（机械电子工程专业论文）5t电渣炉电极升降液压系统建模与分析.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g 删 y 1 8 4 芝芝。 m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h e e l e c t r o d el i f t i n gh y d a u l i cs y s t e mo f t h e5 t e l e c t r o s e d i m e n tc o o k e r b yw a n gj i a n g w e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs o n gj i n c h u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 导师签名：震锯为 签字e l 期：憎承7 ) 一q ， j 东北大学硕士学位论文 摘要 5 t 电渣炉电极升降液压系统建模与分析 摘要 在电渣炉重熔过程中，如何控制系统电流、电压、功率按预定要求变化，是电渣 ，重熔的关键问题。而控制这些参数的手段除电控制外，也采用控制电极在渣池中位置 来控制电流。对于以往控制电极升降的手段，最重要也是最有效的是直、交流电机控 铒 制。但是，随着液压技术在工业生产过程中的广泛应用及其技术的日益成熟，用液压 系统来控制电渣炉电极的升降已明显优于传统的机械传动。本文设计一套电液伺服系 统，以阀控非对称液压缸作为动力机构，利用其高精度和快速响应能力，对电极升降 系统进行控制，以满足重熔过程中参数要求。 在研究了电液伺服系统及其动力机构的现状与发展情况后，本文采用了符合现场 工况要求的阀控非对称液压缸伺服系统。区别于经典的阀控对称液压缸系统的建模方 式，本文重新建立了阀控非对称缸的数学模型，并对系统的各个参数进行了详细的推 导和求解。在建好模型的基础上，介绍了p i d 控制方法，利用m a t l 删s i m u l i n k 仿 真软件搭建了p i d 控制器，并对系统进行了仿真分析。通过分析结果找出了常规p i d 控制的局限性，最后提出了模糊自适应与p i d 复合控制的控制方案，设计了新的控制 算法来改善阀控非对称液压缸系统的控制效果。 模糊自适应控制根据操作者经验，将各种精确参量模糊化，通过与常规p i d 的有 机组合可以实现很好的控制效果。通过s i m u l i n k 软件仿真结果表明，模糊自适应控制 与p i d 复合控制器应用于阀控非对称液压缸伺服系统中可以获得更好的稳定性和自适 应性，从而提高了系统的控制效果，满足了实际应用的要求。 关键词：电渣炉电极；阀控非对称缸：数学模型；p i d 控制；模糊自适应p i d 控制 1 l - t 影 j i 飞 m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h ee l e c t r o d el i f t i n g h y d r a u l i cs y s t e mo f t h e5 te l e c t r o - s e d i m e n tc o o k e r a bs t r a c t i nt h ep r o c e s so fe s r ，i ti st h ek e yp r o b l e mo ft h et e c h n i q u et h a th o wt om a k et h e +e l e c t r i c i t y 、v o l t a g e 、p o w e rc h a n g ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e t h em e t h o d so fc o n t r o l l i n gt h e s e p a r a m e t e r si n c l u d ec h a n g i n ge l e c t r i c i t ya n dc h a n g i n gt h ep o s i t i o n go ft h ee l e c t r o d ei nt h e e l e c t r o - s e d i m e n tc o o k e r t h ef o e r m e rm e t h o do fc o n t r o l l i n ge l e c t r o d ei sd ca n da cm o t e r h o w e v e r , w i t ht h ew i d e l yu s i n ga n dt h em a t u r a t i o n ，t h ec o n t r o l l i n gm e t h o do fh y d r a u l i ci s m o l ea n dm o r eb e t t e rt h a nm e c h a n i c a lm e t h o d i nt h i st h e s i s ，a ne l e c t r o - h y d r a u l i cs c r v o s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e dw h i c hu s e sv a l v e - c o n t r o l l e dn o n s y m m e t r i c a lh y d r a u l i cc y l i n d e r a sp o w e r b e c a u s eo fi t s h i g hp r e c i s i o na n dr e s p o n s e ，t h i ss y s t e mc a nc o n t r o l l i n gt h e s e p a r a m e t e r sd u r i n gt h ee s r o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho fd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i cs e w os y s t e ma n d i t sp o w e rs y s t e m ，t h ev a l v e c o n t r o l l e dn o n s y m m e t r i c a lh y d r a u l i cc y l i n d e rs c w os y s t e m m e e t i n gf i e l dd e m a n di sa d o p t e d t h ev a l v e - c o n t r o l l e dn o n s y m m e t r i c a lh y d r a u l i cc y l i n d e r m a t hm o d e lw h i c hd i f f e r e n t sf r o mt h eg e n e r a lv a l v e - c o n t r o l l e ds y m m e t r i c a lh y d r a u l i cs e r v o s y s t e mm o d e li sr e b u i l tw i t hd e d u c t i n ga n ds o l v i n gp a r a m e t e r so ft h es y s t e m b a s e do nt h e m o d e l ，t h ep i dc o n t r o lm e t h o d sa n dm a t l a b s i m u l i n ka l ei n t r o d u c e d ，m o r e o v e r , t h e s i m u l a t i o ni sa c c o m p l i s h e d t oo v e r c o m et h el i m i t a t i o no fg e n e r a lp i dc o n t r o la p p e a l e di n t h ea b o v ea n a l y s i sr e s u l t ，an e wf u z z ya u t o a d a p t i n ga l g o r i t h mi sd e s i g n e dt oi m p r o v et h e c o n t r o le f f e c to fv a l v e - c o n t r o l l e dn o n s y m m e t r i c a lh y d r a u l i cc y l i n d e r a c c o r d i n gt o t h eo p e r a t o r s e x p e r i e n c e ，f u z z ya u t o a d a p t i n ga l g o r i t h mf u z zu pt h e p r e c i s i o np a r a m e t e r s s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ev a l v e c o n t r o l l e dn o n s y m m e t r i c a l h y d r a u l i cs e w os y s t e mb a s e do nf u z z ya u t o - a d a p t i n ga n dp i dc o m p l e xc o n t r o l l e rc a n a c h i e v eb e t t e rc o n t r o le f f e c ti nt e r m so fa d a p t a b i l i t ya n ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：e l e c t r o - s e d i m e n te l e c t r o d e ；v a l v e c o n t r o l l e dn o n s y m m e t r i c a lh y d r a u l i cc y l i n d e r ； m a t hm o d e l ；p i dc o n t r o l l e r ；f u z z ya u t o - a d a p t i n ga n dp i dc o n t r o 1 l e r i i i - ， a ，。 一 ； 屯 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 、 摘要i i j a b s t r a c t i i i 薯 第1 章绪论1 1 1 电渣炉产生背景及特点2 1 1 1 电渣炉产生背景2 1 1 2 电渣重熔特点2 1 2 电渣重熔发展历史及趋势3 1 2 1 国际上电渣重熔技术的发展3 1 2 2 我国电渣重熔技术的发展4 1 3 课题的提出及内容5 1 3 1 课题提出背景5 1 3 2 本文要做的工作。6 第2 章电渣炉工作原理及工艺介绍7 2 1 电渣重熔工作原理介绍7 2 2 电渣炉炼钢工艺过程概述。8 2 3 电渣炉工艺介绍9 2 3 1 电渣重熔工艺制定的原则9 2 3 2 电渣重熔工艺分类。1 0 2 3 3 电渣炉工艺参数确定1 0 。 2 3 4 目标参数与基本控制参数的关系1 3 2 4 电渣重熔关键操作1 3 2 4 1 起弧造渣1 5 2 4 2 正常冶炼1 5 2 4 3 填充1 6 2 5 电渣炉机械设备介绍1 6 2 5 1 立柱和横臂1 6 2 5 2 电极升降机构1 8 东北大学硕士学位论文目录 2 5 3 电极夹持器1 8 2 5 4 结晶器和底水箱。1 8 第3 章电极升降液压系统设计及建模2 0 3 1 系统设计2 0 3 1 1 系统功能概括。2 0 3 1 2 液压系统任务参数2 0 囊 毽 3 1 3 液压系统原理图设计2 0 3 1 4 液压元件设计及选取2 1j 3 2 液压系统常用建模方法。2 6 3 2 1 解析法建模2 6 3 2 2 状态空间法建模。2 7 3 2 3 功能键合图法建模。2 8 3 3 电极升降系统建模3 1 3 3 1 液压伺服系统物理模型的建立3 1 3 3 2 液压伺服系统数学模型的建立3 2 第4 章电渣炉电极升降系统计算机仿真研究4 6 4 1 系统仿真概述4 6 4 1 1 仿真简介4 6 4 1 2m a t l a b 仿真软件简介4 6 4 2 液压系统数学模型参数确定4 7 4 2 1 液压油液的参数确定4 7 4 2 2 伺服阀的参数确定4 7 4 2 3 液压缸参数确定4 8 4 2 4 伺服放大器参数确定。5 1 4 2 5 钢锭上升速度和电极熔化速度确定。5 1 4 2 6 渣阻环节参数确定5 1 。 4 2 7 电流环节参数确定5 2 4 2 8 电流互感器环节参数确定5 2 4 2 9 电流反馈环节参数确定5 2 4 3 液压系统动态特性分析5 2 4 4 伺服系统闭环响应特性分析5 4 第5 章电极升降阀控缸系统的控制策略5 7 v 东北大学硕士学位论文 目录 5 1p i d 控制概述5 7 5 1 1p i d 控制及其调节规律。5 7 5 1 2 数字p i d 控制5 8 5 1 3 数字p i d 控制算法的改进5 9 5 2 基于p l d 控制的伺服系统闭环响应特性分析6 1 5 3 模糊控制。6 4 5 3 1 模糊控制基本原理6 4 5 3 2 模糊控制器的设计6 5 5 4 基于模糊自适应p i d 控制的伺服系统闭环响应特性分析7 0 5 4 1 模糊化设计。7 1 5 4 2 量程转换7 1 5 4 3 模糊控制规则表7 2 5 4 4 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件进行仿真7 3 第6 章结论与展望7 7 参考文献7 8 致谢8 0 - 、 东北大学硕士学位论文第1 幸绪论 第1 章绪论 工业设备大型化及现代尖端技术的发展对金属材料品种需要日益扩大，对大型毛 坯重量的要求日趋增大，对冶金质量要求日益严格，对金属材料提出了：耐高温，耐 疲劳，抗应力腐蚀，抗中子辐射等一系列要求。显然己非一般冶金方法所能满足，在 此背景下，电渣冶金技术应运而生。 电渣冶金技术在世界范围内广泛研究采用，其特剧1 l ： ( 1 ) 产品质量优良：金属纯净，组织致密，成份均匀、表面光洁。 ( 2 ) 灵活性：电渣冶金不仅可以生产圆锭，方锭及扁锭而且可以生产空心管和 异形铸件，从几克重的假牙铸件到2 5 0 t 的大铸锭都可以浇注。 ( 3 ) 工艺稳定，质量和性能再现性高。 ( 4 ) 设备简单，操作方便，成本较低。 ( 5 ) 可控性：对产品化学成分、夹杂物性质、结晶方向、显微偏析及炭化物颗 粒度均可不同程度予以控制。 电渣炉的发展历史约有7 0 年左右，但是其发展速度特别惊人。世界各国电渣熔 炼研究中心是：美国联邦矿业局a l b a n y 冶金研究中心；华盛顿的电渣研究所( q k b h a t 任副总裁) ；前苏联i i a t o h 电焊研究；英国b r l t a h 钢铁公司e s r t ( g f i o y l e 领导下) ； 西德m a x p l a n c k 研究所；日本三菱重工神户研究所；名古屋工业技术试验所。自1 9 6 7 年以来世界性的国际电渣熔炼会议召开很多。我国在电渣冶金方面起步较早，早在 1 9 5 8 年已掌握了电渣熔炼技术，目前国内所有特殊钢生产能力在世界上名列前茅。 电渣炉电极升降传动系统传统方式采用直、交流双电机带动丝杆传动方式，存在 很多缺点。而液压传动相对来说有以下一些优点： ( 1 ) 传动平稳，机械惯性小，启动、换向、调速灵敏、平滑、准稳； ( 2 ) 调速范围广，可以实现无极变速； ( 3 ) 传动过载时能够自行保护： ( 4 ) 与电气操纵装置联合使用，容易实现自动化； ( 5 ) 重量轻( 为机械传动的1 5 ) ，体积小，造价低( 为机械传动的一半) ，液压 元件易于标准化。 因此，研究电渣炉电极升降采用液压传动而代替机械传动，在成本、质量、控制 等方面有很重要的意义。 - 1 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 电渣炉产生背景及特点 1 1 1 电渣炉产生背景 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，电渣冶金技术应运而生。电渣冶金是金属及其合金的一种特殊熔炼方法。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，但是其基本和核心的技术是电渣 重熔。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，因此，电 渣重熔主要用于高质量钢锭的熔炼。 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、军工、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，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。目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【2 1 1 1 2 电渣重熔特点 与其他冶金方法相比，电渣熔铸有以下优点【3 】： ( 1 ) 金属的熔化、浇注和凝固均在一个较纯净的环境中实现，最大限度地减轻 大气对钢液的污染，减少钢水氢、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材料造成对钢水玷污 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 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 左右，因此，熔铸过程中渣的过热度可达6 0 0 ，钢液过热度可 达4 5 0 左右，高温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、 熔滴滴落过程及金属熔池的三段中，钢、渣接触面积可达3 2 0 0 m m 2 g 以上，反应进行 十分充分。同时在电磁力的作用下渣池被强烈搅拌，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夹杂物的去除。 2 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 ( 3 ) 自上而下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熔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熔池，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，可以有效的消除一般铸锭常见的疏松和缩孑乙。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。 由于结晶器中的金属受到底部和侧面强制水冷，冷却速度很快，使金属的凝固只 在很小体积内进行，使得固相和液相中的充分扩散受到抑制，减少了成分偏析并有利 于夹杂物的重新分配。同时，这种凝固方式可有效地控制结晶方向，可以获得趋于轴 向的结晶组织。 ( 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上升 接触到凝固的渣皮时会使部分凝固的渣皮重新熔化，使渣皮薄而均匀，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。 但是电渣重熔也有它的不足之处： ( 1 ) 灵活性不足。电渣重熔只能将成分一定的钢材重熔，不能改变钢材的成分。 ( 2 ) 生产成本高。电渣重熔过程中，电耗非常大，又由于是二次精炼，大大增 加了钢材的生产成本。 ( 3 ) 氟的污染。电渣渣料中含较多的c a f 2 ，会逸出h f ，s i f 4 ，s f 6 等有害气体， 危害工人健康，造成环境污染。 ( 4 ) 批量少，管理不便。电渣重熔一炉一个钢锭，批量小，检验量大，不便管 理。 1 2 电渣重熔发展历史及趋势 1 2 1 国际上电渣重熔技术的发展 世界上的电渣重熔技术已有7 0 多年的发展历史，其发展可以划分为三个阶段。 第一阶段，从1 9 3 5 年美国r k h o p k i n s 进行渣中自耗电极熔化实验，并于1 9 4 0 年获得电渣熔炼专利起，至1 9 6 0 年电渣炉由发明到工业化生产阶段，此时的电渣炉只 能生产1 t 以下的钢锭。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 直到1 9 5 9 年，f i r t h s t e r l i n g 公司建成3 台3 6 t 电渣炉进行电渣重熔，美国电渣技 术才定型。h o p k i n s 作为k e l l o g g 公司技术指导和f i r t h - s t e r l i n g 公司副经理，长期垄断 这一技术，直到1 9 6 5 年该公司破产并被v a s c o 公司和a u v a 公司兼并，这一技术才公 布于众。 第二阶段，1 9 6 0 年至1 9 8 0 年为电渣炉的大发展时期，随着工艺的研究和设备的 研究制造，电渣重熔技术被了推向一个高峰。电渣炉生产的钢锭由1 9 6 0 年的1 t 锭猛 增到1 6 0 2 5 0 t 大型锭，工艺设备f 1 趋成熟。 乌克兰巴顿电焊研究所是现代电渣冶金技术的发源地，前苏联是根据电渣焊方法 的原理引出电渣重熔法的，欧美及日本发展的电渣冶金均是引进前苏联技术，世界上 独立发展电渣冶金技术的国家仅有中国与英国。电渣重熔不仅设备和操作简单，生产 成本低，而且电渣钢的质量除气体含量外，在表面质量、去硫、去除非金属夹杂物及 结晶组织等方面优于真空电弧重熔，所以一些生产真空冶金设备的公司纷纷转向了电 渣炉的生产，例如美国的c o n s a r c 公司、英国b i d e c 公司、奥地利b o h l e r 公司和日本 真空株式会社等。世界各产钢大国均对电渣冶金技术投入了相当的研究力量，从2 0 世纪7 0 年代初到2 0 世纪8 0 年代中期是世界各国电渣冶金技术飞跃发展的时期，当时 比较重要的电渣炉有：德国r o h l i n g b u r b a c b 公司1 6 0 t 的电渣炉，美国e r i e 市n a t i o n a l f o r g e 公司9 2 t 电渣炉、日本神户制钢公司高砂厂的7 0 t 电渣炉、韩国h u n d a i 国际公 司9 2 t 电渣炉、印度8 8 t 电渣炉、英国不列颠钢铁公司5 0 t 三相板坯电渣炉、前苏联 y u l 1 0 7 型多流电渣炉及y l l l 1 0 6 电渣熔铸专用电渣炉。 第三阶段为1 9 8 0 年至今，电渣炉已进入全过程计算机控制、电渣熔铸、特种电 渣炉发展阶段。全世界电渣钢的年生产能力约2 0 0 万吨，实际生产电渣钢及合金约每 年1 2 0 万吨。 1 2 2 我国电渣重熔技术的发展 世界上独立发展电渣冶金技术仅有中国和英国。欧美各国发展电渣冶金均先后引 进前苏联巴顿电焊研究院的技术。我国冶金工作者在电渣焊的基础上开发出电渣重熔 技术，于1 9 5 8 年1 2 月9 日炼成合金工具钢和高速钢锭，我国电渣冶金从此诞生。 1 9 6 0 年6 月冶金部建筑研究院设计了0 5 t 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 t 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。原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 届全国电渣冶金会议，总结了批量生产经验，并推荐双支臂电极交替连续抽锭及 4 也 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 单臂固定式两种炉型，成立了全国电渣冶金协调组。1 9 6 0 年原北京钢铁学院建成5 k g 密封式氢气保护电渣炉，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。 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 特殊钢厂有工业电渣炉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 届国际真空冶金会议于1 9 9 0 年在中国召开。 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 渣热封顶、电渣浇注、电渣离心浇注、电渣精密铸造、电渣转注等。 中国电渣冶金事业取得了重大成就，1 9 8 1 年上海重型机器厂与原北京钢铁学院合 作，建成2 0 0 t 级电渣炉，1 9 8 2 年国家鉴定后即为秦山3 0 万k w 核电站提供了1 2 4 件 毛坯。 1 3 课题的提出及内容 1 3 1 课题提出背景 电极调节系统是电渣炉的重要环节之一。电渣重熔过程中，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，由于电极底部与金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， 直是人们关心的问题。 机械传动是一种技术成熟、质量可靠的传动方式，但体积庞大、制造成本高、维 修困难、动作反应迟钝、产品升级自动化控制难度大、在机械设计中有很多死角及不 - 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 能完成的科目。液压传动是在机械传动的基础上诞生的一种新型的传动方式，它是以 液体为工作介质、通过动力元件( 液压泵) 将原动机的机械能转换为液体的压力能， 然后通过管道控制元件，借助执行元件( 液压缸或液压马达) 将液体的压力能转换为 机械能，驱动负载实现直线或回转运动。其特点以体积小、传动平稳、性能可靠、能 轻松实现很多机械传动不能完成的动作，是现代工业自动化控制系统的最佳选择。 由于电极控制在电渣熔铸中的重要性及液压传动所具有的一系列的优点，那么， 研究用液压系统来驱动电极升降系统无论从理论还是实践中都有很重要的意义。 与传统的直、交流电机带动丝杆传动的方式相比，电渣炉采用液压传动，最简单 的就是用液压油缸直接驱动电极横臂，以获得上升、下降、快速、慢速和无极变速等 操作要求。下面图1 1 为这两种传动方式的比较1 4 l ： 图1 1 机械传动与液压传动比较 f i g 1 1c o p m p a r i n go f m e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cd r i v e 1 3 2 本文要做的工作 采用液压传动方式的电渣炉已经应用于实际生产，本文主要以抚顺特钢厂5 t 电渣 炉为基础，从理论上对电渣炉电极液压升降系统进行设计、建模、仿真及控制分析。 抚钢现有电渣炉为直交流电机带动丝杆传动，本文根据现场的相关工况，进行液压系 统设计来代替现在的传动方式并主要从理论上进行控制分析，研究其能否满足现场工 作要求。内容包括电渣炉电极升降液压传动系统原理设计及参数确定、对系统进行数 学建模、对所建数学模型进行m a t l a b 仿真、液压系统控制分析等。 6 尥 一 东北大学硕士学位论文第2 章电渣炉工作原理及工艺介绍 第2 章电渣炉工作原理及工艺介绍 2 1 电渣重熔工作原理介绍 自耗电极 图2 1 电渣炉工作原理 f i g2 1w o r k i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r o s e d i m e n tc o o k e r 电渣重熔的基本原理如图2 1 所示。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、炉渣和底水箱通过短网与变压器形成供电 回路时，电流( 大小是通过调节电极下降速度来控制的) 从电极进入渣池后，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。由于在上述供电回路中熔渣的电 阻相对较大，从而在渣池中产生了大量的焦耳热，使自耗电极端部逐渐加热熔化，熔 化的金属汇聚成液滴。金属熔滴从电极端头脱落，进入渣池底部，形成金属熔池。由 于水冷结晶器的强制冷却，液态金属逐渐由下向上凝固成钢锭。自耗电极根据熔化的 7 东北大学硕士学位论文 第2 章电渣炉工作原理及工艺介绍 速度送迸渣池，不断补充正在凝固的金属熔池体积。由于在电极熔化、金属液滴形成、 滴落过程中金属熔池内的金属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应，从而可除去 金属中的有害杂质元素和非金属夹杂物。钢锭由下而上逐渐凝固，金属熔池和渣池就 不断向上移动，上升的渣池使结晶器内壁和钢锭之间形成一层渣壳，它起着保温的作 用，不仅促使钢锭表面平滑光洁，而且减少了径向导热，有利于自下而上的顺序结晶， 促使钢锭形成没有缩孔的致密组织。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。 改变自耗电极的截面、渣料的成分( 物理特性) 和数量以及过程电参数，电渣重 熔就能在相当广泛的范围内调整熔速范围，使电渣重熔方法变得相当灵活。 电渣重熔另外一个极其重大的优点是能炼铸不同形状截面的钢锭，采用电渣重熔 方法还可以熔铸不同形状的部件。 2 2 电渣炉炼钢工艺过程概述 电渣炉的生产过程【5 】一般是分为3 个时期：化渣期、重熔期和充填期。对于一些 电渣炉，炼钢过程中需要交换电极，因而还有交换电极阶段。 ( 1 ) 化渣期工艺 在这一时期，主要进行起弧化渣操作。起弧造渣就是熔化渣料，形成渣池。一般 采用电阻热造渣法，就是利用电流通过引弧剂时产生的电阻热熔化渣料，进而建立电 渣过程。操作方法有两种：一是用石墨电极化渣( 冷启动化渣) ，二是用自耗电极直接 化渣( 热启动化渣) 。固态启动是指在结晶器内进行化渣，化渣采用石墨电极，这是由 于其发热效率更高的缘故。化渣时将金属电极下降送入结晶器，带电电极端部与导电 渣接触后，电阻热使导电渣熔化，随即将渣料均匀加入结晶器内。实际操作时，应先 将萤石粉加入一部分造成渣池，而后将混合炉料陆续加入。加渣料期间由于渣池还未 完全形成，输入渣池的功率应该较小。加入渣料完毕后为增加化渣速度，应增加输入 渣池功率，待渣料全部化清后交换至金属电极，进入熔炼阶段。 ( 2 ) 正常重熔期工艺 化渣结束后，将石墨电极更换为金属自耗电极，使电极臂快速下降，将要接近渣 池界面时进行微调，使电极下端浸入渣池，就进入熔炼期。电极的下降速度是通过控 制模块进行控制的。 在正常熔炼的起始阶段，一般以化渣结束前的功率为起点，递增电压和电流，根 据工艺要求在一定时间内递增到正常重熔功率，此后可以按照一定的要求采用相应的 控制方法，如恒功率控制、恒熔速控制等。 8 东北大学硕士学位论文 第2 章电渣炉工作原理及工艺介绍 ( 3 ) 交换电极期工艺 交换电极工艺主要是根据电极设计要求，适时更换电极进行熔炼的操作。当设计 的自耗根数超过两根，并且为了保证钢锭熔铸质量，特别是一些需要特殊处理的钢种 时，在熔铸前对自耗电极进行预热处理( 防止“炸裂”) 。在这种情况下往往采用双臂交 替式电渣炉，在熔铸过程中更换电极。采用双臂交替式电渣炉，迅速进行电极的更换， 比单臂式电渣炉更换电极节省时间，保证熔炼的正常有序进行，获取质量更为理想的 钢锭产品。 在交换电极的初期，一般都需要以一个较小的功率开始，逐渐递增功率，最后达 到正常重熔的熔炼功率。 ( 4 ) 补缩期工艺 为了保证熔炼钢锭顶端的冶金质量，在熔炼结束前要进行补缩。其目的是消除钢 锭顶部由于凝固收缩引起的凹坑，并且通过保温过程使顶部的结晶质量和其它部分保 持一致。在这个时间里需要逐步递减熔炼功率。 2 3 电渣炉工艺介绍 2 3 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下四个原则1 6 j ： ( 1 ) 电渣重熔工艺制度首先要保证产品的冶金质量，具体说就是应保证重熔的 精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，保证都在最佳的范围内，以避免在重熔过程中造成短路或明弧的不稳定状态。为 此应采用目标参数为判据，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下力求经济指标的合理性，生产 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 ) 必须注意电渣重熔工艺的一般性与特殊性的统一。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，因而重熔工艺也就要有相 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，引入了等效面积或等效直径的概念，把复杂的产品截面积以等值的圆面积 或该圆面积的直径来代替，然后再跟据圆面积条件下工艺参数的选择原则去制定工艺， 最后在根据产品具体情况作相应的修正。 9 东北大学硕士学位论文 第2 章电渣炉工作原理及工艺介绍 2 3 2 电渣重熔工艺分类 电渣重熔工艺参数设计主要涉及到，结晶器尺寸的确定、电极尺寸的确定、渣系 的选择、渣量或者渣系深度、供电制度( 重熔电流和重熔电压) 、填充方法、电源空载 电压、冷却强度即出入口水温、抽锭方法以及换极时间等。但是，为了更直观地了解 重熔工艺的合理性，必须有其他的参数对以上设计的参数进行检验和校正。根据各工 艺参数在设计中的地位和作用，可将电渣重熔工艺参数分为如下三类： ( 1 ) 条件参数。这是根据重熔产品的几何尺寸、重量要求制定出的参数，是其 他各参数制定的先决条件。这类参数包括：( a ) 结晶器直径、高度；( b ) 电极的直径、 长：( c ) 充填系数及电极、结晶器的直径比。 ( 2 ) 控制参数。这类参数是根据冶炼条件制定的，对工艺的稳定性、产品的冶 金质量、电渣重溶技术经济指标的影响很大，是重熔工艺的基本内容，事先必须确定 好，在重熔过程中这些参数可以控制与调整。这些参数分为如下两类：( a ) 渣制度： 包括渣系组成、渣量或渣池深度；( b ) 电制度：包括重熔电压和重熔电流。 ( 3 ) 目标参数。这类参数是基本控制参数综合影响的因变量，是控制参数选择 好坏的一种标志，也是实现电渣重熔自动控制必不可少的参数。引入这类参数的目的 在于判断条件参数和控制参数选择的合理性。这类参数主要包括：c a ) 金属熔池形状 和深度；( b ) 电极埋深度；( c ) 极间距；( d ) 渣池温度和渣皮厚度；( e ) 吨钢电耗； ( f ) 电极熔化速度。 2 3 3 电渣炉工艺参数确定 2 3 3 1 条件参数确定 ( 1 ) 结晶器尺寸的确定 结晶器尺寸应该根据用户提出的产品尺寸来确定，包括结晶器的直径和高度。本 文圆形设计计算。 1 ) 确定结晶器直径用 由于钢锭收缩和渣皮的生成，钢锭毛坯直径尺寸和结晶器直径相比总有一个减缩 率，通常为2 5 。3 ( 直径大者偏上限) 。此外还需要考虑到毛坯的加工余量，结晶器 直径通常按下列经验公式确定： - 筹 (21dm ) - 彳专 ( ) 式中，d 结一结晶器直径m m 1 0 & 一 东北大学硕士学位论文第2 章电渣炉工作原理及工艺介绍 d 产品一品规格尺寸m m 彳毛坯加工余量，一般取2 0 - 4 0 m m 6 熔炼毛坯缩减量，一般取3 0 5 2 ) 确定结晶器高度 结晶器高度与其它工艺参数如电极长度和支臂高度等有密切的关系， 结晶器，其高度可按下面的经验公式确定： h 结一( 3 6 ) d 结 ( 2 ) 电极尺寸的确定 1 ) 确定电极直径尺寸 对于固定式 ( 2 2 ) 电极直径主要由结晶器直径尺寸决定，二者的匹配是确定其它电渣工艺参数的重 要条件。电极直径与结晶器直径的比值称为填充比k ，是影响熔炼工艺的重要参数。 国内填充比一般在k - o 5 - t - 0 1 的范围内，第四届国际电渣会议上有人推荐 k = 0 5 5 0 6 5 。欧美一些国家采用k = 0 8 ，可见对于k 的取值众说不一。电极直径一 般可按如下的经验公式确定 d 极一k x d 结 ( 2 3 ) 式中，d 饭一电极直径，m m d 结一结晶器直径，m m k 一填充比，取( o 5 5 加6 5 ) 士0 1 2 ) 确定电极长度 本电渣炉采用单支臂的方式熔炼，由于设计熔炼钢锭的额定重量为5 t ， 极直径和电极密度已知情况下可确定电极长度 ， g l 撮。a p l t