（钢铁冶金专业论文）电渣炉模糊pid控制系统开发.pdf

查些茎兰婴主兰堡垒查 垒呈! ! 坠曼! d e v e l o p m e n to ff u z z y p i dc o n t r o ls y s t e m f o re l e c t r o s i a g r e m e i t i n gf u r n a c e a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n c o n s i d e r i n gt h ed e m a n d so f r a p i dd e v e l o p m e n ta 1 1 di n f o r m a t i o n r e n o v a t i o nf o re l e c t r o s l a gr e m e h i n gi n d u s mo nt 1 1 eb a s i so ff i r s t l yd e t e r m i n i n g p r o c e s s i n gp a r 锄e t e ro fe s rw ea n a l y z e dt h ep r o b l e m s 砌c ho c c u n 它di np r a c t i c a l 印p l i c a t i o no fc o r l 仃o ls y s t e mf o re l e c t m s l a gr e m e l n n gf h m a c e ，a n dd e v e l o p e das e to f a d v 趾l c e dc o m p m e rc o n t r o 】s y s t e mb a s e do nt h ef u z z y p j dc o n 打0 1 1 t h es e r v i c e e m c i e n c y ，s e r v i c el i f e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n d 删o n a l i t yo fe l e c n o s l a gr e m e l t i n g e q u i p m e n tc o u l db ei m p r o v e d 船t h i sc o m f o ls y s t e mb e i n g 缸l o p t e d a n dt 1 1 i sc o n 廿o l s v s t e mc o u l dr e d u c em ew o r k m e s 、v o r k l o a da n da v o i dt h eo c c u f r e n c er a t eo fa c c i d e n t t h es t a b i l i t yo fr e m e i t i | 1 9p m c e s s 锄de c o n o m i ci n d i c a t o rw e r ei m p r o v e da r e rt | 1 e c o n t r o ip r o c e s sb e i n go p t i m i z e d t 岵c o n t m ls y s t e mf o re l e c t r o s h gr e m e l t i i l gi sc o m p a r c d 、v i t hp r e v i o u so n e ，t h e m o s td i f f b r e n c el i ei nt h ec h a n g eo fa d j u s t e lm o s to fp r e v i o u sc o n t r o ls y s t c m sf o r e l e c t r o s l a gr e m e l t i n gc o n 订0 1 l e db yp i r r e g u l a t o r ，c o n t r 0 1p e r f o n n a n c eo f 虮l d i t i o n a l p i dr e g u l a t o ri sn o tp e 血c te n o u 曲，w h e n “印p l i e di nc o m p l e xc o n t r o ls y s t e mw i l i c h h a v et h ef e a t u r e so fa d j u s t i n gg r e a tl a g 、t i i n e v a r i a t i o na 且dn o t l l i n e a r ，o ri nc o n t r o l s y s t e mo fe x i s t i n ge t h e rm l k n o w np a r a m e t e ro rs l o wc h a n g e ，o ri nc o m r o ls y s t e mo f b o t he x i s t i n g1 a ga n dm d o md i s 七u r b a l l c e ，o ri nc o n 缸d ls y s t e mo fi n x 东北失学硕士学位论丈 a b s t r a c t p i dc o n 臼o lt o g e t h e rn o to i l l yh a v et h em e r i to fn e x i b l ea n ds t i d n ga d a p t a b l ef 娩z y c o m r o l ，b u ta l s oh a v e 让l ef 毫a t u r eo fh i 出p r e c i s i o np i dc o n n q l b e i n gt m sf 犯t ，ak i n d o ff u z z yc o n t r o l l e ro fs e l f - a d j u s t i n gp a r 锄e t e rw a sd e s i g n e d h i g h e rc o n t r o le 疗、e c tw a s g o ti nl o c a l t e rm i sc o n t r o l l e rw a sb e i n gu s e di na d j u s t m e n to fc u r r e n ta n dv o l t a g eo f e l e c t r o s l a gr e m e l t i n gp r o c e s s w 毫d e s i g n e dt h em a t h e m a t i cm o d e lo fc o n t r o l l i n ge s rp r o c e s sa c c o r d i n gt o s t r i k n gs l a gs t a g e ，s t e a d ym e l t i n gs t a g ea n dh o tt o p p i n gs t a g e o 【i lt h eb a s i so ft h e m a t h e m a t i cm o d e lo fc o n t r o l l 吣e s rp r o c e s s ，w ed e s 哂as e to f 似。一l e v e l sp r o c e d u r a l c o m p u t e rc o n 廿- o ls y s t c 【i lf o re l e c 缸d s l a gr e m e l t i n gc o m p r i s e db ys u p e r i o rc o m p u t e l p l c ，c o n v e r t v o l t a g er e g u l a t o r ，铲a v 时s e n s o ra n do 也e ru i l i t s t h ec o n “o lp r o g m m w a sd e s i g n e du s i n gw 酣c ci ns u p e r i o rc o m p u t e 啪yw h i c h1 0 c a lr e a l t i m ed a t e sc a nb e g 甜攒e d ，d i s p l a y e da n ds t o r e d ，a n dr e a l _ t i m e 订a c ec u r v e 丘g u r eo f 邵o c e s s i n g p a r 锄e t e r sc o u l db ep r o v i d e d a u t o m a t i cc o n t r o lo ft 1 1 ew h o l er e i l l e l t i n gc o u r s ea i l d o p e r a t i o no ff u z 2 丁c o n t r o l l e rw 踮c h 茁g e db yt h ei n 王色r i o rc o m p u t e r u s i n gf e e d b a c k s i g n a io fe l e c 城cc u r r e n ta n dv 0 1 t a g ei nt i l n e dc i r c u i t ，t h ei n f e r i o rc o m p u t e rc o u l d c o n t r o lp o l eo fl i f l ，o u t p mv o h a g eo ft r a n s f b h n e ra n de t c ，a n dt h e ni n l p l e m e n t e d a u t o m a t i cc o n t r o io f t h ew h o l ec o u r s e c o n s i d 。r m g1 0 c a lr e a lc o n n _ 0 1e 疵c t i v 髓e s s ，d u et oa d o p t i n gc o m r 0 1s t r a t e g yo f p a r 锄e t c rs e l f 二a d j u s t i n gb a s e do nf u z z y p i d ，让屺c o n t r o ls y s t e mh a st h ef e 咖r e so f b e _ t e rt r a c ep e 怕皿趾c e ，1 1 i 曲s 僦出ya c c u r a 劬l e s so v e r 出0 0 t e s r 缸m a c eh a sh i 曲 w o r k i i l gr c l i a b i l i 吼s t a 【b l em e l t i l l gc o n 虹o lp r o c e s s c o m p a r i n gn l z z y p c o n t m l s y s t e mw i m 订a d m o l l a lp 1 dc o n 扫r 0 1s y s t e m ，w ef i n d 由a tr 锄e l t i n gc u 玎e n tf l u c t t l a l ew a s d e c l i n ef b m 1 0 t o 3 趣 d w 矗呻f l u c t u a t ew a sd e c l i n e 五_ o m 6 t o 3 k e yw o r d ：e l e c 仃o s l a gr e m e l t i n g 缸1 1 a c e p i dc o d t r o l l e r 矿i dc o n 仃o i l e ro fs e l f - 喇u 幽gp a r 锄e t e r c o n 虹0 1s y s t e mo f e l e c 加s l a gr e m e l t i i l g 血m a c e i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：苗两 日期：卫州r z 1 7 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 现代工业生产需要的优质合金钢和特种合金数量目益增多，对会属材料的质 量和性能要求不断提高，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，电渣重熔技术应运而生。电渣重熔的目的是在初炼的基础上进 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 ) 作为本世纪三十年代发展起来了一种新兴的熔炼 技术，在短短的几十年问获得了快速的发展，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面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。 众所周知，电渣重熔工艺参数制定的好坏直接关系到冶金质量、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控制效果对上述 各个方面的影晌则更为显著，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。经典p 1 d 控制由于具有结构简单、易于实现且有较好的鲁棒性等特点， 在电渣炉电极升降的调节系统中经常采用，用来调节重熔电流。但是对于时变对 象而言，经典p i d 控制往往难以保证控制的稳定性和控制精度。电渣炉是一个多 变量、非线性、强耦合、时变及随机干扰较强的系统，且无法确定其精确的数学 模型，参考国内外相类似控制对象的成功控制模式，决定采用f u z z y p i d 控制方式 对电极升降以及加以调节。所以本文将以电渣重熔的工艺控制模型确定和电渣炉 的f u z z y p i d 控制系统设计作为重点研究内容。 1 1 电渣重熔技术的原理 随着现代科学的不断进步，涌现出许多新技术和新工艺，进一步推动了现代 e 业向大型化、高速化、连续化和自动化方向发展。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、浇注、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。 电渣重熔技术( 简称e s r ) 是本世纪三十年代发展起来的一种新兴的熔炼技 术，在短短的几十年间发展迅速。其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。电渣重熔基本原理如图1 1 。 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 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 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 非金属央杂物。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。 1 0 9 i 一自耗电极：2 一水冷结晶器；3 一渣池；4 一金属熔池；5 一渣壳 6 钢锭；7 一底水箱；8 熔滴；9 一变压器：1 0 短网导线 圈1 1 电渣重熔原理图 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 1 2 电渣重熔技术的发展概况 1 2 1 国际电渣重熔技术的发展概况 电渣冶金始于1 9 3 5 年的美国r k h o p k i n s 进行的渣中自耗电极熔化实验”1 ， 并首先于1 9 4 0 年获得电渣熔炼专利。早年k e l l o g 公司将其用于生产高速钢及高温 合金( f e l6 c r 2 5 n i 6 m o ) ，直到1 9 5 9 年f i r t hs t e r l i n g 公司建立3 台3 6 t 电渣炉进 行电渣重熔，美国的电渣技术才基本定型”。到1 9 6 5 年f i r t hs t e r l i n g 公司宣布破 产并被v a s c o 公司及a l l v a s 公司兼并，这一技术才逐渐公之于众“。 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。始于2 0 世纪5 0 年代，通常认为是乌克兰巴顿电 焊研究所焊接工偶然发现的，当过多的渣液用于埋弧焊时电弧熄灭，导致操作平 稳，从而发明了电渣焊。其最大成就是利用电流通过熔融渣池放出的大量热量作 为热源。前苏联对这项技术进行了广泛深入的研究，并于1 9 5 8 年5 月在第聂伯特 东北大学硕士学位论文第一章绪论 属和炉渣之间要发生一系列的物埋化学反应，从而可去除金属中有害杂质元素剌 非余属央杂物。制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层渣壳，它小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r 钢锭内部的结晶绢织。 u 9 1 一自耗电极：2 一水冷结晶器；3 一渣池；4 台属熔池；5 一菹壳； 6 钢锭：7 一底水箱：8 糌滴；g 一变压器：1 0 短网导线 图11 电渣重熔原理图 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 e t r o s l a gr e m e l t l n g 1 2 电渣重熔技术的发展概况 1 2 1 国际电渣重熔技术的发展概况 电渣冶金始于1 9 3 5 年的美国r k h o p k i n s 进行的渣中自耗电极熔化实验。1 ， 并首先于1 9 4 0 年获得电渣熔炼专利。早年k e l l o g 公司将其用于生产高速钢及高温 合金( f e l 6 c r 2 5 n i 6 m o ) ，直到1 9 5 9 年f i r t hs t e r l i n g 公司建立3 台3 6 z 电渣炉进 行电渣重熔，美国的电渣按术才基本定型”1 。到1 9 6 5 年f i r t hs t e r l i n g 公司宣布破 产并被v a s c o 公司及a l l v a s 公司兼并，这一技术才逐渐公之于众“1 。 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。始于2 0 世纪5 0 年代，通常认为是乌克兰巴顿电 焊研究所焊接工偶然发现的，当过多的渣液用于埋弧焊时电弧熄灭，导致操作平 稳，从而发明了电渣焊。其最大成就是利用电流通过熔融渣池放出的大量热量作 为热源。前苏联对这项技术进行了广泛深入的研究，并于1 9 5 8 年5 月在第聂伯特 为热源。前苏联对这项技术进行了广泛深入的研究，并于1 9 5 8 年5 月在第聂伯特 2 一 东北大学硕士学位论文 第一辛绪论 殊钢厂建成了第一台p 9 0 9 型工业电渣炉，并于第二年又投产了两个各有三个结晶 器的机组构成的三相电渣炉，这事件标志着电渣重熔技术工业化的开始。 5 0 年代由于钛合金需要一度增长，美国真空电渣重熔能力在1 9 5 5 年时达1 5 3 万吨年。但到6 0 代，由于钛合金市场逐渐萧条，相当一部分真空电渣重熔炉转 为生产超级合金及优质合金钢。 表1 1电渣重熔同真空电弧重熔比较( 英国w a d u c kw o r t h 资料) t a b l e l 1c o m p a r i s o nb e t w e e n e s r a n d v a r ( a c c o r d i n g t od a t ao f w a d u c k w o n a ) 比较指标真空电弧重熔 电渣重熔 台氧：普通钢 降低降低少些 沸腾钢降低 同样降低 含氯：溶解氮 化合氮 含氢：普通钢 沸腾钢 含硫 降低 实际不变 降低 降低 很少变化 非金属夹杂物氧化物去除，硫化物4 ：变 化学均匀性因元素在真空挥发不均均 异相性 热塑性 铸锭表面 合格率 设备特性 降低 高 需要加工 5 5 8 和6 5 直流电源，真空系统 运行可靠性差 生产费用比电渣高2 - - 4 倍 同样降低 实际不变 降低少些 同样降低 用含c a o 基渣可大量降低，对易 切削钢可保持不变 可去除氧化物、硫化物 匀性提高 同样降低 更高 不需加工 9 5 一1 0 0 交流电源，设备简单， 运转可靠 低廉 直到1 9 6 5 年美国冶金工作者在对电渣重熔与真空电弧重熔作出了全面系统的 研究后，认为电渣重熔具有设备简单，生产费用低廉，操作方便，铸锭表面光洁， 热塑性好，成材率高等优点。电渣重熔在纯净度方面不亚于真空电弧重熔。且在 东北走学硕士学位论文第一章绪论 去硫，去除非金属夹杂物方面均超过真空电弧重熔，仅去气( n 、h 、o ) 不及真 窄电弧重熔，而在铸锭结晶方面还优于真空电弧重熔，铸锭组织的致密性、化学 成分均匀性也超过真空电弧重熔，而且没有低倍缺陷，成品率高。见表1 1 ”1 。 由于电渣重熔技术的优点得到进一步明确，因而在这期间美国、西欧电渣技 术发展极为迅速，表现在如下方面： ( 1 ) 产量呈抛物线增长，见表1 2 表1 21 9 6 0 年到1 9 7 5 年电渣产品生产状况 t a b l e l 2 t h es t a t u so f e s r p r o d u c t f r o m1 9 6 0 t o1 9 7 5 ( 2 ) 锭重呈几何级数增长，见表1 3 表1 31 9 5 9 年到1 9 7 5 年的电渣产品锭重变化状况 t a b l e l 3 t h es t a r t sa t w e i g h t c h a n g eo f e s r i n g o t f r o m1 9 5 9 t o1 9 7 5 ( 3 ) 电渣重熔产品范围扩大。 到1 9 7 5 年，用电渣重熔方法生产的优质钢及超级合金达到近3 0 0 个牌号，并 开始用于生产有色金属( a 1i 、c u 、t i 合金) 及贵金属( a g 合金) 产品。 ( 4 ) 打破了专业及行业的界限。 1 9 6 91 9 7 0 年苏联e 0 tatoh 电焊研究所提出了电渣熔铸异形铸件e s c 和双极串联电渣焊e s w b 两项新技术，中国、日本、美国、西德、加拿大相继在电 渣熔铸上有突破。电渣技术从焊接技术扩大到冶金领域，再扩大到铸造行业。 在1 9 7 5 1 9 8 5 年期间，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 万t ，前苏联约4 0 4 5 万t ，东欧国家约4 5 万t 。西方工业电渣炉达2 0 4 台，其 中1 9 7 5 之后新建的有3 8 台旧。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应运而 生。 a m i r t c h e l l 和e s s u a r c z 等人成功地把热传递模型与现代凝固理论结合起来， 用热传递模型求得温度场，预测铸锭显微结构。此外计算机也开始应用于电渣重 熔，实现熔速、渣池电阻和电压波动的闭环控制，控制技术的研究侧重于控制电 4 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 极插入深度，电极熔化速度和降低电耗，提高产品质量方面。不但可以提高生产 效率，降低工人的劳动强度，还可以提高产品质量的再现性，生产过程受人为影 响的因素减小 从1 9 8 5 开始到目前，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 1 1 v a c 公司建立了2 3 t 电渣炉，i n c o 合金国际公司的两台1 8 t 电渣炉 于1 9 8 6 年投产，用于生产n i 基合金、c o 基合金及其它耐热合金板坯和圆锭，1 9 9 2 年美国c o n a a r c 公司制造l o o t 电渣炉在日本钢厂投产。 这期间各厂产品结构相对稳定。西欧与美国致力于电渣热封项e s h t 法及电渣 自熔模m i i 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坩埚炉，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 。 由于计算机控制技术的飞速发展，在电渣熔炼控制方面的应用也得到进一步 深化，人们开始研究将整个电渣重熔的过程完全实现自动控制。事先将炉子参数、 锭型以及需要熔炼的钢种以及选择的熔炼工艺等参数存入计算机中，当卡好电极 后，给与启动命令，之后的化渣、重熔、补缩等全过程均在计算机的控制下自动 完成。计算机执行的情况可全部在屏幕上显示，当出现意外情况时控制系统自动 给予报警。操作工人只需要在必要的时候给以干预。在网络技术普及的今天，人 们开始将整个车间的所有生产炉运用网络连接起来，在控制中心的统一控制下， 稳定有序地生产，这就是集散型控制系统在电渣炉的进一步发展”1 。 1 2 2 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。1 9 6 5 年英国设菲尔德一布朗公司将l 台7 t 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 。我国冶金工作者在电渣焊的基 础上开发出电渣重熔技术，我国电渣冶金从此诞生“1 。4 0 年来我国电渣冶金规模 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t ；小型电渣炉遍及全国，从结晶器消耗推 算其年产量约3 万t ，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，技术上处于领先地位”1 。 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 日将铁合金粉末涂在碳钢棒 卜作自耗电极，用高炉风管( 铜制) 作水冷结晶器，冶炼出合金工具钢”1 。1 9 5 9 年4 东北大学硕士学住论文第一章绪论 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。 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 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。3 ，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 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 。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 t 三相电渣炉、齐齐哈尔1 0 t 三相电渣炉、 上钢三厂板坯电渣炉的建立提供技术设计“川。 1 9 6 0 年北京钢铁学院建成5 k g 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 密封式氩气保护电渣炉( 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金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 9 6 4 年6 月在重庆召开了第2 届全国电渣冶金会议。这时全国工业电渣炉已 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1 8 0 0k 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 京量具刃具厂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 6 东北大学硕士学位论文 第一辛绪论 零线，从而解决了双电极熔化不均匀的问题，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。此外7 0 年代东北工学院在东北地区推广单相单极炉底导电 式有衬电渣炉。熔炼合金钢及回收废料取得成效。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 质量问题，公布了钢研院抽检各j 一轴承钢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 已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 t 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 ( ) o n i c r 7 m o l 3 t i 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 中= 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 一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 h 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，东北工学院和抚 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 t 的 大锭，这是目前世界上最大的电渣炉，实际生产锭重已达2 0 5 t 。德国萨尔钢厂 s a a r s t a h lg 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 t 。前苏联在 新西柏利亚曾建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 t 。 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，研究了电渣重熔进一步降 低电耗，提高成材率，发展电渣冶金。”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。 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 闰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t ，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 外发上获得多次奖励。 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 卜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 届国际真宅冶 会会议于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 年来的成粱， 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。 l 。2 3 电渣重熔技术的最新发展 1 2 3 1 电渣炉计算机控制研究“” 电渣炉计算机控制在8 0 年代以前侧重于研究电极浸人深度、控制熔速和最终 填充。当时由于使用计算机控制，使电耗降低，产品质量提高，产品再现性好， 同时还提高了生产率，降低了工作人员的劳动强度。现在研究用一台计算机实现 电渣重熔的全过程控制。计算机可把炉子的参数、需要熔炼的钢种、锭型以及实 际操作参数全部存贮到计算机中去，当卡好电极之后，给予起动命令，起弧、造 渣、重熔、填充都可以在计算机控制下完成，计算机执行的情况全部在操作屏上 显示，必要时可实现人的干预，熔炼完成后，计算机存贮熔炼参数，以便口后调 阅、修改，并打印好熔炼报表，整个熔炼过程儿乎实现无人化操作 1 2 3 2 电渣熔铸“”1 电渣熔炼各种材质的钢锭从工艺上讲都已不存在问题，目前主要是着重于电 渣熔铸产品方面的开发。现在已经研究成功了各种模块、冲头、锤头、高强度阀 体、轧辊、旧轧辊再生、水电站导叶、叶片、不锈钢及其它钢种管坯、曲轴等。 今后应着重开发异型件、厚薄壁管、复合材质件等以及新材料的开发研究。 1 2 3 3 新型电渣炉研制“” 真空自耗炉优于电渣炉之一是能去除n 、h 、0 、p b 、s n 、8 b 等，并且能熔炼 高a i 、t i 钢种。采用真空电渣炉就可以弥补这两方面的不足，而且能消除真空自 耗炉重熔锭表面不好，易产生白点缺陷等，真空电渣重熔综合了电渣炉和真空白 耗炉的优点。d e h l m a r n 和c h o u d h u r y 等人采用真空电渣重熔各种合金试验，发现 可使合金中气体含量达到最小值，例如氢可达到1 1 0 一。由于真空，所以，不必 ，r 东北大学硕士学位论文第一章绪论 对渣脱氧，真空电渣炉重熔含铝为i 0 0 i 0 的合金时可不用加铝，因为电极中夹 杂物通过渣池已去除，使钢更洁净。采用真空电渣重熔铁基合金，可避免从大气 中吸氮。2 0 世纪9 0 年代，德国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 ”。 高压电渣重熔p e s r 。奥地利k a p f e n b e r gb 6 h l e r 钢厂有一台1 6 t 高压电渣炉， 工作压力为1 6 1 0 5 p a 。主要用于奥氏体钢和铁素体钢重熔。氮是一种合金，具有 镍对钢的某些相似性能，氮可提高钢的强度和某些抗腐蚀性能，并可提高奥氏体 低温性能和蠕变强度，对奥氏体钢中溶解的氮可形成过饱和固熔体，能提高钢的 屈服强度。对铁素体钢加氮目的是形成细小弥散的氮化物。现在的关键是如何把 氮加到钢中，在钢凝固时不析出。高压电渣炉就很容易做到这一点。在重熔过程 巾通过加料系统连续加人含氮材料，使钢水增氮。 s t a i n 和m e n z e 采用高压电渣炉生产含氮奥氏体钢发电机扣环，e r n s t 和 r a s h e v a 正在研究高压电渣炉生产含氮轴承钢和含氮高速钢。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 锕锭，熔炼室氮气压力高达4 2 m p a ”，在此条件下，可以生产氮含量超过1 的 大尺寸奥氏体不锈钢钢锭。1 9 9 6 年德国又扩建了两台高压电渣炉用于生产含氮轴 承不锈钢和含氮高速钢。1 1 ” 可控气氛电渣炉。在常规电渣炉结晶器上方安装一个密封罩，按照充氢、充 氮等不同气氛，可实现可控气氛下电渣重熔，渣可以不加脱氧剂，渣脱硫功能仍 保留。b s h l e r 研究表明，采用可控气氛电渣炉生产的钢中氧含量降低，钢洁净度 提高。 1 2 4 电渣炉控制方式橛述 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于预。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也较大。 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、可控硅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已经发展了几十年，旧有的调节 方式已不能满足生产的需要，电渣炉控制技术的更新势在必行。在这几十年里控 制理论的发展日新月异，工业控制计算机、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。 9 东北失学项士学位论文 第一章绪论 电极升降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，自校正控制，模型参考自适应控制。目前电渣炉电极调节器主要应用 经典p 1 d 控制。经典p 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 前还大多处于仿真研究的阶段。”“。 1 3 模糊智能控制技术概述 1 3 1 模糊控制的提出 1 9 6 5 年美国伯克利加州大学l a z a d e h 教授发表了著名论文f u z z ys e t ， 对模糊性问题给出了其定量描述”1 ，这标志着模糊数学的诞生。 在短短的3 0 多年里，模糊数学得到了极大的发展，在理论和实际应用中都取 得了令人瞩目的成就。模糊数学在自动化技术中的应用是其活跃而又不断取得成 果的一个分支领域，利用它解决了不少传统的控制方法无法很好解决的问题。自 19 7 4 年e 王眦呱蜥首先利用模糊数学理论进行蒸汽机和锅炉控制方面的研究“。， 并在实验室取得成功之后，模糊控制f l c 的研究和应用获得了迅速的发展。 1 3 2 模糊控制的特点 所谓模糊控制，是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊 语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，用计算机实现的一种智能 控制。其基本思想是利用计算机来实现人的控制经验。 人的控制经验一般是由语言表达的，由语言表达的控制规则带有相当的模糊 性，控制规则的形式采用模糊条件语句的形式，用模糊数学的方法来描述过程变 量和控制作用的这些模糊概念及它们之间的关系，然后根据这种模糊关系及其某 时刻过程变量的检测值( 化成模糊量) 用模糊逻辑推理的方法得出此时刻的控制 量，这是模糊控制的基本思路。 由于从广义上讲，模糊控制指的是应用模糊理论集合，统筹考虑控制的一种 控制方式，它具有如下主要特点o ”： ( 1 ) 在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型，只要求掌握现场操作人 员或者有关专家的经验、知识或者数据； ( 2 ) 系统的鲁棒性强，尤其适用于具有非线性、时变、滞后环节的系统控制； ( 3 ) 由工业过程的定性认识出发，较容易建立语言变量控制规则； ( 4 ) 由不同的观点出发，可以设计几个不同的指标函数。但对一个给定的系 统而言，其语言控制规则是分别独立的，且通过整个系统的协调，可取得总体的 1 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 协调控制。 采用经典控制理论和现代控制理论去设计一个自动控制系统，都需要先建立 被控对象的数学模型，要知道模型的结构、阶次、参数等等。但实际中的许多被 控对象由于其过程复杂，