（机械工程专业论文）5吨双极串联电渣炉结构、控制和工艺开发与研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 中文摘要 摘要 攀钢集团四川长城特殊钢公司是某种特殊钢产品的三大生产基地之一，现有 重熔电渣炉1 2 台。其中6 台1 t 双臂电渣炉、5 台2 5 t 双臂电渣炉、l 台5 t 双极 串联电渣炉，年生产能力2 00 0 0 t 。为了解决电渣重熔生产能力不足，特别是市场 对& 5 0 m m 以上电渣钢材需求的矛盾，公司于1 9 9 8 年新建一台5 t 电渣炉，年生 产能力3o o 仇4o o o t ，以解决产品结构的扩大和产品质量的问题。 根据工艺要求及国内外电渣炉的特点，我们确定新建5 t 电渣炉的方案为单相 双极串联式结构。该设备应用了国内外最新技术，如优化的短网结构、p l c 控制、 有载调压变压器、高精度的伺服阀等，设备结构比较简单，装备先进，运行十分 可靠，达到了节电节能的要求。 随着市场对高品质精细钢材的需求不断增加，电渣重熔工艺更广泛应用在生 产实践中，其技术得到了更大的创新和发展，工艺也日渐成熟。作为一种二次精 炼冶金技术，双极串联技术在电渣重熔冶金中的应用使其具有新的特点。其双极 串联的供电回路，使电渣炉的功率因素可以提高到0 9 左右，在很大程度上提高了 效率，减少了电耗。 本文以实际工程项目的设计为背景，首先对双极串联式电渣炉的结构、生产 工艺特点和设备情况进行了介绍，尤其是对其双极串联的供电回路进行了分析。 针对该电渣炉的特点，确定控制方案，并对其控制系统进行软硬件组态设计。 通过对我厂5 t 双极串联电渣炉生产h 1 3 大型锭过程中采集的实际数据测定， 从电流密度、渣系、渣量及熔化速度与枝晶间距关系等工艺参数方面进行了分析 探讨，并建造了结晶速度、熔池速度、固相线位置与主要工艺参数间关系的数学 模型，将其应用于指导生产，并通过了生产检验，取得了良好效果。生产试验数 据还表明，对短粗结晶器，采用大充填比时，不能达到恒结晶速度及恒熔池的设 想，需通过改善结晶器冷却条件等因素作进一步改进。 关键词：双极串联电渣重熔，电渣重熔冶金工艺，控制 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t p a l l g a i l g ( 衲u ps i c h u a 芏lc h a n g c h e n gs p e c i a ls t e e lc o l t di so n eo ft h et o pt h r e e p r o d u c t i o nb a s e so fs p e c i 址s t e e lp f o d u c t s ；i th a s l2s e t so fe l e c n 0 s l a g n ；m e l t i n g f h m a c e ，o fw l l i c ha r es i x1 ta n df i v e2 5 tm oa r m se l e c 仃0 is l a g 如m a c e ，锄do n eb i p o l a r r i e sf i v e - t o ne l e c 仃0s l a g 丘m l a c e ，w i ma n 锄砌y i e l do f2 0 ，0 0 0 t t os o l v em e i n s u 箍c i e n c yo fp r o d u c t i o nc 印a b i l i t ) r ，e s p e c i a l l y l en e e d yo ft l l ea b o v ea 2 5 0 n u n e l e c 仃0s l a gs t e e l ，t l l ec 0 0 p e r a t i o ns e tu paf i v e - t o ne l e c 仃os l a g 矗l n l a c ea t19 8 8 ，谢m 3 0 0 0 t 4 0 0 0 t 锄u a l ly i e l d ，t os e 砌et 1 1 ep r o b l e mo ft h ep r o d u c ts t m c t l l r ee x p a n s i o na i 】l d q u a l i t ) r a s i n 9 1 e - p h 嬲eb i p 0 1 a rs e r i o u ss 仃i j c t u r ei sm a d et 0b et h ep l a l lf o rm en e wf i v e t o n e l e c t r os l a g 如m a c e ，a c c o r d i n gt ot 1 1 ep r o c e s sr e q u n m e n t sa l l de l e c t r os l a g 如m a c e 仃a i t sa th o m ea 1 1 da b r o a d t h el a t e s tt e c l l l l o l o g i e sa r e 印p l i e do nt ：i l i sd e v i c e ，s u c h 弱 s h o r tn e 似o r ks t n l c t u r e ，p l cc o n t r o l ，l o a dr e g u l a t o rt r a l l s f o m s ，m 曲- a c c u r a c ys e r v o v a l v e ，e t c t l l i sd e v i c eh a ss i n l p l es 仃u c t u r e ，a d v a l l c e de q u i p m e n t ，r e l i a b l er u i h l i n g ，锄d m e e t st 1 1 en e e do fs a v i n ge n e r g y t h ee l e c t r os l a gr e m e l t i i l gt e c l l l l o l o g yh a si m p r o v e d 伊e a t l y 锄db e c o m em a t l l r ei n m ep r o d u c t i v ep r a c t i c e ，a st l l em a r k e t sn e e d 内rh i g hq u a j i t ) ，f i n es t e e li n c r e a s e s t h e u s eo ft l l eb i p o l a rs e r i e st e c l l i l o l o g yi nm ee l e c 仃os l a gr e m e l t i n gm e t a l l u r g yb e c o m e s n e w 仃a i t so ft h es e c o n d a d rr e f 砒n gm e t a l l u r g yt e c t m o l o g y t h eb i p o l a rs e r i e sp o 、牝r s u p p l yc i r c u sr a i s e dt l l ee l e c 仃i ds l a g 如m a c ep o w e rf a c t o ru pt 00 9 ，w h i c h 伊e a t l y i n l p r o v e de f j e i c i e n c ya n dd e c r e a s e dp o r e rc o n s u i l l p t i o n b a s e do na c t u a le n g i n e e r i n gp r o j e c t ，t l l i sp a p e rd e s c r i b e st h es 仃i j c t u r e ，p r o d u c t i o n p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c sa i l dd e v i c ec o n d i t i o n so fb i p 0 1 a rs e r i e se l e c t r 0s l a gf u m a c e ， p 砥i c u l a r l y 锄a l y z e st l l ep o w e rs u p p l yc i r c u s t h ec o n 仃0 1p l a ni sd e t e m 协e da n das o r h a r dw a r ec o i g u r a t i o nd e s i 弘i sm a d ef o rm es y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h i se l e c t r os l a g 矗l 如a c ef i ea 1 1 盯e s a c c o r d i n gt ot 1 1 ea c t u 村d a 晚m e a s u r e m e n tc o l l e c t e d 嬲t 1 1 e 五v e t o nb i p o l a rs e r i e s e l e c 仃os l a gm m a c e p r o d u c e dh 13 l a r g ei 1 1 9 0 t ，a 1 1a 1 1 a l y s i sa 1 1 dd i s c u s s i o ni sm a d eo n 让i e p r o c e s sp a r a m e t e r so fc u r r e n td e n s i t ) r ，s i a gs y s t e m ，s l a gq u a i 】t i t ) ra i l dt 1 1 er e l a t i o n s l l i p b e t 、) 佗e nm e l t i n gv e l o c i 够趾dd e n d r i t es p a c e ，a n dam a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h er e l a t i o n 锄o n gc 巧s t a l l i z a t i o nv e l o c i 够，m m a c eh e a r mv e l o c i t ) r ，s 0 1 i d u sc u n r ep o s i t i o na l l dt h e m a i l lp r o c e s sp a r 锄e t e r si sb u i l t ，w i l i c hi s 印p l i e do ng u i d i n gp r o d u c t i o n ，a 1 1 dp a l s s e s i i 重庆大学工程硕士学位论文英文摘要 t l l r o u g hm ep r o d u c t i o ni n s p e c t i o n 觚do b t a m sg o o dr e s u l t s t h ep r o d u c t i o nt e s td a l a i n d i c a t et l l 乩a tl a r g ef i l l i n gr a t i o ，n l es t o c k yc 巧s t a j l i z e rf 撕l e dt 0l l a v ec o n s t a n t c r y s t a l l i z a t i o nv e l o c i t ) ra n d 免m a c eh e 删1 ，i tn e e d st 0m o d i 匆t 1 1 ec r ) r s t a l l i z e rc o o l i i l g c o n d i t i o n k e y w o r d s ：b i p o l a rs e r i e s ，e l e c t r 0s l a gr e m e l t i n g ，c o r i 缸o l l i n g i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的丕k 士学位论文愆嗵麴蝴碴镪蚴蠢啦啦 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名： 导师虢工- 土卵巧 签字日期：7 f ，了 签字日期夕，岁 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名： 导师签名：盖：出叠一 。歹引，岁日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月日。 说明：本声明及授权书生逝装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 电渣重熔技术原理 电渣重熔法是利用水冷铜模和自耗电极在液态熔渣中熔化精炼，快速凝固得 到的高质量的钢锭的方法。随着市场对高品质精细钢材的需求不断增加，作为一 种特殊的二次精炼技术，电渣重熔工艺广泛应用在生产实践中，其技术得到了更 大的创新和发展，工艺也日渐成熟，在新的世纪中必将得到更大的发展【l j 。目前， 电渣重熔已从最初的单一重熔技术发展成为一门跨行业、跨专业的新学科。 电渣重熔的基本原理如图1 1 所示。其原理是电流通过液态渣池渣阻热，将 金属电极熔化，熔化的金属汇集成熔滴，滴落时穿过渣层进入金属熔池，然后于 水冷结晶器中结晶凝固成钢锭。重熔过程中，由于在电极熔化、金属液滴形成及 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 去除金属中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，它不 仅使钢锭表面平滑光洁，而且降低了径向导热，有利于自下而上的顺序结晶，改 善了钢锭内部的结晶组织。电渣重熔基本过程中，在铜制水冷结晶器内盛有熔融 的炉渣，自耗电极一端插入熔渣内。自耗电极、渣池、金属熔池、钢锭、底水箱 1 0 9 i 一自耗电搬l2 一水冷结晶器l3 渣池l4 一金属熔池l5 渣壳l 6 钢锭l7 底水糟l 爵熔滴 9 一变压器ll o 一短阿导线 图1 1 电渣重熔的基本原理图 f i 9 1 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f e l e c t r o s l a gr e m e l t i n g 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 通过短网导线和变压器形成回路。在通电过程中，渣池放出焦耳热，将自耗电极 端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池， 受水冷作用，迅速凝固形成钢锭。在电极端头液滴形成阶段，以及液滴穿过渣池滴落 阶段，钢一渣充分接触，钢中非金属夹杂物为炉渣所吸收。钢中有害元素( 硫、铅、 锑、铋、锡) 通过钢渣反应和高温气化比较有效地去除。液态金属在渣池覆盖下， 基本上避免了再氧化。因为是在铜制水冷结晶器内熔化、精炼、凝固的，这就杜 绝了耐火材料对钢的污染。钢锭凝固前，在它的上端有金属熔池和渣池，起保温 和补缩作用，保证钢锭的致密性。上升的渣池在结晶器内壁上形成一层薄渣壳， 不仅使钢锭表面光洁，还起绝缘和隔热作用，使更多的热量向下部传导，有利于钢 锭自下而上的定向结晶。由于以上原因，电渣重熔生产的钢锭的质量和性能得到 改进，合金钢的低温、室温和高温下的塑性和冲击韧性增强，钢材使用寿命延长。 1 2 电渣技术优越性 性能的优越性：电渣产品金属纯净、组织致密、成分均匀、表面光洁。产 品使用性能优异。如g c r l 5 电渣钢制成轴承寿命是电炉钢轴承的3 3 5 倍。 生产的灵活性：电渣重熔可生产圆锭、方锭、扁锭及空心锭。电渣熔铸可 生产圆管、椭圆管、偏心管、方形管。所熔铸的异形铸件从几克重的金属假牙到 1 5 0 吨的水泥回转窑炉圈和2 0 0 吨转子。 工艺的稳定性：质量与性能的再现性高。 经济上的合理性：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，对超级合金、高合金及大钢锭而言，提高成材率，其效益足以抵消 生产成本。 过程的可控性：过程控制参量较少，目标参量易达到，便于自动化。对产 品微量化学成分，夹杂物的形态及性质、晶粒尺寸、结晶方向、显微偏析，碳化 物颗粒度及结构等都能予以控制。 1 3 电渣重熔技术的发展历程 1 3 1 电渣重熔技术的发展 1 9 5 2 年前苏联的乌克兰巴顿电焊研究所的b i m e d o v a r 和b e p a t o n 两位学 者( 后成为科学院院士) 在实验室采用电渣重熔技术制备了不锈钢锭，成为现代 电渣冶金技术的起源【l 】。1 9 5 8 年乌克兰扎波洛什市德聂伯尔建立了电渣重熔车间， 拥有o 5 t 电渣炉4 台【2 l ，美国费尔思斯特林公司( f i r t hs t e r l i n g ) 于1 9 5 9 年建立了 3 6 t 工业电渣炉，美欧国家在工业上全面推广直至1 9 6 5 年才开始【3 1 。我国于1 9 5 8 年在电渣焊的基础上掌握电渣重熔技术，于1 9 6 0 年在重庆特殊钢厂及大冶钢厂建 立电渣重熔车间1 4 j 。我厂1 9 6 5 年2 台0 5 t 电渣炉，4 台1 t 电渣炉和3 台2 5 t 电渣 2 重庆大学工程硕士学位论文绪论 炉投产( 图12 ) 。从世界范踌论，电渣重熔工业生产已经历了五十个春秋( 1 9 5 8 2 0 0 8 ) 。 图l21 吨和25 吨电渣炉 f i 目2 l ia n d25 te l ms l a g 胁a c e 采用电渣重熔技术生产的钢，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。电渣产品广泛应用于航天航 空、军工、能源、船舶、电子、石化、重型机械和交通等许多国民经济的重要领 域。半个世纪以来电渣冶金技术在世界范围内得到迅速的发展和广泛的应用。我 国电渣冶金技术的开发和应用一直走在世界的前列，为电渣冶金技术的发展做出 了重要贡献【5 l 。进入2 1 世纪，国内外电渣技术又有了新的发展，显示出勃勃生机 ”】。本文就电渣冶金技术的最新发展趋势进行简要论述。 从世界范畴来划分，电渣冶金技术发展大体上可以分为以下四个阶段： 缓慢发展的2 5 年【2 j ( 1 9 4 0 1 9 6 5 年) 1 9 5 9 年费尔思斯特林( f i m ls t e r l i 丑g ) 公司建立3 台36 t 电渣炉进行电渣重熔， 美国电渣技术才定型。1 9 6 5 年费尔思斯特林( f l 曲s t e r l i n g ) 公司破产，被v a s c o 公司及a 1 1 v a s 公司所兼并这一技术才逐渐公之于众。5 0 年代由于钛合金需要一度 增长，到1 9 6 5 年美国真空电弧重熔能力达1 53 万吨，年，6 0 年代钛合金市场萧条， 相当一部分真空电弧重熔炉转为生产超级合金及优质合金钢。 飞跃发展的1 0 年( 1 9 6 5 1 9 7 5 ) 1 9 5 9 1 9 6 5 年在美国和西欧电渣重熔与真空电弧重熔之间展开了强烈的技术 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 竞争，时间持续7 年之久。1 9 6 5 年西欧、美国冶金工作者作了全面的、系统的研 究，其结论是电渣重熔设备简单，生产费用低廉，操作方便，铸锭表面光洁，热 塑性好，成材率高。电渣重熔在纯净度方面不亚于真空电弧重熔，去硫，去除非 金属夹杂物均超过真空电弧重熔，仅去气( n 、h 、o ) 不及真空电弧重熔，而在 铸锭结晶方面优于真空电弧重熔，铸锭组织的致密性、化学成分均匀性还超过真 空电弧重熔，没有低倍缺陷，成品率高。 稳定发展的1 0 年( 1 9 7 5 1 9 8 5 年) 电渣钢产量继续增长，到1 9 8 5 年达到1 2 0 万吨。第1 代电渣炉开始更新。据 西方情报分析，前苏联电渣钢产量约4 0 4 5 万吨。东欧国家约4 5 万吨。到1 9 8 5 年止，西方工业电渣炉达2 0 4 台，其中3 8 台是1 9 7 5 年以后新建。这一阶段随重 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应运而生，包括： 1 ) 热传递模型； 2 ) 物质传递模型( 热力学模型、薄膜及渗透理论为基础的新传质模型) ； 3 ) 热塑性模型。 酝酿新的突破( 1 9 8 5 年后) 这一阶段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 ) ，i l ea l l v a c 公司建立2 3 t 电渣炉。m c o 合金国际公司两台电渣炉于1 9 8 6 年投产生产n i 基合金、 c o 基合金及其它耐热合金板坯及圆锭，锭重1 8 t 。我国近年的电渣炉建设也得到 了突飞猛进的发展。兴澄特钢的底抽式电渣炉，大冶特钢的保护气氛电渣炉，舞 阳特钢的低频电渣炉，上重的4 5 0 吨电渣炉等先进技术得到广泛运用。 1 3 2 双极串联式电渣重熔 按照电极底水箱线路连接的单相单极交流电渣炉不论在国内还是在国外 都比较通用。它的特点是简单、可靠性高、钢锭质量高且表面好。然而这种炉子 也有严重的缺点，就是随着熔炼电流及导电线截面的增大，电感损失急剧增加， 功率系数也下降。为此采取了降低炉子电感、改进短网的各种措施。 多极电渣炉也可以采用电极底水箱串联系统。将电极分开会使熔炼系数 增高、单位电耗下降。更为重要的是提高了金属的质量。这是由于渣和金属的单 位接触面积增大，其次是金属熔池的形状得到了改进。当把电极分开时，形成熔 滴的数目增加，熔滴的体积减小。由于电极分开，热流比用一根相同截面的整根 电极更为分散。这种分散必然导致形成形状更加有利的金属熔池。 双极串联式电渣重熔技术是单独的一类电渣炉，其按照电极电极的方式 进行供电的方式区别于以往的单相单电极电渣炉。双极串联式电渣炉的电流是由 其中一根电极流到另一根电极，大部分经过渣池，仅有小部分分接到液态金属熔 4 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 池，由结晶器壁分接的电流在这种过程中是非常小。 a 图1 3 双极串联式电渣炉的主供电电路图 f i 9 1 3p o w e rs u p p l ys y s t e mo f b i p 0 1 a rs e r i e se l e c 仃os l a g 舢m a c e 图1 3 所示为双极串联式电渣炉的主供电图，采取这样的主电路结构有以下优 占【3 】 j 、 电极在浇注过程中出现大的缩孔或裂纹，或在生产过程中必要时需要同时 重熔两根不同直径的自耗电极，由于变压器中性点补偿线的存在，均不会出现不 平衡的熔化。 在造渣时，利用变压器补偿中心线和化渣柱的石墨电极作为电源引弧造 渣，操作又简便； 根据需要，可重熔小吨位的单相自耗电极。 如图1 3 所示，v 1 ，v 2 分别表示双极串联中的电极1 和电极2 相对变压器 中性点的电压，a l ，a 3 分别是通过电极1 和变压器中性点的电流，通过v 1 ，v 2 ， a 1 ，a 3 之间的关系得到通过电极2 中的电流。 双极串联电渣重熔法的实质是：在一个结晶器内同时重熔两根( 或者四根) 断面相同的自耗电极，这两根电极是串联的，且用一个电极夹持器以相同的速度 向渣池送进；电极夹持器具有两根相互绝缘的导电线。如图1 4 所示。 5 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 图1 4 双极串联电渣炉 f i g 1 4b i p o l a rs e r i e se l e c 缸ds l a g 矗j r n a c e 双极串联电渣重熔法可保证二次短网的各个部分( 包括自耗电极) 近距离地 平行布置，这就大大降低了电渣炉短网的感抗，提高功率因数。 双极串联电渣炉为乌克兰巴顿电焊研究所发明。新日铁公司采用巴顿所的专 利，自行制造了双极串联电渣炉跚9 j 【1 0 1 。 1 4 本文主要研究内容 针对本公司5 t 双极串联电渣炉及其冶炼工艺及参数，进行结构分析、安装调 试过程分析、工艺参数设计与优化等，主要研究内容包括： 双极串联式电渣炉的设备结构分析 1 ) 对双极串联电渣炉设备构成及各部分机构进行分析，为系统参数设计及工 艺设计奠定基础。 2 ) 对电渣炉液压系统、电气系统原理进行分析 双极串联式电渣炉安装与调试 1 ) 电渣炉系统机械安装调试 2 ) 电渣炉液压系统动安装调试 3 ) 电渣炉电气系统安装调试 电渣炉短网原理的研究 1 ) 电渣炉短网布置的研究 2 ) 电渣炉短网中性补偿导线原理的研究 电渣炉工艺特点分析与优化，包括： 1 ) 电渣炉冶炼电流、冶炼电压、炉口电压、熔炼速度工艺参数分析。 2 ) 电渣炉工艺参数调试和优化方法的研究，电渣炉最佳工况的研究。 利用实测数据建立相关的数学模型 6 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1 ) 渣系、渣量与电压的关系。 2 ) 1 次、1 1 次晶间距与凝固速度之间的关系。 7 重庆大学丁程硕士学位论文2 积极串联式电渣炉的设备 2 双极串联式电渣炉的设备 2 1 主要机械设备 双极串联式电渣炉的机械设备主要由立柱和横臂、升降机构、液压系统、电 极夹持器、结晶器、底水箱、拎却水系统等组成( 图21 ) 。 图2i 双极串联式电碴炉系统组成 f 1 9 2 ls y n e m o f b i p o l a rs e d e s e l e c os i a g c e 2 1 1 立柱和横臂 电渣炉的立柱和横臂多采用型钢及钢板焊接结构( 图22 ) 。在设计立柱和横 臂时，其结构除要求的具有足够的强度外还应具有足够的刚度，以保证横臂能 很好地沿立柱垂直运动。否则因结构变形会影响横臂上下运动的灵活性，也会造 成自耗电极与结晶器对准中心的困难。 通常双立柱电渣炉，为了确保立柱的稳定性，对立柱的结构加有辅助支撑。 在立柱与变压器室墙和操作台室墙之间加支撑连接，架构成一体，这样即加强了 立柱的稳定性，也适当减轻了立柱结构的鼋量。 本电渣炉采用一个横臂熔炼自耗电极，另一个横臂用于造渣。两个横臂相同， 重庆大学工程硕士学位论文2 双极串联式电渣炉的设备 便于炼其它锭型可以交换冶炼。 2 l2 电极升降机构 电极升降液压系统 圈22 横臂结构 f 档2a n o 图23 液压系统 f 碴23 h y d r a u l l cs y s t e m 。一 _葛。钫h们口一一；_e屯h寸n比一 匦蟋瞵邕蜓冀n匝 谁魁g娶超导佰餐哥鼙癸n 钗秘遥扑书匿醛h扑k送恻 重庆 学工程硕士学位论文2 双极串联式电渣炉的设备 双极串联电极的升降机构采用液压传动。液压系统如图23 和图24 所示。快 速是非熔炼时的辅助工作速度，采用电磁换向阀。慢速是熔炼时的工作速度，采 用伺服阀。伺服阀可进行自动控制。由于自动控制的转速太小伺服阀采用m o o g 1 l ，m i n 。快速采用1 0 通径的电磁换向阀。液压泵采用双联叶片泵5 5 ，2 8 。滤油精 度3 u m 。 传动件的选择 在电渣炉熔炼过程中，自耗电极的重量随着它的熔化而减小。因此，作用于 电极升降机构上的载荷也在熔炼过程中变化。 一般，电渣炉电极升降传动机构的传动件有柔性传动件和刚性传动件两类。 1 ) 柔性传动件：常用的有钢绳和链条。 2 ) 刚性传动件：目前使用的有齿条和丝杠两种。丝杠有梯形丝杠和滚珠丝杠。 本电渣炉的熔炼用传动部分采用的是液压传动。主缸1 8 0 1 2 5 3 2 0 0 ，其能承受 较大载荷、传动平稳。由于液压传动精度高，自耗电极能有效准确的定位，避免 了由于机械设备存在间隙误差而造成的控制效果不理想的问题。化渣用传动部分 采用的也是液压传动。伺服阀辅助使用。 2 13 电极夹持器 电极夹持器( 图25 ) 除起夹持白耗电极的作用外，还能保证电能馈送到自耗 电极上，进行熔炼。 幽25 电极夹持器 f 嘻25p j n c e b o f e l e c t r o d e 重庆大学工程硕士学位论文 2 双极串联式电渣炉的设备 对电极夹持器的要求： 通过电极夹持器产生的电能损失要最小。此部分电能损失包括夹持器本身 及夹持器与自耗电极接触电阻损失两部分。 夹持器应有足够的强度，能产生足够的加紧力。 夹持器最好通水冷却。因为夹持器降到下端时，受热很强烈。 电渣炉的电极夹持器的结构形式一般可分为：固定式夹持器和可拆式夹持器 两类。 本双极串联电渣炉采用的是固定式电极夹持器。采用手动安装的形式。这种 形式安全可靠，能保证两只电极棒平行。 2 1 4 结晶器和底水箱 结晶器及底水箱是电渣炉的重要部件，起到熔炼室的作用，使重熔金属得到 强制冷却和结晶，以及形成钢锭。尤其是结晶器内壁与温度高达17 5 0 的炉渣直 接接触，工作条件比较恶劣。结晶器的内部冷却水部分要定期清洁，以免水垢等 物质降低结晶器的冷却效果，避免在生产过程中由于冷却效果不好而发生生产事 故。 2 2 双极串联式电渣炉的主要电气设备 双极串联式电渣炉的电气设备主要由高压供电相关设备、低压控制柜及电气 执行机构等组成。 2 2 1 高压供电相关设备 高压供电系统 高压供电系统由高压隔离开关、高压计量系统及高压真空断路器及电流互感 器组成。这些高压设备均安装在高压配电室的高压开关柜中，通过铜母线或电缆 与变压器相连。高压开关柜采用真空断路器以适应电渣炉频繁开闭的要求。高压 真空断路器的合、分闸控制，可同时由高压开关柜和控制室里的主操作台进行操 作。 变压器及短网和水冷电缆 采用单相交流高压供电。变压器的额定容量是2 5 0 0 k 、舱，该变压器为有载有 级变压器，共2 7 档，二次侧调压范围为6 0 v 1 1 3 7 v ，最大电流为2 1 9 8 7 a 。该变 压器的一次侧额定电压为6 k v ，二次侧带有中性点，可连接中性点补偿导线。 短网即在低电压情况下通过大电流的电路。短网的设计在满足电渣重熔过程 最大二次电流通过的前提下要尽可能地减少电阻和电抗以降低短网的压降损失， 同时要保证短网的使用寿命和操作上的工艺要求。从变压器二次侧出口端子采用 铜排连接，通向电极和低水箱的两路铜排尽量采用平行布置以减少感应损失。 1 2 重庆大学工程硕士学位论文2 双极串联式电渣炉的设备 水冷电缆用于短网和炉体之间的连接。由于熔炼过程中，大电流流过电缆会 产生很大的热量，故在电缆外部加水冷护套，进行强制循环水冷却，减少热量损 失。在变压器二次侧电压相同的前提下，提高炉口电压，在一定程度上减低了电 耗。 油水冷却器 由于变压器的冷却方式为o f w ( 强制油水冷却) ，故两台油水冷却器采用一 用一备的方式运行。这样做安全可靠，方便设备检修，同时也保证了生产的连续 性，即使有一台油水冷却器发生了故障，也可以启动备用的另一台，保证生产正 常进行。 在启动油水冷却器时，一定要先打开变压器油循环阀门后，再打开冷却水循 环阀门。关闭油水冷却器时操作顺序则正好相反，要先关闭冷却水循环阀门，再 关闭变压器油循环阀门。在油水冷却器运行过程中，也要始终保持进口的油压大 于出口的水压。这样做的目的就是始终让油水冷却器中的油室的压强始终大于水 室的压强，防止由于内压过大而造成冷却水渗入油室，造成生产事故。 互感器 熔炼电压直接在变压器二次侧的短网上采样。而大电流则通过电流互感器来 采集。本系统要采集的电流为熔炼时，流过其中一电极的电流和流过变压器中性 点补偿导线的电流。这两处电流大小不同，分别采用变比为2 5 k a 5 a 和1 5 k 刖5 a 的电流互感器进行采集。 使用电流互感器时，电流互感器的二次侧回路绝对不允许开路，并且其中一 端要接地。如果二次侧开路，又无接地，则会使电流互感器铁芯中的磁通急剧增 大，在二次线圈上产生很高的感应电动势，危及人身安全。此外，由于铁芯中磁 通增大，会引起铁芯发热，严重时会使电流互感器绝缘损坏，并导致高压侧短路。 因此，为了人身和设备安全，应将电流互感器二次侧的一端接地，并不得开路【1 7 1 。 2 2 2 低压控制柜 系统主要有以下电气设备组成： 低压配电柜 低压配电柜的主要功能是对整个低压控制系统提供电力支持，同时也可以对 低压电量进行计量。进线电压为3 8 0 2 2 0 v 的三相四线制，经由带有漏电保护装置 的隔离开关进行开断。各支路电气柜的低压动力及控制用电源均由该低压配电柜 馈电。 p l c 控制柜 p l c 控制柜是控制系统的核心部分，该单元包括可编程序控制器p l c ，信号 采集传感器和外围的中间继电器等控制电路。 重庆大学t 程硕士学位论文2 双极串鞋式电渣炉的设备 交流柜 该电气柜主要包括系统中与交流电动机相关的电气部分，包括交流电动机的 主回路及其相关的控制回路。在本系统中主要是液压站用和平台升降、横移用的 电气控制部分。 伺服阎放大器 因为p l c 的输出信号不能直接驱动伺服阀线圈动作，必须经过放大器处理并 放大用于驱动伺服阀动作。由于正常重熔时，采用的是伺服阔慢速控制，故该单 元在生产过程中起主要作用，是实现生产自动化的不可或缺的部分。 操作台 主操作台( 图26 ) 。生产操作人员可以通过操作台上的按钮、开关等进行操 作，操作台上的触摸屏可设定冶炼参数并写入p l c ，p l c 根据设置的参数与实际 的采样值比较并根据不同的控制方法演算，执行控制信号自动调整并输出。操作 台上的相关仪表可用于监控生产过程。整个熔炼过程的操作都在主操作台上进行 的，是实现生产自动化的关键部分。 图26 操作台 f 罾26 0 p o r a t gs y s t e m 2 23 主要电气执行机构 电动机 熔炼支臂传动采用的是液压传动。液压站有两台电动机分别一用一各。 所采用的交流电动机的型号是y 1 8 0 l 一6 ，其功率为1 5 k w ，额定转速为 重庆大学工程硕士学位论文2 双极串联式电渣炉的设备 9 7 0 r ，m i n 。该交流电动机在快速时带动大泵，自动时带动小泵。 台车的升降和移动也采用交流电机传动，移动主要是对中。 液压油泵及电磁阀 支臂的升降和旋转机构都采用的是液压传动。而液压传动主要通过液压泵和 相关的电磁阀来实现。液压泵作为液压传动系统的动力源，采用的是型号为 2 5 2 0 v _ 1 7 a m ，功率为1 5 k w ，额定转速为9 7 0r m l n 的液压泵对液压油进行加压。 电磁阀控制液压油的走向从而实现相关设各的液压传动动作。伺服阀的型号 m o o g - 1 0 0 ( 现国产f f l 0 1 ) ( 图27 ) 。 留27 液压伺服阀 f i 醇7 h y d m u l i cs 洲v v e 2 3 小结 耻极串联式电渣炉较以往的电渣炉有其自身的特点，本章主要对双极串联式 电渣炉的设各构成进行介绍 机械部分：立柱、横臂、结晶器平台、夹持器。 电气设备：熔炼电源、动力电源和控制部分。 液压系统：动力单元、执行单元和控制单元。 重庆大学工程硕士学位论文3 设备安装调试 3 设备安装调试 3 1 系统设备安装 电渣炉的p l c 在操作室p l c 控制柜中，采用a b 公司的s l c 5 0 0 ，模块式框 架结构，可根据需要自由扩展。 地沟内控制电缆采用直接敷设，外露控制电缆采用穿钢管敷设，在敷设中注 意避免与电力电缆隔开敷设，保持一定距离。 接地装置： 一 由于工厂内接地网作为电力零线，电控系统接地装置必需单独独立安装，避 免电力电磁干扰，采用铜板接地极，接地电阻不小于1 欧姆。 5 t 电渣炉机械主体部分主要包括立柱、连接梁、横梁、夹持器、升降传动及 台车等部件组成。以下分别加以简述。 立柱部分 1 ) 立柱安装主要注意它的垂直性，可通过立柱底下的调整斜铁来调立柱正面、 侧面的垂直度。检查可用水平仪进行，检查全长上、中、下7 点以上。允差：正 面应上仰0 1 1 0 0 0 ( 或0 0 3 3 0 0 m m ) ，二侧面为o 1 5 1 0 0 0 删 1 1 。 2 ) 用户应根据使用情况及现场条件，在立柱上方或连接梁上，在现场与墙用 槽钢焊连加固。 连接梁 连接梁安装在二立柱顶部。梁的二底板焊接时是虚连的，安装时打开，待二 底板分别与柱顶板用螺栓连接并打销钉后，再将主梁体在二底板上调整后全面焊 牢。 横梁部分 横梁包括升降臂、夹持器等总成，安装要求如下： 1 )臂的方孔与立柱上下周边间隙均匀，误差不大于2 m m 。 2 )升降横臂前面用于油缸座相连的支承座面平面水平性，尽量与立柱正侧 面导轨面垂直。其油缸座的偏移应不大于1 5 0 m m ，而支承面x ，y 向垂直度也 允差0 3 0 3 0 0 。 3 ) 滚轮在支架内确保立柱二侧间隙均匀，不得调得一边间隙很小，一边间 隙过大，致使整个臂偏向一侧或歪扭不正，造成后患。 滚轮与立柱导轨调整具体还有以下几点要求： 1 ) 主承载受力的滚轮( 前面下端一组及后面上方一组) 必须全面靠严无隙承 载。上下移动都得紧靠转动。 1 6 重庆大学工程硕士学位论文3 设备安装调试 2 ) 其余二组滚轮虽不承受主载，但也必须与导轨调靠上下移动时也随之回转。 3 ) 各滚轮凸缘边与导轨侧边的间隙全程不大于0 3 n u n 。 4 ) 夹持器卡头中心应与立柱正侧导轨平行。可用检棒或吊锤等方法检测。允 差：正面导轨的平行允差要求上仰o 1 0 1 0 0 0 i i l 】m ；横向水平允差：o 5 删刚1 0 0 0 ， ( 在夹持孔上端面测) 。 卡头卡紧力调整是通过项丝的移动来实现。假电极的截面是方形的，其夹 紧部位带上下锥度，顶块的锥度与假电极的锥度是一样的。其锥度是防止假电极 下滑。避免发生事故。 6 ) 夹持器与升降横臂的法兰连接间有二次绝缘垫、套，为确保绝缘效果， 必须将有关绝缘表面、孔处理干净，不得沾有任何铁屑、飞边、毛刺，然后进行 牢固连接，经电器测试方可安全使用。 油缸及其支承座的安装 油缸支承座安装应在横臂、油缸在立柱上调整到位后进行。在上二项最佳状 态下，横臂前与油缸支承座相连接的横梁板底面必须复测其水平及与立柱、油缸 的垂直性( 要求允差见前述) ，它关系到油缸的正确位置和传动稳定性；关系到油 缸运行的可靠性和使用强度及寿命重大问题。因此安装中必须细心边检边调。 如有偏歪，应通过在二边支座面加调整垫来找平，确保油缸活塞杆伸出后保 持与立柱平行，最后拧紧螺钉打上定位销。 此外油缸活塞杆防护罩上下都必须用压盖及中间护套，严密保护到位，不得 裸露活塞杆表面。 油缸安装以垂直状态检查为准。油缸正侧母线与导轨正侧面的平行度允差为： 0 1 0 l 0 0 0 i m 。确定合格方可将油缸支承座固定牢固，打上定位销。 液压系统 液压系统元件大部分都是外购配套件，组装时需注意以下几点： 严格按国家液压安装标准执行，特别是伺服阀要求油液精度为3 岬，在伺服 阀的前面要装3 岬的精过滤。 液压站和管路使用不锈钢，在安装过程中要用氩弧焊焊接。 安装完后，系统要清洗两遍后再装精过滤器，换掉其它过滤器。 机座安装。本部件安装是采用二次灌浆方式，所以应待立柱、横臂全部调 整到位后方可进行。安装时先将机座穿进预埋螺钉内( 注意周边留有均匀间隙以 作精调用) ，然后找平机座，纵横方向水平o 2 0 1 0 0 0 m m 。待基础干固后，再作进 一步检查精调。全部螺钉拧紧可靠。最后在炉试运行稳妥后，可将斜铁机座底板 1 7 重庆大学工程硕士学位论文3 设备安装调试 用素灰抹平。 3 2 系统调试 3 2 1 液压系统调试 电渣炉液压系统调试安装以下步骤进行： 检查液压系统各部，确认安装合理无误； 向油箱灌油，当油液充满液压泵后，用手转动联轴节，直至泵的出油口出 油并不见气泡时为止。有泄油口的泵，要向泵壳体中灌满油； 放松并调整液压阀的调节螺钉，使调节压力值能维持空转即可。调整好执 行机构的极限位置，并维持在无负载状态。伺服阀、蓄能器、压力传感器等重要 元件应临时与循环回路脱离。节流阀、调速阀、减压阀等应调到最大开度； 接通电源、点动液压泵电机，检查电源连线是否正确。延长启动时间，检 查空运转有无异常。按说明书规定的空运转时间进行试运转。此时要随时了解滤 油器的滤芯堵塞情况，并注意随时更换堵塞的滤芯； 在空运转正常的前提下，进行加载试验，即压力调试。加载可以利用执行 机构移到终点位置，也可用节流阀加载，使系统建立起压力。压力升高要逐级进 行，每一级为1 m p a ，并稳压5 分钟左右。最高试验调整压力应按设计要求的系统 额定压力或按实际工作对象所需的压力进行调节； 压力试验过程中出现的故障应及时排除。排除故障必须在泄压后进行。若 焊缝需要重焊，必须将该件拆下，除净油污后方可焊接； 调试过程应详细记录，整理后纳入设备档案。 3 2 2 冷调试 冷调试主要包括单设备的运行调试和整个系统各设备的联动调试。单设备的 运行调试主要是确保各设备能够独自正常运行。整个系统各设备的联动调试则是 确保各设备之间的运行的配合协调、连锁、互锁等功能，确保可以满足正常生产 时的要求。冷调试包括对设备的机械和电气两部分的调试。 通信调试 1 ) 将程序下载到p l c 步骤： a c p u 切换到s 1 o p 模式。 b 选择菜单命令p l c 一下载。 2 ) 系统调试 步骤： a 断开所有空气开关、断路器。 1 8 重庆大学工程硕士学位论文3 设备安装调试 b 分别送电，检查线路是否异常。 c 系统调试： 将各输入输出点校对正确后，通过软件运行，检查p l c 输入输出点的执行是 否与程序相对应，检查程序连锁是否正确，系统调试完毕。 通过以上各种点动操作，检查电气执行