倾动炉液压传动控制技术的应用实践.pdf

3 8 中固 有色 冶 金 A 卷生产实践篇- 设备及自动化 垂 董 垂亘 蔓 歪 倾动炉液压传动控制技术的应用实践 邵德刚 ， 邵剑辉 ， 李维舟 ， 姜德权 1 ．金川集团公司铜冶炼厂， 甘肃 金昌7 3 7 1 0 0 ； 2 ． 中国恩菲工程技术有限公司， 北京1 0 0 0 3 8 [ 摘要] 介 绍 了倾 动炉液压传动控制 q Y - c 求 ， 详 细叙述 了金 川公 司 1 2 ． 5 m 5 m倾动炉液压控 制的 设计思路 、 传 动原理及技 术特点 。 [ 关键词】 倾动炉； 液压传动；控制技术 [ 中图分类号】 T F 8 0 6 [ 文献标识码] B 【 文章编号] 1 6 7 2 6 1 0 3 2 0 1 3 0 3 0 0 3 8 0 4 1 倾动炉的特点 倾动式精炼炉 简称倾动炉 是瑞士麦尔兹公司 依照钢铁工业的倾 动式平炉于上世纪 6 O 年代 开发 的， 它结合了有色金属冶炼的特殊工艺要求 ， 具有 固 定式反射炉和回转式精炼炉的优点， 其特征如下 1 对原料 的适应性强 ， 既可处理 固态 炉料 ， 又 可处理液态炉料； 2 机械化程度高； 3 氧化还原作业时炉子 向风管侧 倾转 1 5 。 左 右， 即可将风管浸人需要的熔体深度， 有利于提高氧 化还原效率 ； 4 出铜作业与浇铸机配套灵活， 安全性能高； 5 炉子寿命长， 维修方便， 作业率高。 倾 动炉是处理废杂铜的理想炉型 ， 迄今为止 ， 国 内外已有 l 0 余家工厂采用该炉进行废杂铜精炼 ， 它 的缺点是投资大 ， 设计及控制技术复杂且均 由国外 少数公司控制。国内已建成投产用于杂铜冶炼的倾 动炉， 设计及控制技术均从国外引进， 甚至部分关键 部件也从国外进 口。 金川集团股份有限公 司 简称金川公 司 2 0 万 t 杂铜项 目， 火法部分采用 1 台1 3 i n 卡尔多炉和两台 1 2 ． 5 mx 5 m倾动炉 ， 其中倾动炉 由国内公司设计 ， 所 有的结构件及传动机构全部国产化， 是第一台由我 [ 作者简介】 邵德刚 1 9 7 5 一 ， 男， 甘肃金昌人， 本科学历 ， 主要从事 冶金炉窑设备技术、 管理工作。 【 收稿 日 期] 2 o 1 3 0 2 1 9 【 修订 日 期] 2 o 1 3 0 4 0 1 国自主设计 、 自行加工制作完成的倾动炉。 2 倾动炉传动系统设计要求 由于倾动炉设备负荷承较大 ， 故设备传动机构 的稳 定性 、 可靠性 对倾动 炉 的安全 生产起 关键作 用。同时， 要有效保证倾动炉的生产作业效率， 提高 铜冶炼的经济效益， 就需要设备的故障率、 检修维护 时间 、 设备检修周期 等设 备的综合性能指标最优 。 因此， 在倾动炉传动机构设计上遵循以下几点原则。 2 ． 1 安全性能高 倾动炉传动机构在设计上， 要根据倾动炉炉体 结构 的特点 ， 结合工艺工况条件 和组件加工及安装 因素 ， 合理选择设计传动机构支撑结构 、 可靠 的传动 形式。 2 ． 2 速度可调 不同的工艺及实际生产条件 ， 需要采用不同的 炉体倾动速度进行生产作业。因此， 在炉体倾动传 动机构的设计上， 除了保证传动系统的可靠性外， 还 需要很好 的变速能力 。 2 ． 3 操作简单可靠 倾动炉炉体外形尺寸大 ， 为尽可能提高炉子的 作业效率 ， 减少人为操作失误所带来的生产损失及 设备损失 ， 炉体倾动操作要简单可靠、 配置合理、 多 地控制。 2 ． 4 经济性好 作为大型炉窑设备， 相对较低的设备投入以及 合理的传动结构设计， 低故障率、 维护简便等各项设 备运行指标最大限度地优化， 是保障生产作业效率、 2 0 1 3 年 6 月第 3 期 邵德刚等 倾动炉液压传动控制技术的应用实践 ．3 9． 提高铜 冶炼经济效益的唯一措施。因此 ， 倾 动炉传 动机构在选择时 ， 要充分考虑工艺条件 ， 全面考虑设 备的设计 、 采购、 加工、 安装等环节， 确保设备的综合 性能指标达到最优 ， 满足生产工艺的要求。 3 倾动炉传动机构的形式 3 ． 1 电动机 减速机 开式齿轮副 传统 的传动机构形式大多 为电动机 减速机 开式齿轮副 ， 但这种传动形式用在倾动式 阳极精炼 炉的传动机构上 ， 无法满足工艺生产要求 ， 主要是传 统的传动机构存在 以下几方面问题 1 倾动炉本体结构外形呈长方形框架 ， 在炉体 驱动过程中难以实现炉体精确控制， 存在传动冲击。 2 减速机受输出扭矩 、 速 比的约束 ， 其加工成 本大 、 维护检修工作量大。 3 速度变化调整范 围过窄。 4 采用传统的传动机构， 在炉体一端需要增加 设 计传动 的齿 圈 ， 并且该齿 圈不是完 整 3 6 0 。 ， 导致 炉体结构更为复杂， 炉体加工投资增大。 5 传动机构庞大 ， 所 占空 间大 ， 导致设备工程 投资增加。 上述原 因充分说明 ， 传统的传动机构形式无法 满足倾动炉这种特殊结构炉窑设备的要求。 3 ． 2 液压 系统 投产使用的倾动炉传动机构有采用液压系统传 动的， 液压系统传动有 以下优点 1 液压传动不仅能够实现炉体的精确控制， 还 能彻底消除驱动产生的冲击。 2 液压系统能够更好地适应炉子不 同作业周 期对炉体倾动速度的要求。 3 油缸所 占空间小 ， 检修维护工作量相对小 ， 运转周期长。 4 传动结构简单， 炉体结构得到优化 ， 设备投 资小 ， 故障率低 。 因此， 倾动炉传动采用油缸驱动是最经济、 可靠 的驱动方式 。 3 ． 3 双油缸支撑 比例液压 系统 国内其它用于铜火法冶炼的倾动炉液压传动系 统 ， 配置上采用双油缸支撑 比例液压 系统 ， 采用此 种配置有 以下特点 1 通过对 比例液压系统 电压调整 ， 实现油缸速 度的调整。 2 配置上相对简单 ， 控制阀组体积小 ， 可安装 在油缸本体上， 节省安装空间。 3 设备投资小 。 虽然这些倾动炉在运行中未出现大的故障， 但 仍存在 以下几点缺陷 1 实际运行中， 无法控制炉体倾动位置。 2 无法实现两台油缸精确的同步、 同速。 3 油缸本体没有故障检测手段。 4 液压系统在电气控制出现故障或生产出现 紧急状况时 ， 无法实现炉体安全 回位。 因此 ， 在倾动炉液压传动机构的设计 、 设备选取 及配置上 ， 需要针对上述缺陷 ， 采取可靠的措施加 以 解决。 4 金川倾动炉传动机构的特点 金川倾动炉设备承载能力 1 2 0 0 t 左右 ， 这在铜 冶炼倾动炉设备 中尚属首例 ， 同时， 整个倾动炉也是 首次全部设备均在国内设计 、 加工 。该倾动炉在吸 取 了国内已投 产倾 动炉传动机构经验教训 的基础 上， 充分考虑了工艺和炉体结构的特点， 在机构设 计、 设备采购、 加工、 安装等各个环节上采取有效措 施 ， 确保倾动炉液压传动机构安全、 同步， 设备操作 方便等优势得到体现。 4 ． 1 金川倾动炉液压传动的工艺配置 金川倾动炉液压传动充分借鉴了进口倾动炉倾 动液压驱动的设计理念 ， 在炉体垂直轴线的一侧布 置 ， 两台大推力 的伺服油缸 见 图 1 ， 采用 比例伺服 液压控制系统 。 图 1 金川倾动炉炉体倾动布局示意图 1 油缸设计要求 工作行程～ 3 3 0 0 m m， 工称压 力 2 5 MP a ， 最大推力～ 1 2 5 t ， 最大拉力一 6 0 t ， 活塞运 动速度最快 2 5 mm， s 炉体加料时段 、 最慢 0 ． 1 5 m ini s - 4 0 中固 有色冶 金 A卷生产实践篇 设备及 自动化 炉体 出铜作业时段 。 2 液压系统要求 两油缸 同步 、 同速工作 同步 误差不大于 2 mm ， 系统的工作压力 ≤1 5 MP a 。 4 ． 2金川倾动炉倾动液压驱动的控制原理 1 整个液压 系统采用电液 比例伺服控制 ， 即 由“ 比例伺 服阀 伺服缸 L V D T 控制器” 组成 闭环 控制系统 ， 保证同步控制两台油缸动作 、 速度、 行程 。 2 采 用高性 能 的 比例伺 服油缸 ， 配 L V D T反 馈 ， 保证执行元件的推力 、 拉力 、 速度 。 3 采用高性能的液压控制元件 ， 确保液压系统 稳定的压力流量。 4 控制系统采用P L C控制， 实现包括液压系统 含油泵 的控制、 炉体倾转系统的控制、 炉体倾转角 度的控制。 4 ． 3 金川倾动炉倾动液压驱动电气控制原理 倾动液压驱动电气控制原理图见图2 。 液压能源 扰 动 电 ． 压比较 l l f 0 P j L1反馈电位器 』 图2 倾动液压驱动电气控制原理 图 操作人员 向控制 系统 的控制器下达指令 ， 控制 器输出电信号给控制比例阀的电位放大器， 放大器 输 出的电压控制比例阀阀芯开始位移 ， 此时 ， 油缸开 始工作 ， 油缸 自身仪表测点 向控制系统反馈活塞位 移信号， 控制器根据信号校正和控制比例阀阀芯位 置 ， 保证两个油缸活塞 的移动速度和位置保持一致 或接近。 4 ． 4 金川倾动炉倾动液压系统的安全保障措施 1 采用 3台动力油泵 ， 两开一备 ， 油泵 电机配 电采用分段供 电， 确保整个液压 系统不会因油泵故 障导致系统失压。 2 每 台油泵对应一套调压 阀组 ， 两套调压阀组 按要求设计安装在一个油路集成块上， 在不影响系 统正常工作 的情况下 ， 能够实现备用调压阀组 的检 修 、 维护功能。在正常工作状态下， 两路工作， 另一 路处于备用状态。当工作的一路系统因故障或其它 原 因不能工作时 ， 可立 即启动备用系统。 3 采用滤 网孔径为 5 I z m的高压滤油器 ， 有效 地保证 了系统 的清洁度。油箱上滤筒的滤网孔径 2 0 Ix m， 保证油泵的使用寿命。系统配置回油冷却 器 ， 油箱 内配置电加热器 ， 油箱油温按要求控制在 2 0 - 5 0 o C 范围内。电加热器根据油温要求实现 自动 控制。 4 配 置有平 衡 系统工 作压力 及 流量 的蓄能 器 。同时 ， 蓄能器在事故情况下能够为油缸提供动 力源， 即当系统油泵失电故障停机时， 可以手动控制 直接驱动油缸， 使炉体回转到安全位置。 5 配置油箱油温 、 冷却水压力 、 冷却水温度 、 冷 却水流量 、 在线连续检测油箱液位 、 回油堵塞检测一 次元件 、 油缸上下油腔压力检测 、 系统压力检测 ， 所 有检测信号进入P L C 系统， 检测手段可靠， 方便系统 的检查、 维护及故障判断和调整。 6 金川倾动炉在控制上实现了四地控制方式 ， 即炉前 、 炉后 、 浇铸和控制室四地控制 ， 操作方案可 靠。 4 ． 5 金川倾动炉炉体倾动液压传动实现的技术指标 油缸全工作行程 3 1 0 0 m m； 油缸活塞运动最快 速度 2 5 m m／ s ； 油缸活塞运动最慢速度 0 ． 1 5 mm ／ s ； 液 压 系统 同步控制 偏差 两油 缸行 程跟 踪误 差 O ． 0 5 m m， 同步行程跟踪误差设定 1 ． 8 mm； 液压系统的最 低压力 1 2 M P a 炉体满载最低工作压力 ， 调整设定 工作压力为 1 8 MP a ； 炉体出铜最大偏转角 2 9 o ， 出渣 最大偏转角 1 0 。 。 5 讨论 5 ． 1 倾动炉液压传动油缸及支撑辊 、 滚圈防护问题 倾动炉作为火法冶炼的大型炉窑设备 ， 在扒渣 、 出铜作业中， 金属熔体喷溅物附于滚圈、 托辊， 增加 滚圈与托辊转动时的摩擦力 ， 且托辊 与滚圈所增加 的额外摩擦力并不均衡 ， 炉体在长时间连续运转 中 会出现水平窜动 ， 进而影 响整个炉体其它相关 的附 件， 甚者会使托辊与滚圈磨损加剧 ， 威胁炉体的安 全。同时 ， 金属熔体喷溅物会破坏油缸 的活塞及密 2 0 1 3年 6月 第 3期 邵德刚等 倾动炉液压传动控制技术 的应用实践 4 1 封件 ， 缩短油缸的使用寿命 ， 进而缩短炉体设备 的检 修维护周期。另外 ， 发生极端事故时， 如漏炉事故， 会对支撑辊 、 滚圈及油缸造成损伤 ， 故倾动炉支撑传 动机构的设备防护尤为重要。 因此 ， 做好这些 防护 ， 确保设备长周期安全 、 平 稳运行 ， 应根据不通的工艺配置 ， 采取有效 、 合理的 防护措施 。 5 ． 2倾动炉液压传动油缸比例伺服控 制阀台位置 问题 倾动炉液压传动机构采用 比例伺服液压控制系 统 ， 此种系统的特性 ， 一般控制阀台与执行机构 的距 离越短， 实现的控制精度越高。 因此 ， 在充分考虑工艺控制要求和工艺 配置情 况的前 提下 ， 合理选择 阀台配置位置 。以下几种配 置情况供参考 1 液压泵站与油缸配置距离较远 ， 控制阀建议 配置在炉体底部 、 油缸近边 ， 此种配置可使系统的控 制精度更好得到体 现 ， 同时 ， 在考虑设备防护时 ， 可 将阀台的防护一起解决。 2 液压泵站与油缸配置位置较近 ， 控制阀台建 议配置在液压站 内。 5 ． 3 倾动炉液压传动油缸同步精度问题 金川倾动炉在设备调试过程 中， 实现 了油缸速 度误差 0 ． 0 5 m m、 同步行程误差 0 ． 0 5 mm的最好精度 控制 ， 但 由于炉体 自身 、 托辊 、 滚 圈及油缸铰座 的加 工、 安装误差 ， 即使在最好控制精度状态下， 炉体仍 出现颤动现象 。为保证炉体平稳转动 ， 经过不断摸 索 、 试验 ， 将 油缸 的控制精度设 定为速度误差 O ． O 5 mm、同步行程误差 1 ． 8 m m， 尽管降低 了油缸 的同步 误差控制精度 ， 但仍优于设计要求的 2 ． 0 m m控制精 度。 因此 ， 要保证炉体在倾动过程 中实现平稳运行 ， 对倾动炉液压传动油缸 同速 、 同步 的控制精度设定 不能一概而定 ， 需要根据实际设备各部件加工 、 安装 误差 的情况进行设定 ， 误差越小 ， 可实现的控制精度 就越高。 5 ． 4 倾动 炉 浇铸 作业 过程 实现 倾 动 自动控 制 问题 目前 ， 倾动炉浇铸工艺作业 过程外部 因素不确 定 ， 工艺生产还未摸索 出可靠的控制数据 ， 倾动液压 系统的控制得不到稳定 、 有效的控制反馈条件 ， 故无 法实现出铜作业过程炉体倾动的 自动控制。从金川 倾动炉炉体倾动控制所达到的技术指标看 ， 只要工 艺生产摸索出可靠 的控制手段 ， 此种先进的设备工 艺控制理念是可以实现的。 6 结语 金川倾动炉炉体首次全部设备国内 自主设计 、 制作完成 ， 其性能指标达到 了国际先进水平 ， 实现了 倾动炉整体设备 的国产化 。实践表明 ， 金川倾动炉 及倾动液压系统传动控制技术的应用是成功 的。 【 参考文献】 [ 1 ] 成 大 先． 机 械 设计 手册 第 五版 [ M] ． 北京 化 学工 业 出版 社 ， 2 0 0 7 Pr a c t i c e o f hy dr a ul i c t r a ns mi s s i o n c o nt r o l l i ng t e c h no l o g y o f t i t l i ng f u r n a c e S HAO De - g a n g ， S HAO J i a n - h u i ， L I W e i z h o u ， J I ANG D e q u a n Abs t r ac t Th e t e c h n o l o g i c a l r e qu i r e me nt s f o r h y d r a u l i c t r a ns mi s s i o n c o nt r o l l i n g o f t i t l i n g f u r na c e wa s i n t r o d u c e d ， a n d t h e d e s i g n i d e a ， t r a n s mi s s i o n p r i n c i p l e a n d t e c h n o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n c o n t r o l l i n g o f 1 2 ． 5 mx 5 m t i t l i n g f u r n a c e i n J i n c h u a n c o mp a n y we r e p r e s e n t e d i n d e t a i l i n t h i s p a p e r ． Ke y wo r ds t i t l i n g f u r n a c e ； h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n ； c o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y 欢 迎 订 阅2 0 1 3 年 中国有色冶金