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

8 70

Р и с . 82. Зависимость изменения параметров ванны во время плавки:

1 — скорость подачи электрода; 2 — напряжение на шлаковой ванне; 3 — мощ­ ность шлаковой ванны; 4 — сопротивление шлаковой ванны

Таким образом, при стабилизации одной только силы тока полу­ чить вполне однородный слиток не представляется возможным (ка­ чественный однородный слиток получается лишь тогда, когда плав­ ление идет равномерно с постоянной скоростью наплавления). Для этого нужно стабилизировать не силу тока, а скорость наплав­ ления слитка.

4. Системы автоматического управления электрошлаковым переплавом

Качество металла, полученного в результате переплава, в основ­ ном зависит от скорости плавления металла и межэлектродного рас­ стояния (заглубления электрода в шлаковую ванну). Поддержание постоянной силы тока печи перемещением электрода по мере его плавления не обеспечивает постоянства скорости плавления и за­ глубления электрода, что приводит к неоднородности металла по высоте слитка.

ВНИИАчерметом, Институтом электросварки им. Е. О. Патона, ВНИИЭТО, НИИАчерметом разрабатываются и испытываются САР, в которых в качестве параметров регулирования используются сила тока печи, напряжение на шлаковой ванне, скорость плавления, а также комбинации перечисленных параметров.

Для получения постоянной скорости наплавления слитка в уста­ новках электрошлакового переплава необходимо стабилизировать выделяемую в ванне печи мощность Рш, поддерживая постоянными силу рабочего тока и напряжение на шлаковой ванне в период кри­ сталлизации слитка.

ВНИИАчерметом и заводом «Электросталь» разработана система автоматического управления процессом электрошлакового пере-

171

пряжения выполнен на серийных элементах системы «Логика». Задание установок регуляторам выполняется вручную оператором по программе, разработанной ЦИЛ завода.

Автоматический регулятор тока сопоставляет заданную силу тока І3 с измеренной I и воздействует через исполнительный меха­ низм на перемещения электрода таким образом, чтобы разность /3 —

—/ = 0.

Автоматический регулятор напряжения на шлаковой ванне

сопоставляет заданное значение напряжения на шлаке Е3 напря­ жением на шлаковой ванне Е, измеренным между поддоном и элек­ тродом, и воздействует на переключатель ступеней напряжения (под нагрузкой) таким образом, чтобы разность Е3— Е = 0.

Необходимость регулирования напряжения в процессе плавки потребовала реконструировать силовой трансформатор печи, чтобы уменьшить дискретность ступеней напряжения до 0,3—0,5 В. Основ­ ные технические данные регулятора напряжения приведены ниже:

Для повышения надежности и быстродействия системы применен автоматический регулятор тока на тиристорах типа СТУ-144. Си­ стема позволяет поддерживать заданную мощность на шлаковой ванне, что улучшает качество металла и позволяет получить однородную макроструктуру и снизить головную обрезь слитка.

ВНИИАчерметом и заводом «Электросталь» разрабатывается система автоматического программного управления процессом электрошлакового переплава Ч

172

Система автоматического программного управления процессом электрошлакового переплава (рис. 84) содержит блок программного управления 1, автоматический регулятор напряжения 2 на шлаковой ванне с блоком задания 3, автоматический регулятор тока 4 с блоком задания 5, усилитель 6, механизм 7 перемещения расходуемого электрода 8, автоматический регулятор скорости наплавления ме­ талла на слиток 9, один вход которого соединен с датчиком скорости подачи расходуемого электрода 10, два других соединены с блоком программного управления.

Выход автоматического регулятора скорости 9 подключен ко входам блоков задания тока и напряжения систем автоматического регулирования силы тока и падения напряжения на шлаковой ванне.

Установка 11 электрошлакового переплава подключена к регу­ лируемому источнику питания 12, представляющему собой много­ ступенчатый печной трансформатор, оборудованный переключате­ лем ступеней напряжения под нагрузкой и дросселем подмагничивания, включенным во вторичную или первичную цепь трансформа­ тора.

Автоматический регулятор 9 скорости выполнен импульсным и содержит импульсный датчик 13 времени, устройство коррекции задания 14 и счетный элемент сравнения 15, сопоставляющий число импульсов в единицу времени, пропорциональное заданной скорости подачи электрода, с фактическим числом импульсов, пропорциональ­ ным пути, пройденному электродом за то же время.

Вход счетного элемента 15 связан с импульсным датчиком вре­ мени 13, другой — с импульсным датчиком скорости перемещения

Р и с . 84. Система автоматического программного управления процессом электрошлакового переплава

173

электрода 10, третий — с блоком программного управления 1, а выход его подключен к устройству коррекции задания 14 регулято­ рам тока и напряжения на шлаковой ванне.

Автоматический регулятор 2 напряжения на шлаковой ванне непрерывно сопоставляет заданное напряжение на шлаке Е3, уста­ навливаемое блоком программного управления, напряжением на шлаковой ванне Е, измеренным между поддоном 16 и электродом 8 выше кристаллизатора, и, воздействуя на регулируемый источник питания 12, обеспечивает соблюдение условия

Автоматический регулятор тока 4 непрерывно сопоставляет заданную блоком программного управления 1 силу тока /3 с изме­ ренной I и, воздействуя через усилитель 6 и двигатель 7 на переме­ щение электрода 8, обеспечивает соблюдение условия

При управлении процессом блок программного управления I изменяет заданное по напряжению Е3 и сила тока таким образом, чтобы их отношение

обеспечило поддержание заданных оптимального сопротивления шлака и величины межполюсного зазора. Очевидно, что при соблю­ дении условий (Ѵ-12)—(Ѵ-14) однозначно определяется и стабилизи­ руется выделяемая в шлаке мощность

Автоматический регулятор скорости 9 наплавления слитка полу­ чает от блока программного управления задание на требуемую ско­ рость подачи электрода или, что то же, пути электрода L3, который электрод должен пройти за базовое время Т 0 (равное, например, нескольким минутам), и сопоставляет его с фактическим путем L, пройденным электродом за время Т 0, измеряемым датчиком 10 по условию

одновременно корректирует заданную силу тока на величину Л/к, а заданное значение напряжения на величину АЕк таким образом, чтобы отношение

сохранялось неизменным и оптимальным для рассматриваемого этапа плавки, а произведение

обеспечило уменьшение неравенства величин L3 и L в уравнении (Ѵ-16).

174

Г л а в а VI

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПЛАВКИ

ВВАКУУМНЫХ ДУГОВЫХ ПЕЧАХ

1.Общие сведения

Переплав в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом является одним из наиболее широко используемых методов произ­ водства сталей и сплавов высокого качества. Металл, полученный в вакуумных дуговых печах, характеризуется высокой изотропно­ стью свойств, низким содержанием газов, низким содержанием и равномерным распределением неметаллических включений, плотной микроструктурой. Слитки вакуумного дугового переплава не имеют многих дефектов ликвационного происхождения, наблюдаемых в слит­ ках легированных сталей, отлитых в обычных изложницах.

Этот метод широко распространен во всех высокоразвитых про­ мышленных странах. Емкость печей дугового вакуумного переплава

176

По мере расплавления электрода фронт жидкого металла и одно­ временно с ним фронт кристаллизации перемещается вверх, а элек­ трод опускается механизмом 7, управляемым автоматическим регу­

вакуумных дуговых печей для выплавки стали в слитки. В качестве источников питания в ВДП применяют машинные преобразователи типа ГПН, которые в последние годы успешно вытесняются более надежными и дешевыми в эксплуатации полупроводниковыми вы­ прямительными устройствами типа ВАКП. При проведении вакуум­ ной дуговой плавки необходимо управлять основными процессами и операциями (зажиганием дуги, прогревом электрода, плавкой, выводом усадочной лунки) и вспомогательными операциями (привар­ кой электрода, а также вакуумной системой, системой охлаждения).

Различают три группы устройств, обеспечивающих управление ВДП: регуляторы тока дуги, регуляторы дугового промежутка и устройства защит, блокировок и управления вспомогательными операциями.

2. Рабочий процесс и выбор параметров регулирования

Процесс плавки в ВДП распадается на три этапа: прогрев элек­ трода, собственно плавка и выведение усадочной лунки. При про­ греве и выведении усадочной лунки происходит изменение силы тока по программе; во время плавки сила тока должна сохраняться на постоянной с высокой степенью точности (1—2%). При расплавле­ нии расходуемого электрода наблюдается нестационарный режим (период до начала каплепадения) — весовая скорость плавки ме­ няется при постоянной подводимой мощности — и установившийся режим — весовая скорость плавки постоянна при прочих равных условиях. Установившийся режим характеризуется неизменной во времени формой температурного поля, и весовая скорость плавки G в нем может быть определена из соотношения

Необходимым условием получения однородного по структуре слитка является постоянство мощности, подводимой к ванне, и постоянство скорости наплавления слитка. Исходя из этого, электрод прогревают при постепенном повышении силы тока с тем, чтобы со­ кратить время нестационарного режима и переплавить максималь­ ное количество металла в стационарном режиме.

Самые сильные, хотя и кратковременные, возмущения вызываются резкими изменениями длины или проводимости дуги. Причиной таких возмущений обычно являются всплески ванны жидкого ме­ талла, капельные короткие замыкания, падение кусочков материала электродов при переплавке прессованных электродов [91].

Изменение проводимости дуги возникает вследствие резких коле­ баний давления газов и плотности паров металла, а также в резуль­ тате изменения величины катодного падения при переходах дуги на неоднородные по химическому составу участки электрода. Резкие изменения длины дуги и ее проводимости наблюдаются при переплаве загрязненных шлаком электродов, когда на поверхности металла скапливается пленка расплавленного шлака. Нестабильность про­ водимости дуги возникает при загрязненной окислами поверхности

электродов.

При повышенном газовыделении и выбросе ионизированного газа и паров в промежуток между боковой поверхностью электрода и стенкой кристаллизатора возникает объемный разряд, который

178

также сопровождается повышением проводимости промежутка ка­ тод-анод. В конце плавки силу тока уменьшают для постепенного уменьшения глубины жидкой ванны, что способствует выведению

на поверхность усадочной раковины.

Экспериментальные и теоретические исследования [92—95 J по­ зволили найти связь между основными параметрами дугового раз­ ряда (его геометрией), силой тока и напряжением, т. е. определить вольтамперную характеристику дугового разряда в парах металла при пониженном давлении газов и неконденсируемых паров

(ѴІ-2)

где t/д — напряжение на дуге;

Катодно-анодное падение и коэффициент К в том диапазоне раз­ режений, в котором работают современные ВДП, практически не­ изменны для данного металла. Для данной плавки величина D3 также неизменна. Это позволяет уравнение (ѴІ-2) написать в следу­

ющем виде:

Стационарному процессу плавления соответствует неизменная величина мощности, выделяемой в разряде. Как следует из выраже­ ния (ѴІ-4), мощность разряда будет постоянной, если неизменны

сила тока и длина дуги.

Основными условиями получения качественного слитка в про­ цессе плавки в ВДП с расходуемым электродом является стабили­ зация силы тока дуги и поддержание неизменной длины дуги. Однако поддержание постоянными указанных выше параметров в ходе плавки одним регулирующим воздействием принципиально невозможно, так как в ВДП сопротивление токоведущих частей печи сопоставимо с сопротивлением разрядного промежутка и существенно изменяется по ходу плавки вследствие разогрева и сплавления расходуемого электрода. Кроме того, что конструкция и принцип действия ВДП исключают возможность замера длины дуги или напряжения на дуге, однозначно связанного с длиной дуги, приходится довольство­ ваться измерением напряжения на зажимах печи, которое лишь косвенно связано с длиной дуги, так как включает в себя переменное