電弧爐直流可逆穩(wěn)弧控制系統(tǒng)的研究

劉昕

摘 要：電弧熔煉法是鈦及鈦合金熔煉生產(chǎn)的重要方法，而電弧爐電弧的穩(wěn)定對鑄錠的質(zhì)量影響很大。針對電弧爐穩(wěn)弧系統(tǒng)的工藝和控制要求，研制基于工控機(jī)（IPC）+PLC+西門子6RA70直流調(diào)速器的集散控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)穩(wěn)弧直流可逆原理電路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)弧磁場的正、反方向快速變化。生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)在穩(wěn)定電弧，改善合金化條件有顯著效果，有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電弧爐；穩(wěn)弧控制系統(tǒng)；直流可逆系統(tǒng)；PLC

鈦及鈦合金具有密度低、耐腐蝕、比強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，在航空、航天、海洋運(yùn)輸、石油、化工、冶金、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)中都是不可缺少的材料。目前，電弧爐是冶煉鈦及鈦合金十分重要和不可替代的關(guān)鍵設(shè)備，而電弧的穩(wěn)定對電弧熔煉是非常重要的。當(dāng)穩(wěn)弧線圈中通以直流電時(shí)，線圈內(nèi)就產(chǎn)生縱向磁場，為了穩(wěn)定磁場以及對熔池均勻攪拌，通以線圈的電流必須是正反方向交替的，且電流大小需按要求控制。本文以3T電弧爐控制系統(tǒng)研制為背景，結(jié)合電弧爐穩(wěn)弧系統(tǒng)工藝及控制特點(diǎn)，研究電弧爐直流可逆的穩(wěn)弧控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定電弧及對熔池均勻攪拌，改善了合金化條件。

1 電弧爐穩(wěn)弧控制系統(tǒng)工藝與特點(diǎn)

1.1 電弧爐穩(wěn)弧系統(tǒng)組成及工藝

電弧爐穩(wěn)弧系統(tǒng)有兩個(gè)交替工作的工位，主要由爐體、真空系統(tǒng)、銅坩堝和冷卻水套組成。

1.2 控制技術(shù)要求

穩(wěn)弧控制器采用兩組可控硅反并聯(lián)接法共同給一組穩(wěn)弧線圈實(shí)現(xiàn)直流、低頻交流以及轉(zhuǎn)向控制，構(gòu)成一個(gè)純電感的直流可逆系統(tǒng)。工藝特點(diǎn)需求如下：⑴要求直流可逆系統(tǒng)對輸出電流進(jìn)行功率驅(qū)動放大，這樣金屬熔池才得以攪拌；⑵要求穩(wěn)弧電流調(diào)節(jié)范圍為0～30A，電流調(diào)節(jié)時(shí)間間隔為3～300s，穩(wěn)弧電壓調(diào)節(jié)范圍為0～40V，磁場強(qiáng)度為0～60高斯；⑶要求起弧階段要盡量短，攪拌磁場比正常熔煉時(shí)要強(qiáng)，盡快建立熔池，可以減少鑄錠的切除量[2]。

2 穩(wěn)弧控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)主要由研華工控機(jī)、西門子PLC S7-400、穩(wěn)弧控制器和穩(wěn)弧線圈組成。⑴上位機(jī)：采用研華工控機(jī)，自帶有以太網(wǎng)通訊接口及打印機(jī)并行口，監(jiān)示器選擇19寸液晶顯示器。⑵過程控制機(jī)：采用西門子PLC S7-400系列，配有CP443-1以太網(wǎng)通訊模塊，可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC的通訊。⑶穩(wěn)弧控制：采用德國西門直流調(diào)速器6RA70，應(yīng)用其直流可逆原理線路，配合PLC準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的控制穩(wěn)弧線圈上電流的大小與方向，通過PROFIBUS現(xiàn)場總線與穩(wěn)弧控制器之間通訊。

3 穩(wěn)弧直流可逆系統(tǒng)

電弧爐的穩(wěn)弧攪拌是由直流可逆線路驅(qū)動，由上位機(jī)給定穩(wěn)弧曲線的幅值及調(diào)節(jié)時(shí)間，通過對反并聯(lián)連接的兩組可控硅的正半軸和負(fù)半軸導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)弧電流的正、反方向變化，達(dá)到對熔池內(nèi)金屬熔液的換向攪拌[3]。

3.1 系統(tǒng)工作原理

3T電弧爐穩(wěn)弧直流可逆系統(tǒng)，由四臺（每個(gè)工位兩臺）晶閘管直流電源并聯(lián)輸出，供給真空自耗電弧爐穩(wěn)弧線圈作為供電電源[4]。

該直流可逆系統(tǒng)的原理構(gòu)成如圖1所示，由配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、整流變壓器、電流測量系統(tǒng)等組成。穩(wěn)弧直流可逆系統(tǒng)的主電路采用單相電輸入，變壓器二次繞組具有中心抽頭，使副繞組兩段的電壓有效值相等，分別供給兩個(gè)工位的穩(wěn)弧線圈。二次繞組連接有電流互感器，通過變送器送去計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能、整流效率高等特點(diǎn)，對控制系統(tǒng)基本無干擾。

控制電路主要由電流調(diào)節(jié)器、正組觸發(fā)器插件板、反組觸發(fā)器插件板和電流反饋部分組成。該控制電路實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)弧控制過程中磁場的換向，正組觸發(fā)器插件板4觸發(fā)導(dǎo)通KG1和KG3，反組觸發(fā)器插件板5觸發(fā)導(dǎo)通KG2和KG4。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

起弧以后電弧的正常燃燒是穩(wěn)弧系統(tǒng)運(yùn)行的先決條件，在電弧正常時(shí)，直流可逆系統(tǒng)方可工作?？刂葡到y(tǒng)采用STEP7軟件編程，確認(rèn)穩(wěn)弧使能開啟后，穩(wěn)弧控制器將進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，上位機(jī)給定穩(wěn)弧電流，通過電流檢測環(huán)節(jié)，檢測輸出電流值，構(gòu)成反饋控制。

5 結(jié)論

該電弧爐穩(wěn)弧直流可逆系統(tǒng)已投入生產(chǎn)運(yùn)行，實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足鈦及鈦合金電弧熔煉穩(wěn)弧工藝和控制要求，通過可控硅的正、負(fù)半軸導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了磁場的方向改變，達(dá)到對金屬溶池的換向攪拌，控制精度高，穩(wěn)弧電壓6～11V時(shí)，穩(wěn)弧電流5～6A，熔煉后的鑄錠結(jié)晶均勻，提高產(chǎn)品質(zhì)量效果顯著，具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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