要部分組成。

① 爐體臺(tái)車定位機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、導(dǎo)軌、爐體機(jī)械限位。其主要功能是在驅(qū)動(dòng)臺(tái)車載運(yùn)爐體沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，并在點(diǎn)火工位限定位置停止，完成爐體定位。

② 擺臂機(jī)構(gòu)，包括旋轉(zhuǎn)立柱、伸出臂、立柱驅(qū)動(dòng)電機(jī)、位置傳感器。旋轉(zhuǎn)立柱完成以立柱為圓心的0°～90°旋轉(zhuǎn)擺臂以及螺旋滑軌上的升降復(fù)合運(yùn)動(dòng)，立柱上伸出臂攜帶的火桿進(jìn)入預(yù)定點(diǎn)火區(qū)，完成水平面上運(yùn)動(dòng)定位，并在成功點(diǎn)火后將火桿快速撤離到安全起始位置，起到保護(hù)點(diǎn)火機(jī)構(gòu)部件的作用。旋轉(zhuǎn)動(dòng)力電機(jī)功率為1.5 kW。

③ 火桿伸縮機(jī)構(gòu)，由絲母絲杠、火桿伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)、位置傳感器組成，位于旋轉(zhuǎn)立柱的伸出臂末端，絲杠的上下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)確保點(diǎn)火槍在縱向位置運(yùn)動(dòng)定位。在成功點(diǎn)火后回縮，配合擺臂機(jī)構(gòu)撤出火區(qū)。其行程為1 500 mm，電動(dòng)機(jī)功率為370 W。

④ 點(diǎn)火機(jī)構(gòu)，由電點(diǎn)火槍組件、燃料(或引燃物)組成。電點(diǎn)火槍組件的槍頭位于絲杠下端，其他部件通過電引線安置在遠(yuǎn)離爐體的控制室。引燃物集中位于爐體礦料表面。

電點(diǎn)火是目前廣泛采用的方式，符合點(diǎn)火工藝自動(dòng)化需求，其工藝參數(shù)一般設(shè)置為電源額定電壓220 V、電流2.5 A、升壓點(diǎn)火電壓2 200 V、點(diǎn)火頻率14～16 Hz、點(diǎn)火能量20 J。

⑤ 安全監(jiān)控裝置，由PLC、顯示屏、著火信號(hào)燈、電子火焰監(jiān)測(cè)與報(bào)警器組成。通過PLC程序、傳感器、電機(jī)、點(diǎn)火組件等共同完成點(diǎn)火任務(wù)及運(yùn)行監(jiān)控。報(bào)警器可安裝在控制室內(nèi)；火檢傳感器采用紅外線式，可在除塵室內(nèi)安裝。

⑥ 安全防護(hù)設(shè)施，防輻射隔熱保護(hù)屏位于臺(tái)車與旋轉(zhuǎn)立柱之間，其作用是通過實(shí)體防護(hù)墻將爐體與點(diǎn)火系統(tǒng)其他裝置分隔為兩個(gè)區(qū)域。

點(diǎn)火裝置主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布局

4 過程分析與設(shè)計(jì)

針對(duì)機(jī)械部件及操作功能性特點(diǎn)，選擇采用PLC組建的控制系統(tǒng)。一方面通過過程與裝備的配合分析，以部件的操作動(dòng)作路線、順序和關(guān)聯(lián)邏輯關(guān)系構(gòu)建PLC控制；另一方面針對(duì)過程的工藝數(shù)據(jù)要求，構(gòu)建監(jiān)測(cè)、報(bào)警軟硬件支持系統(tǒng)。

4.1 控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

釩鐵冶煉的操控對(duì)象包括：臺(tái)車推進(jìn)器、臺(tái)車限位開關(guān)、旋轉(zhuǎn)立柱、立柱推進(jìn)器、火桿推進(jìn)器、點(diǎn)火器、著火信號(hào)燈、火焰監(jiān)測(cè)器、聲光報(bào)警器等。釩鐵冶煉點(diǎn)火裝置部件受控于PLC[7]，實(shí)現(xiàn)光、機(jī)、電分工協(xié)作。PLC通過拓展接口與DCS系統(tǒng)連接。

4.2 過程分析與控制

為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火過程的自動(dòng)化操控，采用過程分析技術(shù)[8-9]，依據(jù)實(shí)際過程發(fā)生的順序、操作步驟及其過程參數(shù)的變化規(guī)律來組織和構(gòu)建控制程序?；谠摲椒ň幹频目刂瞥绦蛏踔量梢詫?shí)現(xiàn)一鍵點(diǎn)火。

① 執(zhí)行部件的運(yùn)行過程

按下遠(yuǎn)控啟動(dòng)按鈕后，立柱驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)橫臂開始升起，同時(shí)隨著滑道導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)90°。當(dāng)碰到上限位開關(guān)時(shí)，立柱驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，啟動(dòng)火桿伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲母絲桿將火桿向下旋出；當(dāng)碰到下限位開關(guān)處，電機(jī)停止。

當(dāng)偵測(cè)到點(diǎn)火完成信號(hào)時(shí)，程序啟動(dòng)火桿伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)提升點(diǎn)火桿，到上限位開關(guān)處停止；然后，立柱驅(qū)動(dòng)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)將橫臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，隨滑道導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)，至下限位開關(guān)處停止。

② 點(diǎn)火槍的點(diǎn)燃過程

啟動(dòng)點(diǎn)火按鈕，中間繼電器線圈得電；常開開關(guān)閉合，點(diǎn)火器線圈得電，脈沖發(fā)生器與點(diǎn)火變壓器配合，在點(diǎn)火槍噴嘴處產(chǎn)生連續(xù)脈沖式電火花；當(dāng)點(diǎn)火槍噴出火花時(shí)，與易燃物接觸，在噴嘴處可點(diǎn)燃易燃物。

③ 火焰檢測(cè)過程

當(dāng)點(diǎn)火槍可靠點(diǎn)燃時(shí)，火焰監(jiān)測(cè)器可監(jiān)測(cè)其光信號(hào)；當(dāng)分別達(dá)到著火和報(bào)警的條件時(shí)，繼電器線圈將得電，報(bào)警裝置和著火信號(hào)燈分別工作，此時(shí)點(diǎn)火操作結(jié)束。

點(diǎn)火啟動(dòng)指令發(fā)出后，進(jìn)行火焰光信號(hào)檢測(cè)，判斷溫度的升高量，確定是否重新點(diǎn)火。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

5 生產(chǎn)實(shí)踐效果

經(jīng)過1年的不斷改進(jìn)和調(diào)試，主要技術(shù)趨于成熟，取得了較好的應(yīng)用效果，技術(shù)改進(jìn)對(duì)比如表1所示。該技術(shù)點(diǎn)火操作過程簡(jiǎn)化為按鍵，操作后無須關(guān)注是否點(diǎn)燃，燃劑耗材消耗減少80%，耗時(shí)減少85%以上。

表1 技術(shù)改進(jìn)對(duì)比

6 結(jié)束語

通過對(duì)爐外法釩鐵冶煉點(diǎn)火過程、裝置結(jié)構(gòu)、安全操作的剖析，提出了針對(duì)冶金高溫、熱輻射等問題的新型點(diǎn)火裝置安全與自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法。

通過點(diǎn)火過程分析，構(gòu)建了自動(dòng)過程控制系統(tǒng)。點(diǎn)火槍的自動(dòng)撤離、安全防護(hù)屏障等技術(shù)確保了安全距離的實(shí)現(xiàn)。過程安全信息及其自動(dòng)化為點(diǎn)火過程融入冶煉DCS奠定了基礎(chǔ)。

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