1、论文 关键词： 火焰切割机火焰切割机电气控制火焰切割机plc论文摘要：火焰切割机是利用燃气和氧气将铸坯快速燃烧，达到切断铸坯的目的，其优点是在线设备轻，一次性投资省，适应铸坯的温度宽；缺点是切割渣不易处理，金属损耗大，但当铸坯较长时，金属损耗则较少。本次课题实际内容主要是针对火焰切割机的电气控制部分进行研究和设计，本文引用电气控制plc原理，通过各种电气元件的选型和 计算 ，以及plc程序的编译，简单的介绍了该火焰切割机电气控制方面的设计过程和设计方法。火焰切割机的电气设计包括plc、变频器、控制变压器、低压电气元件的选型以及step 7的程序编译。1 绪论1.1 连续铸钢的概念连续铸钢是一项
2、把钢水直接浇铸成形的节能新工艺，它具有节省工序、缩短流程，提高金属收得率，降低能量消耗，生产过程机械化和自动化程度高，钢种扩大，产品质量高等许多传统模铸技术不可比拟的优点。自从20世纪50年代连续铸钢技术进入 工业 性应用阶段后，不同类型、不同规格的连铸机及其成套设备应运而生。20世纪70年代以后，连铸技术 发展 迅猛，特别是板、方坯连铸机的发展对加速连铸技术替代传统的模铸技术起到了决定性作用。1.2 连铸比的概念连铸坯的吨数与总铸坯(锭)的吨数之比叫做连铸比，它是衡量一个国家或一个钢铁工厂生产发展水平的重要标志之一，也是连铸设备、工艺、管理以及和连铸有关的各生产环节发展水平的综合体现。1.3
3、 国内外连铸技术的发展1.3.1 国外连铸技术的发展概况20世纪50年代，连铸开始用于钢铁工业生产。连铸坯产量仅有110万t左右，连铸比约为0.34%20世纪60年代，弧型连铸机问世，连铸进入了稳步发展时期。年产铸坯能力达4000万t以上，连铸比达5.6%。20世纪70年代，世界范围的两次能源危机促进了连铸技术大发展，连铸进入了迅猛发展时期。铸坯产量已逾2亿t，连铸比上升为25。8%。20世纪80年代，连铸进入完全成熟的全盛时期。世界连铸比由1981年的33。8%上升到1990年的64。1%。连铸技术的进步主要表现在对铸坯质量设计和质量控制方面达到了一个新水平。20世纪90年代以来，近终形连铸
4、受到了实际各过的普遍关注，近终形薄板坯连铸与连扎相结合，形成紧凑式短流程，其发展速度之快，非人们所料及。1.3.2 我国连铸发展概况 近几年,我国连铸发展很快。除海南、西藏和宁夏，都有了连铸。2000年，连铸坯产量达到11450万吨，突破一亿吨，位居各国之首。连铸比88.08%,超过了世界连铸比的平均数87.2%。从19962000年的五年，连铸坯的产量增加7017万吨，平均年增1403万吨，连铸比比1995（46.48%）增长41.6个百分点 ,平均年增8.32个百分点.这个增速在世界上也是罕见的.2000年,全连铸单位达到130个占有连铸单位的总数165个的78.8%(没有连铸的单位仅12
5、个);高效和较高效连铸机占连铸机总数339台的约50%.在品种质量方面,可以说除个别品种外都能生产并满足质量要求。进入新世纪,连铸生产发展更快.2001年连铸坯产量达13820万吨,连铸比达92.8%,比2000年猛增2370万吨,增长21%,连铸比增长4.72个百分点。2002年预计将产连铸坯16500万吨连铸比将达94%左右,全连铸单位将达157个,占当前有连铸的单位总数175的89.7%.2002年预计将新增连铸机60台200流,产能3500万吨以上.到2002年在线连铸机将达444台,产能共19450万吨.预计到2005年连铸机产能将达23500万吨,产量将达21000万吨,连铸比将达
6、97%.现在新建的钢长起步都是全连铸,新建的连铸机基本上都是高效的,而且达产很快。1.4 今后我国连铸发展要求1.提高品质.国内市场所需的品种应能自己生产并保证质量,充分满足市场要求,并有利于扩大出口。2.提高效率.还有近半数的连铸机需要进行高效化改造,已改造的效率需进一步提高,新建连铸机必须高效化且一 步到位,提高近终型连铸的比率,进一步提高效率。3.提高连铸比.尤其是提高特钢连铸比,进一步发展全连铸.目前,影响我国连铸比的主要是几个大的钢铁 企业 和一批老的特钢企业，包钢和攀钢可望于2003或2004年实现全连铸,宝钢可望于2006年实现全连铸,太钢也正在努力。 4.流程最佳化炉外精炼、铸
7、坯热装、连轧成材，连铸是中间环节和中心环节，力求匹配、衔接最佳化，使之充分发挥炼钢及轧钢的能力，缩短工艺流程，降低各项消耗，提高劳动生产率，增加 经济 效益。1.5 连铸机的组成连铸机主要由钢包运载装置、中间包、中间包运载装置、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却装置、拉坯矫直机、引锭装置、切割装置和铸坯运出装置等部分组成。图1.1 弧形连铸机1-钢包转台; 2-中间罐; 3-结晶器; 4-二次冷却及导向装置; 5-结晶器振动装置6-拉矫机; 7-引锭存放装置; 8-切割装置; 9-铸坯运出装置1.6 弧形连铸机的生产流程连续浇注时，钢水罐中的钢液经过中间罐注入水冷铜板结晶器内，结晶器的底部由引锭
8、头承托，使引锭头与结晶器壁密封后便可开始浇注。注入结晶器的钢水受到水冷铜模的强烈冷却，迅速成为具有一定厚度坯壳的铸坯。当钢液浇至规定高度时，开动拉矫机，拉锟夹住引锭杆以一定速度把铸坯连续拉出结晶器。为了防止铸坯坯壳被拉断，并减少结晶器内的拉坯阻力，在浇注过程中，结晶器始终要进行往复振动。铸坯拉出结晶器以后，进入二次喷水冷却区，直到完全凝固。当铸坯拉出拉矫机后，脱去引锭装置，铸坯经过矫直，再经过割机切成定尺长度，由输送锟道运走，这一整个过程是连续进行的。铸坯切割装置处于整个连铸装置的末端，也是整个连铸流程的结尾部分，负责把连铸坯按照轧钢机的要求切割成定尺或倍尺长度。铸坯是在连续运行中完成切割，因
9、此切割装置必须与铸坯同步运动。1.7切割设备的技术要求1把被矫直的铸坯，按要求切割成一定长度。2铸坯切口应与铸坯长度方向垂直，切面平整，切头不应有大于原铸坯断面的变形。3切割能力应适应铸坯温度的变化。1.8切割设备的类型及特点1.8.1 种类小方坯连铸机采用的切割设备种类较多，有电动机械剪，液压剪，火焰切割机等。1.8.2火焰切割机原理火焰切割机是利用燃气和氧气将铸坯快速燃烧，达到切断铸坯的目的，其优点是在线设备轻，一次性投资省，适应铸坯的温度宽；缺点是切割渣不易处理，金属损耗大，但当铸坯定尺较长时，金属损耗则较少，因而目前有些中、小企业又趋向建火焰切割机。1.8.3 火焰切割机的种类火焰切割
10、机用于小方坯铸机的机型目前有三种：其一自动化程度较高，投资也较大的为全自动化的火焰切割机，切割枪的摆动，切割小车的随动及返回，以及自动计数定尺，都由微机控制。电动或气压做动力源。另两种近来较流行的经济型的火焰切割机：一种称无动力型火焰切割机，另一种称夹坯型火焰切割机。（1）无动力型火焰切割机这种火焰切割机不同于全自动的火焰切割机，除切割小车返回使用液压缸外，其余全无动力源，是靠铸坯带动产生各种动作，当撞头落在锟道线上，铸坯运行一个定尺长度至撞头处，则顶动撞头并带着切割小车前进，切割小车上装切割枪，切割枪的摆动运动来源于摆动机构上有一个导轮，当切割小车被铸坯带动前进时，此导轮将沿着一个固定的靠模
11、曲线前进，因曲线的起伏使导轮带动切割枪，产生切割摆动运动。定尺撞头的上部装在定尺导杆上，由于定尺不同，撞头在定尺导杆上的位置可以通过调节装置进行调节，导杆的末端有释放导模，当撞头走到导杆末端时，完成尺切割后，撞头将因导模的作用，自动释放抬起。则被切断的铸坯经锟道送出。撞头及切割小车又被液压缸带动返回原处，而撞头落下成等待位置，全部切割过程结束。该切割机的动力来源是铸坯，铸坯不顶到撞头，则切割小车不会行走，切割枪不会摆动，无法进行切割，显然该机不能进行非定尺的切割，如切头、切尾，或事故切割，这是该机的最大弱点。（2）夹坯型火焰切割机为了克服上述切割机的缺点，一种新型的切割机对随动运动作了改进，不
12、用被动的顶坯方式，而改为主动的夹坯随动方式，并用汽缸作动力，解决了不能切头、切尾的问题。夹坯型火焰切割机，切割机前设置里夹坯锟，夹坯夹头，火焰切割枪的摆动仍是由摆动机构和靠模完成，切割小车返回用液压缸或用气动马达，夹坯夹头杠杆通过转轴，靠汽缸传动，产生夹紧或放松的动作，而气缸的进排气则由工人遥控，或由定尺装置发出信号，显然该机应另配备定尺发信号装置。目前小方坯连铸机采用这种带有主动夹坯机构的火焰切割机日渐增多。1.8.4 切割枪割炬又称为切割枪，是火焰切割机的重要部件。切割枪是由枪体和切割嘴组成。而切割嘴是它的核心部件。外混式切割枪，它形成的火焰焰心为白色长线状，切割嘴可距铸坯50100mm内
13、切割；外混式切割枪具有铸坯热清理效率高，切缝小，切割枪寿命长等优点。切割枪是用铜合金制造，并通水冷却。一般当铸坯宽度小于600mm时，用单枪切割；宽度大于600mm的铸坯，用双枪切割。但要求两支切割枪在同一条直线上移动，以防切缝不齐。切割时割枪应能横向运动和升降运动。当铸坯宽大于300mm时，切割枪可以平移，见图a，当坯宽小于300mm时，割枪可做平移或扇形运动，见图b，割枪的扇形运动的一个优点是切割先从铸坯角部开始，使角部得到预热有利于缩短切割时间，同时在板坯切割时先做约 5的扇形运动，割枪转到垂直位置后，再做快速平移运动，见图c。图1.2 割枪运动1.8.5 铸坯自动定尺装置锟子通过气缸与
14、铸坯接触，铸坯带动锟子转动并发出脉冲信号，由计数器按定尺发出信号开始切割。1.9 切割机的选用火焰切割机，在线设备简单,一次性投资低，切头比较平整，不受铸坯温度的限制，但金属损耗高,有烟尘和切割渣的污染，需要增加额外的投资。这里选用了夹坯型火焰切割机。图1.3 火焰切割装置图1.4 夹钳式同步机构简图1.10 课题关键问题及难点这次课题关键问题及主要难点有：1.工作环境温度高,零部件的选用与保护。2.变频器的参数设置。3. 电气元件的选用。4火焰切割机机械部件与plc控制系统的搭配。5.电气图主要技术参数的计算。6.step 7的编程。2 火焰切割机机械控制21 切割机机架由轨道和轨道梁、走行
15、和检查平台、横梁和立柱、能介管道和电缆等组成。1轨道采用高架形式，每流两根。安装轨道的轨道梁断面为“日”字形，内部通有冷却水，火切机轨道梁公用一个大机架。2行和检修平台。平台盖板上部为钢制花纹板，下部为钢板。3分布在铸流两侧，为了保证切割操作工有良好的操作视线，横梁采用下置式安放。4机能介管道和电缆设置在远离拉矫机一侧，如配置测量辊装置空气管和电缆设置靠拉矫机一侧。22 车体由下箱体、安装板、上箱体、箱盖和前箱体组成。1箱体和上箱体是一个箱形双壁构件，通有冷水，可保护安装在其中的各部件，防止机下铸流热辐射的损害。2安装板在上、下箱体之间，火切机的各部件都装在此板上。3箱盖在上箱体上方，是一可折
16、的轻型盖子，便于安装和维修。4前箱体是单壁箱体，用来保护切割枪、夹钳装置。23 传动装置两传动火焰切割机的传动装置由三相交流电机、两极蜗轮减速器、齿轮传动副、切割车行走和割枪驱动等部件组成。1电机：火焰切割机上，采用8极交流电机加变频器调速，使割枪在起切速度时，电机不会在低频带工作。2减速器组件：火焰切割机的减速器是本厂自制件，有两极蜗轮减速。在第一级蜗轮出轴上，装有开式传动齿轮，与带有电磁离合器（a）。在第二级蜗轮出轴上装有电磁离合器（b）。3切割车行走：切割车行走由传动部件与车轮组成，车轮安装在水冷箱体两侧，前端两个从动轮，后端两个主动轮，一侧车轮为槽型导向轮，另一侧车轮为平轮。传动部分安
17、装在水冷箱体的中部，通过小车传动电机，带动自动车轮，来完成切割机到沪运动。4割枪驱动：火焰切割机的割枪驱动由割枪传动电机来控制。24 同步机构火焰切割机的同步机构由带阀气缸、上夹臂、旋转轴和夹钳组成，气缸安装在水冷箱体内，通过电磁阀的换向带动上夹臂，再由旋转轴带动安装在前箱体的通有冷却水的夹钳作夹紧和松开动作,来实现对铸坯的夹紧和切割机的同步运行。工作程序:待机时,电磁阀失电,夹紧松开,处于极限待机位置(最大开口)。当铸坯运行到切割定尺时，气缸换向阀得电，气缸使夹钳夹紧铸坯，同时切割车传动电机失电，切割车即随铸坯同步运行。当切割完毕时，气缸换向阀失电，夹钳松开，气缸缩回至极限待机位置，夹紧极限
18、位置接近开关发讯，机器处于待机位置。25 边缘探测装置方坯火焰切割机在边缘探测方面作了很大改进。割枪对铸坯边缘的定位是通过夹钳对铸坯的夹紧将割枪边缘（不同的铸坯需要调整在夹紧时夹钳和割枪的相对位置，这样解决了铸坯跑偏时，割枪的预热点偏差大的问题。工作原理：待机时，切割机传动电机均失电，割枪停留在原位。当铸坯运行到切割定尺时，气缸换向阀得电。夹钳带动割枪，迅速达到铸坯边缘位置，对铸坯进行预热。26 管路由车间氧气、燃气、压缩空气、冷却水等管道供应的各种介质经过能源介质箱后，通过机外配管、机内配管送到机上各使用点。1.路。氧气进入能源介质箱，在箱内经过滤器后分成割枪预热氧、切割氧二路，分别减压至设
19、定压力，由电磁阀控制出能源介质箱后，经硬管送至拖链上的软管再接到主、副割枪上，高温区割枪的连接采用不锈钢波纹软管，预热氧管道进入割枪前装有氧气回火防止器。2.燃气管路。燃气进入能源介质箱，在箱内经过滤器并减压至设定压力，由电磁阀控制出能源介质箱后，经硬管送至拖链上的软管再接到主、副割枪上，高温区割枪的连接采用不锈钢波纹软管。燃气进入割枪前需装有回火防止器。3.压缩空气灌录。压缩空气进入能源介质箱在箱内经气源三联件（过滤、减压、油雾器）以设定压力出能源介质箱，经硬管送至拖链上的软管后进入机内配管，由换向阀控制进入同步气缸，使夹钳作夹紧与放开动作。火焰切割机的冷却水进、出水管路如下： shape
20、* mergeformat图 2.1 冷却水进、出水管路示意图冷却水经机外硬配管、拖链软管引上切割机后，分两路进入割枪、上箱体下箱体和夹钳，然后进入拖链回水管，最后通过机外硬配管系统排放。另一路由电磁换向阀控制进入长度测量装置气缸，使测量辊作靠拢铸坯与脱离铸坯动作。27 切割车行程控制切割车行程控制由接近开关与感应片组成。接近开关装在切割机上箱体的水套中，以防在高温状态下的失灵，感应片焊接在机架上。28 长度测量装置1. 度测量装置为一由气缸推动可摆动的空心轴，空心轴上装有一个表面经特殊硬化处理的测量轮，其摆动支撑座安装在切割机机架上。铸坯到达测量点之前，空心轴应摆动至上位。当上位机发出铸坯到
21、位信号后，气缸推动其摆动至下位，测量轮与铸坯侧面接触，铸坯靠摩擦力通过测量轮带动空心轴旋转。在空心轴上端通过一对开式齿轮传动副连接一个增量式光电编码器。测量轮的周长与脉冲发生器的每转脉冲数是匹配的，通过光电编码器将测量数据反馈到plc中去。冷却水流经测量轮、空心轴后排出。2.产度测量装置也可以配置红外线热金属探测器，探测器每流一套安装在长度测量机架上，探测器需要一路压缩空气、冷却水出口和出口管路。3.度测量装置也可选用dc24vp碰锤，碰锤每流一套安装在测量机架上，并与机架绝缘。29 能源介质控制箱29.1 概述能源介质控制箱的功能是将用户管道来的各种不同压力的能源介质调整到火焰切割机正常切割
22、所需的工作压力。本厂提供的能源介质控制箱具有这样的特点：在进口压力波动较大，切割所需的气源流量也很大的情况下，通过具有先进水平的减压阀的调压，使出口气压控制在正常切割所需的工作压力，并持续稳定地供应各种气源。安装位置：一般安放在离火焰切割机切割区域不太远（10米以内）的两侧。这样既可以使火焰切割机的现场配管长度比较合理，又便于在进行压力调整的时候，操作工可看清割枪的火焰。结构形式：为立式箱形结构。箱体的前后均可开门，便于维修。箱体的一侧配有电气端子箱（地上接线端子箱），将切割机上所有电控元器件和能源介质箱内电磁阀的接线电缆连接到此端子箱。29.2 简介（1）箱体。为立式箱形结构。所有的控制元器
23、件及联接管路均可安装在该箱体内，箱体下部为能源介质的进口，上部为能源介质的出口。如用户特殊需要，也可进、出口换向设计。箱体的前后均为双开门，便于维修。箱体的一侧配有一个电气端子箱（地上接线端子箱），将切割机上所有电控元器件和能源介质箱内电磁阀的电缆连接到此端子箱。（2）阀门类。共有六种类型。1. 安装在能介箱内各进气总管和分路管道上的球阀。其总管所用型号为q11f-16tg2；分管所用型号为q11f-16tg3/4。2. 安装在燃气总管上的止回阀。型号为mf，其功能一是防止燃气回火，二是过滤气体种的杂质。3. 安装在氧气和燃气分管上的减压阀。切割氧减压阀型号为md200；预热氧减压阀型号为re
24、25-hg；燃气减压阀型号为re4pm-g。4. 安装在氧气和燃气分管上，控制每一路气源开、关的二位二通电磁阀（德国进口件）。5. 安装在预热氧管和燃气管旁路上的气体调节阀。其型号为dp5。6. 安装在压缩空气管路上的三联件气源处理装置。其型号为399293。（3）管路。分为进气总管和各供气分管。各种介质的进气总管各一根。其中在氧气和燃气总管上装有过滤器和压力表。氧气总管在箱体内分成预热氧和切割氧两路然后根据该箱体控制切割枪的数量再分成相应的十路分管。在每一路预热氧分管上，装有q11f-16tg3/4球阀、md200氧气减压阀和二位二通电磁阀。在每一路预热氧分管上，装有q11f-16tg3/4
25、球阀、re25-hg预热氧减压阀和二位二通电磁阀，在电磁阀的下部配有一旁路，上装有dp5气体调节阀，供调节割枪点火火焰之用。燃气总管在箱体内根据该箱体控制切割枪的数量分成相应的五路分管。在每一路燃气分管上，装有q11f-16tg3/4球阀，re4pm-g燃气减压阀和二位二通电磁阀，在电磁阀的下部也配有一旁路，上装有dp5气体调节阀，供调节割枪点火火焰之用。2.10 技术参数1切割参数铸坯规格120120mm-250250mm铸坯温度&600切割定尺&2.5m切割区最小行程2400mm2运动参数切割机运行速度11.0m/min(快进、快退)2.5m/min（慢进、慢退）割枪运行速度0700mm/
26、min（可调）割枪正常切割速度300450mm/min3结构参数轨距800mm轮距750mm辊道面与轨道面高差1000mm割枪行程300mm切割枪数每台1把4能源介质参数种类压力(mpa)耗量(nm³/h)备注氧气1.058（每把枪）纯度燃气：46（每把枪）热值&57458kj/nm³乙炔0.070.1035-40（每把枪）热值&16800kj/nm³焦炉煤气0.250.50911（每把枪）热值&95900kj/nm³高能气0.050.073（每台车）热值&94100kj/nm³石油液化气0.050.0710（每台车）无油污杂质压缩空气0.40
27、0.606（每台车）工业净化水冷却水0.600.803 电气控制的设计火焰切割机电气设计要求包括六流火焰切割机的供配电设计，传动设计和控制操作功能设计。3.1 电气控制工艺要求3.1.1 控制设备3.1.2 操作控制（1） 手动位小车前进：传动电机制动器释放火切机传动电机正转小车前进指示灯亮 碰到小车前位限位 火切机传动电机停转、小车前进指示灯灭。小车后退：传动电机制动器释放火切机传动电机反转小车后退指示灯亮 碰到小车原位限位 火切机传动电机停转小车后退指示灯灭,小车停止运行。小车停止：火切机传动电机停止。切割枪快进（切割速进）：火切机传动电机快速（以切割速度前进，调节操作台上的调速电位器改变
28、切割速度）运转 切割枪快进（切割速进）指示灯亮 碰到割枪终位限位 火切机传动电机停转，切割枪快进（切割速进）指示灯灭。切割枪停止：火切机传动电机停转，割枪停止运行。切割枪退回：传动电机反转。切割枪夹紧：切枪夹紧臂电磁阀得电，切割枪夹紧指示灯亮。切割枪松开：切枪夹紧臂电磁阀失电，切割枪夹紧指示灯灭。预热火焰开：预热氧电磁阀得电，燃气电磁阀得电，预热火焰开指示灯亮。预热火焰关：预热氧电磁阀失电，燃气电磁阀失电，预热关火焰关指示灯亮。切割火焰开：切割氧电磁阀得电，燃气电磁阀得电，切割火焰开指示灯亮。切割火焰关：切割氧电磁阀失电，燃气电磁阀失电，切割火焰关指示灯亮。（2）自动位定尺装置发出切割指令或手
29、动切割指令 切枪夹紧臂电磁阀得电、切割枪夹紧，预热氧电磁阀得电、燃气电磁阀得电，预热火焰打开 经延时6秒 切割氧电磁阀得电（切割火焰打开，割枪传动电机以切割速度正转（调节操作台上的调速电位器改变切割速度），切割枪向前运行。碰到割枪终位限位 切枪夹紧电磁阀失电（切割枪松开）割枪传动电机停转、切割氧电磁阀失电、预热氧电磁阀失电、燃气电磁阀失电（切割火焰关闭） 割枪传动电机反转、割枪返回原位 经延时3秒小车传动电机快速反转，小车向后退行 碰到小车原位限位小车传动电机停转、小车停止运行。3.1.3 电气设计中应注意的问题（1） 尽量减少电气线路的电源种类。（2） 尽量减少电气元件的品种、规格、数量。（3） 合理安排触点位置。（4） 尽可能减少通电电器的数量。（5） 正确联接电路的线圈。（6） 防止出现寄生电路。（7） 设计控制电路时应考虑各种连锁关系以及电气系统中具有的各种电气保护措施，如过载、短路、欠压零压、限位超程保护等。同时还要考虑信号指示，故障检测及报警等。3.2 电气传动方式的选择电气传动形式的选择是电气设计的主要内容之一，也是以后各部分设计内容的基础和先决条件。一个电气传动系
