（控制理论与控制工程专业论文）板坯电渣炉控制系统设计及结晶器液位控制方法研究.pdf

0 t 7 x 1 l at h e s i sf o rt h e d e g r e e o fm a s t e ri nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g c o n t i o ls y s t e m d e s i g ns t u d yo ne l e c t i o s l a gf u r n a c ef o r s l a bi n g o t sa n dc o n t r o ls c h e m ef o r c r y s t a l sl e v e l b y z h o ux i n s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o r y u q i a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y 2 0 0 8 专 t 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 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诚挚 的谢意 学位论文作者签名 司豁 签字日期 9 p g 1 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 本人同意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 虱熟 签字日期 2 口p 容 2 导师签名 签字日期 仞侈 侈ld 入悖 7 二 东北大学硕士学位论文摘要 板坯电渣炉控制系统设计及结晶器液位控制方法研究 摘要 随着国民经济的发展 许多新钢材品种的需求量十分旺盛 例如 高端模具钢 锅炉容器钢 核电管板钢等 使用这些产品的场合都要求板状产品 采用电渣重熔来 生产大型钢板性能优良 和普通钢板比较横向塑性 韧性大大提高 大型板坯电渣重熔 的工艺装备简单 投资少 产品在市场中处于高端 经济效益显著 本论文以某钢铁企业4 0 吨板坯电渣炉计算机控制系统为研究背景 在查阅了大量 国内外相关文献的基础上综述了电渣炉发展历程 根据熔炼工艺特性对控制系统的控制 要求 开发了一套以p l c 控制器为核心的先进的计算机控制系统 采用西门子s 7 3 0 0 及e t 2 0 0 s 系列p l c 设计了基于p r o f i b u s d p 的分布式计算机控制系统 实现了对 整个精炼过程的控制 利用西门予公司的w i n c c 组态软件 完成上位机监控软件组态 实现现场数据实时记录和监控 设计了冶炼计时 记录查询 读写工艺参数等动态操作 画而 结晶器液位控制是动态结晶器系统中非常重要的环节之一 液位的波动会严重影 向 铸坯的质量 甚至可能导致熔炼过程中的溢钢和漏钢事故的发生 因此必须将结晶器液 位控制在一个合适的范围 但是由于结晶器液位系统具有时变性和非线性特性 而且存在 许多不确定扰动因素 无法建立准确的模型 本文基于神经网络对结晶器液位控制部分进 行了研究 提出了 种复合式控制方案一基于神经网络的p i d 控制算法 本文对此算法 在动 静态特性和抗干扰特性方面与p i d 控制进行了仿真比较 为下一步运用于实际生 产打下曙实基础 关键词 电渣炉 p i d 控制器 神经网络 结晶器液位 m a t u 心 一i i 东北大学硕士学位论文 a b s i r a c t c o n t r o ls y s t e md e s i g ns t u d yo ne l e c t i 0 s l a gf u r n a c ef o rs l a b i n g o t sa n dc o n t r o ls c h e m e i 0 rc r y s t a l sl e v e l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p 瑚e n to fo u rs t a t ee c o n o m y m a n yv a r i o u ss t e e l sa r ew i d e l yn e e d e d t y p i c a lc a s e si np o i n ta r eh i g h c l a s sd i es t e e l b o i l e rs t e e l n u c l e a rt u b ep l a t es t e e lw h i c ha r e b r o u g h ti n t of u l lp l a yi na l lw a l k so f1 i f e c o m p a r e dw i t hc o m m o ns t e e l s s t e e l sm a d eb y e l e c t r o s l a gr e m e l t i n gp o s s e s s ah i g h e rt r a n s v e r s e p l a s t i c i t y a n dt o u g h n e s s p i e c e so f e q u i p m e n to fe i e c t r o s l a gf u m a c ef o rs l a bi n g o t s c h a r a c t e r i s t i c so fo b v i o u se c o n o m yb e n e f i t s a r er e l a t i v e l y s i m p l e h a v el o wi n v e s t m e n t sa n dd o m i n a n t sc h ep r e v a l e n c ei n t h eh i g h t e c h n o l o g i c a lm a r k e t t h eb a c k g r o u n do ft h et h e s i si sb a s e do nt h e4 0 t 0 ne s c cc o m p u t e ra u t o m a t i cc o n t r 0 1 s y s t e mi ns o m es t e e lm i l l t 1 1 eh i s t o r i c p r e s e n ts t a t ea n dp e r s p e c t i v eo fc o n t r o lt e c h n i q u e so f e l e c t r o s l a gf u m a c ea r es u m m a r i z e do nt h eb a s i so fc o n s u l t i n gag r e a td e a lo fd o c u m e n t a t i o n a c c o r d i n gt os m e 王t i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n t r o ls y s t e md e m a n d s a na d v a n c e dc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do np l cc o n t r o l l e r ad i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s c e mi s d e s i g n e db a s e do nt h ep r o f i b u s d p i tc o n t r o l st h ee n t i r es m e l t i n gp r o c e s sb yu s i n g s i e m e n ss 7 3 0 0a n de t 2 0 0 ss e r i e sp l c s i e m e n s sw i n c cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei su s e dt o c o m p l e t em o n i t o r i n gs o f t w a r ec o n f i g u r a t i o na n dr e a l i z e st h ef i e l dd a t ar e a l t i m er e c o r d e da n d t h em o n i t o r i n g t h ed y n a m i co p e r a t i o np i c t u r es t y l eo fs m e l t i n gt i m e r e c o r d i n gi n q u j r y a n d r e a d w r i t ep a r a m e t e ra r ed e s i g n e da sw e l l c r y s t a l sl e v e lc o n t r o lp l a y sa ni m p o n a n tp a ni nt h ed y n a m i cc r y s t a ls y s t e m t h e1 e v e l f l u c t u a t i o nc o u l da f f e c tt h eq u a l i t yo ft h es t e e la n de v e nc a u s et h es t e e lw a t e rt ol e a ka n d p o v e m o w s ot h el e v e lm u s tb ec o n t r o l l e dw i t h j nar e a s o n a b l er a n g e h o w e v e r c r y s t a l sl e v e l s y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h en o n l i n e a ra n dt i m ev a r i a b i l i t y t h e r ea r em a n yu n s u r e d i s l u r b i n gf a c t o r si nt h i ss y s t e m t 1 l e r e f o r et h ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lc a nn o t b e p r o p o s e d c r y s t a l sl e v e lc o n t r o lo na n i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki ss t u d i e di nt h i sp a p e r b a s e do n t h en e u r a ln e t w o r k t h et h e o r yo fc o m p o u n dp i dc o n t r o li s p u tf b r a r d c o m p a r i s o no f b e t w e e nd y n a m i ca n ds t a t i cp e d o 咖a n c e d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n a n dt h ec o m p o u n dc o n t r o l a n dt h ep i dc o n t r o la r es i m u l a t e d a uo ft h e s ew i l lm a k eas t r o n gf o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r e k e y w o r d s e l e c t r o s l a gf u m a c e p i dc o n t r o l l e r n e u r a ln e t w o r k c r y s t a l sl e v e l m a i l a b i i i 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明 i 摘要 i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论 1 1 1 电渣重熔技术简介 一1 1 2 电渣冶金技术发展历史及现状分析 3 1 2 1 电渣技术的发展历史 3 1 2 2 国内电渣技术的发展 4 1 2 3 生产板坯和扁锭电渣炉发展状况 5 1 2 4 电渣炉控制技术现状分析 5 1 3 本课题研究背景和内容 6 第二章板坯电渣炉炼钢的工艺和设备 9 2 1 本套电渣炉供电和熔炼方式的确定 9 2 2 电渣炉重熔工艺控制参数的设计 1 0 2 2 1 重熔电流的确定 1 0 2 2 2 重熔电压的确定 1 1 2 2 3 电渣熔速的确定 1 1 2 2 4 补缩期和重熔期参数的确定 1 2 2 34 0 吨板坯电渣炉操作流程简介 1 2 2 3 1 熔铸前的准备 1 2 2 3 2 电渣熔铸 1 3 2 3 3 熔铸后期处理 1 4 2 44 0 吨板坯电渣炉炼钢设备的组成 1 4 2 4 1 电气设备 1 4 2 4 2 机械设备 1 6 2 4 3 液压与气体保护设备 1 7 2 5 本章小节 1 7 第三章动态结晶器液位控制智能方法研究 1 9 3 1 结晶器液面控制策略 1 9 3 1 1 现场结晶器液位控制方法 1 9 3 1 2 常用液面检测装置介绍 1 9 一i v 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 3 本课题采用的液面检测方法 2 0 3 1 4 钢水液位控制的难点 2 1 3 1 5 本文控制方法的提出 2 2 3 2 常规p i d 控制算法 2 2 3 2 1 经典p i d 控制方法 2 2 3 2 2 数字p i d 控制算法 2 3 3 2 3p i d 控制的特点 2 4 3 2 4 西门子p l c 的p i d 控制模块 2 5 3 3 基于b p 神经网络p i d 控制方法的研究 2 6 3 3 1 神经网络概述 2 6 3 3 2 误差反向传播 b p 神经网络 2 7 3 3 3 抽锭结晶器液位b p 神经网络p i d 系统设计 3 0 3 4 智能控制方法的仿真研究 3 6 3 4 1 仿真软件的介绍 3 6 3 4 2 被控对象的数学模型 3 6 3 4 3 仿真曲线 3 7 3 4 4 控制算法的仿真结论 4 2 3 5 本章小节 4 3 第四章电渣炉控制系统的实现 4 5 4 1 控制系统的结构 4 5 4 1 1 下位机p l c 配置方案 4 6 4 1 2 上位机硬件配置方案 4 6 4 1 3 系统电气控制柜组成 4 6 4 2p l c 编程设计 4 7 4 2 1 编程软件s t e p 7 v 5 3 介绍 4 7 4 2 2 下位机程序总体设计 4 8 4 3 人机界面的设计 5 4 4 3 1 m n c c 软件简介 5 4 4 3 2 人机界面功能编辑器组成 5 4 4 3 3 人机界面的设计 5 5 4 3 4 触摸屏软件的设计 5 8 4 4 本章小节 5 9 第五章结束语 一6 1 5 1 工作总结 6 1 5 2 下一步工作和存在问题 6 1 一v 一 垄 奎堂翌主堂堡垒奎 目录 一 参考文献 j 6 3 致谢 6 7 作者简介 6 9 一v l 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 电渣炉是冶金领域中广泛应用的一种精炼设备 随着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 e l e c t f o s l a gr e m e l t i n g 以下简称e s r 产品以其纯度高 组织质密和均匀而成为各种 高级钢和特殊钢的首选 目前 市场对高端模具钢板 大单重大厚度锅炉汽包板 大单重大厚度临氢c 卜m o 钢板 大单重大厚度核电工程用钢板及其它大单重大厚度优质高性能钢板的需求不断增 加 传统的固定型电渣炉已经不能满足生产要求 开发一台4 0 吨抽锭扁锭电渣炉生产线 对增强我国生产高质量高性能钢材的能力以及提高我国钢铁产品在国内外市场的竞 争能力有着至关重要的作用 电渣重熔技术作为二十世纪四十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 众所周知 电渣重熔工艺制定的好 坏直接关系到产品质量 冶炼效果以及各项经济技术指标 采用以p l c 为核心的自动控 制系统 可以大大提高控制效果和生产效率 其中经典的p i 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 在常规电渣炉系统中经常采用 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 由于电渣炉本身是一个多 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 参考国内外相似系统的控制策略 本文从神经学方面对电渣炉结晶器液位控制部分进行 了研究 用人工神经网络调整p i d 参数以适应炼钢电渣炉液位调节系统时变的特性 从 而达到提高控制器性能的目的 1 1 电渣重熔技术简介 电渣重熔 简称e s r 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 1 1 传统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渣 将自耗电极的端部插入其中 当自耗电极 炉渣 固渣启动时先加少量固态导电渣 和 底水箱通过短网与变压器形成供电回路时 将有电流从变压器输出并通过熔渣 由于熔 渣具有一定的电阻 占据了大部分压降 从而在渣池中形成大量的热量 将插入其中的 金属电极熔化 熔化的金属液滴从电极端部滴落 穿过渣池进入金属熔池 在水冷结晶 一1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 器的强制冷却下逐渐凝固形成钢锭 底版 图1 1 电渣重熔原理图 f i g1 1s c h e m a t i cd i a 伊a mo fe l e c t r o s l a gr e m e l t i n g 金属熔滴在形成和滴落过程中和熔渣充分接触并发生一系列的物理化学反应 从 而可以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 凝固过程 在渣壳的包裹中完成 形成光洁的钢锭表面 此夕 由下而上的顺序凝固过程保证了 重熔金属锭的结晶组织均匀致密 并有利于抑制偏析 控制结晶方向 获得趋于轴向 的结晶组织 目前 对生产大型板坯的电渣重熔生产要求而言 固定结晶器电渣炉由于受到电极 直径和结晶器断面的相互之间关系限制 以及对厂房高度要求高 因而不能或不宜于生 产宽而长的钢锭或熔铸件 用移动式结晶器的生产方式可以满足生产工艺的要求 移动 式结晶器结构如图1 2 所示 工 已 一 i i f 薹 j l b i o l 图1 2 动态结晶器电渣炉结构示意图 f i g1 2s k e t c hm a p o fd y n a m i cc r y s t a lf o re l e c t r o s l a gf u m a c e 一2 一厶 东北大学硕士学位论文第一章绪论 这种炉子的结晶器可随着重熔时锭子的增高而向上移动 而电极同时不断向下移 动 锭子固定不动 如图1 2 中所示 这种电渣炉结晶器比锭子短 炉子高度可以降低 便于观察到熔炼情况 同时也有利于生产长锭子和熔铸件 2 1 奥地利百乐公司2 3 吨大型 电渣炉就是这种类型 因为移动结晶器在机械设备方面比较简单 而且移动结晶器抽锭 机构所需电机功率小 故大型电渣炉采用移动结晶器是比较适合的 1 2 电渣冶金技术发展历史及现状分析 1 2 1 电渣技术的发展历史 世界上的电渣重熔技术已有近8 0 年的发展历史 其发展过程可以划分为三个阶段 第一阶段 美国r k h o p k i n s 于1 9 3 5 年首先进行渣中自耗电极熔化实验 3 1 并认为 电渣过程是埋弧放电的过程 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 其后的2 5 年里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 n 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 l v a 公司兼并 这一技术 才公布于众1 6 j 在前苏联 电渣重熔技术的雏形最早是由巴顿 p a t o n 电焊研究所焊接工偶然发现 的 即当过多的渣液用于埋弧焊时 电弧熄灭 导致操作平稳 根据这一点 发明了电 渣焊 电渣焊就是在两个连接件之间的缝隙处用两个水冷挡块围住 后来又用两个水冷 挡块取代两个连接金属件 这样可以用由水冷档块组成的结晶器生产电渣锭 7 1 第二阶段 在世界范围内对电渣炉感兴趣的时间是2 0 世纪6 0 年代 当时只有几个国 家开始研究 如英国 奥地利 联邦德国和日本 而在美国却已广泛开展应用研究 1 9 6 7 年关于这个问题的第一次国际会议由卡内基 c a m e 西e 梅隆 m e l l o n 研究所组织 这次会 议以及以后的会议成为介绍最初工作的论坛 1 1 为电渣技术的推广和发展起到了巨大 的推动作用 在1 9 6 5 年到1 9 7 5 年这1 0 年的时间里 电渣技术得到飞快的发展 1 7 1 这一时 期电渣技术的特点是 1 产量迅速增长 2 锭重呈几何级数增长 3 电渣重熔产品范 围扩大 4 打破了专业及行业的界限 此后的1 0 年 1 9 7 5 1 9 8 5 期间 电渣重熔技术保 持稳步的发展 1 s 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 年之后新建的有3 8 台 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也应运而生 第三阶段 自1 9 8 5 年以后 电渣技术处于一个酝酿新突破阶段 4 1 这一时期一些生 产超级合金的公司继续扩大生产能力 如美国t e l e d v n e 舢l v a c 公司建立了2 3 t 电渣炉 c o n s a r c 公司仅在1 9 9 0 年到1 9 9 8 年的时间里就生产电渣炉2 7 台 同一时期电渣技术发展的 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 另一特点是出现新的冶炼工艺 西欧与美国致力于电渣热封顶e s h t 法及电渣自熔模 m h 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 1 2 2 国内电渣技术的发展 欧美及f 1 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 我国于1 9 5 8 年9 月冶金部建筑研究院电渣组在电渣焊的基础上开发 出了电渣重熔技术 中国的电渣冶金从此诞生 我国电渣重熔技术的发展基本与国外同 步 已取得了很大的成绩 4 0 多年来我国冶金规模不断扩大 技术不断创新 目前我国 所有特殊钢厂几乎都有电渣重熔车间 小型电渣炉遍及全国 在电渣重熔技术发展的第 三阶段 我困的电渣工艺 特种材料重熔 节电 电渣重熔研究都有较大发展 5 j 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 蜒工业性电渣炉 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 吨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 吨优质合金钢锭 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 千克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 千克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 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 叭降至1 9 8 5 年1 5 7 8 k w l l 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 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 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 1 2 3 生产板坯和扁锭电渣炉发展状况 在工业上应用电渣重熔炉的第一阶段主要是生产圆断面的重熔锭 逐步地向生产方 锭和矩形锭的过渡过程是相当复杂的 有些人认为 由于电渣重熔锭的特点是呈横列结 晶组织 因此不可避免地要产生所谓的稀松带 即在晶体相会合处形成的带 也就是在 结晶器的角部 由于其壁是互成直角 而其结晶过程是互相相对进行的 因而在相邻的 结晶线互相相对的地方产生疏松带 实践已经消除了这些怀疑 在6 0 年代中期 在苏 联已经普遍成功地掌握了电渣重熔方锭的技术 苏联发明家在很多国家所获得的专利 对建造效率高 能与苏联的双极串联电渣炉 相竞争的板坯和扁锭电渣炉来说 有严重的 不可克服的障碍 日本 瑞典 法国 美 国 英国人都购买了生产板坯电渣炉的专利许可证 在英国己建有用分散布置的电极进行重熔的单相板坯电渣炉 它是将梳状电极送入 固定焊接结晶器中进行熔炼 这座炉子可以采用抽锭的方法进行重熔 2 2 1 它供比较小的 锭子之用 当然也只有抽锭的方法才能生产扁锭 美国卢肯斯钢铁公司 从1 9 7 0 年开始 有一座由柯沙尔公司建造的3 0 吨板坯电渣 炉在进行生产 这是美国最大的电渣炉 这是一座单相 单电极 固定结晶器电渣炉 用它可生产7 6 0 2 0 0 0 毫米以下的矩形断面的重熔锭 这座炉具有单相单电极大型电渣 炉所存在的全部缺点 由于感抗大 因而电气指标低 同时由于用单电极熔炼大断面的 锭子时 不可避免地要形成深而且容积大的金属熔池 因而重熔金属的质量不够高 由于所有工业发达国家中 轧板生产的增长 因而对电渣重熔的大板坯提出了迫切 的要求 例如 目前连轧机要求采用5 0 7 0 吨的板坯 而在不久的将来 要求采用更大 的锭子 直到9 0 1 0 0 吨 由于宽厚板轧机的建设 就提出了用电渣重熔法来生产重达 1 2 0 1 4 0 吨的板坯 许多西方炉子生产公司 很注重对大型板坯电渣炉和扁锭电渣炉的 研制 英国的贝利克公司 建造了生产重达5 0 吨的重熔锭三相板坯电渣炉 1 2 4 电渣炉控制技术现状分析 我国冶金工作者在电渣焊的基础上开发出电渣重熔技术 是继前苏联发明电渣冶金 技术之后第二个独立发明该项技术的国家 我国电渣冶金产量名列世界前茅 生产的超 级合金及优质合金钢种达2 4 3 个牌引2 0 i 包括轴承钢 高温合金钢和高速钢等工艺品种 用电渣重熔生产的核电用大锻件 汽轮机转子 加氢反应器 涡轮盘 水轮机导叶 石 一5 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 油裂解炉管等产品处于世界领先水平 虽然我国的电渣重熔技术处于世界前列 但是我国大部分电渣炉的建造期在7 0 年代 左右 1 2 15 1 设备较为陈旧 故障较多 特别是控制系统更为落后 控制精度 工作电流 工作电压 功率 熔速等 及稳定性较差 直接影响了电渣锭的质量和生产效率 制约 了其经济效益的进一步提高 主要体现在以下三方面 1 电渣炉的升降机构大部分采用丝杠传动和钢丝绳传动两种 钢丝绳造价较低 在国内使用较为普遍 由于钢丝绳本身具有弹性 受力时拉长 因而其传动最大的弊病 就是响应速度慢 导致控制滞后 丝杠传动相对钢丝绳传动而言 较为平稳而且响应速 度较快 但是 目前国内电渣炉多用普通丝杠 其制造精度较差 特别是在一段时间的 使用后磨损严重 在电极升降调节时丝杠与丝母之间间隙较大 限制了它的响应速度 影响了系统的调节精度 2 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 器进行控制 电极升降调节为开环调节 电极以一定速度下降 当冶炼电流电压波动较 大时 需及时进行人工干预 因此一方面造成电渣炉冶炼时熔速不均匀 影响电渣钢锭 质量 另一方面工人的劳动强度较大 3 由于追求精确的熔速控制 一般都在结晶器底或者电极夹持器上部安装重量检 测装置 但是通过检测电极重量来计算熔速有两个弊端 第一是系统抗干扰性差 比如 c o n s a r c 的1 5 t 电渣炉 其重量检测装置的精度能够达到的的数量级 在如此高的精度下 外界微弱的干扰甚至天车运行的微小振动都能够被感知并作为电极的变化输入系统 导 致系统的错误操作 第二是控制的滞后性 即熔速的变化和控制量之间存在时间差 严 重的情况下会引起系统的发散性波动 1 3 本课题研究背景和内容 某钢铁企业作为我国重要的宽厚钢板生产科研基地 在目前市场对高端模具钢板 大单重大厚度锅炉汽包板 大单重大厚度临氢c r m o 钢板 大单重大厚度核电工程用钢 板的高质量要求下 面临着前所未有的挑战 开发一条4 0 吨扁锭电渣炉生产线对该企 业增强市场竞争力 提高经济效益有着至关重要的作用 目前国外炉子公司建造大型板坯电渣炉主要以抬结晶器双极串联式为主 其优点是 操作简单可靠 感抗损失小 用电效率高 钢水过热度小 熔池浅平 结晶质量好 适 于大型铸锭的生产 该企业4 0 吨电渣炉采用抽锭结晶器运行方式 金属熔滴在结晶器 的冷却作用下逐渐凝固 随着熔炼时间的进行 金属液面渐渐抬高 结晶器上升速度要 与电极熔化速度相匹配 抽锭机构采用双轴双驱动系统 根据工艺要求 抽锭机构必须 得保持结晶器水平上下连续缓慢运行 保证两套驱动系统同步运行 目前国内在电渣炉 一6 一 t 东北大学硕士学位论文第一章绪论 升降机构控制方法中 通常采用传统p i d 控制器 人们希望系统的输出尽可能稳 准 快的达到设定值 而传统的p i d 控制器很难获得令人满意的相应特性 针对以上情况 本文结合国内外的理论研究和实际项目 所完成的工作如下 1 在查阅大量国内外文献的基础上 综述电渣冶金的发展历程 研究现状及发展 趋势 着重阐述了目前电渣炉控制技术存在的问题 2 结合大量现场实际生产经验 根据本电渣炉实际设备状况以及产品规格和质量 要求 在熟悉设备和掌握工艺流程的基础上 确定系统控制方案 负责电气设备的订购 现场布线和电气原理图的设计 3 给出电渣炉控制系统基础自动化级网络结构 p l c 的硬件配置 用西门子公司 提供的编程软件w i n c c 6 o 和s t e p 7 v 5 3 分别编制上位机画面和下位机应用程序并完 成现场调试工作 4 对结晶器升降装置的控制方法进行研究 位置编码器把抽锭装置的位置反馈给 控制系统 p l c 控制器根据液面设定值和抽锭装置的位置偏差通过钢液计算公式控制两 电机直流调速器的输出电压 改变电机的速度 其中两台电机采用基于同一电压的串联 控制方案使抽锭装置保持水平并保证结晶器液面波动在一个很小的范围 本文将人工神 经网络智能算法引入其中 用m a t l 墟进行了仿真 为下一步实际应用打下理论的基 石出 一7 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章电渣炉炼钢的工艺和设备 第二章板坯电渣炉炼钢的工艺和设备 2 1 本套电渣炉供电和熔炼方式的确定 由于我国在大吨位板坯电渣炉设计上处于空白 因此国外的成功案例值得我们去借 鉴 特别是在供电制度和熔炼方式的确定 2 1 1 从历史上看 苏联在电渣重熔过程中偏重 用交流 这有两方面原因 第一 用来电渣重熔的焊接设备所配备的是交流变压器 第 二 从重熔金属的精炼效果去硫和氧的角度看 交流比直流优越 国外 尤其是美国 开始是采用直流电 2 3 1 美国费尔 斯特林公司 匹兹堡市 投产的首批电渣炉所供给的 就是j 下极直流电 电渣重熔采用直流的优点是没有电感损耗一功率系数等于1 从冶金观点看 电渣 重熔过程中直流较交流的优点是能够使渣子和金属电解 从而使钢锭的金属相应微合金 化和去氢等 然而这些优点由于采用直流电渣重熔所固有的严重缺点而变得完全没有价 值了 主要缺点是去硫 去氧和去除非金属夹杂物的精炼程度比采用交流时低 直流电 渣重熔的另一缺点是存在无法调节并且防碍电渣过程稳定进行的强大电磁场 现有的巨 大铁磁性物质就会造成影响自耗电极熔化过程的偏吹 并使液体金属转移和结晶如图 2 1 所示 采用直流进行电渣重熔时 甚至相对于底水箱和自耗电极的导电线的布置也 会以预想不到的方式影响电极的熔化特性 另外 采用直流时的钢锭表面质量一般都比 采用交流时差得多 图2 1 直流电渣重熔时磁骚动效应的表现 f i g 2 1r e p r e s e n t a t i o no fd ce s rm a g n e t i cd i s t u r b a n c e 目前几乎所有的电渣炉均采用工业频率的交流电 单相单极交流电渣炉不论在国 内 还是在国外都是比较通用 它们的特点是简单可靠性大 钢锭质量高和表面好 然 而这种炉子也有严重缺点一随着熔炼电流及电线截面的增大 电感损失急剧增加 功率 一9 一 东北大学硕士学位论文第二章电渣炉炼钢的工艺和设备 系数也下降 当功率较大时 要改进按电极一底水箱线路连接的炉子的电工特性就很困 难 大功率的炉子要安装静电电容器组来补偿大的电感 提高交流电渣炉功率系数问题 的基本解决在于过渡到电极一电极的双极串联系统上 采用双极串联电极会导致熔炼系 数增高 单位电耗下降 更为重要的是提高了金属的质量 首先是由于渣子与金属的接 触面积增大 其次是金属熔池的形状得到改进 当把电极分开时 形成熔滴的数目增加 熔滴的体积减小 由于电极分开的结果 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 由于大型晶闸管问世 低频电源制造已经不成问题 何况1 6 0 t 直流电弧炉已经正常 投入生产 其直流电流已达1 3 1 0 4 a 以上 所以电渣炉低频电源制造技术是成熟的 在大电渣炉上应该积极推广 低频电源用在电渣炉上有很多优点 直流电渣炉和交流电 渣炉有的优点它都有 而直流电渣炉和交流电渣炉有的缺点它却没有h 们 因此本套电渣 炉选用一台低频变流电源触发控制同步电源与主变压器受电电源同步 输出电压 1 0 v 1 2 0 v 连续可调 输出频率 5 4 3 2 5 2h z 五档 可任意选择 输出电流最 大3 2 l a 2 2 电渣炉重熔工艺控制参数的设计 2 2 1 重熔电流的确定 确定重熔电流 理论上应该以热平衡为基础 并根据有效渣阻计算工作电流 但事 实上计算所需要的数据现场无法全部获得 因而不能进行较为实用的理论计算 电流通 过金属电极和熔渣应该有一个最佳的电流密度 但实际上无法确定这样一个最佳的电流 和电流密度 因为对于某一钢种 某一设备条件的最佳制度对另一条件来说不一定是最 好 因而 只需求出某条件下稳定的电渣过程所对应的电流范围即可f 2 4 电流的确定可由电极直径和结晶器直径来计算 但本炉形采用双极串联工艺 以电 极直径为依据时无经验公式可循 所以本炉形电流的确定采用以结晶器直径为依据的经 验公式 彳 d 结 2 1 目目 式中 彳一工作电流 a k 结一结晶器线电流密度 c m k 结值波动在1 5 0 2 5 0 渊c m d 结一结晶器等效直径 c m 以4 0 吨电渣炉为例 因为采用双极串联工艺吃值应取下限1 5 0 觚m 按周长计 算的d 结为1 9 3 6 c m 按面积计算的d 结为1 6 0 4 c m 所以平均d 结为1 7 7 c m 所以工作电 流 4 为2 6 5 5 0 a 一 0 一 东北大学硕士学位论文第二章电渣炉炼钢的工艺和设备 2 2 2 重熔电压的确定 重熔电压是制定电渣工艺的一个重要环节 u s r 是熔炼工作电压 又称炉口电压或 有效工作电压 是指两电极端部的电压 这个电压可以认为是整个供电电压中的有效工 作部分 u e s r 为二次电压 又称重熔电压 其值等于接在变压器二次侧电压表的显示值 y u 为炉子系统的阻抗及电压总压降 包括变压器 短网 电极等引起的电阻压降和 j 一 感抗压降 以上三个参量之间存在如下的关系 u e s r u s r u 2 2 了 u 跟短网布置有关 且随电流增加而增加 本电渣炉由于短网较短 且平行布 一 置所以压降较小 可取1 5 3 0 v 设本电渣炉的y u 为2 1 2 5v 所以只要先确定炉口 r 一 电压u s r 就可以确定二次电压u e s r u s r 一般取4 0 5 0 v 当结晶器直径较大时可适当 增加 但一般不超过5 5 v 此外因为本电渣炉采用双极串联工艺 所以炉口电压 u s r 5 5 8 0 6 8 7 5 v 因此初步可将变压器二次侧出口电压定为9 0 v 通过以上的讨论计算 初步确定本电渣炉的电制度 见表2 1 表2 1 电制度基本参数 t a b l e2 1p a r a m e t e r so fe l e c t r i c i t ys y s t e m 2 2 3 电渣熔速的确定 熔化速度陬也是电渣制度综合表征的函数 它与电流 电压 渣池深度以及渣系等 基本控制参数有关 同时与条件参数加结有关 在供电功率一定的条件下 魄随加结 的增加而增加 在加结一定的条件下 供电功率增大 鲰随之增加 过大或过小 对冶金质量均不利 鼢过大 使结晶结构恶化 易造成低倍偏析等缺陷 而瞻过小 同样会造成严重的低倍缺陷 咒熔 o 7 0 8 归结 2 3 式中 删吝 惦化速度 k g h 一 1 一 东北大学硕士学位论文第二章电渣炉炼钢的工艺和设备 d 结 结晶器直径 m m 大量实践证明 一般删容约为 0 7 0 8 归结 可以获得较好的冶金质量 2 2 4 补缩期和重熔期参数的确定 补缩期采用大幅度递减功率 递减熔速的方式 进行 又可细分为两期 第一期是 填充期 同时下降电流和电压 在9 0 m i n 钟内熔化速度由2 3 k m i n 下降至5 k 咖i n 第 二期为保温期 电压恒定在5 5 v 电流从1 0 k a 每隔5 m i i l 下降o 5 l a 至5 0 l 溘 这一期 熔化速度较慢 主要以保温为主 2 34 0 盹板坯电渣炉操作流程简介 匣结晶兰型 一 拶 电极夹紧对中 冷却 脱梗 多 f 一 l 结晶器下降 充埴 俱温 t j 鲈积 l 开 始精炼 测温 加渣 一 彳1 f 化 渣熔 炼纠结晶器自动上升 图2 24 0 吨板坯电渣炉工艺图 f 远 2 2p r o c e s sd r a w i i l go f4 0 te s r f u m a c ef o rs l a bi n g o t s 某钢铁企业4 0 吨电渣炉主要用于生产大型扁锭 采用底水箱固定 结晶器移动的 抽锭方式 双极串联 重熔电极升降为滚珠丝杠传动 采用不交换电极条件方式重熔 并用化渣炉造渣 液渣启动 其生产流程如图2 2 所示 基本生产程序是 夹持自耗电极 在底水箱上铺设引锭板 安放结晶器 自耗电极通过升降机构送入结晶器内 送电启动 然后进行熔铸 熔铸到产品要求的尺寸后进行补缩 停电 模冷 最后脱模 2 3 1 熔铸前的准备 熔铸前准备工作包括 夹持电极放置引锭板等项工作 1 夹持电极 在电极夹持器上夹持电极 特别注意使电极与夹持器之间接触良好 所夹持的电极应位于底结晶器的中心 并与其垂直 2 安放结晶器与引锭板 底结晶器 又称底水箱 应平稳地安放在专用平台底座 一1 2 东北大学硕士学位论文 第二章电渣炉炼钢的工艺和设备 上加以固定 底结晶器与平台之间用石棉布以及其他绝缘材料铺垫 使底结晶器与平台 绝缘 2 3 2 电渣熔铸 电渣熔铸是整个电渣过程的关键环节 它的基本任务在于 按照冶炼工艺规定的基 本控制参数进行熔铸 同时观测目标参数及技术经济指标是否合理 对基本控制进行判 据与调整 使整个过程尽量稳定于最佳状态 1 化渣期工艺 化渣期就是建立高温液态渣池的过程 一般有两种 固态启动和液态启动 固态启 动是指在结晶器内进行化渣 将金属电极下降送入结晶器内 当带电电极端部与导电渣 接触后 由于电阻热使导电渣熔化 随即将渣料均匀加入结晶器内造成渣池 液态启动 是在另一套化渣炉内化渣 当渣料熔化温度达到1 6 0 0 左右即可注入结晶器内进行熔铸 过程 本电渣炉中的化渣工艺由专门的化渣炉完成 化清的渣料直接倒入结晶器中 再下 降自耗电极进行下一步重熔工艺 2 正常重熔期工艺 化渣结束后 将金属自耗电极快速下降 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f r o f i b u s 总线控制的 自耗电极 根据熔化速度来调整电极的进给速度 当采用双极串联工艺时 变压器不抽中线的情 况