卞海林， 顧大為

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

底吹爐主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的供電、傳動(dòng)與控制設(shè)計(jì)

卞海林， 顧大為

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

底吹爐是底吹煉鉛和煉銅工藝的關(guān)鍵設(shè)備，其傳動(dòng)部分的安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系著生產(chǎn)的安全性和連續(xù)性。本文簡(jiǎn)要介紹了底吹爐的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，分析了出現(xiàn)故障時(shí)底吹爐轉(zhuǎn)動(dòng)操作的特點(diǎn)和要求，重點(diǎn)闡述了底吹爐主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的供電方式以及應(yīng)急電源的選擇、傳動(dòng)裝置和調(diào)速要求及控制，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，總結(jié)了設(shè)計(jì)上需要注意的環(huán)節(jié)，為以后的工程設(shè)計(jì)和改造提供借鑒。

底吹爐； 驅(qū)動(dòng)裝置； 應(yīng)急電源； 電氣傳動(dòng)； 控制

1 工藝概述

底吹煉鉛工藝和底吹煉銅工藝為國(guó)內(nèi)研發(fā)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，相比其他煉鉛、煉銅工藝，該工藝技術(shù)具有更高的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。隨著該工藝的日趨成熟，國(guó)外內(nèi)采用這項(xiàng)工藝技術(shù)的冶煉廠越來越多。

底吹爐是該工藝流程的關(guān)鍵設(shè)備，其作為一種回轉(zhuǎn)爐體，具有回轉(zhuǎn)爐的通性，同時(shí)又有自己的的特點(diǎn)。底吹爐正常工作時(shí)是靜止，不需要操作，只有出現(xiàn)工藝流程故障或市電失電時(shí)才需要快速轉(zhuǎn)爐至檢修位，將氧槍移出液面。如果轉(zhuǎn)爐失敗，所有氧槍將會(huì)堵塞損壞，恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)更換氧槍以及清理出鉛口和出渣口的難度加大，造成比較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

底吹爐主驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為底吹爐的重要組成部分，事故狀態(tài)下能否實(shí)現(xiàn)快速可靠地轉(zhuǎn)爐，關(guān)鍵在于其供電、傳動(dòng)和控制的設(shè)計(jì)是否安全可靠。底吹煉鉛爐和底吹煉銅爐的結(jié)構(gòu)以及機(jī)械傳動(dòng)裝置類似，下文均以底吹煉鉛爐為例加以闡述。

2 底吹爐事故轉(zhuǎn)爐時(shí)的特點(diǎn)

底吹爐事故轉(zhuǎn)爐時(shí)具有以下特點(diǎn)：

(1)速度低、時(shí)間短。底吹煉鉛爐的工作對(duì)象是高溫液態(tài)鉛和鉛渣，由于比重的差異，鉛渣浮在鉛液上。轉(zhuǎn)動(dòng)開始后爐內(nèi)熔體的溫度迅速降低，故要求轉(zhuǎn)動(dòng)過程中速度可調(diào)，起動(dòng)低速，中間過程速度略微加快，以免鉛液位較低時(shí)，鉛渣堵塞出鉛口，而停止速度過快也會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)鉛渣從加料口噴濺出來。失電后，制氧系統(tǒng)停止工作，氧槍的氧壓會(huì)迅速降低，如果轉(zhuǎn)爐不及時(shí)，鉛液會(huì)回灌到氧槍，導(dǎo)致氧槍損壞，同時(shí)增加更換氧槍的難度。

(2)重載、起動(dòng)力矩大。底吹爐爐體自重很大，加上爐料的重量，整個(gè)被轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的重量達(dá)到1 000 t以上， 故要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大且起停速度要低。當(dāng)電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，如果速度過快，就會(huì)出現(xiàn)因爐體慣性太大而導(dǎo)致停位不準(zhǔn)的情況。

(3)易偏心。偏心一般在以下兩種情況下出現(xiàn)：

一是事故轉(zhuǎn)爐時(shí)：正常工作時(shí)，底吹爐爐底有氧槍向爐內(nèi)噴氧攪動(dòng)，處于熔融狀態(tài)下的鉛渣粘度大，且浮在鉛液上面，容易黏在爐壁上，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)前爐內(nèi)的液位不在水平線上，形成偏心。如果偏心的情況嚴(yán)重，底吹爐從工作位轉(zhuǎn)到檢修位時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)爐子帶著電機(jī)轉(zhuǎn)而進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。某鉛冶煉廠就因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮這種狀況，出現(xiàn)EPS變頻器報(bào)過壓故障。

二是恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)：爐內(nèi)需要先加熱升溫，將固態(tài)鉛和鉛渣熔化成液態(tài)，由于熔化過程比較長(zhǎng)，完全熔化不好準(zhǔn)確判斷，因而實(shí)際操作中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)爐料沒完全熔化就開始轉(zhuǎn)爐的狀況，這時(shí)爐子會(huì)出現(xiàn)一定程度的偏心，導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大，所配電機(jī)如果出力不夠就會(huì)過載。因此轉(zhuǎn)動(dòng)裝置應(yīng)有一定的余量，保證偏心不太嚴(yán)重時(shí)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 底吹爐的供電方案

底吹爐事故狀態(tài)下轉(zhuǎn)爐的允許反應(yīng)時(shí)間為氧槍的保壓時(shí)間，儲(chǔ)氣罐的配置不同，事故供氣時(shí)間也不同，一般為3 min以上。為保證市電失電時(shí)爐體能迅速由工作位轉(zhuǎn)出至檢修位，需為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供可靠的電源，除市電外，還需配備應(yīng)急電源。底吹爐單次轉(zhuǎn)出液面的時(shí)間不超過30 s，根據(jù)工藝要求，應(yīng)急電源應(yīng)能允許事故轉(zhuǎn)爐20次，共計(jì)10 min。根據(jù)這個(gè)時(shí)間要求，應(yīng)急電源可以采用柴油發(fā)電機(jī)或EPS。主要的應(yīng)急供電方式有四種，見圖1。

ATSE-雙電源自動(dòng)投切裝置； QF-斷路器；KM-接觸器；KH-熱繼電器

4種應(yīng)急供電方式各有其特點(diǎn)，分別適用于不同的場(chǎng)合和工程要求，表1是這4種應(yīng)急電源特性比較。

4 底吹爐的傳動(dòng)

為了滿足工藝要求，圖1中方式一所用的可調(diào)頻EPS需采用非標(biāo)產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)的可變頻EPS只有電機(jī)起動(dòng)控制而沒有電機(jī)的運(yùn)行控制，只能起到變頻起動(dòng)的作用，無法實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程中調(diào)速。方式二和方式四所采用的應(yīng)急電源不可變頻，故需另配變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。就傳動(dòng)部分而言，可變頻EPS與變頻器基本類似。本文以某鉛冶煉工程非標(biāo)可變頻EPS為例，其傳動(dòng)部分加入控制聯(lián)鎖后的原理圖如圖2所示。

表1 應(yīng)急電源特性比較

圖2 EPS傳動(dòng)控制原理圖

對(duì)EPS的主要修改如下：

(1)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源。變頻器采用交直流供電，互為備用。通過EPS內(nèi)部控制板監(jiān)測(cè)外部市電電源，市電正常時(shí)，控制KM1閉合，變頻器取交流電源；市電失電時(shí)，控制KM1斷開，KM2閉合，變頻器取直流電源。

(2)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)抱閘電源。因?yàn)楸чl裝置不能使用交流變頻電源，故需要為抱閘裝置提供單獨(dú)的應(yīng)急電源，即在蓄電池出口增加一個(gè)頻率為50 Hz的逆變輸出，與另一路市電形成雙電源供電。市電正常時(shí)，控制KM3閉合，抱閘裝置取市電松閘；市電失電時(shí)，控制KM3斷開，KM4閉合，抱閘裝置取逆變電源松閘。

(3)EPS參與外部控制。EPS除滿足交直流的投切控制和自身保護(hù)外，還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)外部控制裝置調(diào)速的要求：一是將EPS內(nèi)的變頻器的控制接口與外部控制裝置相連，二是將外部信號(hào)輸入到EPS內(nèi)部控制板。

(4)根據(jù)底吹爐負(fù)載的特點(diǎn)，EPS內(nèi)變頻器還需配置制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，以實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)。

5 底吹爐的控制

5.1 控制方式

采用現(xiàn)場(chǎng)控制箱就地控制和中央控制室DCS控制，通過現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇控制權(quán)限。

5.2 調(diào)速方式

底吹爐整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間很短，一般在30 s以內(nèi)完成。實(shí)際操作中，多以現(xiàn)場(chǎng)操作為主，且整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，各階段的速度要求不一樣，所以速度需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)?；谏鲜隹紤]，變頻器采用開關(guān)量輸入分段速度選擇。一般設(shè)置快中慢三檔，通過在現(xiàn)場(chǎng)控制箱上安裝自復(fù)位的操作手柄控制速度。操作手柄的閉合表如圖2所示。當(dāng)選擇DCS遠(yuǎn)程操作時(shí)，通過頻率給定實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)速度。

5.3 松閘控制

抱閘必須和電氣系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖，在電機(jī)建立足夠的輸出力矩后，松開抱閘。需要制動(dòng)時(shí)，立即使電機(jī)停止。變頻器的松閘控制接點(diǎn)串入電機(jī)抱閘的控制回路中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)零速滿矩輸出時(shí)松抱閘。

5.4 定位控制

底吹爐有4個(gè)位置，分別為工作位、檢修位、兩個(gè)極限位，可以采用轉(zhuǎn)角控制器、限位開關(guān)以及編碼器定位。其中轉(zhuǎn)角控制器和限位開關(guān)較為簡(jiǎn)單，但精度較差。編碼器的精度高，但其角度信號(hào)不能直接接到控制回路中，需要通過DCS或變頻器處理后才能用。目前，轉(zhuǎn)角控制器和限位開關(guān)用的較多，簡(jiǎn)單明了。

5.5 零位保護(hù)

由于現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的旋轉(zhuǎn)手柄為自復(fù)位手柄，長(zhǎng)期使用后，有可能出現(xiàn)手柄復(fù)位不好的情況。采用零位保護(hù)主要是防范爐體轉(zhuǎn)動(dòng)過程中突然市電停電，操作人員松開手柄后，手柄可能會(huì)出現(xiàn)沒有自動(dòng)復(fù)位到零位的情況，控制回路此時(shí)處于接通狀態(tài)，應(yīng)急電源供電后，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，可能引發(fā)意外。

5.6 轉(zhuǎn)爐預(yù)警

底吹爐體積龐大，周圍的工作人員較多，轉(zhuǎn)爐過程中也可能出現(xiàn)爐液噴濺的情況，出于人身安全考慮，底吹爐轉(zhuǎn)動(dòng)之前必須預(yù)警，通知相關(guān)人員撤離，預(yù)警一段時(shí)間后才能轉(zhuǎn)爐。在控制回路設(shè)計(jì)里，預(yù)警及其連鎖控制也是關(guān)乎生產(chǎn)安全的重要部分。

5.7 信號(hào)顯示

底吹爐主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流、運(yùn)行、停止、故障信號(hào)同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)控制箱、EPS和DCS上顯示。

6 結(jié)束語

底吹爐主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的供電、傳動(dòng)以及控制這三個(gè)環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)，相互制約。設(shè)計(jì)人員需要綜合考慮各方面的因素，比選出一個(gè)安全可靠同時(shí)又相對(duì)經(jīng)濟(jì)和合理的設(shè)計(jì)方案。隨著底吹爐煉鉛煉銅工藝的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)底吹爐傾動(dòng)控制的要求會(huì)更高，生產(chǎn)實(shí)踐中也會(huì)有新的問題出現(xiàn)，這些都需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)一步完善。

[1]天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所. 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版杜, 2005: 568-570.

[2]馮斌. 變頻器在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)中的應(yīng)用[J]. 冶金自動(dòng)化, 2011(S2)：543-546.

Powersupply,electricdriveandcontroldesignofbottom
blownconvertermaindrivemotor

BIAN Hai-lin, GU Da-wei

Bottom blown converter has been the key equipment in the lead & copper smelting crafts. The safety and consistence of the production process lies highly in the SKS furnace’s reliable electric drive section. After a brief introduction of the components & structural features of bottom blown converter and a deep analysis of its characteristics & requirements when in accidental circumstances, this article will attach great importance to the power supply of the furnace main drive motor, emergency power supply selection, the drive section, speed requirements and the control security. According to the real feedback of the actual operation, details and aspects needed to be paid special attention to will be summarized to set an example to provide references for future engineering and plant transformation.

bottom blown converter furnace; drive unit; emergency power supply; electric drive; control

卞海林(1983—),男，湖北宜昌人，工程師，主要從事有色金屬冶煉的供配電設(shè)計(jì)工作。

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