（电力电子与电力传动专业论文）中频感应电炉铸铁屑熔化在线监测系统.pdf

a b s t r a c t a l a r g ef o u n d r yc o m p a n yw i l lp r o d u c et e n so f t h o u s a n d s t o n sc a s t i n gf i l i n g s a c c o r d i n gt o m a r k e tq u o t a t i o n s ，i fi tc a nb er e u s e d ，t h a tw i l lg e tm u c he c o n o m i cr e t u r n sa n ds o c i a lb e n e f i t s i nt 1 1 i sp a p e r , 1w i l li n t r o d u c et h et h r e em a e l t i n gp a t t e r n sa n dt h ev i r t u e sa n dd e f e c t so f t h e m a t t e rt e n so fy e a r s d e v e l o p m e n t , t h et e c h n i q u e so fi n d u c t i o nf u r n a c ea g e t t i n gm a t l 鹏 d a yb yd a y b u tt oo u re o t m l r y , w eg e tl o s t 缸b e h i n dt h ed e v e l o p e de o u n l r i e s f o rk i n d so f r e a s o n s t h ef u r n a c e sb u i l ti no t e o u n l r y w i d e l yu s e d c o m p a r e dw i t ht h ef o r e i g nc o t m t r i e s ， w e 雠n o tg o o da tt h es a f e t yo f t h ef u r n a c ep r o d u c t i o n s oid e s i g nt h em o n i t o r i n gs y s t e m 鲴t o i m p r o v et h es a f e t yo f t h ep r o d u c t i o i l t h e r ea mf o u rp a r t so f t h ep a p e ra st h ef o l l o w i n g ： f i r s tb a s e do nt h ea n a l y s i so f c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o d u c t i v ep r o c e s so fi n d u c t i o nf i h n a c e e s p e c i a l l yo nt h ea n a l y s i so fs a f e t ya n de c o n o m i c w ed e v e l o pt h em o n i t o r i n gs y s t e m t h e e e n l r eo fi ti st om o n i t o rp r o d u c t i o np r o c e s s i o n s p e e i t i es p e a k i n g ，i tm o n i t o r sa n dr e c o r d s p a r a m e t e r so f l i n i n gt h i c k n e s s 、e l m e n t 、v o l t a g e 、p o w e ra n dt e m p e r a t u r e , e t e s ow e c a l lg e t c h a n g e o f l i n i n g a n d p r o d u c t i v i t y e f f e c t b y a n a l y s i s t h e d a t a s e c o n dp a r ti st h ea n a l y s i so f l i n i n gt h i c k n e s s im a k eam a t h e m a t i cm o d e lo f 恤f u r n a c e a st oa n a l y s i st h ep r o d u c t i o np r o c e s s i o n , w o r k i n gp r i n c i p l e t h e nig a v et h ec o n c e p to f w o r k i n g i m p e d a n o ft h ef u r l l a c l e s ow ec a na n a l y s i sc h a n g e 血- e n d so ft h el i n i n gt oa t t a i nm o n i t o r i n g o b j e c t i v e t h i r dp a r to f l h ep a p e ri st od e s i g nt h ep l cs y s t e m t h i sp a r tw i l li n l r o d u c et h ed e s i g no f h a r d w a r ea n d 翻证h 眦o ft h ep l cs y s t e m b yp l cs y s t e m , w ec a nr e a l i z ed a t ac o l l e c t e d , t r a n s m i t t e da n de x c h a n g e d a n di t r e a l i z e st h ef u n c t i o no f a l a r m l a s tp a r to f p a p e ri st od e s i g nt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mo f k i n g v i e w6 5 t h u sw ec a ng e t t h er e a lt i m er e p o r to f k i n d so f d a t a , m a n a g i i l gt h ep e r s o n n e l , e t c t h em o n i t o r i n gs y s t e mc a nm o n i t o rt h ep r o c e s s i o na tr e a lt i m e ，s oi ti n c r e a s e se c o n o m i c e f f i c i e n c ya n d t h es a f e t yo f p r o d u c t i o np r o e e s s i o n k e y w o r d l s ：c a s t i n gf i l i n g s , i n d u c t i o nf u r n a c e , k i n g v i e w 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文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已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：刁企皇 时间：z 口0 7 年6 月膨日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：互仓寥 铷一铆韶 日 日 )夕岁 月 月 莎易 年 年 砷叩 问 问 时 时 1 1 选题的背景 第1 章绪论 在机械加工行业中，铸铁屑占铸铁毛坯重量的2 0 4 0 “我国已成为世界上机械 加工生产大国，随着我国经济的不断发展，机械生产和加工的产量不断增加，铸铁屑也 日益增多。怎样清洁高效回收利用铸铁屑，不仅关系到我国金属资源的节约利用，而且 与能源消耗和环境保护紧密相关，因而高效率和高质量的回收利用铸铁屑，意义重大。 由山东机械设计院和沈阳工业大学及原山东农业机械化学院等单位研制的铸铁屑冲天炉 熔化技术，曾获国家发明四等奖，但利用率仍达不到8 5 ( 据山东聊城地区调研，利用率 仅为8 0 左右) ，并且冲天炉熔炼对空气污染较大。 目前国内有些企业为了提高铸铁屑的利用率，选用还原性气氛较强的冲天炉( 即暖 风炉) 熔化铸铁屑。虽然利用率有所提高，可达到8 5 左右，但由于焦炭中的硫和磷等 有害元素渗入铁水，使得铁水质量较差，利用该种方法只能用于铸造诸如花园栅栏和井 盖等非标号铸铁件。据山东省昌邑地区调研，利用暖风炉熔化铸铁屑生产低档铸件已形成 一定规模，每天能熔化铸铁屑可达5 0 0 t 。 我国煤炭储量虽然比较丰富，但焦煤仅占5 左右，所以用焦炭熔炼是以耗费优质焦 煤为代价的。随着电力技术的进步，燃煤发电可以选用包括煤矸石在内的几乎所有的煤 炭品种为燃料，大型热电厂的能量转换效率也比较高，所以电炉熔炼不仅能降低环境污 染，还能提高能源综合利用率。 山东时风集团每年约有5 0 0 0 0 t 铸铁屑下角料，均以废料低价处理。因此开发设计中 频电炉熔化铸铁屑系统，以取代现有的1 5 套6 t 冲天炉，既能回收利用5 0 0 0 0 t 铸铁屑下 角料，又减少环境污染改善劳动条件，实现机械制造行业循环经济发展，确保年产 2 5 0 0 0 0 t 优质柴油机铸件。 在大型感应电炉熔化铸铁屑的生产中，铸铁屑侵蚀炉衬严重，保证炉况安全是重要 的前提。炉况的安全，很大程度上是指炉衬的安全，其重要的参数是电炉的炉衬厚度。 目前通常采用漏炉报警装置来实现对炉况的监控，但它不能有效预警大面积漏炉问题。 因此开发监测系统，以期实现对炉衬使用周期电整个变化过程的监测，提高生产安全性。 1 2 感应电炉熔炼发展国内外现状 近年来，在铸造生产中，随现代机械制造业和冶金工业的飞速发展，感应电炉得到 了广泛应用1 2 1 。 1 ) 经电炉熔炼的铁水化学成份稳定，材质均匀。铸件材质的均匀性对铸件最终的 山东理t 大学硕士学位论文 第1 苹绪论 使用性能和切削加工性能有重要影响，而影响材质均匀性的因素主要有铁水的化学成份、 氧化夹杂物、孕育处理、含气量。冲天炉熔炼时化学成份不稳定，氧化夹杂物多、孕育 量不易掌握，含气量高，不能满足熔炼高质量铁水的要求，采用电炉熔炼后，由于电炉 容量大，能方便地调整化学成份，使铸件材质均匀稳定。 2 ) 经电炉熔炼的铁水温度稳定，氧化倾向低，含气量低，可减少铸件气孔缺陷。 由于电炉加热系统自动调节能力强，可根据工艺需要进行温度调整，可保证铁水在孕育、 浇注过程中温度稳定，减轻孕育衰退现象，铸件各种缺陷将明显减少，铁水在电炉内精 炼、含气量降低，氧化倾向减弱能够降低铸件气孔缺陷的产生。 3 ) 电炉熔炼的铁水材质致密性好，可减少机体、缸盖铸件打压渗漏率，材质机械、 物理性能稳定。铁水经电炉熔炼后，可降低机体、缸盖铸件打压渗漏率、改善机械加工 性能，避免铸件产生硬度不均现象，零件耐磨性、刚性提高、进而提高柴油机整机可靠 性。 4 ) 新产品的开发、迫切需要提高铸件质量，对铸件材质提出了更高的要求，冲天 炉熔炼已满足不了大批量生产高质量机体、缸盖铸件的要求。因此，实现感应电炉熔炼 迫在眉捷。 5 ) 电炉熔炼可方便地组织生产。由于铸造生产线复杂且受相关条件的制约，故障 率较高，从而造成冲天炉熔炼连续性得不到保障，故障处理时间长则造成停产现象。如 实现双联熔炼，则利用电炉的大容量进行调节，减轻对冲天炉的压力。 在感应电炉得到广泛应用的同时，其生产的安全性、生产过程的自动化程度也日益 受到关注。目前存在的突出问题是炉衬的安全性监测以及节能降耗等方面的问题。 当前感应炉发展的趋势如下： 1 1 中频感应电炉的应用日趋扩大。目前世界上最大的中频感应电炉已达1 2 0 0 0 k w 。 在我国，已投产应用的中频感应电炉已达4 0 t 。而容量在1 t 及以下的感应电炉已完全是 中频感应电炉。 坩埚式感应电炉的应用已扩大到铸铁的保温和浇注。 3 ) 为适应高新技术对超级精密合金的需求研制出新型电炉如等离子感应电炉、 真空感应电炉、无炉衬水冷铜坩埚感应电炉和磁悬浮感应电炉等新技术新装备，在尖端 工业领域发挥了重要作用。 4 ) 计算机在感应电炉上得到广泛应用。 近年来，随可控硅变频装置的中频感应电炉的应用日趋扩大，在感应电炉作业的自 动控制，变频装置的故障自动诊断系统，以及炉况监控等方面的工作，均逐渐由微处理 器来完成，大大减轻了劳动强度，提高了感应电炉的作业可靠性。 2 1 3 感应电炉在线监测系统的核心内容 结合用户的具体要求，本监测系统的核心内容为： 1 ) 可编程控制器编程及其与上位机进行通讯。本系统为西门子s 7 - 2 0 0 p l c 与组态 王之间的通讯。 2 1智能仪表与组态王之间数据通讯。 3 ) 炉衬厚度实时监测原理与实现。 钔电源功率分配与控制。 5 ) 温度实时监测。 1 4 本课题研究目标及应用前景 l 研究目标：对熔炼方式进行分析选择；对炉衬厚度监测新方法进行理论分析、试验 验证；应用组态软件、p l c 进行应用程序开发，实现电炉生产的计算机在线监测。 2 应用前景：业内对铸铁屑回收的巨大效益已形成共识，国内运行的感应电炉数以万 计，而炉况监测起步较晚，技术相对滞后，难以满足现代化生产的需要。该系统在炉衬 厚度监测、功率控制等方面都有独到之处，适应现代化生产发展要求。因此本系统会有 广阔的应用前景。 1 5 本课题的主要内容 l铸铁屑特性分析及熔炼方案的选择 2 监测系统方案的确定 3 炉衬厚度监测分析 通过对感应电炉的结构、电磁工作原理、电气电路模型进行分析，提出运行阻抗法 监测炉衬厚度，并通过实验结果进行验证。 4 p l c 软、硬件系统设计 5 基于组态王软件的监测系统设计 1 ) 界面设计； 2 ) 数据库开发； 3 ) 建立动画连接及后台应用程序； 铆调试验证。 山东理- 大学硕仁学位论文 第2 章铸铁屑熔化监测系统方案 2 1 铁屑的特性 第2 章铸铁屑熔化监测系统方案 1 铁屑的微观形态 观察铸件的机加工过程弭，可以看出，铁屑是在剪力与压力下，从铸件本体上剥离、 压碎、成卷、断裂而形成的。在l o 倍放大镜下，铁屑像一把铁刷子，而每根铁刷毛上， 伴生附着许多小片。这些小片小毛，近根部的细而密，在端部的粗而疏，还有的像石墨 片一样，游离在刷毛之间。图2 1 为刨削过程示意图。 图2 i 刨削过程 2 铁屑的表面积 在1 0 倍放大镜下，游离的碎片目测体积大约有3 5 m m * 3 5 m m 籼5 m m 大小，缩 小1 0 倍，当是0 3 5 m m 宰o 3 5 m m * 0 0 5 m m 。以此为根据计算： ( 1 ) 每片表面积： ， s = 2 0 3 5 * 0 3 5 + 4 * 0 3 5 * 0 0 5 = 0 3 1 5 ( t i m 2 ) ( 2 ) 每片体积： 矿= o 3 5 2 o 0 5 = 6 1 2 5 x 1 0 - 3 f m m 3 1 ( 3 ) 每片重量： w = r v = 7 i x 6 1 2 5 x 1 0 4 = 0 4 3 4 8 ( m g l 1 k g 铁为每片重量的行倍，l k g = 1 0 6m g ，其中： 疗：1 0 , ：! 堡：2 3 l o 疗= = 一= z j l u 0 0 4 3 4 8 ( 4 ) l 堙铁屑的表面积：s = t t g = 7 2 4 5 ( 所2 ) ( 5 ) 面包铁到铁屑表面积放大倍数： s = 2 0 0 x l o o x 2 + 6 0 0 5 0 = 7 x 1 0 4 f m m 2 1 v = 2 0 0 x l o o x 5 0 = l x l 0 6 f m m 3 l w = r v = 7 1 ( k g ) 7 1 k g 铁屑的表面积：s = 7 1 脚= 5 1 4 x1 0 e ( m m 2 ) 放大倍数： 4 山东理工大学硕仁学位论文第2 荦铸铁屑熔化监测系统方案 足：5 1 4 x 1 0 6 ：7 3 5 a = = 7 x 1 0 3铁屑的密度 铁锭密度为7 1 9 c m 3 ，铁屑的堆密度为3 0 2 9 c m 31 3 1 。 每i 硎3 铁屑，空气空间占5 7 。其中一部分是铁屑块之间的插空，从实践中我们了 解，铁屑块的插空是很小的。这些空问，实际上大部分是放大镜观察的刷毛之问的空间， 尤其是片状之间的空间。 大致可以认为，铁屑的微观空间是：每片铁屑0 3 5 m m 蝴3 5 m m * o 0 5 m m ；两片 这样的铁屑之间，其空间也是0 3 5 m m * o 3 5 m m * o 0 5 m m ( 5 7 ) 。 2 2 铁屑的回收利用 由上一节分析知，铸铁屑间存在很多空隙，直接熔炼，利用率低，而且容易起尘。 通常先把铸铁屑压成铁饼，再加入面包铁、废旧钢铁中进行熔炼。对铁屑重新熔化回收， 目前主要有三种方案：冲天炉、铁屑还原炉和中频感应电炉熔炼。现对这三种熔化方案 分别简单介绍。 2 2 1 冲天炉熔炼 我们知道，冲天炉熔炼是在有氧环境下进行的。在熔炼过程中会发生不同程度的氧 化反应。 1 铁水的氧化 1 ) 加铁屑铁水氧化的宏观表现 铁水发白耀眼，流动性不好，容易粘包；渣多不集中漂浮；浇注后铁水不稳定，有 时反而上涨；炉渣由浅变深，有时甚至发黑；扒渣时，火星多。 2 ) 冲天炉的不同位置的氧化机理 ( 1 ) 预热带：只要有一定c o ：即发生氧化。这种氧化在正常情况下也有发生，但由 于铁屑表面积大，氧化的速度要比正常时大数百倍： f e + c o ：= f e o + c o - 0 ( 2 ) 氧化带：氧化物浓度提高，并有了自由d ，氧化反应趋于剧烈； 2 f e + 0 2 = 2 f e o+ o ，s o ： q c q m n o s i 0 2 0 c ( 3 ) 熔化带：自由d ，多，风压高，温度高，灼热的铁屑表面，短时间内五大元素 同时与d ，接触，引起剧烈的燃烧。 3 ) 温度、自由能与氧化物稳定性的关系 根据冶金反应原理，利用氧化反应自由能变化与温度的关系曲线( 如图2 2 ) 。可以 查到，在铁水温度区段( 1 2 5 0 0 c 口1 5 5 0 0 c ) ，氧化物稳定性的排列次序是： 3 0 2 昱q c o ： 块状 铁屑 散状铁屑。因此，最好先把铸铁屑压成铁饼，在进行熔化，以提高熔炼效率。 ( 3 ) 加料顺序与加料量 冷炉( 首炉) 启动时，最好下面是块料，磁力线密度大，易加上功率。铁屑块，尤 其是散铁屑，逐步加入铁水中，生产率最高，也最节电，但不能棚料。 ( 4 ) 操作 效率与节能，与操作关系最大。一台5 t 3 0 0 0 k w 电炉，加热1 分钟，耗电5 0 k w l i h 。 除控制室操作之外，在炉台上加料、看护工作也很重要，尤其国产电炉。由于感应 器位置影响磁力线分布，散铁屑会在炉体上部及炉口部位的炉壁吸附变成了一个坚固漏 斗，铁屑不易下去，造成铁磁炉料不连续，磁力线漏散；更有甚者，下面熔化，上面下 不去棚料，这些都影响熔化效率与能耗。 3 中频炉熔化铁屑的安全问题 目前国内用大容量感应电炉进行铸铁熔炼的企业还比较少，特别是大容量直接熔化 铸铁屑的研究和应用就更少，因为大容量感应电炉虽然效率很高，但熔化过程中的安全 监控十分重要。由于铸铁屑为碎末状外表含有氧化铁薄层，散装密度仅为2 9 c m 3 ，1 3 1 一方面熔化温度比普通面包铁高1 0 0 c ，另一方面由于氧化铁含量较高易使酸性炉衬侵 蚀加快。电路生产存在的主要安全问题如下： ( 1 ) 爆炸：报警系统是针对炉膛与感应线圈之间的距离，也就是炉壁厚度而设的， 所以，若报警系统失灵，炉壁烧穿，铁水窜出，会烧漏感应器水冷铜管，铁水与水相遇， 瞬时产生大量蒸汽会引起爆炸。此外，铁屑块含油含水太多，突然加入铁水中，瞬时汽 化也会爆出大量铁水。 9 山东理t 大学硕七学位论文第2 章铸铁屑挤化监测系统方案 ( 2 ) 铁水骤发：铁屑含油含水，加入铁水后，虽然未引起爆炸，但是气、汽持续不 断冒出，不但使渣、也会使铁水骤发。若炉料较满，骤发的铁水会灌入风箱，后果也非 常危险。因此被切屑液或油污污染的铁屑，应进行离心甩干、烘干、晒干等干燥处理。 ( 3 ) 棚料与结壳：棚料，指的是固态炉料被插在炉壁上像一个圆棚，棚下是铁水， 铁水与固态炉料之间是空腔。结壳，是指铁水表面的渣及半固态炉料因温度低，结成硬 壳。 二者有共同之处： 下部：铁水磁力线密度大，接受所加功率的绝大部分，容易超高温。 中部：由于密度小的炉料化成铁水，炉料中空气被析出并被封闭在空腔中，温度又 高，根据气体定律，( p = - t v ) 压力会升高。 上部：磁力线密度低、漏散、甚至没有，温度低容易形成盖。 综上分析，铸铁铁屑回用的方案有三种：一是冲天炉：氧化性或弱还原性气氛，应 将铁屑成块，中填粘结剂或造渣剂，尽量减少其表面。二是铁屑炉：在还原性气氛中熔 化，虽比冲天炉熔炼有所改进，但能耗高，成分难掌握，难以生产出高牌号铸铁。三是 中频无芯感应炉：这是一种物理重熔，化学成分基本不变，散料、块料都适用；只要掌 握得好，安全环保，是熔化铁屑最好的手段。因此，在设计系统时，我们选用中频感应 电炉来熔化铁屑。电炉生产的安全性在电炉生产中极为重要，特别是的炉衬安全，所以 我们开发熔化监测系统以着重保障炉衬安全问题。 2 3 中频感应电炉电源运行方案 l 单台电源与单台电炉的配置圆 这种配置方案最简单可靠，适合于电炉内金属液熔化后迅速倒空再重新加料熔化的 铸造作业条件。但是该方案仅对3 t 容量以下的电炉适用。过大容量的电炉一次倒空存 在困难，这时需要分批将金属液倒入保温炉内，或者电炉需切换为保温功率对金属液保 温，这样就降低了电源装置的利用系数。 2 通过开关切换的单台电源与二台电炉的配置 这是一种常见的配置方案，它可以向浇注生产线持续不断地供应金属液。当一台电 炉处于熔化作业时，另一台电炉在进行浇注作业。在作小容量多次浇注作业时，可将向 熔化作业状态电炉供电的电源短时间内切换到处于浇注、保温作业状态的电炉，使该炉 内铁水迅速升温以补偿浇注作业时金属液的温度降。二台电炉的交替作业( 熔化作业和保 温、浇注及加料作业) 保证了向浇注作业持续供应高温金属液。 3 双重输出电源配置 双重输出电源向第一台电炉提供熔化功率，而余下的功率容量则提供给第二台电炉 作保温、浇注用。它无须通过切换开关中断熔化作业，对另一台处于浇注作业状态的电 山东理t 大学硕仁学位论文第2 章铸铁孵熔化监测系统方案 炉送电，以保持金属液温度，因此电源的利用系数几乎可达1 0 0 。其次它的功率调节手 段相当灵活，每台电炉可以在功率总容量的范围内从0 1 0 0 可调，逻辑控；副器自动保 持二台电炉功率总和不超过电源的功率总容量。 这种形式电源和配置方案的特点和性能是： a 每台电炉可根据各自工作状况选择合适的功率。对于处于保温状态的电炉来说， 合适的功率选择可使温度维持在所需的设定值左右，温度波动很小，有利于铸件质量的 提高。 b 无机械式的切换开关，无需第二台保温电源，使该种形式的配置方案工作可靠性 大大提高。 c 可同时对两台电炉作炉衬烧结或冷起熔作业，或一台电炉作炉衬烧结，另一台电 炉作熔化作业。也可以使一台电炉与系统隔离维修，以保障操作人员的安全。 d 电源的功率利用系数高，从而大幅度地提高了电炉的生产率。与上述各配置方案 相比，在相同的功率配置条件下，电炉生产率最高可提高2 0 。 e 一台电源仅需单台变压器和封闭式冷却水源，它的主线路变压器安装容量小，所 占面积也小，使设备的初次投资大大减少。 4 方案选择 时风集团每个铸造车间计划配备两台1 0 t 的中频感应炉，每台电炉额定功率为 5 0 0 0 k w ，以取代现有的冲天炉。根据以上分析，结合该公司的实际状况，采用双重电源 输出方案。采用一台7 0 0 0 k w 的整流变压器向两台电炉供电，每台电炉配备一套独立的 晶闸管中频电源系统。一台电炉的主电路原理图见附录三。 2 4 中频感应电炉安全运行因素分析 1 电源功率分配问题 本熔化系统中我们采用7 0 0 0 k v a 的整流变压器为两台电炉供电，而每台电炉的额定 功率为5 0 0 0 k v a 。因此为保证系统的安全运行，必须进行功率分配监测。 2 炉况及炉衬安全问题 安全问题是电炉熔炼的最重要的问题，特别是炉衬的安全问题。一旦发生漏炉，将 造成剧烈爆炸等严重事故，设置漏炉保护装置非常重要。本文提出运行阻抗法检测炉衬 厚度，实时监测炉衬的运行状况。 3 温度监测问题 温度的变化，对铁水质量影响很大。精确的掌握实时的温度，对提高质量、节能降 耗、提高系统运行的安全因数有重要的意义。 4工作电流、工作电压 电炉的工作电压、工作电流是电炉运行必备参量。通过电流、电压的变化，可以分 山东理下大学硕士学位论文第2 章铸铁屑熔化监测系统方案 析熔炼过程中出现的各种状况。 2 5 中频感应电炉铸铁屑熔化在线监测系统方案 通过以上分析，我们可以确定监测系统所需监测的参数对象：每台电炉的工作电压、 工作电流、炉内铁水温度、炉衬状况以及熔炼中两台电炉的总功率。监测系统要实现对 炉衬漏炉、大面积变薄事故的报警输出，对系统总功率超限的报警输出。 根据用户的要求、现场的条件及所需的监测量。确定方案如图2 6 所示。 图日曰 回 图2 6 监测系统总体方案 本系统采用组态王监控软件实现监测系统界面、数据库管理以及与p l c 及智能电表 进行通信等功能；采用p l c 进行电流、电压、温度等模拟信号的采集、处理，实现漏炉 输出报警等功能。功率及高压电压、电流信号通过智能仪表取得。对炉衬厚度的监测通 过运行阻抗法实现，其数据可以通过对所得电压、电流数据运算处理得到。 山东理工夫学硕上学位论文第3 章炉衬厚度监测 3 1 炉衬监测现状 第3 章炉衬厚度监测 提高感应电炉炉衬的使用寿命，增强炉衬安全系数是电炉厂家和电炉用户都关心的 课题。目前国内多采用目测及经验法确定炉衬是否修补或重筑，这样常常会造成不必要 的浪费或系统带故障运行，存在安全隐患。在保护方面多采用接触式漏炉报警装置，对 漏炉事故及时报警并进行相关动作。这种装置的缺点是由于需要在炉底及炉衬中埋设电 极，给铸炉工作增加了许多困难；其次它容易受到感应电流干扰，产生误动作：再次它 对炉衬发生大面积变薄事故不能够及时报警。而大面积炉衬变薄非常危险，如不能及时 处理，发生大面积漏炉，造成感应圈或其他相关器件爆炸等严重事故。 配合接触式漏炉报警装置，现场也常采用非接触报警的一些方法，如通过电气参数 监视、坩埚内壁尺寸监视等。这些方法方便实用，而其不用再另外添加设备，也不会增 加铸炉工艺的困难。使用这些方法不仅需要操作人员具有丰富的现场经验，而且操作人 员也不可能实时进行观察监视。如熔化过程中不能进行坩埚( 炉衬) 内壁的尺寸监视， 工人也不可能实时观察。因此在现场它只作为辅助手段使用。 3 1 1 接触式漏炉报警 如图3 1 所示嘲： n 图3 1 漏炉监测装置原理图 在炉底埋入不锈钢丝用作底电极，亦称第一电极，它与炉内铁水良好接触。在感应 线圈内侧耐火胶泥与石棉板之间，安装用非导磁性材料制成的报警网，并引出一电极做 第二电极。正常情况下，炉衬材料与隔热石棉板绝缘电阻很大( 在5 1 0 ko 范围) ，报警 回路电流很小；当金属液渗漏进炉衬中并接触第二电极，造成一、二电极短路，电流突 然增大，达到报警设定值时，漏炉报警电流表通过其电节点向高压开关柜发出跳闸信号切 除电源。转换开关s a 用于检测报警回路及瞀铃工作是否正常，试棒用于检测报警限及 山东理 大学硕士学位论文 第3 章炉衬厚度监测 整个工作回路是否正常，扼流圈l 用于限制来自中频炉感应的高电压。 这种装置由于要在炉衬中安装第二电极，给筑炉工作增) j w t 困难。有时它还会囚感 应电势影响而误动作。 3 1 2 非接触式漏炉报警 1 电气参数监视嘲 1 ) 功率控制法 熔炼过程中，在炉内铁水温度和容积一定时，被熔液吸收的功率，一般按下式计算： 尸：堡 r 这里：v 感应炉工作电压，伏； r 坩埚中所盛熔液的电阻，欧姆； p 熔液吸收的功率，千瓦。 在炉内铁水的温度和容积数值一定时，r 值是稳定的，如果坩埚变薄，熔液容积数 值增大，要达到相同温度所需的加热功率就相应升高。因此，可以根据保持一定温度的 熔液所需要的加热功率值的变化情况，绘制出坩埚的使用时间和输出功率的关系坐标图， 最后制定出坩埚停止使用时临界功率值，依据临界功率值来预报坩埚中修、大修和报废。 2 ) 电阻控制法 利用在额定工作电压时的加热功率，计算出熔池的电阻值，通过电阻随时间的变化 来预报坩埚壁的损蚀情况。当坩埚壁被侵蚀，金属熔液和感应线圈的距离减小时，熔体 电阻下降，工作电流增大。坩埚裂纹渗漏出金属液时则会发生短路，电流急剧增大。因 此，通过熔池电阻的变化能够而且完全可以预测出坩埚厚度以及是否漏炉。所以说电阻 法与功率法本质是相同的。 3 ) 电流控制法 只要细心观察，通过工作电流的变化同样可以监视坩埚出现异常状况。 总之，诸多不同的电气仪表可以用来监视电压、电流、功率因数等，这些仪表有各 自的功能也有集体的作用，还存在着相互关联的影响，需要我们仔细观察研究、综合分 析。显然，炉衬腐蚀或积起的改变，仪表上必然会反映出来。当然单凭一组仪表读数不 能完全确认炉衬情况。但在一个时期中取得多组读数，可以建立有益的炉衬改变模式和 可靠的分析依据。所有仪表指示随着坩埚厚度和其他性质的改变在变化，这样炉衬情况 改变不但可以察觉出，而且炉衬不正确的断面也可以被发现。一个炉龄期间内将若干炉 次的仪表画成图形，就可以显示出炉衬变化的一定倾向。 电参数有助于估计坩埚厚度变化情况，但许多仪表指示读数通常只是反映出炉衬的 平均情况。 1 4 山东理工大学硕仁学位论文第3 章炉衬厚度舱铡 i 2 坩埚内壁尺寸监视 随熔炼过程的化学侵蚀作用和熔液在磁力作用下对坩埚的冲刷，坩埚壁逐渐变薄。 如果坩埚内壁均匀的侵蚀，当壁厚减薄到一定程度时，应停止使用。原则上坩埚的侵蚀 厚度大于整个壁厚的l ，3 ，则应当拆除炉衬川。 但是，测量坩埚内壁尺寸变化并不能观察熔液渗入裂纹的危险点。因此，在使用此 方法时要综合考虑电参数提供的指示读数。 3 2 中频感应电炉工作原理及主电路分析 通过对目前炉衬监测的现状及所使用的方法分析，可以发现，如果找到某种非接触 式方法可以代替接触式漏炉报警装置，且能减少误报警、能够对大面积漏炉事故进行有 效预防，不仅可以简化铸炉工艺，而且可以提高炉衬的利用效率和安全性能。基于这种 思想，我们对电炉的工作原理、负载特性、内部电磁参数进行详细的分析，以期找到合 理的方法。 3 2 1 中频感应电炉的工作原理 1 感应加热的基本原理嗍 利用交流电对金属工件进行感应加热的工作原理可利用图3 2 说明： 图3 2 感应加热原理 图中a 为被加热的金属工件，b 为负载线圈，若线圈b 中流过交流电，就会产生 相同频率的交变磁通o ，交变磁通又在工件中产生感应电势岛，引起电流之，i 2 使工 件a 加热，这种加热方式称为感应加热。 由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金属内 部转变成热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。其 工作的基本原理为电磁感应原理和电流热效应原理。 2 感应加热设备的三个效应嗍 1 ) 集肤效应 众所周知，直流电在导体截面上是均匀分布的，而当给一个圆形断面直导线通一交 流电时，这时电流在导体截面上的分布将不再是均匀的，导体表面上各点的电流密度最 大，而导体中心轴线上电流密度最小，由外向内从最大连续变化到最小，这种现象叫集 山东理t 大学硕上学位论文 第3 章炉村厚度监测 肤效应。图3 3 为电炉内部产生的电磁场及感应电流( 涡流) 的理想分布曲线。 l 图3 3 电磁场和涡流密度的理论分布曲线 从图3 3 中可以看出，电磁场和涡流分布均具有明显的集肤效应，并且可认为等、 月0 导和车随半径遵循相同的分布规律。实际中，我们可以认为电磁场和涡流都只分布于 0 0 导体表面上，而导体内层根本没有。 可以用透入深度的表达式反映这特性。 = 东寿 上式中户：电阻率；硒：真空磁导率，4 r e 1 0 7 ( i - i m ) ；所；相对磁导率； f 频率；a ：透入深度( m ) 。 对钢来说，温度达到居里点后，以下降到l ，此时： k = 劳。咖， 由此可见，对频率在几百赫兹以上的中频感应电炉来说，感应电流在炉料中的透入 深度不到l c m 。 2 ) 临近效应 相邻两导体通以交流电时，由于电流磁场的相互作用，导体上的电流将重新分布， 表现为：两导体通有大小相等、方向相反的交流电流时，电流在两导体内侧表面层流过； 当两导体通有大小相等、方向相同的交流电流，电流在导体的外侧流过。这种现象称为 临近效应。 3 ) 圆环效应 如果将交流电流通过圆环型导体或螺旋线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内 侧，这种现象称为圆环效应。圆环效应的产生原理可以解释为两半圆环的导线，一端连 在一起，另外两端通入大小相等、方向相反的交变电流所产生的临近效应。 感应电炉就是综合利用这几种效应的设备。 1 6 山东理_ t 大学硕士学位论文 第3 章炉衬厚度监测 3 中频感应电炉的工作过程 1 ) 交变电流产生交变磁场 如图3 4 川所示： 图3 4 磁场分布示意图 当交变频率的电流通过坩埚外侧的螺旋形水冷线圈时，在线圈所包围的空间和四周 就产生了磁场。该磁场的极性和强度随交变电流的频率变化而变化，因此是一个交变磁 场。交变磁场的磁力线一部分穿透金属炉料，还有一部分穿过坩埚材料。该交变磁场的 极性、强度、磁通量变化率，简言之，磁场的方向和磁力线的数量与稀疏程度等决定于 通过水冷线圈的电流强度、频率，线圈的匝数和几何尺寸。 2 ) 交变磁场产生感应电流 如图所示，磁场的一部分磁力线穿透坩埚内的金属炉料，当磁力线的极性和强度产 生周期性的交替变化时，磁力线被金属炉料所切割，就相当于导体做切割磁力线的运动。 在坩埚内的金属炉料之问所构成的闭合回路内就产生了感应电动势e ，其大小： e = 4 4 4 f n ( 伏特1 ( 3 1 ) 这里毋一交变磁场的磁通量，奥斯特厘米2 ；f _ 频率，赫兹；卜卜钱圈匝数。 在感应电动势e 的作用下金属炉料中产生了感应电流。感应电流i 的大小服从欧姆 定律，其大小： ，：! ：业( 爿) 置 ( 3 2 ) r 是金属炉料的有效电阻。 3 ) 感应电流转化为热能 金属炉料内产生的感应电流在流动中要克服一定的电阻，从而由电能转化为热能。 利用这种热能是金属炉料加热并熔化。感应电流产生热量的多少服从焦耳楞茨定律。 q = t 2 r t ( 3 3 ) 整个加热过程就是一个能量转化的过程。 1 7 山东理下大学硕 ：学位论文 第3 章炉衬厚度监测 3 2 2 中频电炉工作主电路分析 上一节对感应电炉的工作原理、工作过程进行了分析。为了更深层次的了解电炉工 作工作过程中电压、电流的变化，能量转化等情况。下面我们对主电路工作情况进行分 析。感应加热电源主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路，如图3 5 所示电源结构 图i 川： u e 三相妯 ! l 一 一k 衻 i d 1 频电源主电路l 电 用三相全控桥式整流电路，其作用为将从三相电网输入的5 0 h z 电压整 流成脉直流电压。如图中波形示意部分所示，从以到，此时电网每一相中的交 流电流为近似的矩形波，如图中t 所示。+ 桥控整流电路的输出电压为： 4 眈c o s 口 式中出直流电压平均值； 以电压； 口相角； 图在感性负载电流非断续的状态下，不同口下的输出电压的波形，其中口 9 0 0 的状态逆变状态，其实质是负载向电网反馈能量。2 滤波 为上下分列，通常为公用一个铁心的两组电抗器，使得负载从脉动的直 流电压获得平直的直流电流厶。厶使整流桥输出的电流连续，纹波减小，这样可 近似地流桥的输出电流看成平直的电流。l的另一个作用是限制中频电流进入工频 电网，隔离作用；当逆变失败时，它也起限制浪涌电流的作用。1 8 山东理工大学硕上学位论文第3 章炉衬厚度监测 图3 6 不同口时输出电压值 3逆变电路 单相桥逆变器的作用为将平直的直流电流逆变换成单相中频交流电流f o ，i o 的波形 近似为矩形波，频率较高。 参照图3 7 来分析这个电路埘。其中，是整流器输出的脉动直流电压，厶是平 波电抗器，厶，岛，厶和厶是换流电感，c 是补偿电容，工和胄是感应炉的等效电感和 电阻。 逆变桥由四只桥臂构成，每一只桥臂为一只晶闸管和一个的抑制电流上升率的电抗 器串联组成，限流电抗器的作用是限制逆变晶闸管导通时的电流上升率墨，使它不超过 讲 允许的数值。 1 9 山东理下大学硕仁学位论文第3 章炉衬厚度监测 v 马 b i 毫 喝 图3 7 并联逆变电路图 当晶闸管订；、阳；和嘎、啊。以中频频率轮流导通时，流过负载电路的电流不断 换向，形成中频电流j o ，由于厶的作用，l 是平滑的直流，晶闸管之间的换相因有换流 电感厶，上2 ，厶和厶的存在，不能瞬间完成。所以，实际毛是梯形波电流，峰值为l 。 为使逆变器正常工作，其工作频率应略高于负载谐振频率。此时负载回路对输入的中频 梯形波电流中的高次谐波电流呈现低阻抗，对中频梯形波电流中的基波电流呈现高阻杭， 因而使输出电压接近正弦波。中频电压砜是f 0 基波频率下的正弦波电压： u 。：；竺l ：1 1 l 生 ” 2 2c0s 妒 c 0s 矿 4 ， ，o l = 辛= 0 9 ，d z 冗 这里矿为负载的功率因数角，厶。为基波电流的有效值。 4 负载谐振回路 中频电源的主电路有许多种，根据负载谐振回路的不同，一般可分为：并联逆变式中 频电源、串联式和串并联混合式。负载谐振回路有一感应线圈( 内含工件) ，即为、五， 若和一组中频电容c 并联组成，这种中频电源称为并联逆变式中频电源，串联即为串联 逆变式中频电源。由于并联负载回路固有的谐振特性，使得矩形中频电流流过此并联电 路时，会在负载端产生近似正弦的中频电压。其谐振频率就是中频电源的工作频率。 3 3 中频感应电炉内部磁场分布分析 把感应器看作是有限长的空心圆柱线圈，从而分析电炉磁场分布可简化为分析空心 山东理工犬学硕士学位论文第3 章炉衬厚度监测 圆柱线圈内磁场分布。 1 空心圆柱线圈内磁场数学模型 一通电空心圆柱线圈，内径2 日l ，外径2 吒，长2 b ，如图3 8 所示嗍。 y z r 翮网 l 剑 型 p 图3 8 ( 空心圆柱线圈)图3 9 ( 柱面坐标示意图) 我们求任意不在轴线上的点p 处的磁感应强度b 。选取圆柱坐标，线圈的对称轴选 为z 轴，始终把场点p 所在的平面作为x o y 平面，即过点p 作对称轴z 的垂线，其交点 定为坐标原点0 。在电流分布区域v 内，任取一点q ( ，一) ，该点的体积元为d i p 。 设矢量酉= r ，则根据毕奥一沙伐定律，可得： 舷仍z ) 2 篆1 7 j r 忙+ 职+ 取 ( 3 4 ) 磁感应强度b 的三个分量分别是： 嘭= 瓦z o jr ( ，秒e d 辱二竽如 ( 3 5 ) 吃= 0( 3 6 ) 垦= 筹r 彬e 华彩 ，= ( p 2 + p 2 2 p p c o s o + z 2 ) 1 7 2 ； 式中： 口= 缈一缈； 毛一一线圈的下端平面的轴向坐标； z 2 线圈的上端平面的轴向坐标。 以点p 的径向坐标烈p = o ) 作为基准值，对上式中的各个长度量进行归算。 2 1 ( 3 7 ) 设4 2 号，42 告，z l2 吾，z 2 = 吾，彳= 芳，z = 吾则上述式子分别变成： b p = 国羹d 8 d a 譬半d z b z - 国印甓积娶华龙 式中： 国：笠丝： 2 窟 r = ( 1 + a 2 2 a c o s o + z 2 ) z 在以上两式中，对变量进行累次积分，可得： ：壹( - 1 ) 。( 4 ，乙) = ( 4 ，z 1 ) 一易( 4 ，z 2 ) 一c ( 4 ，z 1 ) + c ( 4 ，z 2 ) = 荟2 + t ( 4 ，乙) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 2 e ( 4 ，互) 一e ( 4 ，z 2 ) 一e ( 4 ，z 1 ) + e ( 4 ，z 2 ) ( 3 1 1 1 函数易是关于z 的偶函数，函数兄是关于z 的奇函数。即函数的表达式为： 乃( 4 ，z ) = 乃( 4 ，刁 e ( 彳，一z ) = - f ：( a ，z ) 函数乃( 4 ，z ) ，c u ，z ) 的表达式为： ( 彳，z ) - - r 【r + c o s o l n ( r + x c o s o ) e o s o d 0 删，z ) = 弘m r + a - c o s 州c o s 曰帆晏旁砒岫g 学瑚 z 0 归算以后所得到的各式，不能用于计算对称轴上的磁场。当r = o 时，磁场仅有轴向 分量，其计算式为： 垦(。，妒，力=笋k62，h：a2糯+4a：=+0-zy+ca+z，h