羅志國，姜茂發(fā)，鄒宗樹，茹家勝

（東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

鋼鐵冶金專業(yè)是工程實踐性很強的專業(yè)，需要在實踐中提高學(xué)生的綜合分析和運用能力。然而鋼鐵冶金生產(chǎn)過程是個連續(xù)的工業(yè)過程，實際生產(chǎn)中一般不允許改變工藝參數(shù)，所以學(xué)生到工廠實習的效果不是很理想。另外，考慮安全等因素，在實習過程中學(xué)生不可能有機會親自動手操作。這就使理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)嚴重脫節(jié)［1－4］。為彌補當前專業(yè)實踐教學(xué)的不足，促進學(xué)生對鋼鐵冶金專業(yè)基礎(chǔ)知識以及工藝和設(shè)備的理解，研制相關(guān)的鋼鐵冶金工藝實訓(xùn)裝置，創(chuàng)造逼真的鋼鐵冶金生產(chǎn)環(huán)境是十分必要的，該種實訓(xùn)裝置是加深學(xué)生對鋼鐵冶金生產(chǎn)過程的理解、提高工程實踐能力和創(chuàng)新能力、保證冶金工程專業(yè)課程教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)之一［5－6］。由此，我們開發(fā)了鋼鐵冶金系列實踐教學(xué)模型，轉(zhuǎn)爐實訓(xùn)裝置是其中之一。

1 氧化頂吹轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝過程

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐（BOF）煉鋼設(shè)備工藝過程如下：先把廢鋼等裝入爐內(nèi)，然后倒入鐵水，并加入適量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧氣噴槍從爐頂插入爐內(nèi)，吹入氧氣（純度大于99%的高壓氧氣流），使它直接跟高溫的鐵水發(fā)生氧化反應(yīng)，除去雜質(zhì)。用純氧代替空氣可以克服由于空氣里的氮氣的影響而使鋼質(zhì)變脆，以及氮氣排出時帶走熱量的缺點。在除去大部分硫、磷后，當鋼水的成分和溫度都達到要求時，即停止吹煉，提升噴槍，準備出鋼。出鋼時使爐體傾斜，鋼水從出鋼口注入鋼水包里，同時加入脫氧劑進行脫氧和調(diào)節(jié)成分。

2 實訓(xùn)裝置機械設(shè)備

轉(zhuǎn)爐實訓(xùn)裝置（見圖1）主要包括4部分：轉(zhuǎn)爐爐體、氧槍及氧槍升降機構(gòu)、轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)、底吹系統(tǒng)。

（1）轉(zhuǎn)爐模型：根據(jù)按實際工廠轉(zhuǎn)爐，按1∶6比例利用有機玻璃［7］制作。

（2）氧槍及氧槍升降機構(gòu)：不銹鋼質(zhì)加有機玻璃槍頭；行程為1 200mm，精度為0.02mm；配有上下限位裝置；提升方式為交流電動機拖動絲杠，提升速度為400～800mm/min；利用變頻器對升降速度進行控制。

（3）轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)：轉(zhuǎn)爐耳軸利用不銹鋼制作，中心為空，可通氣體管路，利用變頻器對轉(zhuǎn)爐傾動速度進行控制［8］，轉(zhuǎn)動速度為0～2r/min。

（4）底吹系統(tǒng)：在轉(zhuǎn)爐底部不同圓周處布置一系列底吹孔，可用來研究不同底吹布置對均混時間的影響。

圖1 轉(zhuǎn)爐過程實訓(xùn)裝置

3 實訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用機電一體化控制柜，控制柜內(nèi)安放計算機系統(tǒng)、變頻器、PLC、斷路器和接觸器等設(shè)備?？刂乒衩姘迳习惭b控制按鈕，用于氧槍升降和轉(zhuǎn)爐傾動的就地手動控制。計算機的串口和PLC的MPI接口之間通過PC/MPI連接電纜實現(xiàn)。

控制模式包括遠程自動控制、遠程手動控制和就地手動控制3種模式。遠程自動控制：系統(tǒng)和設(shè)備由PLC直接控制，運行過程中操作人員的干預(yù)量最小，PLC內(nèi)部程序能按工藝要求進行相應(yīng)的保護和閉鎖。遠程手動控制：由操作人員通過人機界面接口進行操作。就地手動控制：在現(xiàn)場通過控制箱上的按鈕開關(guān)對各電機、閥門實現(xiàn)手動操作控制，便于調(diào)校設(shè)備。

實訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)采用兩級控制。下位機為西門子S7－300可編程序控制器（PLC），完成數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制及邏輯控制功能。上位機采用主控計算機，主要完成動態(tài)流程圖顯示、工藝參數(shù)設(shè)置、自動與手動切換、噴槍的升降、轉(zhuǎn)爐爐體轉(zhuǎn)動和閥門的開關(guān)控制等功能［9］。

4 實訓(xùn)系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計選用性價比好的國產(chǎn)紫金橋組態(tài)軟件。將組態(tài)軟件和PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，以組態(tài)軟件為基礎(chǔ)，進行二次開發(fā)［10－12］。組態(tài)設(shè)計包括系統(tǒng)流程主畫面、轉(zhuǎn)爐傾動畫面、氧槍控制畫面、底吹控制畫面、輔原料加入系統(tǒng)畫面、主要參數(shù)的實時曲線圖、主要參數(shù)的歷史曲線圖等。能完成生產(chǎn)工藝全過程的遠程手動、自動控制以及實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理，具有歷史畫面、實時畫面顯示、數(shù)據(jù)歸檔、各種報表的生成及打印等完善的功能。按照系統(tǒng)工藝及控制要求，自動程序的各步序之間都有嚴格的轉(zhuǎn)換條件和連鎖關(guān)系，以確保系統(tǒng)工藝的順利完成。各界面見圖2—圖5。

圖2 BOF過程主界面

圖3 轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)界面

圖4 底吹系統(tǒng)界面

圖5 輔原料加料系統(tǒng)界面

5 結(jié)論

通過研制與開發(fā)轉(zhuǎn)爐實訓(xùn)仿真模型，實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容形象化、時空化，拉近課堂與實踐的距離。系統(tǒng)運行一年來，取得了良好的教學(xué)效果。本系統(tǒng)在實踐教學(xué)中具有如下特性：

（1）適用性：該實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)以其直觀的形式，使學(xué)生全面了解生產(chǎn)，提高了教學(xué)的時效性。通過建立逼真的模擬環(huán)境，彌補了現(xiàn)場實習只能看不能動的不足。

（2）綜合性：該實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)整合計算機模擬技術(shù)、機械傳動系統(tǒng)、電機驅(qū)動技術(shù)等，能完成鋼鐵冶金工藝及操作、傳感器、PLC控制技術(shù)、電氣控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)安裝調(diào)試、電機驅(qū)動技術(shù)、系統(tǒng)維護和故障檢測技術(shù)及組態(tài)監(jiān)控技術(shù)等綜合實踐教學(xué)。

（3）靈活性：該實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)可以適合鋼鐵冶金、機械、自動化、計算機等不同專業(yè)，可同時滿足學(xué)生認識實習、生產(chǎn)實習、畢業(yè)實習等實訓(xùn)環(huán)節(jié)的要求，因此，具有較強的靈活性和較為廣泛的適應(yīng)性。另一方面，學(xué)生在實訓(xùn)過程中，不但可隨時預(yù)約進行實驗，還可體會操作條件、程序改變對生產(chǎn)的影響，使學(xué)生加深對實踐知識的理解。

（4）安全性：鋼鐵冶金生產(chǎn)過程復(fù)雜化和連續(xù)性程度高，隨時隨處都有安全隱患存在。學(xué)生進入現(xiàn)場學(xué)習實踐就不可避免地面臨安全問題。該實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)為師生提供了一個安全的學(xué)習和實踐平臺，可在較為輕松的環(huán)境中完成教學(xué)任務(wù)，獲得知識和技能。

（5）實用性：由于現(xiàn)有教學(xué)模式培養(yǎng)的冶金類專業(yè)畢業(yè)生對實際操作過程感性認識差，在分配至該崗位后進入角色慢，工廠往往需要耗費大量時間、精力與成本對畢業(yè)生進行再培訓(xùn)。通過采用該實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，使教學(xué)緊跟生產(chǎn)實際，使學(xué)生步入工作之前就進行了必要的與現(xiàn)場控制最相近的操作訓(xùn)練，獲得實踐技能，符合并滿足未來生產(chǎn)的要求。

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