液壓伺服比例閥在大型高爐布料控制技改中的應(yīng)用
1.無料鐘爐頂實(shí)現(xiàn)精確布料的原理
現(xiàn)代化的高爐為了最大限度的提高冶煉效率,均采用了料流調(diào)節(jié)閥加布料溜槽的控制方式來實(shí)現(xiàn)礦、焦在爐內(nèi)的精確布料,料流調(diào)節(jié)閥和布料溜槽控制布料的原理如圖49和圖50所示。
高爐爐料(燒結(jié)礦、球團(tuán)礦或焦炭等)經(jīng)過槽下配料工藝后先進(jìn)入到爐頂?shù)纳狭隙泛拖铝隙罚诟郀t接到布料指令后,其下料斗的料流調(diào)節(jié)閥首先按工藝要求開到給定的開度(即γ角),這時(shí)爐料按一定的流量經(jīng)布料滾筒后流到布料溜槽上,此時(shí)布料溜槽已經(jīng)按工藝要求升到一定的傾動(dòng)角度(即α角),同時(shí)布料溜槽還在水平面方向上進(jìn)行著勻速旋轉(zhuǎn)(即β角),這樣爐料就可均勻布到高爐料面。
從爐頂布料控制原理可以看出,只要控制好α、β、γ三個(gè)角度,就可以把爐料按任意形式布到爐內(nèi)。高爐布料方式有環(huán)形布料、扇形布料和定點(diǎn)布料等幾種形式。最多使用的是環(huán)形布料,即一批料以不同的傾動(dòng)角度布到爐內(nèi),形成以爐中心為圓心的數(shù)個(gè)圓環(huán),使?fàn)t料均勻布在爐內(nèi)。根據(jù)環(huán)形布料環(huán)數(shù)的多少還分為單環(huán)布料和多環(huán)布料,最常用的為一環(huán)到四環(huán)布料。如果冶煉過程中出現(xiàn)爐內(nèi)料面不均勻的情況,則可以利用扇形布料或定點(diǎn)布料來彌補(bǔ),或者爐長根據(jù)爐況需要,為改善透氣性、保護(hù)爐壁使其溫度不致過熱等原因,采用扇形或定點(diǎn)布料的方法來改善爐內(nèi)爐料的分布狀態(tài)。
在爐頂布料控制中,下料斗料流調(diào)節(jié)閥的開度控制(即γ角的控制)是至關(guān)重要的,因?yàn)橹挥笑媒强刂凭_,才能有效控制下料的料流量,進(jìn)而準(zhǔn)確控制每批料布料的厚度、環(huán)數(shù)及布料的起點(diǎn)和終點(diǎn)。
2.利用液壓伺服比例系統(tǒng)控制料流調(diào)節(jié)閥的可行性
采用液壓系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力矩較大,可以使系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間大幅縮短,另外其控制也比較簡單,即使用兩個(gè)普通的液控單向閥來控制液壓缸的開度,進(jìn)而達(dá)到控制角開度的目的,如圖51所示。一般大型高爐大都采用這種方式,但這種方式的缺點(diǎn)也很明顯:其一是普通液壓系統(tǒng)控制的液壓缸,其推力受系統(tǒng)壓力的影響比較大,容易形成沖擊,對料流閥的壽命有著一定的影響;其二也是比較重要的,就是其精度很難控制,這是因?yàn)榱狭鏖y在開到給定角度時(shí),由于里面充滿了爐料,必須要求一次到位而不能反復(fù)調(diào)節(jié),而普通的液壓系統(tǒng)是不能滿足這種要求的。而利用液壓缸一次定位的精度誤差又比較大,一般在1.5°~2.0°,有時(shí)竟達(dá)到2.5°~3.5°。這樣的精度在高爐布大粒度料(例如20mm以上的燒結(jié)礦或焦炭)時(shí)可能影響不是太嚴(yán)重,但是在需要布小粒度料的時(shí)候,尤其是小于5mm的碎礦或碎焦時(shí),就很難控制甚至無法控制了。
在大型高爐上,充分利用液壓系統(tǒng)推力大、動(dòng)作速度快的特點(diǎn),又能最大限度消除系統(tǒng)壓力變化對推力的影響,減小對機(jī)械系統(tǒng)的沖擊,同時(shí)把控制精度大幅提高,這是理想狀態(tài)。
基于以上思路,某公司在一煉鐵廠1號1750m3高爐上采用了液壓伺服比例控制系統(tǒng)來代替原先的普通液壓系統(tǒng)控制料流調(diào)節(jié)閥,獲得了較好的效果。
3.伺服比例系統(tǒng)控制料流調(diào)節(jié)閥的原理
(1)液壓伺服比例系統(tǒng)控料流閥的原理圖如圖53所示。伺服比例閥通過自帶的集成放大器,可以連續(xù)調(diào)節(jié)伺服比例閥的開度,這是與普通液控單向閥的最大不同。由于伺服比例閥的開度連續(xù)可調(diào),因此供給液壓缸油的流量也是連續(xù)可調(diào),這樣就實(shí)現(xiàn)了對液壓缸的速度、推力的連續(xù)調(diào)節(jié)和控制。
(2)電氣控制系統(tǒng),采用了施耐德公司的QUANTUM系列PLC控制系統(tǒng),負(fù)責(zé)
采集爐頂料流調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開度返回值(由自整角機(jī)或光電編碼器檢測轉(zhuǎn)換成實(shí)際角度),接收爐頂控制系統(tǒng)發(fā)出的γ角開度大小和動(dòng)作指令。在經(jīng)過分析處理后,把開度指令轉(zhuǎn)換成4~20mA的電信號發(fā)給伺服比例閥的集成放大器,用來控制伺服比例閥的開度。為了使系統(tǒng)既能有較大的推力和快速性,又能夠達(dá)到較理想的準(zhǔn)確度,在控制方式上采用了PID開環(huán)控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的方法,其控制流程如圖53所示。
PID調(diào)節(jié)的全稱是比例積分微分控制調(diào)節(jié)器。PLC控制系統(tǒng)首先檢測γ角的給定值和實(shí)際返回值,并計(jì)算出它們的差值δ,當(dāng)引直大于某個(gè)角度(比如2°),這時(shí)給定伺服比例閥較大的開度值,使液壓缸高速大推力運(yùn)行;當(dāng)δ值小于某個(gè)角度,即γ角接近給定值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入PID調(diào)節(jié)控制狀態(tài),即隨著8值的減小,控制系統(tǒng)給定伺服比例閥的開度值也按比例減小,直至為零。當(dāng)料流調(diào)節(jié)閥到達(dá)給定位置后(角的給定值與實(shí)際返回值之差<0.1°),起動(dòng)液壓鎖(電磁球閥動(dòng)作,使得液控單向閥動(dòng)作,切斷液壓缸進(jìn)油和出油回路),使液壓缸定位。這樣使液壓缸推動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥既能快速到位,叉能減小對設(shè)備的機(jī)械沖擊,并保證較高的精度。
液壓伺服比例系統(tǒng)本身具有較高的放大系數(shù),另外還有機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的影響。因此,如果PID調(diào)節(jié)的各項(xiàng)參數(shù)(如比例、微分、積分系數(shù)、延時(shí)時(shí)間、偏移量等)調(diào)整不好,系統(tǒng)極易產(chǎn)生振蕩,所以各項(xiàng)PID參數(shù)的設(shè)置需要反復(fù)試驗(yàn),以達(dá)到最好的效果。
4.實(shí)際應(yīng)用及效果
一煉鐵廠1號1750m3高爐是某公司第一座大型高爐,原來的爐頂料流調(diào)節(jié)閥采用的是普通液壓缸控制,γ角精度較低,誤差最大時(shí)達(dá)到2.8°,而且在料流調(diào)節(jié)閥全開和全關(guān)時(shí)機(jī)械沖擊較大。為了解決這一問題,對料流調(diào)節(jié)閥的控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造,依照上述原理及方法,新加了一套液壓伺服比例控制系統(tǒng),伺服比例閥選用BOSCH-REXROTH公司的高頻響伺服比例閥,電氣控制系統(tǒng)采用了QUANTUM系列的CPU53414,經(jīng)過改造后,實(shí)際效果非常理想。角的精度達(dá)到了0.1°,全行程動(dòng)作時(shí)間小于4s,系統(tǒng)在整個(gè)行程動(dòng)作平穩(wěn),不再產(chǎn)生較大的機(jī)械沖擊。