雙工位保護氣氛熔速控制電渣重熔爐的開發

余 強，董艷伍，姜周華

(1.東北大學 信息科學與工程學院，2.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004)

雙工位保護氣氛熔速控制電渣重熔爐的開發

余 強1，董艷伍2，姜周華2

(1.東北大學 信息科學與工程學院，2.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004)

在對電渣重熔理論、工藝技術和設備等方面的多年研究基礎上，為適應高端材料的發展需求，開發了保護氣氛熔速控制電渣重熔爐.本設備為單爐頭、雙工位、龍門框架式結構，可以滿足低氣體含量及含有高易氧化元素的材料的生產，為我國高端材料的生產提供了必要的手段.

電渣重熔;保護氣氛;熔速

電渣重熔技術從誕生至今一直是生產特殊材料的重要手段，然后隨著材料的不斷發展，對材料的要求越來越高，普通電渣冶金技術已經很難滿足高端材料的發展要求，于是誕生了保護氣氛電渣重熔技術，東北大學在多年的理論和實踐研究基礎上開發出了保護氣氛熔速控制的電渣重熔技術［1～3］.

1 設備簡介

本設備采用地坑式布置，交流供電、龍門框架式旋轉平臺、雙熔煉工位.設備主要包括:爐頭設備、爐座設備、供電系統、短網、傳動系統、冷卻系統等，設備總圖如圖1所示.

1.1 爐頭系統

爐頭設備選用龍門式結構，設計承載最大6 t電極的能力;爐頭可在兩個熔煉工位之間轉動，實現熔煉工位的轉移，交替式工作方式，可以顯著提高變壓器的利用率，減少爐子的熱停時間，提高產量.

1.2 爐座設備

爐座設備用于固定底水箱和結晶器.包括:熔煉站基座支撐組件(含結晶器導向、定位裝置);底水箱;結晶器;底短網、大電流觸頭組件及液動部分(連接底水箱銅板和短網回流母線)等.

1.3 供電系統

供電系統包括高壓供電系統和低壓供電系統.高壓供電系統由高壓柜、變壓器、磁調壓柜、油水冷卻器及控制箱等組成.變壓器采用雙相交流供電.磁調壓柜包括整流、觸發控制等部分.PLC通過4～20 mA控制信號控制整流觸發角，從而控制變壓器一次勵磁線圈電壓，實現改變變壓器二次電壓輸出，穩定熔煉電流.

低壓動力及控制電源由低壓配電柜接受車間饋電，進線電壓為380 V/220 V三相四線制，自動開關進行開斷及保護.為保證低壓控制電源可靠供電，采用雙電源饋電，低壓配電柜可實現雙電源自動斷電切換.各支路低壓動力電源采用分路自動開關分別給電渣爐主體和其他各控制單元、加料器和控制系統供電.

圖1 保護氣氛電渣爐設備總圖Fig.1 General drawings of protective ESR

1.4 短網

變壓器二次端子引出線采用平行銅排布線出墻，采用8根水冷電纜(上電纜4根，下電纜4根)接至爐頭底部旋轉平臺上的銅排架上.

4根上進線電纜由底部旋轉平臺上銅排架分別連接到左右兩側固定在稱量平臺的銅排架上.每側再經2根水冷電纜聯接自耗電極上部導電銅排上，導電銅排固定在導電料桿的銅箍上.該部分電纜隨電極升降而移動.此種方法最大限度減少上水冷電纜移動對稱量的影響，并形成同軸電纜效果，保證最大熔煉電流需要及減小電磁干擾.

4根下進線電纜交叉引到結晶器上部，采用液壓方式與底水箱相應側導上來的2根銅管接頭連接，此種方式便于爐頭旋轉，連接方式簡單，便于操作，并與上電纜形成平行導電方式，提高功率因數，降低損耗.導電料桿與假電極連接是通過導電極中心的卡桿插入假電極后定位實現的，而電極側采用碟簧頂緊，氣壓松開方式使導電料桿與假電極接觸面可靠接觸或脫離.在自然狀態下，卡頭為夾緊狀態.

1.5 傳動系統

電極進給裝置為滾珠絲杠傳動，經差動減速齒輪箱，實現雙電機控制進給.因為快速升降速度為1 000 mm/min.慢速升降為0～25 mm/min，采用交流伺服電機實現自耗電極浸入渣池的深度控制.電極有效行程設計約為2 m，電極升降裝置承重量為6 t.

利用在滾珠絲桿上方安裝的絕對值編碼器，測量電渣重熔支臂移動的行程;上下裝置的限位開關確保了導電料桿運行的安全性.電極夾持采用蝶簧夾緊氣壓放松方式，夾緊桿與假電極采用鋼球連接方式，導電面采用平面方式.

1.6 冷卻水系統

冷卻水系統由內循環系統和外循環系統構成.內循環系統采用軟水，直接對設備進行冷卻，這樣不僅能防止結晶器和底水箱銅壁表面結垢，提高設備使用壽命，而且有利于提高對鋼錠的冷卻效果.外循環系統采用工業清水，通過熱交換器對內循環水實現冷卻.

內循環系統為壓力回水，配有離心式水泵、水冷管路、各種閥門、水箱、分水器和集水器、加熱系統以及壓力、溫度和流量檢測與控制系統等.底水箱、結晶器采用快速接頭;各冷卻水管路配置流量開關;底水箱、結晶器配置電磁流量計，實時監控冷卻水流量，并通過氣動調節閥控制冷卻水流量.冷卻水路分水器、底水箱和結晶器的出口配置冷卻水測溫裝置.上述信號通過PLC的信息采集和處理，通過上位計算機的自動化控制軟件實現故障報警，其中冷卻水路分水器安裝壓力傳感器.加熱系統主要用于啟動階段，當冷卻水溫度低于環境大氣溫度時對冷卻水進行加熱，以防止結晶器內表面結露使鋼液增氫.

外循環水系統也由離心式水泵、水冷管路、各種閥門、冷卻塔和熱交換器等構成.

2 保護氣氛控制

在生產氣體敏感或者含有易氧化元素的材料時，采用氣體保護是控制鋼中氣體含量及元素燒損的最有效方法.本電渣爐的氣體保護罩采用全密閉式結構，氣體保護裝置可以實現對電極及整個渣池的氣氛保護，降低電極在重熔過程中的氧化程度，控制鋼中氫、氧含量的增加以及易氧化元素的燒損［4，5］.

氣體保護裝置主要由水冷不銹鋼罩體、氣體閥門、氧含量測量儀、底座及進氣閥組成，密封罩下法蘭與結晶器上法蘭密封連接，密封罩上法蘭與導電桿之間滑動密封，在法蘭上安裝在有氣體閥門和氧含量測量儀，在罩體側面開有加料口和進氣口，進氣口上安裝有進氣閥.保護氣體通過進氣閥吹入由假電極、上法蘭、密封罩、結晶器、液態渣池構成的密閉空間內，保持密閉空間內微正壓，從而形成保護氣氛.為裝卡電極方便，密封罩需設計為可上下移動，動密封機構由升降驅動非鐵磁體氣缸、密封圈、耐溫編織物以及升降組件等完成.

3 熔速控制

電渣重熔過程的熔速對鋼錠的內部質量有重要的影響，控制合理的熔化速度是保證鋼錠內部質量的重要前提.傳統的電渣爐對重熔過程的熔速只能從整體熔煉時間上控制，往往造成重熔過程中前后熔速差別較大，對內部質量控制不利.為了實現熔化速度的自動控制，本設計的電渣爐具有自耗電極稱重系統.采用3個梅特勒生產的帶有溫度補償和電屏蔽的稱量負載傳感器組件(綜合誤差:0.02%FS)和1個美國梅特勒生產的稱量處理終端.可以根據不同鋼種的需求控制不同的熔化速度，從而保證鋼錠內部的結晶質量.稱量處理終端通過Profibus通訊接口與PLC通信.電極稱量系統精度＜0.2%.

4 控制系統

系統設計充分考慮現場的強磁干擾，由工業控制計算機及液晶顯示屏作為上位機監控站，PLC作為下位機，構成一個二級監控系統，如圖2所示.

圖2 電渣爐控制系統結構框圖Fig.2 Structural diagram of ESR control system

以PLC為核心的基礎檢測與控制級承擔I/O點的過程邏輯控制、物理量采集以及故障診斷，實現電渣熔煉實時控制.PLC采用西門子公司的S7－300系列產品.系統采用最先進的現場總線(Profibus)通訊結構將一個主站(位于電控室)、三個分站(分別位于主控室操作臺、爐前操作臺和水系統電控箱)、兩臺變頻器、一臺伺服驅動器、稱重智能儀表以及絕對值編碼器連接起來，解決現場與電控室(PLC系統)距離較遠及操作臺信號線多的問題，大大減少現場接線，降低成本，提高系統的可靠性，維護簡單，特別適合遠距離操作與控制系統.

上位管理監控級通過工業以太網與PLC系統通信，實現設定控制策略，獲得實時數據，監視整個設備的運行狀態，以及重熔過程中各個量的變化趨勢，故障報警，生產與消耗報表等功能，幫助操作人員及時、全面地完成各種操作.同時為車間所有系統聯網提供有力的技術準備.上位機為西門子工控機和19”彩色液晶顯示器.UPS選用在線雙轉換，后備時間30 min.

控制系統可以實現變壓器調壓及保護控制、自耗電極升降控制、爐頭旋轉及對中控制、電極夾緊控制、冷卻水系統檢測與控制、保護氣體的檢測與控制、熔速控制、渣阻擺動控制等功能.此外，控制系統還具有自學習功能，自學習功能包括二個方面:第一，在實際運行過程中能通過對渣阻曲線的在線跟蹤檢測，自動調整電參數實現渣阻的波動控制并實現電極最優插入位置的控制，從而達到控制鋼錠表面質量、穩定操作的目的;第二，對系統調節的控制算法中的有關參數進行自學習以不斷提高控制精度.

在上位機中，利用組態軟件開發了一套全自動熔速控制電渣爐監控與管理系統.該軟件系統具有冶煉算法決策功能，冶煉配方編輯與管理功能，電渣熔煉全過程實時監控與記錄功能，動畫顯示、報表功能和故障診斷及報警功能等等，使電渣冶煉過程在最大限度減少人為干預影響的同時，快速響應工況的實時變化，從而提高電渣錠的結晶質量.

5 結語

保護氣氛熔速控制電渣重熔爐的開發，能夠滿足低氣體含量、高Al、Ti等易氧化元素材料的重熔.本設備的開發一方面提高了我國電渣熔煉的技術水平，另一方面為我國高端材料的發展和生產提供了必要的條件.

［1］李正邦.電渣冶金的回顧與展望［J］.特殊鋼，1999，20(5):1－6.

［2］李正邦，傅杰.電渣重熔技術在中國的應用和發展［J］.特殊鋼，1999，4(2):7－13.

［3］姜周華.電渣冶金的物理化學及傳輸現象［M］.沈陽:東北大學出版社，2000:19－20.

［4］董艷伍，姜周華，朱航宇，等.電渣重熔過程中氫的行為研究［C］//全國電渣冶金學術會議.太原:東北大學出版社，2008:43－46.

［5］董艷伍，姜周華，肖志新，等.渣系引起電渣鋼增氫的原因分析［C］//第十二屆(2008)冶金反應工程學會議.武漢:武漢科技大學出版社，2008，11:220－225.

Two positions protective gas with melt rate control ESR furnace

YU Qiang1，DONG Yan-wu2，JIANG Zhou-hua2

(1.College of Information Science and Engineering，Northeastern University;2.School of Materials＆Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

In order to meet the development requirement for advanced material，a protective gas with melt rate control system ESR furnace is developed based on many years research to ESR principle，technology and the equipment.The equipment is one furnace head，two positions and portal frame structure，which can meet the production of a lot of materials，such as low gas content and high prone to oxidation element materials.The furnace provides an essential method for many advanced materials of our country.

ESR;protective atmosphere;melt rate

TF 748.6

A

1671-6620(2011)S1-0150-03

2010-10-15.

余強 (1960—)，男，東北大學副教授，E－mail:yuqiang11@ise.neu.edu.cn.

book=165,ebook=199