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毒北大学硕士学位论文 摘要 电渣炉电极调节系统建模与控制 摘要 电极调节系统是电渣炉的重要环节之一。电渣重熔过程中，由于随着熔化的进行， 电极不断缩短而钢锭逐渐上涨，为了保证熔速和电流稳定在设定值需要实时的调节电 极高度。同时，由于电极底部与会属液面间的距离直接决定了渣阻的大小，为了保证 输入渣池的功率也需要不断调整电极的位置来稳定熔炼电流。因而电极位置控制是 重熔过程中一个重要的控制参数，也是所有电渣炉必不可少的控制环节。电极调节系 统控制的好坏将直接影响产品的质量。长期以来如何提高电极调节系统的控制性能， 一直是人们关心的问题。 本文以抚钢3 吨电渣炉改造项目为背景。在了解电渣炉电极调节系统特性的基础 上，建立了电渣炉电极调节系统的数学模型。本项目控制系统采用串级控制，内环为 电流环，外环为熔速环。针对电渣炉是一个多变量、非线性、强耦合、时变及随机干 扰较强控制系统，内环采用p i d 控制，外环选择了三种控制方法作比较研究。第种 是p i d 控制；第二种是智能p i d 控制；第三种是模糊控制。通过对各种控制算法进行 仿真研究显示，模糊控制、智能p i d 控制效果都比常规p i d 效果好。智能p i d 响应时 间短，跟踪速度快，但由于切换时控制信号跳变，响应曲线不平滑。模糊控制基本无 超调，响应时问短，控制效果最好。 关键词：电渣炉；电极调节；p i d 控制：模糊控制 查! ! 查兰堡主兰堡垒查 ! ! ! ! ! 璺 m o d e l i n ga n d c o n t r o lo fe l e c t r o d e r e g u l a t i n gs y s t e m o fe l e c t r o s l a gf u r n a c e a b s t r a c t e l e c t r o d er e g u l a t i o ni so n ei m p o r t a n c es e c t i o ni ne l e c t r o s l a gf u r n a c e t h ee l e c t r o d ew i l l b es h o r t e n e da n ds t e e li n g o tw i l lb er i s ew i t ht h em e l to ft h ee l e c t r o d e f o rt h em e l tc u r r e n t a n dm e l ts p e e ds t a b i l i z a t i o n ，t h ee l e c t r o d en e e d st ob er e g u l a t e d t h ed i s t a n c eb e t w e e n e l e c t r o d eb o t t o ma n dt h es u r f a c eo ft h em e t a ll i q u i dd e c i d e st h er e s i s t a n c eo ft h ee l e c t r o s l a g i no r d e rt oe n s u r et h ep o w e ro fi n p u t ，e l e c t r o d ep o s i t i o nn e e d st ob ea d j u s t e d t h e r e f o r e ， e l e c t r o d ep o s i t i o ni sa ni m p o r t a n tc o n t r o l sp a r a m e t e r 。e l e c t r o d er e g u l a t i o ne f f e c ti st h ek e y p o i n tt op r o d u c tq u a l i t y h o wt oi m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fe l e c t r o d er e g u l a t i o ni s ap r o b l e mb e i n gr e g a r d e d t h i st h e s i si sb a s eo nf u g a n ge l e c t r o s l a gf u r n a c er e n o v a t i o np r o j e c t b ys t u d y i n g e l e c t r o d er e g u l a t i o no fe l e c t r o s l a gf u r n a c e ，t h em a t hm o d e li s - s e tu pt h ep r o j e c tc o n t r o l s y s t e ma d o p t sd u a lc l o s el o o pc o n t r o l l e r i n n e rl o o pi sc u r r e n tl o o p e x t e r n a ll o o pi sv o l t l o o p e l e c t r o s l a gf u r n a c ei sak i n do fs y s t e mw i t hm u l t i v a r i a b l e ，n o n l i n e a r , c l o s ec o u p l i n g ， t i i i i e v a r i a t i o na n ds t r o n gr a n d o md i s t u r b a n c e a n di t c a nn o tf i xo ni t sa c c u r a t e m a t h e m a t i c a lm o d e l i n n e rl o o pc o n t r o l l e ra d o p t sp i dc o n t r 0 1 t h o s ee x t e r n a ll o o pa d o p t s t h r e em e t h o d sm a k ec o m p a r es t u d y f i r s t i sp i dc o n t r 0 1 s c o n di s i n t e l l i g e n t ，i d c o n t r 0 1 t h i r di sf u z z yc o n t r 0 1 t h r o u g ht h es h o wo ft h es i m u l a t i o nr e s u l t ，w ec a nk n o w f u z z yc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tp i di s b e t t e rt h a np i dc o n t r 0 1 i n t e l l i g e n tp i dr e s p o n s et i m ei s s h o r ta n df o l l o ws p e e di sf a s t b u tt h ec o n t r o ls i g n a ll e a p sw h e nt h ec o n t r o lm e t h o di s s w i t c h e da n dt h ec u r v eo fr e s p o n s ei sn o ts m o o t h t h ec o n t r o le f f e c to ff u z z yc o n t r o l m e t h o di s ：t h er e s p o n s ei sn o to v e r s h o o ta n dt h et i m eo fr e s p o n s ei ss h o r t k e yw o r d s ：e l e c t r o s l a gf u r n a c e ；e l e c t r o d er e g u l a t i o n ；p i dc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 电渣重熔( e s r ) 是电渣冶金的分支之一【”。电渣重熔包括电渣熔铸、电渣浇注、电 渣热封顶、电渣焊接和自熔模电渣重熔等。电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电 阻热作为热源来重熔自耗电极的二次精炼法。其目的主要是提纯金属，并获得结晶组织 均匀致密的钢锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫量低、非金属夹杂物少、钢锭表面光 滑、结晶均匀致密、金相组织和化学成分均匀。电渣钢的铸态机械性能可达到或超过 同钢种锻件的指标。如g c r l 5 电渣钢轴承的寿命是电炉钢轴承的3 3 5 倍。由于电渣钢 质量好、品种多，其产品几乎遍及国民经济的各个行业，如在航空、航天、军j f 、汽车 工业、石油化工、铁路部门、能源工业、轻工业等都有着广泛的应用。电渣重熔设备 简单、操作方便、生产费用低于真空电弧重熔，金属成材率高，不仅能生产圆锭、方锭、 扁锭及空心锭，还可以作为小型炼钢设备冶炼钢水，生产铸钢件、铸铁件。全世界电渣 钢的年生产能力约2 0 0 万吨，我国约4 0 万吨。电渣重熔的产品有4 0 0 多个钢种。日前 电渣冶金处于酝酿新突破阶段，真空电渣重熔、高压电渣重熔、电渣热封顶、快速电 渣重熔及电渣复合等是2 1 世纪该技术的突破点。 现代工业生产需要的优质合金钢和特种合金数量日益增多，对金属材料的质量和性 能要求不断提高，传统的冶炼一浇注一成型技术已经不能满足新产品的结构性能要求， 电渣重熔技术应运而生。众所周知电渣重熔具有金属纯净，成分均匀，组织致密等显著 特点。电渣重熔的目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、合金和改善钢锭的结晶组织， 从而获得高质量的金属产品。因此，电渣重熔主要用于高质量钢锭的熔炼。 电渣重熔技术( 简称e s r ) 作为二十世纪四十年代发展起来的一种新兴的熔炼技 术，在短短的，l 十年间获得了快速的发展，这其中在电渣炉自动控制系统的设计、特 种电渣炉的研制以及电渣熔铸技术开发等方而所取得的成绩有目共睹，电渣重熔技术 目前已进入了一个全新的发展阶段。 电渣重熔工艺参数制定的好坏直接关系到冶会质量、冶炼效果以及各项经济技术 指标，然而现场控制系统对重熔工艺参数的跟踪效果对上述各个方面的影响则更为显 著，因此电渣炉的控制效果成为了决定电渣重熔过程的重要指标。电极调节系统是电 渣炉的主要环节之一。电极调节系统控制的好坏直接影响重熔电流的变化，进而影响 电极熔化的速度，间接影响熔池的形状。熔池形状的好坏直接影响产品的质量。长期 以来如何提高电极调节系统的控制性能，一直是人们关心的问题。电极调节系统模型 的建立可为控制系统设计提供重要基础，并为仿真提供对象模型。所以本文将以电渣 炉电极调节系统建模与控制器设计作为重点研究内容。 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电渣炉重熔技术及其发展 1 1 1 电渣重熔技术简介 电渣冶金是金属及其合金的一种特殊熔炼方法【2 1 。虽然电渣冶金可划分出多种技 术方法和应用于不同的领域，但其基本和核心的技术是电渣重熔，电渣重熔的基本原 理如图1 1 所示。 卜”i 、 l 叱 浸：2 i ：汁。，【i 一l 。；：3 - 舟r 。4 ：+ ，l 1 b 铴t 也：5 一 升屯： 6j 埘挝：7 一嚏水氐 措 糖，畦9夸h m l ：川： 线 幽11 电渣重熔掀理到 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe s r 在铜制水冷结晶器中加入固态或液态炉渣，将自耗电极的端部插入其中。当自耗 电极、炉渣( 固渣启动时，先加少量固态导电渣) 和底水箱通过短网与变压零形成供 电回路时，便有电流从变压器输出通过液态熔渣。由于在卜述供电回路中熔渣的电阻 相对较大，占据了变压器二次电压的大部分压降，从而在渣池中产生了大量的焦耳熟， 使其处于高温熔融状态。由于渣池的温度远大与金属的熔点，从而使自耗电极端部逐 渐加热熔化，熔化的金属汇聚成液滴，在重力的作用f 金属熔滴从电极端头脱落，穿 过渣池进入金属熔池，由于水冷结晶器的强制冷却，液态会属逐渐凝固成钢锭。在1 f 常重熔期，电流从电极进入渣池后，要通过金属熔池和凝固钢锭再由底水箱和短网返 回到变压器。电流的大小是通过调节电极下降速度来控制的。由于在电极熔化、金属 液滴形成、滴落过程中金属和炉渣要发生一系列的物理化学反应，从而呵去除衾属中 的f i 害杂质元素和非金属夹杂物。钢锭由f 而上逐渐凝固，金属熔池和渣池就不断向 东北大学硕士学位论文第一章绪论 上移动，上升的渣池使结晶器内壁和钢锭之间形成一层渣壳，它不仅使钢锭表面平滑 光洁，而且降低了径向导热，有利于之下而上的顺序结晶，改善钢锭内部的结晶组织。 电渣重熔属于二次精炼方法，因此也叫电渣精炼。自耗电极是其原料，也是被精 炼的对象。自耗电极可由其他冶炼方法( 如电弧炉、感应炉、真空自耗炉等) 制备。 电渣重熔的目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、合金和改善钢锭的结晶组织、从而 获得高质量的金属产品。与其他冶金方法相比，电渣重熔有以下特点： ( 1 ) 金属的熔化、浇注和凝固均在一个较纯净的环境中实现 整个重熔过程始终在液态渣层下进行而与大气隔绝，因而最大限度地减轻了大气 对钢液的污染，减少了钢水的氢、氮的增加量和钢的二次氧化。另外，由于熔化和凝 固均在水冷铜质结晶器中完成，因而没有普通冶炼方法由于耐火村料造成对钢水玷污 的缺点。 ( 2 ) 具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件 电渣重熔过程中渣池温度通常在1 7 5 0 。c 以上，而电极下端至金属熔池中心区域的 熔渣温度可达1 9 0 0 c 左右。因此，重熔过程中渣的过热度可达6 0 04 c 左右，钢液过热 度可达4 5 0 。c 左右。高温的熔池促进了一系列物理化学反应的进行。 良好的动力学条件还表现在电渣重熔过程中钢渣能充分接触。在电极熔化末端、 熔滴滴落过程中钢液接触面积可达3 2 0 0 m m 2 g 以上，反映进行的十分充分。同时在电 磁力的作用下渣池被强烈的搅拌，不断更新钢渣接触面强化了冶金反应，促进了有害 杂质元素和非金属央杂物的去除。 ( 3 ) 至下而上的顺序凝固条件保证了重熔金属锭结晶组织均匀致密 在电渣重熔过程中电极的熔化和融融金属的结晶是同时进行的。钢锭上端始终有 液态金属熔池和发热的渣池，既保温又有足够的液态金属填充凝固过程中因收缩产生 的缩孔，可以有效地消除一般铸锭常见的疏松和缩孔。同时金属液中的气体和夹杂也 易于上浮，所以钢锭的组织致密、均匀。 ( 4 ) 在水冷结晶器与钢锭之间形成的薄而均匀的渣壳保证了重熔钢锭的表面光 洁。 在电渣重熔过程中，由于结晶器壁的强制冷却，使渣池侧面形成凝固渣壳。在合 理的电渣工艺制度下，金属熔池具有圆柱部分。熔池在上升过程中由于金属液体| ! 二升 接触到凝固的渣皮时会使部分的渣皮重新熔化，使漓皮薄而均匀，金属在这层渣皮的 包裹中凝固，电渣锭会十分光洁。另外，渣皮的存在能减少径向传热，有利于形成轴 向结晶条件。 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ，1 2 龟渣冶金技术的发麓嚣程 美国r k h o p k i n s 首先于1 9 4 0 年获得电渣直接熔炼专利，早年k e l l o g g 公司用于 几生产高速钢及高温合金1 3 1 。童到1 9 5 9 年f i r t h - - s t e r l i n g 公司建立3 台3 , 6 吨电渣炉 进行电渣重熔，美国电渣技术才定型1 4 1 。1 9 6 5 年f i l t h s t e r l i n g 公司破产禳v a s e o 公司 及a l l v a s 公司所兼并这一技术才逐渐公之于众。因此这一阶段电渣技术发展缓慢吼 在前苏联电渣重熔技术的雏形最早是由巴顿电焊研究所焊接工偶然发现的，即当 过多的渣液用于埋弧焊时，电弧熄灭，导致操作平稳，根据这一1 点，发明了电渣焊【6 l 。 电渣焊就是在两个连接件之间的缝隙处用两个水冷挡块围住，后来又用两个水冷挡块 取代两个连接金属件，这样可以用山水冷档块组成的结晶器生产电渣锭。 在世界范围内对电渣技术感兴趣的时间是2 0 世纪6 0 年代f 7 l 。当时只有几个国家开 始研究，如英国、奥地利、联邦德国和目木。而在美国却已广+ 泛开展应用研究。1 9 6 7 年关于这个问题的第次国际会议由卡内基( c a r n e g i e ) 一梅隆( m e l l o n ) 研究所组织， 这次会议以及以后的会议成为介绍最初工作的论坛，为电渣技术的推广和发展起到了 巨大的推动作用。在1 9 6 5 年到1 9 7 5 年这1 0 年的时问娶，电渣技术得到飞快的发展， 这一时期电渣技术的特点是：( 1 ) 产量迅速增长：( 2 ) 锭重呈几何级数增长；( 3 ) 电 渣重熔产品范围扩大；( 4 ) 打破了专业及行业的界限。 此后的1 0 年期涮，电渣重熔技术保持稳步的发展 8 j 。电渣钢产量继续增长，到1 9 8 5 年世界电渣钢产量达1 2 0 力 吨，前苏联约4 0 一4 5 万吨，东欧国家约4 5 万吨。西方工 业电渣炉达2 0 4 台，其中1 9 7 5 年之后新建的有3 8 台。这一阶段随着重熔锭型的扩大， 电渣熔铸管件及异形铸件的出现，对金属质量要求日益严格，研究电渣重熔过程的理 论模型也应运而生。 自1 9 8 5 年以后，电渣技术处于一个酝酿新突破的阶段。这一时期一些生产超级合 金的公司继续扩大生产能力，如美国t e l e d y n ea l l v a c 公司建立了2 3 吨电渣炉p 1 。c o n s a r c 公司仅在1 9 9 0 年到1 9 9 8 年的时间星就生产电渣炉2 7 台。并相继出现了电渣热封顶和 电渣自熔模等新技术。同一时期电渣技术发展的另一特点是出现新的冶炼工艺，西欧 与美国致力于电渣热封顶e s h t 法及电渣自熔模m h k w 法生产大钢锭。前苏联主要应 用双极串联电渣焊，铸焊结合生产大毛坯，并研究电渣分批浇铸生产大锭。前苏联巴 顿电焊研究所用电渣柑锅炉，熔炼获得纯净钢水，与离心浇铸结合形成电渣离心浇铸 c e s c ，将钢水浇入耐用金属模，形成电渣耐用模e m p c i l 0 】。 东北大擘硕士学位论文第一章绪论 1 1 3 电渣冶金技术的现状 到目前为止，世界上电渣钢的生产能力超过1 2 0 万吨，年。鸟克兰巴顿院士曾预计 在2 1 世纪，电清钢可占钢总产量的0 2 【“i 。两方国家( 不包括前苏联和东欧1 现有工 业电渣炉2 2 8 台。世界最大的电渣炉是德国萨尔钢厂1 6 5 吨电渣炉及我国上海重型机 器厂2 0 0 吨级电渣炉，最大的板坯电渣炉是俄罗斯双极串联7 0 吨板坯电渣炉。乌克兰 双极串联电渣焊可焊接直径3 m 的铸什，焊缝纵向截而可达1 0 m 2 。世界上最大电渣车 间是鸟克兰扎波洛什市德聂泊尔特钢厂电渣车间，有电渣炉2 2 台，生产能力超过1 0 万吨年。世界各国电渣生产材料钢号已超过4 0 0 个| l “。目前世界各国的电渣技术研究 中心有：乌克兰巴顿电焊研究院，俄罗斯电熟设备科学院，美国联邦矿业局a l b a n y 冶 金研究中心，加拿大哥伦比亚大学电渣实验室等【1 3 】。 世界上电渣冶金技术先进的国家是鸟克兰、美国、中国、德国、几木、英困、奥 地利，应用电渣冶金成熟的国家有俄罗斯、瑞典、法国、捷克、比利时、印度，已掌 握电渣冶金技术的有意大利、两班牙、卢森堡、以色列、南非、澳大利亚、巴西、韩 国、波兰、匈牙利、罗马尼亚、越南、朝鲜等【l “。 1 1 4 国内电渣重熔技术的发展概况 欧美及日本发展电渣冶余均引进前苏联技术，世界上独市发展电渣冶金技术的国 家仅有中圈与英国 5 1 。1 9 6 5 年英国设菲尔德一布朗公司将1 台7 吨真空电弧重熔炉改 为电渣重熔炉，英国电渣冶金从此揭开序幕【8 】。我围冶金工作者存电渣焊的基础【一开 发 i 电渣重熔技术，我国电渣冶金从此诞生。4 0 年柬我国电渣冶金规模小断扩大，技 术小断创新。目前我国所有特殊钢厂都有电渣重熔车问，冶金系统有工业电渣炉8 6 台，年生产能力1 0 万吨；小型电渣炉遍及全国，从结晶器消耗推算其年产量j 万盹， 我国电渣冶金产量在世界上名列前茅，生产的超级合会及优质台金钢种达2 4 3 个牌号， 技术上处于领先地位i 。 1 9 5 8 年9 月冶金部建筑研究院电渣组在应用电渣焊焊接轧机机架时，为消除焊缝 热裂缝，采用低碳钢板涂铁含金粉末作自耗电极，进行电渣焊，获得成分均匀的台金 钢焊缝由此受到启示，于1 9 5 8 年1 2 月9 日将铁合会粉末涂在碳钢棒h 作门耗电极， 用高炉风管( 铜制) 作水冷结晶器，冶炼出合金工具钢。1 9 5 9 年4 月在衡阳冶金机械厂 做了生产试点，熔炼了1 0 0 k g 高速钢锭，除直接冶炼高速钢外还采用重熔法回收了 一批废旧高速钢刀具成果发表丁_ _ 焊接杂志建国1 0 周年专刊上，同期还成功地应 用电渣法减少铸钢件冒口。该成果受到国内冶金界的关注。 用电渣法减少铸钢件胃口。该成果受到国内冶金界的关注。 b 东北大擘硕士学位论文 第一章绪论 1 1 3 电渣冶金技术的现状 到目前为止，世界上电渣钢的生产能力超过1 2 0 万吨年。乌克兰巴顿院士曾预计 在2 1 世纪，电渣钢可占钢总产量的0 2 【1 1 】。西方国家( 不包括前苏联和东欧) 现有工 业电渣炉2 2 8 台。世界最大的电渣炉是德国萨尔钢厂1 6 5 吨电渣炉及我国上海重型机 器厂2 0 0 吨级电渣炉，最大的板坯电渣炉是俄罗斯双极串联7 0 吨板坯电渣炉。乌克兰 双极串联电渣焊可焊接直径3 m 的铸件，焊缝纵向截而可达l o m 2 。世界上最大电渣车 问是乌克兰扎波洛什市德聂泊尔特钢厂电渣车间，有电渣炉2 2 台，生产能力超过1 0 万吨年。世界各国电渣生产材料钢号已超过4 0 0 个【1 “。目前世界各国的电渣技术研究 中心有：乌克兰巴顿电焊研究院，俄罗斯电热设备科学院，美国联邦矿业局a l b a n y 冶 金研究中，t l , ，加拿大哥伦比亚大学电渣实验室等1 1 。 世界上电渣冶金技术先进的国家是乌克兰、美国、中国、德圈、同木、英国、奥 地利，应用电渣冶金成熟的国家有俄罗斯、瑞典、法国、捷克、比利时、印度，已掌 握电渣冶金技术的有意大剥、西班牙、卢森堡、以色列、南非、澳大刹亚、巴西、韩 国、波兰、匈牙利、罗马尼亚、越南、朝鲜等。 1 1 4 国内电渣重熔技术的发展概况 欧美及日本发展电渣冶金均引进前苏联技术，世界上独立发展电渣冶金技术的国 家仅有中国与英国f 5 1 。1 9 6 5 年英国设菲尔德一布朗公司将1 台7 吨真空电弧重熔炉改 为电渣重熔炉，英国电渣冶金从此揭开序幕1 8 1 。我国冶金工作者在电渣焊的基础卜开 发出电渣重熔技术，我国电渣冶金从此诞生。4 0 年柬我国电渣冶金规模不断扩大，技 术不断创新。目前我国所有特殊钢厂都有电渣重熔车间，冶金系统有工业电渣炉8 6 台，年生产能力1 0 万吨：小型电渣炉遍及全国，从结晶器消耗推算其年产量3 万盹， 我国电渣冶金产量在世界上名列前茅。生产的超级合金及优质合金钢种达2 4 3 个牌号， 技术一l 处于领先地位h 。 1 9 5 8 年9 月冶金部建筑研究院电渣组在应用电渣焊焊接轧机机架时，为消除焊缝 热裂缝，采用低碳钢板涂铁合金粉末作自耗电极，进行电渣焊，获得成分均匀的合金 钢焊缝，由此受到启示，于1 9 5 8 年1 2 月9 日将铁合会粉末涂在碳钢棒上作自耗电极， 用高炉风管( 铜制) 作水冷结晶器，冶炼出合金工具钢。1 9 5 9 年4 月在衡阳冶会机械厂 做了生产试点，熔炼了1 0 0 k g 高速钢锭，除直接冶炼高速钢外，还采用重熔法回收了 一批废1 只高速钢刀具，成果发表于焊接杂志建国1 0 周年专刊上，同期还成功地应 用电渣法减少铸钢件冒口。该成果受到国内冶金界的关注。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 5 9 年1 1 月北京钢铁学院和冶金部建筑研究院合作，采用电渣重熔法，研制成 功航空轴承钢。1 9 6 0 年初北京钢铁学院设计了1 5 0 k g 工业性电渣炉，由北京钢厂制造， 并在该院投产。 1 9 6 0 年6 月冶金部建筑研究院设计了0 5 吨双电极支臂连续抽锭电渣炉，该设备 在重庆特殊钢厂建成，于1 9 6 0 年8 月重熔出0 5 吨优质合金钢锭，此后冶金部建筑研 究院帮助重庆特殊钢厂、大冶钢厂建立电渣车间，开发产品。北京钢铁学院帮助大连 钢厂、上钢五厂建立设备，并推广电渣冶金技术。1 9 6 1 年1 1 月冶金部在重庆召开了 第1 属全国电渣冶金会议，总结了批量生产经验，并推荐双支臂电极交替连续抽锭及 单臂固定式两种炉型，成立了全国电渣冶金协调组。 1 9 6 3 年1 1 月国家科委发布科学技术发展1 0 年规划，冶金部负责9 项，第5 项为电渣冶金【1 0 】。1 9 6 3 年底冶金部将建筑研究院电渣组人员及设备调入钢铁研究院， 成立电渣专业组，继续用同位素方法研究电渣过程去除夹杂机理，并研究新炉型一三 相电渣炉，为太原钢铁公司5 5 吨三相电渣炉、齐齐哈尔1 0 吨三相电渣炉、上钢三厂 扳坯电渣炉的建立提供技术设计1 1 ”。 1 9 6 0 年北京钢铁学院建成5 公斤密封式氩气保护电渣炉，1 9 6 4 年与抚顺钢厂合作 建成2 0 0 k g 密封式氢气保护电渣炉( 真空电渣炉) 。同时进行了电渣重熔过程中渣池内 的电弧放电及去除夹杂机理的深入研究。 从1 9 6 0 年开始东北工学院电冶会教研室在电渣重熔工艺参数优化匹配计算及电 渣重熔热平衡计算方面做了系统的研究，并提供诺模图供合理选择工艺参数【：1 2 l 。 1 9 6 4 年6 月在重庆召开工第2 届全国电渣冶金会议。这时全国工业电渣炉己达2 1 台，生产钢种5 4 个，会议研究了三相电渣炉问题，拟定电渣重熔各项技术经济指标， 提出电渣重熔生产车间化。电渣钢的优良质量受到用户支持，一机部得悉电渣钢轴承 用于汽车，使用寿命较电炉钢提高了3 倍的情况，决定给各特殊钢厂提供2 0 。台f 1 8 0 0 k v a 电渣炉变压器。 有衬电渣炉是我国开创的电渣冶金新分支。江西南昌江东机床厂于1 9 6 0 年采用单 相单电极炉底导电式有衬电渣炉，冶炼合金钢。1 9 6 0 年北京钢铁学院帮助北京量具刃 具，一建立了单相双极有衬电渣炉，1 9 6 1 年又试验成功了三自耗电极三相有衬电渣炉， 分别在北京带钢厂和北京钢丝厂进行工业性生产。三相有衬电渣炉在北京钢丝厂成功 地生产3 0 多年，取得了巨大经济效益；1 9 7 2 年昆明工学院在西南地区推广有衬电渣 炉时，改进单相双极有衬电渣炉，采用b i f i l a r 供电在炉底接零线，从而解决了双电襁 熔化不均匀的问题，于1 9 8 2 年双自耗电极单相有衬电渣炉项目获国家发明奖。此夕 7 0 年代东- i l ；t ：学院在东北地区推广单相单极炉底导电式有衬电渣炉。熔炼合金钢及匹 6 表北大学项士学位论文第一章绪论 收废料取得成效。早在1 9 6 2 年冶金部建筑研究院成功地用凝壳式有衬电渣炉冶炼出超 低碳不锈钢，1 9 6 4 年获国家新产品一等奖。 1 9 6 5 年8 月在大连钢厂召开了第3 届电渣冶金交流会，研究了电渣重熔冶金质量 闷题，公布了钢研院抽检各厂轴承钢z g c r l 5 的结果，以重特综合质量最佳。 1 9 6 9 年9 月在匹兹堡召开的第2 届国际电渣冶金会议上前苏联、美国发布了电渣 熔铸消息，展示产品照片，引起了轰动。其实我国冶金工作者早在1 9 6 7 年就己掌握了 电渣熔铸技术。 1 9 7 1 年钢铁研究院与武汉设计院合作设计了1 5 吨双极串联板坯电渣炉 ( 5 0 0 0 k v a ) ，钢铁研究院与太原钢铁公司采用双极串联电渣炉重熔出超低碳耐蚀合金 板，不经开坯直接上板轧机。实践证明采用单相双极串联生产板坯功率因数高( c o s 由= 0 9 ) ，热源集中，同样功率下生产率可提高一倍，电耗降低1 3 ，金属熔池浅平， 有利于轴向结晶。 电耗高，生产率低是世界各国电渣重熔存在的普遍问题，钢铁研究院与本溪钢铁 公司采用低氟高电阻渣( c a o m g o a 1 2 0 3 s i 0 2 1 5 c a f 2 ) 取代低电阻的传统渣 ( 7 0 c a f 2 - - 3 0 a 1 2 0 3 ) 。同时设定渣成分，偏离共晶点，利用渣皮凝固过程选择结 晶形成绝缘渣皮，解决了国际上至今尚未解决的分流问题。重熔渗碳轴承钢比电耗由 1 7 7 5 k w h t 降至9 3 6k w h t ，重熔生产率由1 8 0 k g 1 提高到3 7 3 k g h ，本溪钢铁公司 1 9 8 2 年至1 9 9 2 年累计节电2 4 0 万k w h ，钢铁研究院和本溪钢铁公司获国家发明奖。 重庆特殊钢厂采用高电阻c t 渣，大冶钢厂采用白云石渣，东北_ i ：学院和抚顺钢厂合 作采用工艺参数匹配都获得显著节电效果。 1 9 6 5 年上海重型机器厂建立了1 台三相百吨电渣炉，后因自耗电极采用螺丝联 接，在重熔时掉块，影响铸锭质量，被拆除。上海重型机器厂与北京钢铁学院合作， 于1 9 8 1 年创建了2 0 0 t 级电渣炉，结晶器直径2 8 m ，若抽锭可生产2 4 0 吨的太锭? ， 这是目前世界上最大的电渣炉，实际生产锭重已达2 0 5 吨。德国萨尔钢厂s a 施t a h l g m b h 电渣炉，其结晶器直径为2 2 m ，重熔最大锭重为1 6 5 吨。前苏联在新西柏利皿 曾建2 5 0 t 电渣炉，延续1 0 年之久，终因技术原因而终止。最近美国c o n s a r c 公司提 供日本一台大电渣炉，锭重为1 0 0 0 吨。 1 9 8 3 年电渣冶金协调组由大冶钢厂任组长，钢铁研究总院和齐齐哈尔钢厂任副组 长，在齐齐哈尔钢厂召开第4 届电渣冶金交流会，研究了电渣重熔进。步降低电耗， 提高成材率，发展电渣冶金 1 3 1 以及防止环境污染等问题；同时研究了在消化齐钢引进 德国l o y b o l d h e r a u s 公司f 8 5 0 1 0 一i i 基础上，吸收同轴导电，有载无级调压及微机控 制等技术以改造国内电渣炉【1 。 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 8 5 年1 2 月在成都无缝钢管厂召开了第5 届电渣冶金技术交流会。这时，全国 特殊钢厂有工业电炉6 6 台，实产优质合金钢及超级合金5 4 万吨，全国电渣冶金重熔 平均电耗由1 9 8 0 年1 8 5 0 k w h t 降至1 9 8 5 年1 5 7 8 k w h t 。各特殊钢厂在品种开发上获 得多次奖励。 1 9 8 8 年4 月在美国圣地亚哥召开的第9 届国际真空冶金会议上，对1 9 6 1 。1 9 8 8 年 全世界对特种熔炼做出突出贡献的3 6 个单位授奖，中国占3 个，它们是：北京钢铁学 院、钢铁研究总院、上海重型机器厂：对3 8 名有突出贡献的个人授奖，中国有5 人： 傅杰、李正邦、朱觉、刘海洪和林宗棠。并争取到第1 0 届国际真空冶会会议于1 9 9 0 年在中国召开【1 4 1 。 1 9 9 0 年8 月在潍坊召开了第6 届全国电渣冶金交流会，总结了3 0 年来的成果， 强调了电渣冶金应走出结晶器与冶金流程相结合发展，即要发展中间包电渣加热，电 渣热封项，电渣浇注，电渣离心浇注，电渣精密铸造，电渣转注等。 1 1 5 电渣冶金的发展趋势 随着计算机技术的小断发展，推动着各行各业新技术的涌现，电渣冶金技术也在 稳中前进【1 5 】。电渣冶金的最新发展，当推真空电渣重熔、高压电渣重熔、快速电渣重 熔及电渣中心填充技术： ( 1 ) 真空电渣重熔( v a ce s r ) 。在2 0 世纪9 0 年代，德国h a n a u 城l e y b o l d 公司 综合了v a r 与电渣重熔的优点，开发出真空电渣重熔v a ce s r i ”1 。对超级合金，真 空电弧重熔纯净度高，气体含量极低，成分可精确控制，凝固件较好，铸锭致密，由 于无渣精炼脱硫不利，易形成白点及产生年轮状偏析，合金易氧化元素重熔烧损大； 电渣重熔余属亦具有良好的纯净度，铸念组织更致密均匀，不易形成白点及产生年轮 状偏析，硫含量极低，夹杂物细小弥散，但合金中易氧化元素重熔烧损大7 成分难于 控制，而且气体含量较高。真空电渣重熔( v a ce s r ) 是生产含活性元素舢，t i ，m g 超级合金的成熟工艺，兼具真空及电渣冶炼双重功能。工业性实验结果表明，直径为 2 5 0 r a m ，重约3 0 0 k g 的真空电渣重熔锭表面光滑，无任何表面缺陷，而且在有效脱磷 的情况h ，活泼元素( 如钛、铝等) 没有烧损。l e y b o l d 公司建立了一台真空电渣晕熔炉。 ( 2 ) 高压电渣重熔( p r e s s u r ee l e c t r o s l a gr e f i n i n g ) 。奥氏体钢中溶解氮可形成过饱 和固溶体，提高屈服强度、低温强度和蠕变强度。铁索体钢加氮形成细小弥散的氮化 物，细化晶粒，提高冲击韧性1 1 。冶炼含氮钢关键是保证过饱和的氮溶解入钢中，防 止凝固过程析出。1 9 8 0 年，德国建成了世界上第一台高压电渣重熔炉。这台电渣重熔 炉能生产直径l m ，重达1 4 5 吨的钢锭，熔炼室氮。t 压力高达4 2 m p a ，在此条件下，可 8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 以生产氮含量超过l 的大尺寸奥氏体不锈钢钢锭。高氮奥氏体钢主要用于生产发电 机护环1 1 ”，t 要求无磁性，屈服强度a o ， 。 年德国又扩建两台高压电渣1 4 2 0 m p a 1 9 9 6 炉用于生产含氮轴承不锈钢和含氮高速钢 1 8 _ 1 9 】。铁素体和马氏体中氮的含量也可以达 到o 5 。氮是奥氏体稳定元素，其作用是镍的3 0 倍。而且在镍日益紧缺价格渐增的 今天，运用高压电渣炉重熔技术进行某些特殊不锈钢的生产更显现出其客观的经济效 益。保加利亚和澳大利亚发展了类似工艺来生产高氮钢【2 0 - 2 。 ( 3 ) 快速电渣重熔( e l e c t r o s l a g r a p i d r e m e l t i n g ) 。快速电渣重熔是在早年t 型 结晶器多流电渣重熔( m u l t i p l e s t r a n d t - m o u l d e s r ) 基础上发展起来的。e s r r 在增大熔 速条件下，铸锭结构仍是致密、均匀、无疏松、无缩孔的；铸锭表而光洁，无需清理 可直接热加工，个别情况下铸锭表面附渣簇，清理后可见浅的印痕。因此需要对渣的 物理性能即熔点、粘度、表面张力以及渣池温度都要控制。快速电渣重熔使电渣重熔 速度提高3 1 0 倍，无疑是电渣冶金的新突破，但某些关键技术有待探明。 ( 4 ) 电渣中心填充技术( m h k w ) 。m h k w 法是米德威尔海宾斯托和克洛伊克 纳威克两家公司联合研究成功的生产大钢锭的新技术。 ( 5 ) 带电结晶器技术1 2 “。导电结晶器技术是由乌克兰巴顿电焊研究所和奥地利 i n t e c o 公司独立研究开发的社。导电结晶器技术与电流从自耗电极经过熔渣到达重熔 锭( 结晶器保持中立或与重熔锭同电位1 的传统电渣重熔过程不同，可以有多种方式让 电流经过渣池，如电极一结晶器重熔锭、结晶器一重熔锭、结晶器一结晶器等【2 2 1 。 1 2 电渣炉的控制现状 目前国内电渣炉的控制方式相对比较落后，电极升降调节有不少仍在采用直流放 大机进行控制，电极升降调节为开环调节，电极以一给定速度下降，当冶炼电压 ，电 流波动较大时，需要人工及时的进行干预1 2 4 i 。因此，一方面造成电渣炉冶炼时熔速不 均匀，影响电渣锭质量，另一方面工人的劳动强度较大。 常用的电极调节器有电机放大器式、可控硅一直流电机式、可控硅一交流力矩电 机式、可控砖一电磁转差离合器式、电流随动式等，近年来又研制成功交流调速式和 微机控制的程序调节器等新型调节器。 电渣炉电极升降调节技术从交直流放大机到如今己经发展了几十年，旧有的调节 方式己不能满足生产的需要，电渣炉控制技术的更新势在必行。在这几十年罩控制理 论的发展日新月异，工业控制汁算机、可编程控制器、变频调速器正在迅速推广应用 到电渣重熔炉的电极调节系统中，电渣炉的控制方式发生了巨大的变化1 2 5 】。电极升降 东北大学硕士学位论文第一章绪论 调节系统的控制方式主要有以下几类：经典p i d 控制、参数自整定控制、模糊控制、 神经网络控制、自校正控制。目前电渣炉电极调节嚣主要应用经典p i d 控制。经典p i d 控制结构简单、易于实现且具有较好的鲁棒性，但对于时变对象，p i d 控制的稳定性 及控制精度往往得不到保证。其他的几种控制方式目前还大多处于仿莫研究的阶段 【2 6 】。如东北大学的茁雨，孟县堂对电渣炉模糊p i d 控制方法进行了研究f 2 7 l 。河北冶金 科技股份有限公司的王达宇将人工神经网络理论和算法应用于电渣重熔的智能控制 上，改善和解决了e s r 生产过程中重熔电流不稳定的状况1 2 ”。应用结果表明该方法能 够较好地实现电渣炉的智能控制。 1 3 本文工作 现代工业生产对金属材料的质量和性能要求不断提高，需要的优质合金钢和特种 合金数量同益增多，传统的冶炼、浇注、成型技术已经不能满足新产品的结构性能要 求，目前，由于电渣冶金具有一系列的优越性，如金属性能的优异性( 包括纯净度高、 组织致密、成分均匀、表而光洁) 、经济的合理性( 设备简单、操作方便、生产费用低 于真空电弧重熔、金属成材率高) 以及工艺的稳定灵活性和可控性，因而对电渣重熔 产品的需求闩益增加。电渣重熔生产规模的扩大势在必行。然而由于二种种技术问题， 电渣重熔发展的速度不是很快。因而解决电渣重熔生产中存在的些技术问题就成为 解决这一矛盾的关键所在。 电渣重熔_ t 艺贯穿到生产准备、生产过程以及生产结果的各个环节中去。新设备 酌出台要以现有的电渣工艺经验性成果为基础实现有关参数的设计；生产过程中包含 不同生产阶段，每个阶段都有和它自身特点相关的操作参数和控制参数：产品质量的 好坏与电渣：l 艺的制定以及实现的控制方式有着密不可分的联系。因此，合理有效的 控制手段直接关系到实际生产的产品质量问题。 本课题以抚钢电渣炉控制系统改造项目为背景，原有控制系统陈旧落后以不能满 足，- 产高质量钢锭的要求必须加以改进。电极调节系统是电渣炉的主要环节之一。电 极调节系统控制的好坏直接影响重熔电流的变化，进而影响电极熔化的速度，阃接影 响熔池的形状。熔池形状的好坏直接影响产品的质量。长期以来如何提高电极调节系 统的控制性能，一直是人们关心的问题。电极调节系统模型的建立可为控制系统设计 提供重要基础，并为仿真提供数学模型。 冶炼工岂对控制系统的要求： ( 1 ) 应能适应自耗电极的熔化速度，送进电极； ( 2 ) 为了适应熔化速度，应有慢速运动并能灵活控制 般速度选择为5 7 0 一1 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 毫米分。为了节省辅助工作时间，特别是对于换电极的炉子，为了缩短停电时间，应 有快速运动。一般快速运动速度在( 1 5 3 5 米分) 范围内： ( 3 ) 电极升降运动应平稳、调速时反应快，灵敏度高，启动制动迅速、惯性小； f 4 ) 自动控制系统应保证熔炼中电流波动小，以保证钢锭熔炼质量。 本文所完成的工作如下： ( 1 ) 在查阅大量国内外文献的基础上，综述了电渣炉控制技术的发展历程、研究 现状及发展趋势，着重阐述了电极调节系统的作用及其发展。 ( 2 ) 结合冶炼工艺特点及电极调节系统的工作原理，建立了电渣炉电极调节系统 的数学模型。 ( 3 ) 针对 ：艺过程对控制系统的要求，设计出了串级控制的电极升降控制器。内 环为电流环，外环为熔速环。内环采用p i d 控制，外环选择了三种控制方法作比较研 究。第一种是p i d 控制：第二种是智能p i d 控制；第i 种是模糊控制。 ( 4 ) 针对扰钢3 吨电渣炉改造项目设讨了电渣炉电极调节计算机控制系统的结 构、控制程序及监控画面。 东北大学硕士学位论文 第二章电渣炉重熔工艺与设备 第二章电渣炉重熔工艺与设备 电渣重熔： 艺是决定电渣重溶过程稳定性，保证产品质量和得到良好的技术经济 指标的关键。电渣重熔工艺包括熔铸过程中的条件以及保证获得良好精炼效果、冶金 质量、技术经济指标的必要参数。掌握电渣重熔各工艺参数间的关系是制定工艺参数 的重要依据。但由于电渣重熔技术发展历史较短，各工艺参数的关系与选定尚停留于 经验而未上升为理论。目前还没有形成一套比较成熟完备的理。因此，本章内容参考 国内外相关资料以及现场生产经验，阐述了各工艺参数之间的关系，选定了组合理 的制定电渣重熔工艺参数的经验公式。 2 1 重熔工艺参数制定原则与分类 2 1 1 电渣重熔工艺制定的原则 制定电渣重熔工艺规范必须掌握以f 四个原则【2 9 j ( 1 ) 电渣重熔工艺制度首先要保证产品的冶金质量，具体蜕就是虑保证重熔的耩 炼效果和良好的结晶结构，这是制定工艺合理性的前提与关键。 ( 2 ) 电渣重熔工艺必须保证电渣过程的良好稳定性，各工艺参数必须很好的匹配， 保汪都在最佳的范围内，以避免在重熔过程中造成短路或明弧的不稳定状态。为此应 采用侣标参数为判据，对主要控制参数进行调整，使之达到工艺稳定的要求。 ( 3 ) 电渣重熔工艺必须在保证产品质量的前提f 力求经济指标的合理性，t 产率、 电耗、水耗、渣耗等都应控制在合理的范围内，以降低产品的成本。 ( 4 ) 必须注意电渣藿熔工艺的一般性与特殊性的统。因为重熔产品的形状多种 多样，有时在同一种产品中，其截面变化也是非常复杂，因而重熔i 艺也就要有相应 的变化，这就对渣制度与电制度参数的选择造成了一定的困难。为了制定工艺参数方 便起见，引入了等效面