Файл: Пирожников, В. Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками.pdf

По мере расплавления электрода фронт жидкого металла и одно­ временно с ним фронт кристаллизации перемещается вверх, а элек­ трод опускается механизмом 7, управляемым автоматическим регу­

вакуумных дуговых печей для выплавки стали в слитки. В качестве источников питания в ВДП применяют машинные преобразователи типа ГПН, которые в последние годы успешно вытесняются более надежными и дешевыми в эксплуатации полупроводниковыми вы­ прямительными устройствами типа ВАКП. При проведении вакуум­ ной дуговой плавки необходимо управлять основными процессами и операциями (зажиганием дуги, прогревом электрода, плавкой, выводом усадочной лунки) и вспомогательными операциями (привар­ кой электрода, а также вакуумной системой, системой охлаждения).

Различают три группы устройств, обеспечивающих управление ВДП: регуляторы тока дуги, регуляторы дугового промежутка и устройства защит, блокировок и управления вспомогательными операциями.

2. Рабочий процесс и выбор параметров регулирования

Процесс плавки в ВДП распадается на три этапа: прогрев элек­ трода, собственно плавка и выведение усадочной лунки. При про­ греве и выведении усадочной лунки происходит изменение силы тока по программе; во время плавки сила тока должна сохраняться на постоянной с высокой степенью точности (1—2%). При расплавле­ нии расходуемого электрода наблюдается нестационарный режим (период до начала каплепадения) — весовая скорость плавки ме­ няется при постоянной подводимой мощности — и установившийся режим — весовая скорость плавки постоянна при прочих равных условиях. Установившийся режим характеризуется неизменной во времени формой температурного поля, и весовая скорость плавки G в нем может быть определена из соотношения

Необходимым условием получения однородного по структуре слитка является постоянство мощности, подводимой к ванне, и постоянство скорости наплавления слитка. Исходя из этого, электрод прогревают при постепенном повышении силы тока с тем, чтобы со­ кратить время нестационарного режима и переплавить максималь­ ное количество металла в стационарном режиме.

Самые сильные, хотя и кратковременные, возмущения вызываются резкими изменениями длины или проводимости дуги. Причиной таких возмущений обычно являются всплески ванны жидкого ме­ талла, капельные короткие замыкания, падение кусочков материала электродов при переплавке прессованных электродов [91].

Изменение проводимости дуги возникает вследствие резких коле­ баний давления газов и плотности паров металла, а также в резуль­ тате изменения величины катодного падения при переходах дуги на неоднородные по химическому составу участки электрода. Резкие изменения длины дуги и ее проводимости наблюдаются при переплаве загрязненных шлаком электродов, когда на поверхности металла скапливается пленка расплавленного шлака. Нестабильность про­ водимости дуги возникает при загрязненной окислами поверхности

электродов.

При повышенном газовыделении и выбросе ионизированного газа и паров в промежуток между боковой поверхностью электрода и стенкой кристаллизатора возникает объемный разряд, который

178

также сопровождается повышением проводимости промежутка ка­ тод-анод. В конце плавки силу тока уменьшают для постепенного уменьшения глубины жидкой ванны, что способствует выведению

на поверхность усадочной раковины.

Экспериментальные и теоретические исследования [92—95 J по­ зволили найти связь между основными параметрами дугового раз­ ряда (его геометрией), силой тока и напряжением, т. е. определить вольтамперную характеристику дугового разряда в парах металла при пониженном давлении газов и неконденсируемых паров

(ѴІ-2)

где t/д — напряжение на дуге;

Катодно-анодное падение и коэффициент К в том диапазоне раз­ режений, в котором работают современные ВДП, практически не­ изменны для данного металла. Для данной плавки величина D3 также неизменна. Это позволяет уравнение (ѴІ-2) написать в следу­

ющем виде:

Стационарному процессу плавления соответствует неизменная величина мощности, выделяемой в разряде. Как следует из выраже­ ния (ѴІ-4), мощность разряда будет постоянной, если неизменны

сила тока и длина дуги.

Основными условиями получения качественного слитка в про­ цессе плавки в ВДП с расходуемым электродом является стабили­ зация силы тока дуги и поддержание неизменной длины дуги. Однако поддержание постоянными указанных выше параметров в ходе плавки одним регулирующим воздействием принципиально невозможно, так как в ВДП сопротивление токоведущих частей печи сопоставимо с сопротивлением разрядного промежутка и существенно изменяется по ходу плавки вследствие разогрева и сплавления расходуемого электрода. Кроме того, что конструкция и принцип действия ВДП исключают возможность замера длины дуги или напряжения на дуге, однозначно связанного с длиной дуги, приходится довольство­ ваться измерением напряжения на зажимах печи, которое лишь косвенно связано с длиной дуги, так как включает в себя переменное

падение напряжения в токоведущих частях печи (штоке, электроде, слитке)

Проведенный анализ сравнения различных параметров регули­ рования показывает [12], что регулирование режима ВДП измене­ нием длины дуги даже при стабилизированной силе тока дуги по любому электрическому параметру (Un, Rn + Ra) не позволяет добиться стабилизации длины дуги, мощности в дуге и скорости плавки вследствие изменения по ходу плавки сопротивления расхо­ дуемого электрода. Для поддержания постоянной длины дуги необ­ ходимо вводить в регулятор сигнал коррекции, чтобы учесть изме­ нение сопротивления токоведущих частей печи в ходе плавки.

В качестве корректирующего в регуляторе по напряжению или по сопротивлению печи используют сигнал, пропорциональный средней частоте следования импульсов [96, 97].

На рис. 86 приведена блок-схема автоматического управления процессом плавки в ВДП, обеспечивающая стабилизацию силы тока / д и длины Ья дуги [12]. При зажигании дуги на выходе мостовой измерительной схемы появляется сигнал небаланса, который через регулятор длины дуги 2 включает привод перемещения электрода на подъем. Этот же сигнал запускает блок 3 отсчета заданной длины дуги Ь3. Последний в момент достижения L3 отключает регулятор 2 на все время прогрева. Программатор тока 4 постепенно изменяет уставку регулятора тока 5 и повышает / д до номинальной.

В момент начала расплавления расходуемого электрода появ­ ляются первые капли металла и первые импульсы напряжения печи. При получении сигнала включается блок автобалансировки 6, кото­ рый изменяет сопротивление R 2 измерительного моста таким обра­ зом, чтобы сбалансировать схему. После этого включается регуля­ тор длины дуги. При необходимости возможно дальнейшее повыше­ ние силы тока / д; далее регулирование ведется по сопротивлению печи. Через некоторое время включается блок коррекции уставки по частоте импульсов 7, который запоминает эту частоту, соответ­ ствующую заданной длине дуги, и далее определяет отклонение текущей средней частоты импульсов от той, которая соответствовала заданной длине дуги. В функции этого отклонения блок коррекции изменяет сопротивление R 2, т. е. уставку схемы таким образом, чтобы сохранить среднюю частоту следования импульсов напряже­ ния неизменной.

После окончания сплавления электрода дается сигнал на вывод лунки. При этом отключается регулятор длины дуги, а программатор тока постепенно снижает силу тока. В конце вывода лунки печь отключается. Таким образом, как и прогрев электрода, вывод лунки

180