Конспект лекцій з дисципліни: «Автоматизація виробничіх процесів та мікропроцесорна техніка»

Автоматизация установок электрошлакового переплава (ЭШП)

В электросталеплавильных цехах получили широкое распространение установки ЭШП для переплава сталей и сплавов с целью снижения содержания вредных примесей и получения однородной макроструктуры слитка. Рафинирование металла от вредных примесей дос­тигают переплавом расходуемого электрода, изготовленного из тре­буемой марки стали или сплава, в ванне расплавленного шлака. При прохождении электрического тока через шлак в нем выделяется большое количество тепла; температура шлака достигает 1600-2000 °С. Торец электрода, опущенный в шлак с такой температурой, оплавляется и капли металла отрываются от электрода. Опускаясь под действием силы тяжести вниз капли проходят через слой химически активного шлака, за счет чего и происходит очищение металла от вредных при­месей. По мере оплавления расходуемый электрод опускается. Внизу в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе металл собирается в жидкую ванну и быстро кристаллизуется, чем и обеспечивается хо­рошая макроструктура слитка.

Технологический процесс ЭШП характеризуется определенными соотношениями параметров электрического режима, высотой шлако­вой ванны, диаметрами электрода и кристаллизатора. Эти соотноше­ния определяют общую глубину жидкой металлической ванны, за­глубление электрода в шлак и другие характеристики технологиче­ского процесса, влияющие на степень рафинирования металла и кри­сталлизацию слитка. Форма и глубина ванны расплавленного метал­ла зависят от подводимой мощности, силы тока, напряжения, темпе­ратуры и количества шлака, скорости плавления, диаметра электро­да, химического состава переплавляемого металла. Если глуби­на погружения электрода в шлак недостаточна, то между шлаком и торцом электрода могут возникнуть небольшие электрические дуги. Это приводит к увеличению окисленности металла и неметалличе­ских включений в слитке. Если глубина погружения электрода в шлак чрезмерно большая, дуги могут возникать между жидкой металличе­ской ванной и торцом электрода, что приводит к браку по макро­структуре. Основная задача систем автоматического управления в установках ЭШП сводится к стабилизации параметров технологиче­ского процесса, в том числе глубины погружения электрода в шлак, и электрического режима переплава или изменений этих параметров по заданной программе.
Циклический процесс ЭШП состоит из четырех периодов: меж-плавочного простоя, стартового периода разведения шлаковой ван­ны, переплава электрода и выведения усадочной раковины. В период межплавочного простоя осуществляют извлечение готового слитка из кристаллизатора и подготавливают установку к последующей плав­ке. В этот период установка отключена.
В стартовый период на установку подают питание и осуществ­ляют разогрев и расплавление шлака, загруженного в кристаллиза­тор. При этом между торцом электрода и затравкой, установленной на дне кристаллизатора, возникает дуга, которая расплавляет шлак. Образовавшийся жидкий шлак поднимается и достигает электрода. Горение дуги прекращается и установка переходит в бездуговой ре­жим работы как печь сопротивления. Стартовый период проводят на максимальных силе тока и напряжении трансформатора, что позво­ляет уменьшить положительность периода. Дуга в этот период горит нестабильно, часто происходят ее обрывы и короткие замыкания. Нестабильность горения дуги связана с тяжелыми условиями иониза­ции дугового промежутка из-за сильного охлаждения шлаком и большим отводом,тепла через электрод и поддон. Возможно прове­дение стартового периода на жидком шлаке, предварительно рас­плавленном в дуговой печи. При этом электрический режим ЭШП становится более стабильным и значительно сокращается продолжи­тельность периода.
Окончанием стартового периода является начало плавления электрода. Период переплава электрода характеризуется относитель­но спокойным электрическим режимом. Для обеспечения высоких чистоты металла и качества слитка необходимо поддержание в опре­деленных пределах параметров шлаковой ванны и электрического режима. Заглубление расходуемого электрода в шлак должно быть в пределах 0,4 - 0,5 диаметра электрода, а межэлектродное расстояние примерно 0,5 диаметра электрода. При этом гарантировано отсутст­вие дуги в шлаке и капельных коротких замыканий электродов. Зна­чительное влияние на качество металла оказывает массовая скорость наплавления слитка (скорость оплавления электрода), поскольку она определяет параметры жидкой ванны, условия всплывания включе­ний и т.д. Таким образом, при стабильных технологических парамет­рах (химические составы металла и шлака, геометрия слитка и элек­тродов) основными управляемыми величинами являются скорость наплавления слитка и положение электрода в шлаковой ванне (заглубление и межэлектродное расстояние).
Основным возмущающим воздействием является оплавление торца электрода, при этом изменяется заглубление электрода в шлак и межэлектродное расстояние (площадь сечения кристаллизатора больше чем электрода). Межэлектродное расстояние определяет со­противление шлака и выделяемую мощность (при постоянном на­пряжении). Уменьшение длины электрода снижает также его сопро­тивление, что приводит к увеличению силы тока, проходящего через шлаковую ванну, и выделяемой в ней мощности.
Скорость плавления электрода (наплавления слитка) в конечном итоге при стабильных тепловых условиях (температуры шлака и рас­плава, теплоотвод в кристаллизаторе) определяется выделяемой в шлаковой ванне мощностью. Методом определения скорости плавле­ния служит измерение скорости подачи эдектрода с помощью фото­электрических или индукционных датчиков и ее пересчет с использо­ванием данных о геомртрии электродов. Другой метод определения вскорости плавления использует непосредственное взвешивание с помощью датчиков массы электрода или слитка. Межэлектрцдное расстояние наиболее полно характеризуют ток и сопротивление шлаковой ванны, функционально связанные с этим расстоянием.
Таким образом, в период наплавления слитка требуется поддер­жание постоянной скорости плавления (постоянной мощности) и постоянного межэлектродного расстояния, которое в свою очередь обеспечивается постоянными силой тока или сопротивлением шлако­вой ванны. Управляющими воздействиями на силу тока и сопротивление шлаковой ванны служат положение электрода, а на силу тока и мощность - напряжение на шлаковой ванне, определяемое положени-ем переключателя ступеней напряжения трансформатора (в последнее время появились тиристорные источники питания с плавным измене­нием напряжения). Период выведения усадочной раковины проводят для уменьше­ния отходов в головной части слитка, где расположена усадочная раковина. В этот период постепенно уменьшают силу тока, подводи­мую мощность и скорость плавления электрода по заданной про­грамме, что позволяет полностью вывести усадочную раковину и получит ровную поверхность головной части слитка.
При рассмотрении многочисленных систем автоматизации ЭШП возможно выделить два основных принципа управления:

• 
  косвенное управление скоростью плавления путем регулирова­ния мощности, при котором к каналу регулирования силы тока до­бавляется канал регулирования напряжения;
  
• 
  прямое управление технологическими параметрами - скоростью плавления и межэлектродным расстоянием, для представления кото­рого чаще всего используется сопротивление шлаковой ванны.
  

Первый принцип реализуется в наиболее простой системе управ­ления, которая предусматривает стабилизацию силы тока. Однако такая стабилизация не обеспечивает постоянства скорости плавления, т.к. при оплавлении электрода существенно изменяется напряжение на шлаковой ванне и, следовательно, выделяемая в ней электрическая мощность. Непостоянная скорость плавления приводит к неоднород­ности макроструктуры металла по высоте слитка. Обеспечить посто­янную скорость наплавления слитка можно стабилизацией мощно­сти. выделяемой в шлаковой ванне. Для этого необходимо поддержи­вать постоянным не только силу тока, но и напряжение на шлаковой ванне.
Структурная схема систе­мы регулирования мощности, выделяемой в шлаковой ван­не, представлена на рис. VI.23.