книги из ГПНТБ / Пирожников, В. Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками

Г л а в а V

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПЛАВКИ В УСТАНОВКАХ

ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА

1. Краткая характеристика и особенности метода электрошлакового переплава

Процесс электрошлакового переплава (ЭШП) в СССР разработан институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР. Этот метод производства высококачественных сталей и сплавов получил широ­ кое признание. На заводах черной металлургии СССР работают десятки печей ЭШП, позволяющих получать слитки различной массы. На ряде заводов имеются специальные цехи или отделения для про­ изводства электрошлакового переплава (ЭШП). Сущность метода заключается в переплаве расходуемых электродов определенного химического состава в металлическом водоохлаждаемом кристалли­ заторе под слоем расплавленного шлака, который служит источником тепла при прохождении через него электрического тока [82].

Имеющиеся промышленные печи ЭШП работают по принципам формирования слитка вытягиванием его из кристаллизатора или заполнением последнего (рис. 77 б, б). В первом случае может быть осуществлена схема непрерывного процесса ЭШП. Однако в метал­ лургической практике наибольшее распространение получил второй способ выплавки электрошлакового слитка, поскольку он обеспечи­ вает большую простоту и надежность ведения плавки.

Повышенная чистота металла при ЭШП достигается совместным действием следующих факторов:

а) рафинирования высокоосновным шлаком, обеспечивающего десульфурацию, интенсивное удаление из металла неметаллических и газовых включений и вредных примесей;

б) перегрева металла, способствующего в свою очередь интенсив­ ному удалению из металла неметаллических включений и газов;

в) принудительной кристаллизации в водоохлаждаемых кристал­ лизаторах, позволяющей получать желаемую макроструктуру слитка с повышенной плотностью и однородностью, избавиться от неметал­ лических включений с низкой адгезией и обеспечить отсутствие зональной ликвации и газовых пузырей.

Техническая эффективность ЭШП оценивается, с одной стороны, степенью загрязненности металла неметаллическими включениями (серой, фосфором, свинцом и др.), с другой стороны, — плотностью и однородностью металла.

Для удаления неметаллических включений и растворенных газов важное значение имеет направленность кристаллизации электро-

160

шлакового слитка, которая определяется объемом и формой метал­ лической ванны. Если глубина последней намного превышает ее диаметр, то кристаллы растут в радиальном направлении, что создает благоприятные условия для захвата неметаллических включений осями растущих дендритов и задержания пузырьков газа. При глу­ бине металлической ванны, равной или меньшей радиуса слитка, направленность кристаллизации является осевой, что способствует удалению неметаллических включений. В то же время при чрезмер­ ном уменьшении глубины ванны, что соответствует малой скорости плавления электрода, металл в жидкой ванне становится вязким, а это приводит к ухудшению условий всплывания включений.

Исследования, проведенные для стали ШХ15, показывают [83], что наилучшее качество металла для этого случая получается при глубине ванны, равной половине диаметра слитка. Интенсивность удаления включений и примесей определяется приведенной поверх­ ностью реагирования, представляющей собой произведение геоме­ трической поверхности на время контакта металла со шлаком. Жидкий металл при ЭШП соприкасается со шлаком во время рас­ плавления на электроде и каплеобразования, капельного переноса жидкого металла через шлак и во время нахождения металла на поверхности жидкой металлической ванны. Исследования показы­ вают [84], что степенью рафинирования металла при капельном пере­ носе можно пренебречь по сравнению со степенью рафинирования на границах электрод—шлак и шлак—металлическая ванна.

в шлак. При недостаточном заглублении капли жидкого металла могут контактировать с атмосферой в кристаллизаторе, при этом возникнут дуги и микродуги между электродом и расплавленным шлаком, резко возрастает окисление металла, приводящее к значи­ тельному увеличению содержания кислородных и окисных неметал­ лических включений в слитке. Необходимое заглубление электрода

вшлак может быть достигнуто при определенной скорости плавления

иприменении определенного количества шлака. Увеличение заглуб­ ления электрода приводит к улучшению условий очищения металла, так как при этом увеличивается приведенная поверхность реагирова­ ния металла на конусе.

Плотность металла и направленность кристаллизации электрошлакового слитка определяется положением фронта кристаллизации,

т. е. глубиной и формой жидкой металлической ванны. Глубина и форма металлической ванны в разной степени зависят от электри­ ческой мощности, силы тока и напряжения, температуры шлака и затравки, скорости плавления и диаметра электрода, химического состава наплавляемого металла, количества шлака и других пара­ метров электрошлаковой плавки.

Характеристиками жидкой металлической ванны являются ее

рактеристикой теплового поля ванны металла. Исследования пока­ зывают [86], что величина Кф, м при постоянных диаметрах кристал­ лизатора и электрода определяется межэлектродным расстоянием.

Коэффициент фронта кристаллизации характеризует направлен­ ность кристаллов в слитке. Для получения определенной направлен­ ности кристаллизации слитка следует иметь некоторую однозначно задаваемую глубину конической части металлической ванны, это опять-таки достигается соответствующим выбором скорости плавле­ ния и межэлектродного промежутка.

Применение переменного тока для питания печей ЭШП повышает металлургические и электротехнические возможности процесса. Следует отметить, что электрошлаковый процесс можно осуществлять не только по однофазной схеме, но и по трехфазной, т. е. с тремя расходуемыми электродами в одном кристаллизаторе.

Переплав трех расходуемых электродов в одном кристаллизаторе по сравнению с однофазным вариантом ЭШП имеет преимущество, которое заключается в большем распаде электрода и, следовательно,

162

равномерном выделении тепла в шлаковой ванне. Это обеспечивает более пологую жидкую металлическую ванну и лучшие условия кристаллизации электрошлакового слитка.

2. Характеристика установок электрошлакового переплава как объекта регулирования

Получение высококачественного металла в установках ЭШП определяется точным соблюдением заданного электрического и тех­ нологического режимов. Функцию управления процессом переплава выполняют системы автоматического регулирования (САР). Технико­ экономические показатели и качество металла в установках ЭШП в значительной степени зависят от параметров САР. Электрошлако­ вый переплав является периодическим процессом, который можно подразделить на три основных периода;

1)разведение шлаковой ванны;

2)переплав электрода;

3)выведение усадочной раковины.

В течение первого периода длительностью около 20—30 мин происходит расплавление шлака, засыпанного в кристаллизатор. Этот период характеризуется наличием электрической дуги, горя­ щей между концом металлического электрода и затравкой на под­ доне. На дне кристаллизатора постепенно накапливается расплав­ ленный шлак. По мере расплавления шлака конец электрода погру­ жается в электропроводную шлаковую ванну, которая шунтирует дугу. Дуговой разряд прекращается и дальнейшее выделение тепла происходит в шлаковой ванне при прохождении электрического тока как по обычному сопротивлению.

Период наведения шлаковой ванны характеризуется весьма нестабильным электрическим режимом, происходят частые обрывы дуги и короткие замыкания. Это объясняется тяжелыми тепловыми условиями горения дуги и непостоянством дугового промежутка. Чтобы обеспечить устойчивый режим во время наведения шлаковой ванны, САР должна иметь достаточную скорость перемещения элек­

возмущений. Особой точности поддержания заданного электриче­ ского режима в этот период не требуется.

Период переплава расходуемого электрода отличается спокойным электрическим режимом, толчки тока отсутствуют. Основным воз­ мущающим воздействием, нарушающим заданный электрический режим, является сплавление электрода. В этот период необходима большая точность поддержания заданных параметров режима пере­ плава. Основное требование, предъявляемое к САР — высокая чувствительность системы, минимальная зона нечувствительности.

Период выведения усадочной раковины характеризуется посте­ пенным уменьшением силы тока установки ЭШП. Электрический режим при этом мало отличается от режима переплава расходуемого электрода. Однако условия регулирования менее благоприятны,

чем в период переплава, что обусловлено увеличением коэффициента усиления объекта.

В качестве основных параметров процесса ЭШП используются сила тока и напряжение трансформатора. Однако параметром регу­ лирования на большинстве промышленных образцов регуляторов принята сила тока печи. Напряжение печи регулируют, как правило, вручную.

Выбор рационального электрического режима является реша­ ющим фактором при получении высококачественного металла, т. е. электрический и тепловой режимы шлаковой и жидкой металличе­ ской ванны определяют условия выплывания неметаллических вклю­ чений и кристаллизации слитка. Критерием постоянства электри­ ческого режима считается постоянство силы тока печи, на этом же принципе строят и системы автоматического регулирования электрошлакового процесса. Однако во время плавки параметры контура печи сильно изменяются, что приводит к изменению потерь напря­ жения и мощности в подводящей сети, а следовательно, и электри­ ческого режима шлаковой ванны при постоянстве обычно контроли­ руемых параметров (силы тока, напряжения, мощности).

Источником изменения электрических параметров печи является оплавление электрода и наплавление слитка, причем сопротивление электрода уменьшается, а слитка — увеличивается.

Для условий поддержания силы тока печи на определенном уровне, что при неизменном сетевом напряжении означает постоянство Z, после несложных преобразований получаем следующие уравнения изменений электрических параметров печи и шлаковой ванны [87]:

соответственно сопротивления шлаковой ванны, мощности и напря­ жения шлаковой ванны, активной мощности печи, потерь реактив­ ной и активной мощностей, активного и реактивного падения на­ пряжения электрода.

Знак минус в формулах указывает на увеличение Рш, Рш, Um и Рп при уменьшении сопротивления электрода.

Из анализа уравнений (Ѵ-1)—(Ѵ-4) следует, что на изменение параметров шлаковой ванны оказывают влияние активные и реактив­ ные потери в электроде. Если

= tg Фп tg Фэ,

164

Из диаграммы видно, что при уменьшении сопротивления элек­ трода R3 и Хэ к концу плавки (параметры с индексом «2») при по­ стоянной силе тока увеличиваются напряжения шлаковой ванны £/ш, мощность Рш и cos фп. Одновременно с их ростом на шлаковой ванне возрастает межэлектродное расстояние, уменьшается величина по­ гружения электрода в шлак, о чем свидетельствует возрастание R m [уравнение (Ѵ-7)].

Для получения качественного металла необходимо, чтобы про­ цесс был «чисто шлаковым», т. е. в шлаковой ванне не должно быть электрической дуги, которая приводит к браку по неметаллическим включениям и макроструктуре.

Существуют границы устойчивого электрошлакового процесса, которые определяют возможные пределы изменения сил рабочих токов и погружения электрода в шлак. Если электрод слишком углублен в шлак (h <С /іт,п, где /ішах — межэлектродное расстояние, определяемое электрической прочностью промежутка), то между электродом и слитком будут гореть микродуги.

Этот режим определяет максимально возможную силу рабочего тока при данной ступени трансформатора. Если электрод не погру­ жен в шлак, а только касается его поверхности, то возможно воз­

и максимальное межэлектродное расстояние, равное высоте шлака. Во время переплава электрод должен находиться всегда между этими двумя границами, т. е.

^mln h h,'max*

165

Выход из границ приводит к неустойчивому режиму работы и ухудшению качества металла. Пределы возможных сил рабочих токов зависят от химического состава шлака, его количества, сту­ пени напряжения. При увеличении напряжения возможные силы рабочих токов смещаются в сторону больших.

Уменьшение сопротивления электрода по мере его оплавления приводит к сужению границ устойчивого электрошлакового процесса вследствие дополнительного уменьшения заглубления электрода в шлак в результате увеличения напряжения на шлаковой ванне.

3. Автоматические регуляторы электрического режима промышленных установок электрошлакового переплава

В установках электрошлакового переплава (УЭШП) широкое распространение получил метод управления по току. Это привело к разработке ряда регуляторов, обеспечивающих поддержание за­ данной силы тока переплава. Эти регуляторы являются составными элементами различных систем управления процессом ЭШП.

Институтом электросварки им. Е. О. Патона разработан автома­ тический регулятор тока (на транзисторах) с программным задатчи­ ком непрерывного действия РУ-502М (рис. 79) для установок элек­ трошлакового переплава [88]. Напряжение, пропорциональное силе тока печи, снимается с сопротивления R t и после выпрямления и сглаживания ЕСДфильтром поступает на сопротивление R 2. Сни­ жение напряжения на этом сопротивлении суммируется на сопротив­ лении R 3 с опорным падением от стабилизированного источника. Усиленная усилителем У разность входных сигналов поступает на усилитель мощности УМ, нагрузкой которой являются обмотки и ау2 электромашинного усилителя ЭМУ. При отклонении силы

тока печи от заданного напряжения на выходе ЭМУ изменяется, причем полярность его зависит от знака согласования. Двигатель Д 1 перемещает расходуемый электрод Э через редуктор Р, поддерживая

166

силу тока установки для электрошлакового переплава с заданной точностью.

На входе регулятора осуществлена отрицательная обратная связь по приращению силы тока печи. ЭМУ охвачен жесткой отри­ цательной связью по скорости двигателя (обмотка управления wa, сопротивления Д4, Д5 и R6). Кроме того, ЭМУ совместно с усилите­ лем УМ охвачен отрицательной обратной связью по приращению скорости (сопротивление R7, емкость С2). Изменение программы работы регулятора по силе тока осуществляется реверсивным дви­ гателем Д 2, который перемещает движок потенциометра R 3, меняя уставку регулятора.

В результате применения регулятора тока с программным задат­ чиком повышается точность поддержания силы тока установки элек­ трошлакового переплава до 1,5——2,0%, автоматизируется процесс наведения шлаковой ванны и установление заданного режима. Последний изменяется по программе автоматически, без участия оператора.

ВНИИЭТО и НИИАчерметом разработан бесконтактный авто­ матический регулятор с магнитными усилителями типа АРАД-Ш (рис. 80), предназначенный для автоматического регулирования электрошлакового переплава и обеспечивающий поддержание по­ стоянной силы тока печи с точностью ±250 А.

Регулятор АРАД-Ш содержит блок преобразования и сравнения Б ПС, блок промежуточного усиления БПУ, усилитель мощности УМ, двигатель рабочих перемещений РД, блок ручного задания БРЗ, программный задатчик ПЗ, блок управления маршевым дви­ гателем БУМД, маршевый двигатель МД, дифференциальный ре­ дуктор ДР, механическую связь MC.

Работа системы регулирования протекает следующим образом. Сигнал от трансформатора тока ТТ, пропорциональный силе тока электрода, преобразуется в блоке БПС и сравнивается с сигналом,

167

задаваемым блоком ручного задания БРЗ или программным задатчи­ ком ПЗ. Сигнал рассогласования усиливается в блоке БПУ и посту­ пает в блок усилителя мощности УМ. Усиленный сигнал рассогласо­ вания подается на двигатель рабочих перемещений РД, перемеща­ ющий электрод через дифференциальный редуктор ДР и механиче­ скую связь MC. Перемещение электрода осуществляется также по каналу маршевых перемещений двигателем маршевых перемещений МД, управляемым блоком управления маршевым двигателем БУМД.

Регулятор АРАД-Ш отличается простотой, удобством в эксплуа­ тации. Его высокая надежность и постоянство характеристик обес­ печивается бесконтактной схемой и надежными элементами, исполь­ зуемыми в регуляторе. Применение регуляторов АРАД-Ш дало возможность осуществлять дифференцированные режимы плавки и увеличить выход годного металла. Удельный расход электроэнер­ гии уменьшился на 120 кВт-ч/т.

На рис. 81 приведена структурная схема регулятора мощности на тиристорах типа СТУ-144 для установок электрошлакового пере­ плава, разработанного ВНИИАчерметом [89].

Регулятор состоит из блока задания БЗ, измерительного блока И Б, блока управления БУ, фазосдвигающего устройства ФСУ, блока тиристоров В х и В 2, двигателя постоянного тока Д для пере­ мещения расходуемого электрода Э.

В блок задания БЗ поступают сигнал Uy, характеризующий силу тока установки ЭШП, и сигнал U3 от ручного или программного устройства задания тока. В блоке задания эти напряжения преобра­ зуются и сравниваются, в результате чего формируется сигнал рас­ согласования ДДВХ, который поступает на вход блока измерения ИБ. В блоке ИБ сигнал рассогласования суммируется с напряжением обратной связи U0 с и преобразуется в напряжение Uy, которое

Р и с . 81. Структурная схема регулятора на тиристорах типа СТУ-144

68

Блок ФСУ предназначен для управления трехфазным нулевым реверсивным тиристорным преобразователем, состоящим из катод­ ной В х и анодной В 2 групп тиристоров. Группы В х и В 2 включают датчики тока Д Т Х и Д Т 2, сигналы от которых поступают на схемы токовой логики блока БУ для предотвращения одновременного включения вентилей обеих групп.

Для улучшения характеристик работы регулятора введена обрат­ ная отрицательная связь по скорости двигателя. Сигнал, пропор­ циональный скорости двигателя Д, снимается с тахометрического моста ТМ. Кроме того, сигнал с тахометрического моста подается на блок БУ для формирования сигнала UT 0 ограничения тока, протекающего по якорю электродвигателя. Группы В х и В 2 питаются от силового трансформатора СТ с включением обмоток по схеме звезда—зигзаг.

При отклонении силы тока дуги от заданного значения на выходе схемы сравнения И Б появляется сигнал. Усилитель мощности БУ выдает сигнал ФСУ на формирование импульсов управления В х или В 2 тиристорного преобразователя. В результате этого в цепи якоря двигателя Д возникает ток определенной полярности, и дви­ гатель Д перемещает электрод в нужном направлении. При враще­ нии двигателя возникает напряжение в ТМ. Это напряжение сумми­ руется с напряжением на входе ИБ. По мере перемещения электрода величина входного напряжения ИБ уменьшается до нуля, и двига­ тель останавливается.

Эксплуатация регулятора СТУ-144 на УЭШП завода «Электро­ сталь» показала его высокую надежность. Регулятор обеспечивает повышение производительности УЭШП на 0,5%.

В табл. 13 приведены сравнительные характеристики различных типов регуляторов тока установок электрошлакового переплава. Как видно из табл. 13, наилучшие показатели имеет регулятор на тиристорах, близок к нему по качеству регулирования электронно­ электромашинный регулятор. Для регуляторов тока установок электрошлакового переплава особенно важным является, однако,, не только качество регулирования, но и надежность в работе. С этой точки зрения преимущество за регуляторами на тиристорах.

Более углубленное исследование процесса электрошлакового' переплава показывает [86], что стабилизировать процесс только поддержанием заданной силы тока недостаточно. В процессе плавле­ ния длина электрода и, следовательно, сопротивление уменьшаются, что при неизменной ступени напряжения трансформатора и поддер­ живаемой постоянной силе тока приводит к повышению напряжения на шлаковой ванне и выделяющейся в последней мощности, а сле­ довательно (рис. 82), к увеличению скорости переплава. Одновре­ менно с этим возрастает и сопротивление шлаковой ванны, что ука­ зывает на увеличение зазора между торцом электрода и слитком.

16»