CN108277320A

CN108277320A - 一种lf炉底吹氩双支路流量控制装置

Info

Publication number: CN108277320A
Application number: CN201810144386.1A
Authority: CN
Inventors: 刘海朝; 张丽; 王令; 武世卿; 叶楠; 孙立彬; 严彪; 姚辉; 贾会华
Original assignee: Wei'er Automation Co Ltd Of Tangshan Iron And Steel Group
Current assignee: Wei'er Automation Co Ltd Of Tangshan Iron And Steel Group
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2018-02-12
Publication date: 2018-07-13

Abstract

一种LF炉底吹氩双支路流量控制装置，构成中包括稳压分配器、两组氩气吹管和PLC控制器，所述稳压分配器的底部通过进气管与氩气源连接，每组氩气吹管包括主吹管、吹氩进气球阀、溢流型调压单元和一体化热式质量流量控制器，所述主吹管的一端与稳压分配器的内腔连通，另一端依次经吹氩进气球阀、溢流型调压单元和一体化热式质量流量控制器与钢包连接，所述一体化热式质量流量控制器通过工业总线与PLC控制器连接。本发明由PLC和一体化热式质量流量控制器共同完成两组氩气吹管的氩气流量控制，不仅调节过程短、阶跃响应快，具有良好的控制精度和稳定性，而且结构简单、成本低廉、运行可靠，适于在冶金企业推广应用。

Description

一种LF炉底吹氩双支路流量控制装置

技术领域

本发明涉及LF炉冶炼过程中底吹氩气搅拌时使用的氩气流量控制装置，属于金属的冶炼技术领域。

背景技术

LF炉在精炼过程中需要采用钢包底吹氩气的搅拌工艺。氩气进入钢包底部后，上浮的氩气气泡带动钢包中的钢水做循环往复的上下运动，使钢水混匀，同时氩气气泡可以吸收、释放钢水中的有害气体杂质，提高冶炼质量。氩气的流量需要根据电弧冶炼过程随动调整，过大会导致钢水剧烈运动影响电弧控制并容易形成卷渣缺陷，过小则达不到搅拌钢水的目的，影响冶炼质量。所以对底吹氩气流量的控制必须精确稳定，阶跃响应速度快，抗扰动性好，流量控制范围广。

传统的LF炉底吹氩气流量控制方式有以下两种：

一、电动调节阀、节流元件控制方式。控制信号为模拟量信号。PLC产生的模拟开度信号，通过电缆传送至现场电动调节阀用以控制氩气管路中球阀的开度大小，达到控制流量的目的，其反馈信号为孔板流量计及温、压补偿变送器产生的模拟信号。此系统虽然经济成本低但是在控制精度，稳定性、重复性，阶跃响应方面存在着很多问题，特别是孔板流量计测量范围小，小流量下存在控制死区这一缺点已经不能适应目前产品质量管控的精细化要求。

二、电磁阀岛及流量变送器控制方式。控制信号为数字量开关信号。由PLC将模拟量形式的控制值通过计算模块转换成二进制的数字量，之后通过继电器将信号输出至现场控制阀岛上的多个电磁阀。阀岛通过对应不同流量权值的电磁阀门的动作组合达到控制流量的目的。此系统调节过程短、阶跃响应快，但是存在机械部件结构复杂、开关动作频繁元件易损坏、单一阀门故障可引起系统震荡、容错性差等缺陷，且价格昂贵不利于推广。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种结构简单、成本低廉、运行可靠、控制稳定精确的LF炉底吹氩双支路流量控制装置。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种LF炉底吹氩双支路流量控制装置，构成中包括稳压分配器、两组氩气吹管和PLC控制器，所述稳压分配器的底部通过进气管与氩气源连接，每组氩气吹管包括主吹管、吹氩进气球阀、溢流型调压单元和一体化热式质量流量控制器，所述主吹管的一端与稳压分配器的内腔连通，另一端依次经吹氩进气球阀、溢流型调压单元和一体化热式质量流量控制器与钢包连接，所述一体化热式质量流量控制器通过工业总线与PLC控制器连接。

上述LF炉底吹氩双支路流量控制装置，所述一体化热式质量流量控制器包括主气管、测量管、前加热器、前温度传感器、后加热器、后温度传感器、流量控制器、湍流过滤器、层流元件和控制阀，所述主气管串接在主吹管中，所述湍流过滤器、层流元件和控制阀沿气流方向依次安装在主气管上，所述测量管的两端与主气管连接并分别位于层流元件的前侧和后侧，所述前加热器和后加热器沿气流方向依次安装在测量管上，所述前温度传感器和后温度传感器均安装在测量管上且分别与前加热器和后加热器相对应，前温度传感器和后温度传感器的信号输出端接流量控制器的输入端口，所述控制阀接于流量控制器的输出端口，所述流量控制器通过工业总线与PLC控制器连接。

上述LF炉底吹氩双支路流量控制装置，在主吹管与钢包相连的一端设有抗震型压力显示变送器和消音泄压单元，所述抗震型压力显示变送器的信号输出端接PLC控制器的输入端口，所述消音泄压单元接PLC控制器的输出端口。

上述LF炉底吹氩双支路流量控制装置，每组氩气吹管还包括旁吹管、旁吹进气截止阀和旁吹控制单元，所述旁吹管的一端与稳压分配器的内腔连通，另一端依次经旁吹进气截止阀和旁吹控制单元与一体化热式质量流量控制器出气端的管路连接，所述旁吹控制单元的信号输入端接PLC控制器的输出端口。

上述LF炉底吹氩双支路流量控制装置，每组氩气吹管还包括冗余管，所述冗余管的一端接稳压分配器的内腔，另一端经冗余进气球阀与钢包连接。

上述LF炉底吹氩双支路流量控制装置，所述主吹管和旁吹管上均设有逆止阀。

上述LF炉底吹氩双支路流量控制装置，所述稳压分配器的顶部安装有气源压力远传表。

本发明由PLC和一体化热式质量流量控制器共同完成两组氩气吹管的氩气流量控制，不仅调节过程短、阶跃响应快，具有良好的控制精度和稳定性，而且结构简单、成本低廉、运行可靠，适于在冶金企业推广应用。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是一体化热式质量流量控制器的结构示意图；

图3是一体化热式质量流量控制器的流量检测原理图；

图4是一体化热式质量流量控制器的控制系统框图。

图中标记如下：1、稳压分配器，2、气源压力远传表，3、吹氩进气球阀，4、溢流型调压单元，5、一体化热式质量流量控制器，5-1、主气管，5-2、测量管，5-3、前加热器，5-4、前温度传感器，5-5、后加热器，5-6、后温度传感器，5-7、流量控制器，5-8、湍流过滤器，5-9、层流元件，5-10、控制阀，6、主吹逆止阀，7、90度旁吹三通，8、90度取源三通，9、抗震型压力显示变送器，10、90度泄压三通，11、消音泄压单元，12、旁吹进气截止阀，13、旁吹控制单元，14、旁吹逆止阀，15、胶管总成，16、冗余进气球阀，17、主吹管，18、旁吹管，19、冗余管，20、进气管，21、PLC控制器。

具体实施方式

参看图1和图2，本发明主要由稳压分配器1、气源压力远传表2、吹氩进气球阀3、溢流型调压单元4、一体化热式质量流量控制器5、主吹逆止阀6、90度旁吹三通7、90度取源三通8、抗震型压力显示变送器9、90度泄压三通10、消音泄压单元11、旁吹进气截止阀12、旁吹控制单元13、旁吹逆止阀14、胶管总成15、冗余进气球阀16、PLC控制器21及其他不锈钢管件组成。装置有柜体保护，柜子尺寸为 H1600 x W1800 x D400，装置中管件的连接方式为螺纹连接，连接螺纹处缠有聚四氟乙烯带。箱体内部右侧为装置进、出气的接口，共五个，自上而下分别为A组氩气吹管吹氩出气口、A组氩气吹管冗余应急出气口、B组氩气吹管吹氩出气口、B组氩气吹管冗余应急出气口、稳压分配器1进气口。A组氩气吹管和B组氩气吹管分别对应A枪和B枪。

本发明的主要部件为一体化热式质量流量控制器，其内部集成有高性能DSP处理器（流量控制器）、高精度流量检测传感器（两个温度传感器）、精密步进电机驱动的控制阀、PROFINET工业控制总线网卡等元件，能独立完成所需的流量检测和控制的过程，保证A、B双支路的底吹氩系统供气需求。PLC控制器与两个一体化热式质量流量控制器之间均接有24VDC供电电源线及PROFINET工业现场总线专用电缆。一体化热式质量流量控制器供电电源接口形式为DB9，数据接口为RJ45接口。本装置实现了控制过程从PLC中的剥离，形成了集中显示、分散控制的架构模式。

稳压分配器1位于流量控制箱内部左侧，立式安装，高135mm，外径135mm，公称压力为PN40，材质为奥氏体316L不锈钢。气体入口位于其底部，气体出气口共6个，位于单元右侧自上而下排列。6个出气口自上而下依次连接A组氩气吹管主吹管、A组氩气吹管旁吹管、A组氩气吹管冗余管、B组氩气吹管主吹管、B组氩气吹管旁吹管、B组氩气吹管冗余管，相邻出口中心线在垂直方向上的距离分别为235mm、120mm、300mm、235mm、120mm。

吹氩进气球阀3位于主吹管（测量分）路上，水平安装，其左侧与稳压分配器1通过DN20不锈钢短节相连，右侧与溢流型调压单元4通过DN20不锈钢短节相连，球阀公称通经为DN20，公称压力为PN25。

溢流型调压单元4水平安装，其右侧与一体化热式质量流量控制器5通过DN25不锈钢短节相连，溢流型调压单元4高154mm，长 75mm，口径为25mm。

一体化热式质量流量控制器5水平安装，其左与溢流型调压单元通过英锥外丝转24°公制卡套内螺纹直通接头相连，右与主吹逆止阀6通过英锥外丝转24°公制卡套内螺纹直通接头相连，气体质量流量检测本体部分材质为316L不锈钢，高238mm，长171mm，电源接口为DB9母连接器，数据接口为RJ45型PROFINET连接器。进、出气孔径为1/2＂，左侧进气端接头中心处距溢流型调压单元4中心处的距离为200mm，右侧出气端接头中心处距90度旁吹三通中心处距离为275mm。

主吹逆止阀6水平安装呈倒T型，其左与一体化热式质量流量控制器5通过DN20不锈钢短节相连，右与90度旁吹三通7通过DN20不锈钢短节相连，公称通径为DN20。

90度旁吹三通7水平安装呈T型，其左与主吹逆止阀6通过DN20不锈钢短节相连，右与90度取源三通8通过DN20不锈钢短节相连，下与一端连接于旁吹管上的胶管总成15相连，公称通径为DN20。

抗震型压力显示变送器9水平安装于90度取源三通8上，90度取源三通8左侧与主吹逆止阀6通过90度旁吹三通7连接，右与消音泄压单元11通过90度泄压三通10相连。

90度泄压三通10水平安装呈T型，其左与90度取源三通8通过DN20不锈钢短节相连。

消音泄压单元11竖直安装，泄压元件开口垂直向下，电控元件及出线方向向左，控制电缆为KVVP 4x1.5，控制信号为24VDC。

旁吹进气截止阀12位于旁吹管（电控旁通分路）上，水平方向安装，左与稳压分配器1出口相连，水平中心线距离上部支路1测量分路水平中心线220mm，阀门公称通经DN20公称压力为PN25。

旁吹控制单元13水平向上安装，左与旁吹进气截止阀12通过DN20不锈钢短节相连，右与旁吹逆止阀14通过DN20不锈钢短节相连，电控元件及出线方向向上，控制电缆为KVVP 4x1.5，信号为24VDC。

旁吹逆止阀14水平方向安装呈倒T型，其右侧与主吹逆止阀6通过胶管总成15相连，公称通径为DN20。

胶管总成15左端连接于旁吹逆止阀14右侧接头，右端连接于90度旁吹三通7接头的下侧接头上。其长度为500mm，转弯半径为200mm，接头公称通径为DN20。

冗余进气球阀16水平安装，其左侧与稳压分配器1相连，阀门公称通经DN20，公称压力为PN25。

两组氩气吹管结构相同。

本发明的工作过程如下：

PLC控制器将流量设定的数据通过PROFINET工业总线发送至现场装置中的一体化热式质量流量控制器5。接收到控制信号后，一体化热式质量流量控制器5的控制阀5-10开始动作，参见图2，主气管5-1中的气体经过湍流过滤器5-8后，部分进入测量管5-2。参见图3和图4，两个高精度温度传感器检测的信号（温度差）经过AD转换、平滑滤波、查表线性化、微分处理等一系列的信号处理及计算得到气体质量流量的测量值用以流量控制，流量值通过PROFINET总线回传至PLC控制器。流量调节控制过程分开阀阶段、正常调节阶段、稳定阶段共三个阶段，工作状态下一体化热式质量流量控制器5内的DSP处理器（流量控制器）分别调用参数Kopen、Knormal、Kstable分段进行控制。图4是一体化热式质量流量控制器5的控制框图，其中参数Kspeed为控制速度因子，用于控制器响应速度快慢的调节，是Kp 值计算的基础数据，Kspeed 值在调节过程中分段控制，分别为Kopen、Knormal 、Kstable 。参数Kp为控制器的倍增因子，起比例作用。Kp＇=Kp*1.05^(128-Kspeed)。参数Kopen是调节阀从全关状态到开始打开时的Kspeed 值。参数Knormal为控制器在正常控制过程中的Kspeed值。参数Kstable为控制进入稳定阶段时，即实际值处在设定点误差2% 范围之内时的Kspeed值。参数P、I、D分别为比例、积分、微分控制的英文缩写。参数1+td/ti为比例系数符号简写。参数∫为积分系数符号简写。d/td为微分系数符号简写。DSP处理器根据数据存储器中存储的模型数据参数及算法计算出阀位开度，然后通过PMW驱动的步进电机连续地控制内置控制阀5-10动作，实现对底吹氩气流量的PID调节过程，保证A、B枪双支路的底吹氩气的需求。抗震型压力显示变送器9通过模拟信号将吹氩压力的测量值传送至PLC控制器用以流量设定参考。主吹逆止阀6、旁吹逆止阀14能防止氩气回灌至装置中。吹氩结束后，一体化热式质量流量控制器5停止调节，内置控制阀5-10恢复零位，PLC控制器通过开关信号控制排放管路中残留的高压气体，3S过后消音泄压单元11的电磁阀体自动关闭。当一体化热式质量流量控制器5故障或工况异常，正常供气无法满足需求时，工人就地操作手动控制旁吹控制单元13，形成旁路供气的模式以保证钢水的冶炼完成。A、B枪双支路的吹氩管路发生堵塞或泄露时工人可通过装置中的冗余进气球阀16手动开启冗余应急支路完成应急状态下的供气需求，保证应急状态下的生产需求。

本发明具有以下优点：

1、装置结构紧凑、占用场地小，现场安装选位灵活、方便。

2、装置数据传输采用具有等时性特性的PROFINET工业总线，传输速度快、抗干扰性好。拓扑结构灵活、丰富，后期扩展方便。

3、装置有旁吹切换、手动冗余应急功能可满足特殊工况条件下的控制需求。

4、一体化热式质量流量控制器集成有高精度流量检测、控制组件能够独立完成对氩气流量的PID调节过程，大大减轻了PLC控制器的运算、控制任务，提高了LF炉自控系统的稳定性和运行效率。

Claims

1.一种LF炉底吹氩双支路流量控制装置，其特征是，构成中包括稳压分配器（1）、两组氩气吹管和PLC控制器（21），所述稳压分配器（1）的底部通过进气管（20）与氩气源连接，每组氩气吹管包括主吹管（17）、吹氩进气球阀（3）、溢流型调压单元（4）和一体化热式质量流量控制器（5），所述主吹管（17）的一端与稳压分配器（1）的内腔连通，另一端依次经吹氩进气球阀（3）、溢流型调压单元（4）和一体化热式质量流量控制器（5）与钢包连接，所述一体化热式质量流量控制器（5）通过工业总线与PLC控制器（21）连接。

2.根据权利要求1所述的一种LF炉底吹氩双支路流量控制装置，其特征是，所述一体化热式质量流量控制器（5）包括主气管（5-1）、测量管（5-2）、前加热器（5-3）、前温度传感器（5-4）、后加热器（5-5）、后温度传感器（5-6）、流量控制器（5-7）、湍流过滤器（5-8）、层流元件（5-9）和控制阀（5-10），所述主气管（5-1）串接在主吹管（17）中，所述湍流过滤器（5-8）、层流元件（5-9）和控制阀（5-10）沿气流方向依次安装在主气管（5-1）上，所述测量管（5-2）的两端与主气管（5-1）连接并分别位于层流元件（5-9）的前侧和后侧，所述前加热器（5-3）和后加热器（5-5）沿气流方向依次安装在测量管（5-2）上，所述前温度传感器（5-4）和后温度传感器（5-6）均安装在测量管（5-2）上且分别与前加热器（5-3）和后加热器（5-5）相对应，前温度传感器（5-4）和后温度传感器（5-6）的信号输出端接流量控制器（5-7）的输入端口，所述控制阀（5-10）接于流量控制器（5-7）的输出端口，所述流量控制器（5-7）通过工业总线与PLC控制器（21）连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种LF炉底吹氩双支路流量控制装置，其特征是，在主吹管（17）与钢包相连的一端设有抗震型压力显示变送器（9）和消音泄压单元（11），所述抗震型压力显示变送器（9）的信号输出端接PLC控制器（21）的输入端口，所述消音泄压单元（11）接PLC控制器（21）的输出端口。

4.根据权利要求3所述的一种LF炉底吹氩双支路流量控制装置，其特征是，每组氩气吹管还包括旁吹管（18）、旁吹进气截止阀（12）和旁吹控制单元（13），所述旁吹管（18）的一端与稳压分配器（1）的内腔连通，另一端依次经旁吹进气截止阀（12）和旁吹控制单元（13）与一体化热式质量流量控制器（5）出气端的管路连接，所述旁吹控制单元（13）的信号输入端接PLC控制器（21）的输出端口。

5.根据权利要求4所述的一种LF炉底吹氩双支路流量控制装置，其特征是，每组氩气吹管还包括冗余管（19），所述冗余管（19）的一端接稳压分配器（1）的内腔，另一端经冗余进气球阀（16）与钢包连接。

6.根据权利要求5所述的一种LF炉底吹氩双支路流量控制装置，其特征是，所述主吹管（17）和旁吹管（18）上均设有逆止阀。

7.根据权利要求6所述的一种LF炉底吹氩双支路流量控制装置，其特征是，所述稳压分配器（1）的顶部安装有气源压力远传表（2）。