（钢铁冶金专业论文）电渣重熔工艺计算机辅助设计与微机控制系统开发及应用.pdf

电渣重熔工艺计算机辅助设计与微机控制系统开发及应用 摘要 电渣冶金技术现在进入了成熟阶段。电渣炉已经进入全过程计算机控制、电 渣熔铸、特种电渣炉发展的阶段。然而在中国，电渣冶金尤其是将计算机应用到 电渣冶金的发展相对落后。将计算机技术应用到工业的各个领域已成为世界普遍 的趋势，这也正是中国现在所大力提倡的，以实现工业信息化步伐。计算机在电 渣冶金方面的应用较少，尤其是有关电渣重熔工艺计算机辅助设计，实际中甚至 出现了人工测量和手工计算来确定工艺数据情况。在这种背景下有必要将计算机 技术应用到电渣冶金方面。 解决电渣重熔工艺在实际应用情况以及应用效果主要涉及到两个方面问题： 电渣重熔工艺设计和电渣重熔工艺实现。由此本文完成了电渣重熔工艺数据的操 作和组织管理，电渣重熔工艺参数的人机交互设计，电渣重熔工艺参数设计结果 输出以及电渣重熔工艺计算机控制。 本软件系统在抚钢经现场运行和调试后，得出结论如下： 1 按照起弧造渣、交换电极、正常熔炼和补缩四个阶段设计了工艺控制的数学 模型，以该数学模型为基础，使用v b 6 0 作为前端开发工具，使用m i c r o s o f t j e t 4 0 0 l e d b p r o v i d e r 数据引擎，以m i c r o s o f t a c c e s s2 0 0 0 为后台数据库开 发了电渣重熔工艺计算机辅助设计和微机控制系统。 2 电渣重熔工艺计算机辅助设计软件结构清晰明了，使用灵活简单，大大简化 了设计过程，提高工作效率与准确性。在设计前期做好了数据维护等各项准 备工作，设计过程中成功完成了结晶器设计选型、渣系选型与定量、电极设 计、用电制度设计以及冷却水制度设计全过程。 3 电渣重熔工艺计算机辅助设计软件在电极设计( 假电极设计与自耗电极设计) 方面彻底摆脱经验束缚，以严格的数学推理作为理论基础，根据现场设备及 原料的参数状况进行灵活的自动化设计，具有效率高、准确可靠、选择灵活 等特点。 4 本微机控制系统在传统p i e d 控制算法的基础上，根据生产经验引入模糊控制 规则，得到适合电渣炉特性的控制算法。同传统p i d 控制算法相比，本系统 跟踪性能好，稳态精度高，超调小。同手工控制相比，微机控制灵敏度高， 能够在短时间内感知电流的细微变化并能够迅速做出反应，大大提高了控制 i i 精度。 5 电渣重熔微机控制系统成功实现自动起弧，实现了全程自动控制。在整个控 制过程中，系统实现了现场数据的实时采集和显示，并且人机界面友好，操 作方便，提供工艺曲线绘图以及生产报告，并且通过该生产报告可以直观地 分析钢锭质量情况以及优化生产工艺。 关键字电渣冶金重熔工艺计算机辅助设计微机控制 i n d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fg e n e r a ls o f t w a r ep a c k a g e a b o u tc o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dc o m p u t e rc o n t r o lf o r 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 a b s t r a c t e l e c t r o s l a gm e t a l l u r g yt e c h n o l o g yh a sa c c e s s e dt h em a t u r es t a g ew i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y ，e l e c t r o s l a gc a s t i n ga n ds p e c i a l e l e c t r o s l a gf u r n a c ei sq u i c k l yp r o g r e s s i n g h o w e v e r ，t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o s l a g m e t a l l u r g yt e c h n o l o g yi nc h i n a ，e s p e c i a l l ya b o u tt h ec o m p u t e ra p p l i c a t i o ni np r a c t i c e i sc o m p a r a t i v e l yb a c k w a r d i th a sb e c o m ep o p u l a rt r e n d e n c yi nt h ew o r l d w i d et h a t c o m p u t e rt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ov a r i o u sf i e l d so ft h ei n d u s t r yw h i c ht h ec h i n e s e g o v e r n m e n ti sv i o l e n t l ya d v o c a t i n gi no r d e rt or e a l i z et h ec o m p u t e r i z a t i o ni ni n d u s t r y t h ec o m p u t e ra p p l i c a t i o no ne l e c t r o s l a gm e t a l l u r g yi sr e l a t i v e l yl i t t l e ，e s p e c i a l l y a b o u tt h ee t e c t r o s l a gm e t a l l u r g yp r o c e s sa i d e dd e s i g nb yc o m p u t e r ，s o m e t i m e st h e d e s i g nd a t as t e m sf r o mm a n u a lm e a s u r e m e n ta n da r t i f i c i a lc a l c u l a t i o n i t sn e c e s s a r y f o ru st oa p p l yt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yt oe l e c t r o s l a gr e m e l t i n gp r o c e s sd e s i g nu n d e r s u c hb a c k g r o u n d t os o l v et h ep r o b l e mh o we l e c t r o s l a gr e m e l t i n gp r o c e s si sa p p l i e di np r a c t i c ea n d w h a ti si t se f f e c t ，i tm a i n l yr e f e r st ot w of a c e t s ：t h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n tf o r 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 a sf o rt h i s ，t h ej o bo ne 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 a sd o n ei nt h i sp a p e ra sf o l l o w s ：t h eo p e r a t i n ga n do r g a n i z a t i o nf o ri t sd a t a ；t h e d e s i g no fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu s e ra n dc o m p u t e rf o ri t sp a r a m e t e r ；t h eo u t p u t i n g o fi t sd e s i g nr e s u l tf o ri t sp a r a m e t e r ；t h ec o m p u t e rc o n t r o lf o ri t sp a r a m e t e r t h ec o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w sa f t e rt h i ss o f t w a r es y s t e mi sv i ar u n n i n go n t h es c e n ea n dt r o u b l e s h o o t i n g ( 1 ) m a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h er e s p e c t i v es t a g eo f a r c s t a r t i n g f o rs l a gm e l t i n g ，i n t e r a n g i n ge l e c t r o d e ，n o r m a lm e l t i n ga n df e e d i n g d e p e n d i n g o ni t ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r o s l a g r e m e l t i n gp r o c e s si sd e v e l o p e d 、i t l lv b 6 0a sf r o n t - e n dt 0 0 1 m i c r o s o f ta c c e s s 2 0 0 0a sb a c k g r o u n dd a t a b a n kw h i l eu s i n gm i c r o s o f tj e t4 0o l e d bp r o v i d e r d a t ae n g i n e ( 2 ) g e n e r a l l y ，a sf a ra st h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g ns o f t w a r ef o re l e c t r o s l a gr e m e l t i n gi s c o n c e r n e d ，i t sf r a m e w o r ki sc l e a ra n de x p l i c i t t h ed e s i g np r o c e s si sc o n n e c t e d c o m p a c t l ya n di t sa p p l i c a t i o ni ss i m p l ea n df l e x i b l ew h i c hv i o l e n t l ys i m p l i f yt h e d e s i g nw o r ka n di m p r o v ei t se f f i c i e n c ya n dc o l t e c t n e s s p r e p a r a t i o nj o bs u c h a s d a t am a i n t a n c ei sp r e p a r e db e f o r ed e s i g nw o r ka n di nt h ep r o c e s so fi t ，m o u l d d e s i g n s e l e c t i n g ，s l a gs y s t e ms e l e c t i n ga n ds l a gw e i g h tc a l c u l a d i l g ，e l e c t r o s l a g d e s i g n ，e l e c t r o n i cs y s t e md e s i g na n dw a t e r - c o o l i n gs y s t e md e s i g na r ef i n i s h e d ( 3 ) a sf o r t h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g ns o f t w a r ef o re l e c t r o s l a gr e m e l t i n g ，i tc o m p l e t e l y g e tr i do ft h ee x p e r i e n c eb o u n do nt h ea s p e c to fe l e c t r o d ed e s i g n ( i n c l u d i n g a s s i s t a n te l e c t r o d ed e s i g na n ds e l f - c o n s u m p t i o ne l e c t r o d ed e s i g n ) i ti ss t r i c t l y b a s e do nt h et h e o r yo fm a t h e m a t i c a lr e a s o n i n g c o u n t i n go nt h ec o n d i t i o no f t h ed e v i c ea n dm a t e r i a lo nt h es c e n e ，i t sf l e x i b l ef o rd e s i g n e rt ow o r ke f f i c i e n t l y w i mt h ec o r r e c tr e s u l ta n ds e l e c t i n gi tf r e e l y ( 4 ) as e to fc o n t r o la l g o r i t h ms u i t a b l et oe l e c t r o s l a gf u r n a c ec h a r a c t e r i s t i ci so b t a i n e d w h i c hi sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lp da l g o r i t h mw i t hf u z z yc o n t r o lr u l e s i n t r o d u c i n ga c c o r d i n gt op r o d u c i n ge x p e r i e n c ea tt h es a mt i m e c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lp i da l g o r i t h m ，t h i ss y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fg o o dt r a c e p e r f o r m a n c e ，h i g hs t e a d ys t a t ea c c u r a c y ，l i t t l eo v e r s h o o t w h i l ec o m p a r e dw i t h m a n u a lc o n t r o l ，i th a st h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hs e n s i t i v i t ya n df a s tr e s p o n s e w h i c hv i o l e n t l yi m p r o v et h ec o n t r o la c c u r a c y ( 5 ) a sf o rt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，i tr e a l i z e sa u t o m a t i ca r c s t a r t i n gs u c c e s s f u l l y a n dt h ew h o l ea u t o m a t i cp r o c e s s d u r i n gt h ep r o c e s s ，i tf i n i s ht h ew o r ko fd a t a c o l l e t i n ga n dd i s p l a y i n gw i t hf r i e n d l yh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e a n de a s y o p e r a t i o n i ta l s op r o v i d e st h ef u n c t i o no fp r o c e s sc a r v ed r a w i n ga n dp r o d u c i n g r e p o r t ，w h a t sm o r e ，t h ei n g o tq u a l i t yc a nb ea n a l y z e dd i r e c t l yt h r o u g hi t a n d p r o c e s sc a l lb eo p t i m i z i n gf u r t h e r k e yw o r d e l e c t r o s l a gm e t a l l u r g yr e m e l t i n gp r o c e s sc o m p u t e ra i d e dd e s i g n c o m p u t e rc o n t r o l v 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，与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均 已在论文中作了明确说明并表示了感谢。 本人签名： 日期：2 0 0 4 年2 月 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 电渣重熔技术的原理 电渣重熔的基本原理如图1 1 所示。在铜制水冷结晶器中加入固态或液态炉 1 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 一熔滴；9 一变压器：l o 一短网导线 图1 1电渣重熔原理图 f i g1 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 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，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。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速度送进渣池，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 闻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。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 电渣冶金技术的发展及现状 1 2 1 国外电渣冶金的发展状况 电渣冶金始于1 9 3 5 年的美国霍普金斯限k h o p k i n s ) 进行的渣中自耗电极熔 化实验，在1 9 4 0 年获得电渣熔炼专利。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“1 。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 l l v a e 公司兼并，这一技术才公布于众”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。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。1 9 6 5 年英国设菲尔 德布朗公司将1 台7t 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。 西方国家通过电渣重熔与真空电弧重熔的比较，认识到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 r l 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1 5 1 。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，并于1 9 6 7 年在美国匹兹堡的卡内基- 梅隆 ( c a r n e g i e - m e l l o n ) 大学召开了第一届电渣冶金国际会议”1 。 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的 时期，当时比较重要的电渣炉有：德国r o l l l i n g b u r b a c h 公司1 6 0 t 的电渣炉，美 国e r i e 市n a t i o n a lf 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 i i i 一1 0 7 型多流电渣炉及y l l i 1 0 6 电渣熔铸专用电 渣炉m 。 电渣冶金技术现在进入了成熟阶段。电渣炉已经进入全过程计算机控制、电 渣熔铸、特种电渣炉发展的阶段。全世界屯渣钢的年生产能力约1 8 0 万t ，实际 生产电渣钢及合金约每年1 2 0 万吨。 1 2 2 国内电渣冶金发展的现状 我国电渣炉发展几乎与国外同步，从1 9 5 8 年就开始进行了电渣重熔合金钢 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的试验 8 11 9 5 8 年1 2 月将铁合金粉末涂在碳钢棒上作自耗电极，用高炉风管f 铜 制) 作水冷结晶器，冶炼出合金工具钢，1 9 6 0 年小型工业性电渣炉建成投产。1 9 6 1 年1 1 月冶金部在重庆召开了第一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，标志着我国电渣冶金技术进入了大规模开发和研究阶段。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。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54 万t ，全国电渣冶金重熔平均电耗由1 9 8 0 年1 8 5 0kwh t 降至1 9 8 5 年1 5 7 8k wh t 。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。 我国4 0 多年来，在电渣冶金方面有许多自己的见解和独创，例如， 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，而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 11 9 8 1 年我国建成了世界上最大的2 0 0 t 级电渣炉，最大生产能力 为2 4 0 t ，实际已生产出2 0 5 t 的钢锭；电渣熔铸涡轮盘、水轮机导叶和石油裂解 炉管等产品在国际上处于领先水平：在电渣重熔理论研究方面有许多独创性的工 作。 1 2 3 电渣冶金的最新发展 随着计算机技术的不断发展，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。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 1 0 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；电渣重熔金属亦具有良好的纯净度，铸态组织更致密均匀，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，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a 1 、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 东北大学硕士学位论文第一章绪论 能。工业性实验结果表明，直径为2 5 0 m 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下，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重熔炉。 ( 2 ) 高压电渣重熔( p r e s s u r e e l e c t r o s l a g r 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。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，熔炼室氮气压力高达 4 2 m p a 1 ，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。 高氮奥氏体钢主要用于生产发电机护环1 2 - 1 3j 要求无磁性，屈服强度oo2 1 4 2 0 m p a 。1 9 9 6 年德国又扩建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 4 - 1 5 1 。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。 ( 3 ) 快速电渣重熔( e l e c t r o s l a gr a p i dr 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 es t r a n dt - m o u l de 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；铸锭表面光洁， 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 法是米德成尔一海宾斯托( m i d v a l e h e p p n s t a l l ) 年 1 克洛伊克纳一威克( k l o c k n e rw e r h e ) 两家公司联合研究成功的生产 大钢锭的新技术1 6 1 。 ( 5 ) 带电结晶器技术1 1 7 1 。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t 1 8 1 0 导电结晶器技术与电流从自耗电极经过熔渣到 达重熔锭( 结晶嚣保持中立或与重熔锭同电位) 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。 1 2 4 电渣重熔工艺在计算机辅助设计和微机控制中的应用 电渣重熔工艺主要涉及到工艺的研究和优化，即使是这方面的研究，国内外 东北大学硕士学位论文第一章绪论 也很少，而将电渣重熔工艺设计应用到计算机领域进行辅助设计则几乎是一个空 白。计算机技术( 软、硬件) 的出现、发展和应用领域的日益扩大，为传统的手工 设计方式进行彻底改革提供了基础，因为计算机不仅具有快速、准确的计算功能， 且其大容量存贮器使之具有极强的“记忆能力”：计算机的逻辑判断功能又使它 具有一定程度的“思维能力”。光笔与图形显示器的研制成功又使设计者与计算 机进行直接对话和进行图形显示及即时修改创造了条件；精密绘图机的出现能迅 速和准确地将设计结果直接以图纸的形式输出，使设计者摆脱了繁重而低效的绘 图劳动、有限元分析，而获得最佳的设计。这样，计算机已不单是一种高效的计 算工具，而且越来越成为设计者进行创造性设计活动的强有力的工具。因此，计 算机问世后，一门利用计算机( 软、硬件) 进行设计工作的新学科计算机辅 助设计便逐步形成。它具有如下功能： ( 1 ) 科学计算功能：能进行各种复杂的工程分析与计算。 ( 2 ) 图形处理功能：能进行二维和三维图形的设计及图形显示：能自动绘图。 ( 3 ) 数据处理功能：有完善的数据库系统，能对设计、绘图所使用的大量信息进 行存取、查找、比较、组合和处理。 ( 4 ) 分析功能：能对所设计的产品作各种性能分析。 ( 5 ) 编制文件功能：能制定各种技术文件包括明细表等。 在筹建c a d 系统时，可根据实际需要和技术、经济可行性，使所建c a d 系统仅具有其中某几项功能( 如计算、数据处理、绘图) 或超过上列5 项的功能( 如 输出数控加工纸带等) 。 当前国内电渣炉的控制系统还很落后，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，人工需及时进行干预。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，工人的劳动强度也比较大。 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，今年来又研制成功交流 调速式和微机控制的调节器等新型调节器。表1 1 列出了常用电极自动调节器的 性能指标。 电炉电极升降调节技术从交直流放大机到今天已发展了好几代。现在，工业 控制计算机、可编程控制器、变频调速正在迅速推广应用到炼钢电弧炉的电极调 节系统中；而单纯的电极调节系统也已不能完全满足生产的需要。 电极升降调节系统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。目前电弧炉电极调节器主 要应用经典p i d 控制，经典p i d 控制结构简单、易于实现且有较好的鲁棒性。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 但对于时变对象，p i e ) 控制的稳定性及控制精度往往得不到保证。而其它几种控 制还处于研究仿真阶段1 3 8 3 9 1 。 表11 常用电极自动调节器的性能指标 t a b l e1 1t h ef e r f o r m a n e ei n d e xo f a u t o m a t i ca c t u a t o ri nn o r m a lr i s e 1 3 本课题的提出 一再器黪武 - 太矗升造度布置t 医捧后 蜩 - ，枘* 也以暮走啦式o 5 一i 2 b0 4 0 1 _ 】畦 瘴电机或 2 - t ，i d - 1 54 - 0 4 可桎i 一尘直力瓤电营l 应 ，一4t 1 0 - 1 5o 卜02 可控硅一电鼍转盎赢台# 41 9 1 ，。2 0 ， 最 屯精麓硇式4-6t 6 一i o 口i ，o ， 空越坚翱一童武4i i - 3 电渣工艺贯穿到生产准备、生产过程以及生产结果的各个环节中去：新设备 的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，每个阶段都有和他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工艺的制定以及控制实现有着密不可分的联系。因此，电渣 工艺直接关系到实际生产的各个方面：冶金的质量，生产的稳定性、安全性，生 产效率以及能源的消耗( 电耗、水耗、渣耗) 等问题。 解决电渣重熔工艺在实际应用情况以及应用效果主要涉及到两个方面问题： 电渣重熔工艺设计和电渣重熔工艺实现。 从电渣重熔工艺设计的角度来讲，目前还没有一套完善的关于制定电渣重熔 工艺参数的理论规范。人们往往利用以前总结的经验公式进行着相关的工程设计 工作，同时也在努力地探索一条能很好确定工艺参数之间的关系及工艺参数的优 化选择的道路，并希望提出一套凌驾于经验之上的理论公式。在工程设计过程中， 存在一个严重的人为问题：设计工作重复性、繁琐性、机械化突出，数据参数的 不规范化组织显著。 电渣重熔工艺实现主要指依靠现有的控制系统或者加上相应的人工操作，实 现给定的工艺曲线和工艺数据。目前国内电渣重熔控制系统存在着不足之处为： 电渣炉的电极升降调节主要采用模拟调速系统进行控制，自耗电极以一给定速度 下降，当冶炼电流产生偏差时，进行人工调节。模拟调节自动控制系统给生产带 来许多问题，如自动控制参数往往由人工设定，因而人为干预因素较多；自动合 理性差，一般都希望其输出能够快、稳、准地达到给定值，但常规p i d 控制器 很难获得使人满意的响应特性。其主要原因是这种控制方式是以不变的统一模式 来处理变化的动态生产过程，因此难以解决稳定性和准确性之间的矛盾。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 因此，解决上述提出的问题，使用当今成熟的计算机技术是一个理想的选择。 利用计算机进行电渣重熔工艺辅助设计可以达到电渣重熔工艺设计要求的科学 计算功能、数据处理功能、分析功能以及编制文件等功能。将原理简单、过程复 杂的设计工作交与计算机来完成大大地简化了整个设计流程，转移设计者工作重 点，使设计者将更多的聪明才智用在工艺的优化分析和实现上。 用微机实现自动化控制已经成为流行的趋势，上位机实现工业控制已经成为 工程应用的首选。利用计算机控制优点在于实现过程全程程序控制，优化控制参 数。保持电渣炉冶炼时均匀稳定的熔速，获得理想的电渣锭质量，减少工人的劳 动强度，利用微机代替人工操作，最终实现电渣重熔工艺在控制执行上的优化。 为得到好的控制特性，我们将模糊控制功能与p d 控制器结合起来，构成 f u z z y p d 控制器。它既有f u z z y 控制灵活而适应性强的优点，又有p d 控制精度 高的特点。电极的实测位置，移动到给定值之前，应该采用改变比例增益的控制 方法。在固定的比值控制的条件下，当输出达到稳定值时，降低比例的控制作用， 这样靠继续上升的作用，保证系统既不影响上升时间，又有利于减少超调。 因此，利用计算机技术解决电渣重熔工艺的设计和实现，完成生产准备和生 产过程的衔接在电渣重熔领域有很好的工业应用价值。做电渣炉的信息化包装并 将其在多家工厂推广应用，真正地实现电渣炉软硬的有机结合。 1 4 研究内容 针对电渣重熔工艺的设计和实现，本课题结合国内外的研究和现场状况，主 要完成以下两方面工作： ( 1 1 电渣重熔工艺计算机辅助设计； ( 2 ) 电渣重熔工艺控制系统的微机实现。 具体的研究内容有： i 电渣重熔工艺数据的操作和组织管理。在电渣重熔工艺设计中要涉及到 许多相关的数据，在设计前期和设计过程中，一些基本的设备参数和工艺设计参 数数据需要进行存储和调用，因此，为了达到有效的数据组织和管理，实现数据 的合理流动和定位，数据库技术是个很好的选择，用数据库可以实现数据的存储、 修改、删除以及查询等功能。 i i 电渣重熔工艺参数的人机交互设计。根据电渣重熔工艺设计的特点，大 部分设计没有现成的理论作为基础，所以设计工作显得比较灵活，工艺参数的确 定靠工程设计人员施加参数命令计算机接收参数结果并进行相关科学计算二者 的交互作用实现的。为此，人机界面上工程设计人员输入的是一些命令参数，而 东北大学硕士学位论文第一章绪论 设计过程是透明的，即具体的设计过程由计算机实现，不需要了解其详细情况。 i i i 电渣重熔工艺参数设计结果的输出。设计工作要保证电渣重熔工艺参数 的设计结果能够按照规定的要求进行输出。输出有两部分，一部分是将查询结果 以文档形式打印输出，一部分是将结果输出微机控制系统中，为其实现提供控制 依据。 i v 现场数据的实时采集和显示。数据采集是计算机控制的基础和依据，每 个周期内采集到的数据都要经过计算机的分析、处理以及最终的决策输出，保证 其短时间的调节能力。数据显示是对现场运行情况的实时反映与客观跟踪，保证 用户对数据变化的可察觉性与可判断性。 v 控制算法的合理设计。控制效果的好坏直接受到控制算法合理与否的影 响。一个好的控制算法能够很好的遵从实际工作状况和条件。 现场调试与数据分析。设计的好坏以及实现效果情况需要根据现场的生 产情况和运行结果来检验。在这个过程中不断地修正程序设计方案和设计流程， 修改控制算法等以使本软件达到理想应用效果。 1 5 本课题的意义 本课题通过对现有的电渣重熔工艺设计的分析和电渣重熔工艺控制的研究， 结合现有的计算机技术，完成电渣重熔工艺的计算机辅助设计和计算机控制，对 实际电渣重熔的工业生产有很重要的应用价值。 电渣重熔工艺借助计算机技术，避免了大量繁琐的工艺计算，不仅省时省力， 而且计算准确、可靠，不需要进行检查和校正。大量的数据存储为数据查阅提供 了方便，极大地提高了设计工作者的设计效率，给设计工作扫除了不应有的障碍， 与此同时设计工作者们可以将更多时间专注于具体的工艺原理问题以及工艺参 数的分析和经验的总结上。这些无疑给电渣冶金工艺设计的现代化注入了新的生 机和活力，为其发展开拓更为广阔的前景。 冶炼电流的精确控制是保证材料特性和冶金质量的重要因素之一。摆脱人工 干预的不良影响，实现各个工业生产阶段的控制效果，完全满足生产的需要，将 生产信息( 如：工作电流、电压、电能消耗、设备系统的工作状态等参量) 显示 出来，集生产管理于一身，这些有利于提高生产管理水平和工艺控制水平。同时， 改变传统的设计方法和控制方式，优化控制过程，节省资源能耗，使电渣炉生产 出更优质的钢锭。同时，设备具有更优异的机械性能和使用寿命，实现更好的经 济技术指标。 东北大学硕士学位论文 第二章电渣重熔工艺数学模型设计 第二章电渣重熔工艺数学模型设计 2 1 电渣重熔工艺概论 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 更直观地了解电渣工艺的合理性，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： f 1 ) 条件参数：根据熔铸产品几何尺寸、重量要求求出的参数。 ( 2 ) 基本控制参数：这类参数是根据冶炼条件制定的。这类参数包括：用渣制度 ( 渣系组成、渣量或渣池深度) 和用电制度( 工作电流或电流密度、工作电 压、有效供电功率、比功率等) ( 3 1 判别参数：这类参数决定了基本控制参数在生产过程中的调整方向。这类参 数包括：金属熔池深度和形状：极间距与电极埋入深度；熔化速率；渣池温 度、渣皮厚度、电耗等。 2 2 基本工艺参数设计 2 2 1 结晶器直径和高度 r 1 、结晶器直径的确定：由于钢锭收缩及渣皮的生成、钢锭毛坯直径尺寸与结晶 器直径相比总有一个减缩率。根据生产经验统计，其减缩率为2 5 3 ( 直径大 者偏上限) 。考虑到产品熔铸后直径的减缩，以及毛坯的加工余量，结晶器直径 可按下列经验公式计算 1 9 1 d * = 筹 ( 2 1 ) 式中d 。结晶器直径( 毫米) ； d ，。产品的规定尺寸( 毫米) ： 4 毛坯加工余量，一般按2 0 4 0 毫米计算； 6 熔炼毛坯的减缩率，一般为3 o 5 。 东北大学硕士学位论文 第二章电渣重熔工艺数学模型设计 ( 2 ) 结晶器高度的确定：结晶器高度与其它工艺参数有密切关系。 晶器高度可按下列经验公式计算： h 结= h 斗h ：+ a h 式中h 钢锭的高度 h z 一渣高 h _ 一自由