质量流量控制器在智能吹氩系统中的改进与应用

陈宏伟

（山钢股份莱芜分公司自动化部，山东莱芜 271104）

信息化建设

质量流量控制器在智能吹氩系统中的改进与应用

陈宏伟

（山钢股份莱芜分公司自动化部，山东莱芜 271104）

莱钢质量流量控制器损坏的主要原因是过压击穿损坏和内部电路故障。通过采取质量流量控制器换型、增加切断电磁阀、修改控制软件等措施进行改进，提升了智能吹氩系统的工作稳定性，质量流量控制器损坏率显著降低。

质量流量控制器；吹氩系统；电磁阀；过压

质量流量控制器（MFC，Mass Flow Controller）具有流量测量和流量自动控制的功能，以其精准的测量控制、稳定的工作性能以及易于与工业自动控制系统集成等优点，在冶金企业精炼炉的智能吹氩系统中得到广泛应用，但也存在易于损坏的问题，莱钢使用的质量流量控制器2011年1—9月共损坏3台控制器。为此，分析质量流量控制器损坏原因，采取改进措施，有效解决了质量流量控制器易损坏问题。

1 智能吹氩系统配置及使用情况

1.1 质量流量控制器工作原理

质量流量控制器能自动控制气体流量，用户可根据需要进行流量设定，MFC自动地将流量恒定在设定值上，即使系统压力有波动或环境温度有变化，也不会使其偏离设定值。质量流量控制器由流量传感器、分流器通道、流量调节阀门和微型处理器等部分组成［1］。其中气体流量传感器采用热导原理测量气体的质量流量，微处理器采集传感器加热电桥测得的流量信号并与设定值进行比较，再将差值信号输出放大后去控制调节阀门，微处理器内置PID控制程序，闭环控制流过通道的流量使之与设定的流量相等。

1.2 吹氩系统配置

LF精炼炉智能吹氩系统主要用于向钢包定量喷吹氩气，达到搅拌钢液的目的，有两个喷吹工位，每个工位两路气路，整套系统共4条气路。进网气源引自企业公辅管路，压力控制由气路前端减压阀整定为0.8 MPa，流量控制调节由气体质量流量控制器完成，气体质量流量控制器是系统的核心控制元件。每一条气路在质量流量控制器后安装1个逆止阀，当旁路打开时，防止氩气回流。

1.3 吹氩系统工艺流程

进气管道引自公辅氩气管路，进口压力1.8～2.0 MPa，经减压阀减压至0.8 MPa，工艺操作过程为：钢水包进入喷吹工位后，选定吹氩支路和设定吹氩流量，流量设定信号送至质量流量控制器，按下开吹按钮，自动回路电磁阀得电打开，质量流量控制器根据设定吹氩流量打开相应开度，氩气流向钢包透气砖进行吹氩搅拌。当质量流量控制器损坏失控时，自动关闭自动回路的电磁阀，打开电动旁通回路电磁阀，经电动旁通回路向钢包吹氩。吹氩起始阶段有时因0.8 MPa的喷吹压力不足以吹开透气砖，此时需操作人员手动打开手动旁通回路的手动阀，经手动旁通回路向钢包底部的透气砖吹入1.8～2.0 MPa的氩气，直至透气砖通气后转回自动吹氩操作。

2 损坏原因分析

2.1 过压击穿损坏

通过返厂拆解检测，确认损坏的主要原因为对控制器施加了过高的压力，导致流量测量部分击穿损坏，控制器记录的损坏时的瞬时压力为1.81 MPa，这个压力值超过了控制器的耐压值。这种损坏有两种情况：一是气路前端减压阀损坏，当自动回路的电磁阀得电导通时，压力未经减压直接作用在质量流量控制器上，造成击穿损坏；二是气路后端的逆止阀损坏失效，当打开手动旁路的手动阀时，气流经逆止阀反向冲击质量流量控制器，此时气路压力为1.8～2.0 MPa，造成流量测量部分击穿损坏。逆止阀损坏失效后不容易发现，往往造成更换后的控制器连续损坏。

2.2 内部电路故障

内部电路故障原因为设定值不为零的情况下，长时间无流量，流量控制部件过度发热导致损坏。当气路中没有气体流过时，若施加了不为零的给定信号，控制器就会给内部调节阀施加调节电压，使调节阀打开一定开度，试图使流量达到设定流量，如果此时管道中由于前端阀门关闭等原因，尽管调节阀已打开，流量仍为零，达不到设定值，控制器就会给调节阀施加最大电压，随时间加长，产生的热量散发不出去，温度升高，造成控制器内部电路损坏。

现场观察操作过程发现，吹氩完毕后，操作人员有时不按规程要求关闭吹氩系统，而是直接把喷吹软管从透气砖接口处拔下，下次再喷吹时，直接再插上使用。软管接头是卡套式自通接头，接头拔下后气路封闭，但此时质量流量控制器依然有给定信号，导致控制器损坏。

3 改进措施

3.1 质量流量控制器换型

原吹氩系统使用的质量流量控制器最大工作压力为145 PSI，当在耐压值时管路中前端减压阀和后端逆止阀均良好时，没有问题，但当两个阀门有一个损坏时，管路中1.8～2.0 MPa的气源压力就会对控制器产生击穿性损坏。因此，质量流量控制器更换为最大工作压力为360 PSI的型号，但需要考虑流体冲击作用。质量流量控制器损坏的直接因素是气流的冲击力，决定于冲击力的大小，不直接决定于管道静压。另外，质量流量控制器的流量检测部分采用热导测量原理，检测元件因受到导热效率和灵敏度限制，强度不会太大，即使更换耐压高的型号，其抗冲击能力还需验证。可见，换型后对防止控制器击穿损坏有效果，但能否完全杜绝还有待验证。因此，只采用这一项措施是不够的。

3.2 增加切断电磁阀

在每条气路的质量流量控制器后端和手动旁通回路手动阀的后端各加装1个切断电磁阀，这两个切断电磁阀与自动回路中的电磁阀以及电动旁路中的电磁阀进行电气连锁，增加1个转换开关用于转换信号的产生；当自动吹氩或电动旁路吹氩时，转换开关选择“禁止手动”位，信号送至PLC，PLC控制手动旁通回路中的切断电磁阀失电关闭，即使打开手动旁路的手动阀，也不会有气体进入气路；当需要使用手动旁通气路时，转换开关选择“允许手动”位，信号送至PLC，PLC首先控制自动回路中的电磁阀、电动旁路中的电磁阀、新增切断电磁阀失电关闭，然后控制手动旁通回路中的切断电磁阀得电打开，允许使用手动旁路。因其他三个电磁阀关闭，自动吹氩回路被两端截止，手动旁路中的高压气体无法对质量流量控制器造成冲击。管路改造示意见图1。

图1 管路改造示意图

3.3 修改控制软件

内部电路故障是因为控制软件的漏洞导致违规操作，因此，对控制软件进行完善［2］。本着既方便生产操作又有效保护控制器的原则，在软件中增加1套保护性连锁，当实际流量与设定流量的差值的绝对值大于3 l/min且持续3 min或实际流量小于7 l/ min且持续3 min，任一条件满足后，智能吹氩系统复位，设定值回零，各阀门状态复位到待机状态；如需继续使用，操作人员需重新进行选择、设定等操作。

4 结语

2011年9月莱钢通过采取质量流量控制器换型、增加切断电磁阀、修改控制软件等措施完成质量流量控制器改造后，提升了智能吹氩系统的工作稳定性，质量流量控制器损坏率显著降低，至2013年底，吹氩系统使用的4台质量流量控制器仅有1台损坏。质量流量控制器是一种精密仪器，需要根据使用场合采取有效的保护措施，避免各种因素造成的损坏，充分发挥其优越性能。

［1］唐剑平.质量流量控制器的原理与维修［J］.电子与封装，2002，2（2）：34-37.

［2］张浩.精炼炉底吹氩智能控制系统的研究［D］.西安：西安理工大学，2002.

Application of MassFlow Controller in Blowing Argon Intelligent System

CHEN Hongwei
（The Automation Department of Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China）

The paper analyzes over pressure breakdown and internal circuit fault was the main cause that due to the damage of mass flow controller,and by taking measures,such as replacing the model of controller,Increasing the protection with magnet valve, modifying control software and so on,which not only improve the stability of intelligent argon blowing system,but also decrease the damage rate.

mass flow controller;blowing argon system;magnetic valve;overpressure

TP273

B

1004-4620（2014）04-0060-02

2014-04-17

陈宏伟，男，1973年生，1994年毕业于上海冶金高等专科学校电气自动化专业。现为莱钢自动化部工程师，从事冶金自动化仪器仪表应用与技术工作。