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        感應(yīng)熔煉爐爐襯損耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2024-03-04 05:11:10戴財(cái)榮張立廣宋聰聰
        微處理機(jī) 2024年1期

        戴財(cái)榮,張立廣,郭 璐,宋聰聰

        (西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院,西安 710021)

        1 引言

        隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,機(jī)械生產(chǎn)和加工產(chǎn)量不斷增加,感應(yīng)加熱技術(shù)因其低耗環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)大受推廣應(yīng)用[1]。因此感應(yīng)煉鋼已在煉鋼和鑄造行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用,其熔煉容量也逐漸增大,漏爐、穿爐事故常有發(fā)生,可能引起感應(yīng)圈和磁軛的絕緣損壞[2],導(dǎo)致嚴(yán)重后果。感應(yīng)爐在長期的生產(chǎn)過程中往往會因各種原因在爐襯和感應(yīng)器熔溝中形成裂紋,如果鐵水從爐襯和熔溝中滲出,滲出的鐵水會燒損感應(yīng)線圈和水套等部件,可能造成水套中的冷卻水與鐵水直接接觸,如不能及時(shí)采取措施,會威脅到現(xiàn)場工作人員的人身安全。因此有必要設(shè)計(jì)一種安全可靠的爐襯損耗監(jiān)測系統(tǒng),在鋼液未到達(dá)感應(yīng)圈前就發(fā)出報(bào)警信號,爭取足夠的時(shí)間采取措施防止漏爐事故發(fā)生,保障生產(chǎn)安全[3]。為此,必須在熔煉過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測爐襯厚度,及時(shí)發(fā)出警報(bào)。目前市面常見的爐襯損耗監(jiān)測裝置存在兩個(gè)突出的問題,一是安裝工藝復(fù)雜,導(dǎo)致安裝時(shí)間較長、安裝成本偏高;二是準(zhǔn)確度低,經(jīng)常誤報(bào)警,甚至報(bào)警失靈,影響感應(yīng)爐正常生產(chǎn)。針對上述情況,在此基于感應(yīng)接觸式爐襯損耗監(jiān)測技術(shù),嘗試提出一種爐襯損耗監(jiān)測系統(tǒng),設(shè)計(jì)將以高可靠性、簡易操作及低廉的成本為目標(biāo)。

        2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        感應(yīng)熔煉爐使用過程中,隨著爐料的沖刷等,爐襯出現(xiàn)損耗而逐漸變薄甚至出現(xiàn)裂縫,導(dǎo)致爐液與爐襯外壁的間隔越來越小,絕緣電阻隨之降低[4]。將爐底探針與爐襯通過爐液構(gòu)成回路,并在回路中加入直流電源,就可以根據(jù)回路中的電流值大小判斷爐襯損耗狀況[5]。因此,在接觸式爐襯損耗監(jiān)測系統(tǒng)和感應(yīng)式爐襯損耗監(jiān)測系統(tǒng)的檢測原理基礎(chǔ)之上,設(shè)計(jì)一種新型感應(yīng)爐爐襯損耗監(jiān)測系統(tǒng),從測量原理上來講是一種感應(yīng)接觸式爐襯損耗監(jiān)測系統(tǒng)。

        所設(shè)計(jì)的爐襯損耗監(jiān)測系統(tǒng)采用PLC 作為中央控制單元[6]。使用交流供電方式,通過整流電路轉(zhuǎn)換為直流電,為電流采集電路以及控制單元供電。將采集到的各回路電流信號經(jīng)過隔離放大后變?yōu)殡妷盒盘枺斎胫罰LC 電壓采集擴(kuò)展模塊,實(shí)現(xiàn)電壓采集。通過PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并與觸摸屏及計(jì)算機(jī)通信,最終將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到MCGS 觸摸屏上顯示出來。裝置總體方案設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

        圖1 爐襯損耗監(jiān)測裝置總體方案設(shè)計(jì)圖

        它的各主要組成部分的設(shè)計(jì)考慮與功能如下:

        1)檢測主控器:系統(tǒng)采用PLC 作為主控器,用于系統(tǒng)控制、電信號采集、數(shù)據(jù)通信等。

        2)感應(yīng)圈及中間側(cè)網(wǎng)回路電流采集電路:根據(jù)感應(yīng)式及接觸式爐襯損耗監(jiān)測技術(shù)原理分別設(shè)計(jì)兩回路電流采集電路,根據(jù)回路電流值對爐襯損耗狀況進(jìn)行監(jiān)測。

        3)檢測棒回路電流采集電路:該電路用于工作人員對爐襯損耗狀況進(jìn)行手動檢查。

        4)隔離放大電路:該電路將各回路采集到的電流信號進(jìn)行隔離,防止回路中的高壓及噪聲進(jìn)入PLC 中損壞器件。經(jīng)過隔離后,將電信號進(jìn)行放大,以便主控器進(jìn)行電信號采集。

        5)直流供電模塊:該模塊通過整流電路獲得兩路直流電源,一路作為各回路電流采集電路電源,另一路為系統(tǒng)其他器件如PLC、聲光報(bào)警器等供電。為防止感應(yīng)圈回路中高壓進(jìn)入現(xiàn)場電源系統(tǒng)造成安全事故,本系統(tǒng)經(jīng)隔離變壓器后再對交流電進(jìn)行整流得到直流電源,接入回路。

        6)光纖通信模塊:通過光纖與其他設(shè)備進(jìn)行通信,可以避免現(xiàn)場的電磁干擾使得通信失敗。

        7)MCGS 觸摸屏:在界面中,顯示各回路電流值并繪制其曲線,以便工作人員直觀獲取信息。同時(shí)在界面中顯示當(dāng)前的報(bào)警狀態(tài)及報(bào)警信息,實(shí)現(xiàn)裝置信息可視化。

        3 感應(yīng)接觸式爐襯損耗監(jiān)測設(shè)計(jì)

        3.1 接觸式爐襯損耗監(jiān)測

        接觸式爐襯損耗監(jiān)測裝置的工作原理如圖2 所示。將感應(yīng)熔煉爐爐底接地的爐底探針作為第一電極,在石棉網(wǎng)與云母紙之間安裝中間金屬網(wǎng),引出作為第二電極[7],在兩電極間串聯(lián)低壓直流電源及采樣電阻。然后測量回路電流并通過濾波、隔離及放大電路將電信號輸入至主控器。由于感應(yīng)熔煉爐爐襯會隨著使用過程逐漸出現(xiàn)損耗,絕緣阻抗降低,回路電流逐漸增大。當(dāng)金屬爐料通過爐體損耗部位滲透到中間金屬網(wǎng)時(shí),第一電極與第二電極間回路電流急速增大,達(dá)到報(bào)警閾值時(shí),系統(tǒng)立即發(fā)出報(bào)警信息。

        圖2 接觸式爐襯損耗監(jiān)測裝置原理圖

        在該技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用過程中,對筑爐工藝要求較高。在筑爐時(shí),需要將金屬絲按照固定間距鋪設(shè)[8],同時(shí)要求金屬網(wǎng)材料為非磁性不銹鋼,人力物力成本也較高。由于爐底探針與爐內(nèi)熔融液體金屬爐料接觸,若在筑爐過程中金屬網(wǎng)引出線與爐底探針引出線接反,高溫會將金屬網(wǎng)引出線燒斷,導(dǎo)致該回路采集不到漏電流,更甚至熔融的金屬液體會滲透在感應(yīng)圈上,導(dǎo)致短路,引發(fā)事故??梢娊佑|式爐襯損耗監(jiān)測裝置在實(shí)際應(yīng)用過程中,對工藝要求高、可靠性較低,故需要結(jié)合感應(yīng)式爐襯損耗監(jiān)測裝置,提高可靠性。

        3.2 感應(yīng)式爐襯損耗監(jiān)測

        感應(yīng)式爐襯損耗監(jiān)測裝置的工作原理如圖3 所示。從感應(yīng)銅制線圈上引出一個(gè)電極,與爐底的電極構(gòu)成回路,感應(yīng)爐內(nèi)金屬熔融爐料通過爐底的電極直接接地。在該回路中串入一個(gè)直流電源及大功率采樣電阻,使?fàn)t體、爐料、感應(yīng)圈、采樣電阻、直流電源共同組成一個(gè)回路。在筑爐完成初期,煉鋼爐爐齡短、爐襯暫未出現(xiàn)損耗時(shí),其絕緣阻抗較高,回路電流值小;隨著爐齡增加,爐襯出現(xiàn)損耗,絕緣阻抗降低,回路電流值增大。當(dāng)電流值達(dá)到工作人員設(shè)定的報(bào)警值時(shí),感應(yīng)式爐襯損耗監(jiān)測裝置發(fā)出報(bào)警,實(shí)現(xiàn)爐襯損耗監(jiān)測。

        圖3 感應(yīng)式爐襯損耗監(jiān)測裝置原理圖

        感應(yīng)熔煉爐在工作過程中,感應(yīng)圈上的單相交流電會將直流電流信號掩蓋。故在該回路電流采樣電路設(shè)計(jì)過程中,首先根據(jù)交流電頻率設(shè)計(jì)LC 濾波電路,將交流電信號去除,提高直流電信號采集的信噪比。同時(shí),由于該回路為高壓環(huán)境,故選用耐高壓、大功率器件設(shè)計(jì)電路,防止高壓對漏電流采集電路造成破壞。

        由于在感應(yīng)銅制線圈中,除高壓單相交流電外還包含直流分量,該直流分量與串入回路中的直流電源共同疊加在回路中后,使得回路電流增大,容易產(chǎn)生誤報(bào)警,因此在此處設(shè)計(jì)了反饋電路,將該直流分量去除。

        4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

        4.1 漏電流采樣及放大電路

        漏電流采樣電路原理圖如圖4 所示。熔煉爐感應(yīng)圈引出線經(jīng)LC 濾波去除交流成分后輸入該采樣路。R01、R02、R03 并聯(lián)后與R04 串聯(lián)接入漏電流值檢測回路,經(jīng)串聯(lián)分壓后,取樣R04 兩端的電壓。隨著爐齡的增加,爐襯逐漸變薄,其阻抗隨之降低,采樣電壓逐漸升高。當(dāng)出現(xiàn)漏爐時(shí),爐襯阻抗近似為0,R04 上電壓達(dá)到最大。為防止熔煉爐感應(yīng)圈引出線在現(xiàn)場環(huán)境中耦合共模干擾引起采樣電壓波動,故將采樣電壓經(jīng)共模濾波電路濾除共模干擾后,輸出到隔離放大電路。

        圖4 漏電流采樣電路原理圖

        放大電路原理圖如圖5 所示。采樣信號進(jìn)入該電路中,首先經(jīng)過兩級RC 濾波輸入至放大電路,再經(jīng)過一級RC 濾波保證采樣電壓信號平穩(wěn)。將該直流電壓輸出到PLC 模擬量采集端口,從而完成漏電流值的采集。

        圖5 放大電路原理圖

        系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生的歷史曲線如圖6 所示。由于中頻電源輸出的交流電中同時(shí)包含直流分量輸出在感應(yīng)銅制線圈上,該直流分量與串入回路中的直流電源共同疊加在回路中后,使得電源回路漏電流出現(xiàn)波動,這樣就無法采集到有效的漏電流值,很容易導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生誤報(bào)警,使得系統(tǒng)的可靠性變低。

        圖6 電源漏電流值歷史曲線

        4.2 反饋電壓采集電路

        由于中頻電源輸出中包含的直流分量與中頻電壓成正比,此處將中頻電源輸出經(jīng)變壓器采樣后,通過整流得到與中頻電壓波動同步的直流電壓,并通過運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的減法器對采集電壓進(jìn)行反饋。所設(shè)計(jì)的反饋電路如圖7 所示?,F(xiàn)場中頻電壓經(jīng)過變壓器后,輸入的交流電壓為0~10V。對其進(jìn)行整流濾波獲得直流電壓,然后通過一級RC 濾波濾除回路中的諧波。為了防止加入負(fù)載后電壓降低,通過電壓跟隨器將電壓輸出并通過電位器W4、W5 調(diào)節(jié)兩路反饋電壓的幅值。同時(shí),由于漏電流采集回路上存在LC 濾波電路及多級RC 濾波電路,因此需要保證反饋回路的電壓波動與采集回路的波動同步,所以可通過調(diào)整反饋回路中的W6 電位器來實(shí)現(xiàn)調(diào)整RC 濾波的時(shí)間常數(shù),從而進(jìn)一步降低漏電流值的波動。

        圖7 反饋電壓采集電路原理圖

        4.3 漏電流值采集反饋電路

        漏電流值采集反饋電路如圖8 所示,它是一個(gè)減法器電路。將采集到的電壓與反饋電壓相減,就可將采集到的電壓中由中頻電源串入的直流干擾去除掉,使采集到的電壓保持穩(wěn)定,從而得到電源漏電流的有效值。

        圖8 漏電流值采集反饋電路原理圖

        4.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        通過實(shí)驗(yàn)對上述設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)得到的電源漏電流歷史曲線如圖9 所示??梢?,在本設(shè)計(jì)中,經(jīng)過處理后的電源漏電流值波動明顯降低,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性大大提升,利用感應(yīng)接觸式爐襯監(jiān)測技術(shù)確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對爐襯損耗狀態(tài)的有效監(jiān)測。

        圖9 電源漏電流歷史曲線實(shí)測圖

        5 結(jié)束語

        所設(shè)計(jì)的熔煉爐爐襯損耗監(jiān)測系統(tǒng)是針對接觸式和感應(yīng)式監(jiān)測技術(shù)采集到的電路回路電流信號進(jìn)行處理,包括對數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、顯示等,可有效避免感應(yīng)爐在長期的生產(chǎn)過程中因由多種原因?qū)е碌穆t事故的發(fā)生。該系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣,安全可靠,能準(zhǔn)確及時(shí)提供報(bào)警信息,使用方便,在使用感應(yīng)爐的生產(chǎn)過程中有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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