20 t數(shù)控型三相保護(hù)氣氛電渣熔鑄爐開發(fā)與應(yīng)用

郝學(xué)卓 姚艷平 劉喜海 姜 鶴

(1．沈陽東大興科冶金技術(shù)有限公司，遼寧110206；2．東北大學(xué)大型電渣爐研發(fā)中心，遼寧110004； 3.遼寧科技大學(xué)，遼寧114051)

20 t數(shù)控型三相保護(hù)氣氛電渣熔鑄爐開發(fā)與應(yīng)用

郝學(xué)卓1姚艷平1劉喜海2姜 鶴3

(1．沈陽東大興科冶金技術(shù)有限公司，遼寧110206；2．東北大學(xué)大型電渣爐研發(fā)中心，遼寧110004； 3.遼寧科技大學(xué)，遼寧114051)

我公司應(yīng)用數(shù)控、冗余系統(tǒng)、氣氛保護(hù)、恒熔速控制等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)了數(shù)控型三相保護(hù)氣氛電渣熔鑄爐[1]。該設(shè)備運(yùn)行可靠，位置控制精度極高，工藝執(zhí)行的再現(xiàn)性更強(qiáng)，為電渣熔鑄提供更優(yōu)的凝固條件。設(shè)備生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量合格率100%，產(chǎn)品的氣體含量及夾雜物指標(biāo)都大幅度優(yōu)于普通電渣錠。此設(shè)備的開發(fā)成功可以為我國生產(chǎn)高質(zhì)量大型電渣錠提供可靠的技術(shù)保障。

電渣熔鑄；氣氛保護(hù)；三相電渣爐；恒熔速控制

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國電渣熔鑄技術(shù)與裝備也不斷地發(fā)展。目前，我國擁有工業(yè)電渣爐近1 000臺，電渣鋼年產(chǎn)量超過100萬噸。電渣鋼的年產(chǎn)量位居世界前列。但我國的電渣鋼多采用傳統(tǒng)的電渣重熔裝備及技術(shù)生產(chǎn)，存在效率低，能耗高，污染嚴(yán)重，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等嚴(yán)重問題。落后的技術(shù)裝備已經(jīng)不能滿足我國的軍工、核電等領(lǐng)域高質(zhì)量的百噸級大型鋼錠的市場需求[2-5]。近幾年，我國通過引進(jìn)國外及東北大學(xué)自主研發(fā)的熔速控制保護(hù)氣氛電渣爐逐漸成為電渣熔鑄裝備的主流。

我國大型電渣錠的生產(chǎn)設(shè)備主要工藝形式為三相雙極串聯(lián)和三相電渣爐兩種。但這兩種形式的電渣爐都存在控制精度低、可靠性差、在大氣中冶煉氣體含量超標(biāo)等致命弱點(diǎn)，致使生產(chǎn)Cr12轉(zhuǎn)子等對氣體含量要求高的大型產(chǎn)品合格率偏低。核電、軍工等領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量大噸位鋼錠的大量需求迫使我們開發(fā)一種適合我國實(shí)際情況的新型裝備。為此，我公司結(jié)合金屬凝固理論開發(fā)了數(shù)控型熔速控制三相保護(hù)氣氛電渣熔鑄爐，并申請了國家發(fā)明專利[1]。

1 數(shù)控型電渣熔鑄爐結(jié)構(gòu)

數(shù)控型電渣熔鑄爐主體設(shè)備包括：龍門框架式爐體、雙爐頭交換電極熔煉、爐體攜帶短網(wǎng)直線移動(dòng)、空間對稱緊密型布線的直供式三相大電流饋電短網(wǎng)、單熔位(4個(gè)輔助工位進(jìn)行電極裝卡及端部預(yù)熱)、結(jié)晶器固定熔煉(結(jié)晶器可升降)、氣密型惰性保護(hù)氣氛、10 kV AC50 Hz三相供電、獨(dú)特精準(zhǔn)三點(diǎn)式稱重平臺、計(jì)算機(jī)自動(dòng)引弧、全智能熔速控制的新式電渣爐。設(shè)備示意圖如圖1所示。

1.1 高壓供電系統(tǒng)

高壓供電系統(tǒng)由高壓開關(guān)柜、三相有載有級電動(dòng)調(diào)壓變壓器、直供式導(dǎo)電短網(wǎng)組成。

1—電極給進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置 2—電極承載平臺 3—料桿裝置 4—移動(dòng)爐體裝置 5—?dú)饷鼙Ｗo(hù)系統(tǒng) 6—結(jié)晶器升降裝置 7—電極裝卡定位裝置 8—端部預(yù)熱裝置

開關(guān)柜型號為KYN-28，戶內(nèi)型封閉式箱體，其隔離開關(guān)母線等均安裝于柜體內(nèi)部，一次回路采用真空斷路器，適用于電壓10 kV網(wǎng)絡(luò)，用于控制變壓器啟停，能用于頻繁操作場合，避免經(jīng)常維護(hù)，配備綜合數(shù)字保護(hù)和計(jì)量功能。

高壓供電變壓器是容量為4 200 kVA三相變壓器，變壓器型號為HZSSPZ-4200-10-85-40V-40。一次測電壓10 kV,二次側(cè)相電壓40 V～85 V。調(diào)壓方式為通訊控制的40檔有載電動(dòng)密檔調(diào)壓，三相可以單獨(dú)調(diào)壓，相電壓和西門子profibus網(wǎng)絡(luò)連接，每檔級差為1 V。

短網(wǎng)采用空間對稱直供式大電流饋電結(jié)構(gòu)，包括自行開發(fā)的大電流開關(guān)、軟連接、銅排、羅氏線圈及水冷電纜。三相空間對稱布線、短網(wǎng)各相緊密靠近，使電抗降到最低，空間漏磁最小，而且大電流導(dǎo)體是在金屬熔池的上方，遠(yuǎn)離金屬熔池，電流不流經(jīng)金屬熔池，而是流向其它電極，大電流磁場遠(yuǎn)離熔池，對液態(tài)金屬凝固影響最小，而且發(fā)熱的區(qū)域只在渣池的上段，使熱源遠(yuǎn)離了金屬凝固前沿，渣溫高，金屬熔池溫度低，為精煉和凝固創(chuàng)造了很好的條件，避免產(chǎn)生偏析。

1.2 爐體系統(tǒng)

爐體采用龍門框架式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不需要與車間墻體剛性連接。爐體由足夠剛度的結(jié)構(gòu)件焊接而成，爐體分上、中、下三層，下層為固定平臺，完成保護(hù)氣氛罩的固定與動(dòng)作；中層為移動(dòng)平臺，完成整個(gè)電渣爐的稱重、極心圓調(diào)整、短網(wǎng)系統(tǒng)等；頂層平臺為維修平臺，伺服傳動(dòng)裝置安裝在此平臺上。所有平臺均有圍欄和墊板，平臺上焊接有鋼管護(hù)欄，護(hù)欄高出臺面1.2 m。還配有樓梯通往固定平臺和維修平臺，方便設(shè)備檢修。

爐體總高度為(含爐頂安全護(hù)欄)12 m，爐頂維修平臺寬度為4 m×5.8 m，承載重量為15 t。爐體可以在兩個(gè)熔位之間移動(dòng)，移動(dòng)速度最快為6 m/min，采用伺服電機(jī)行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爐體平穩(wěn)行走。移動(dòng)爐體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 移動(dòng)爐體

1.3 電極給進(jìn)機(jī)構(gòu)

電極給送機(jī)構(gòu)完全采用機(jī)電式，包括兩臺60 kW伺服電機(jī)、減速機(jī)、滾珠絲杠副等。雙伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)減速機(jī)、滾珠絲杠帶動(dòng)導(dǎo)電料桿升降，實(shí)現(xiàn)自耗電極的快、慢速給送。電極最大升降行程為4 600 mm。電渣熔鑄時(shí)根據(jù)熔鑄工藝要求作慢速上、下移動(dòng)，慢速移動(dòng)速度為5 mm/min～60 mm/min。非熔鑄時(shí)導(dǎo)電料桿上下快速移動(dòng)，移動(dòng)速度為4.0 m/min～4.5 m/min。通過安裝在絲杠頂端的位置編碼器實(shí)現(xiàn)位置反饋，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)位置控制。

1.4 導(dǎo)電料桿

料桿總成包括導(dǎo)電極、碟簧氣缸、電極拉桿、電極夾、密封裝置等。導(dǎo)電料桿由多層水冷結(jié)構(gòu)組成。導(dǎo)電料桿通過導(dǎo)電料桿中心的電極拉桿與假電極連接后實(shí)現(xiàn)定位，采用碟簧壓緊、氣動(dòng)松開方式使導(dǎo)電料桿與假電極接觸面可靠接觸或脫離。在自然狀態(tài)下卡體為夾緊狀態(tài)。導(dǎo)電料桿共6支，外形尺寸為?300 mm×4 600 mm。

電極夾裝置設(shè)置在電極拉桿的下端，位于導(dǎo)電料桿的內(nèi)部，碟簧氣缸使水冷導(dǎo)電極產(chǎn)生相對于電極拉桿內(nèi)部承重鋼管的同軸運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)電料桿大電流端面與假電極體端面緊密結(jié)合，冶煉電流由此處傳輸?shù)郊匐姌O的端面，進(jìn)一步通過自耗電極進(jìn)入渣池。

為了保證自耗電極能夠平穩(wěn)快速給進(jìn)，導(dǎo)電料桿上安裝有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

導(dǎo)電料桿總成具備的特點(diǎn)：大電流連接可靠；液壓故障時(shí)，電極接觸導(dǎo)電可靠；所測電極無摩擦力沖擊。

圖3 導(dǎo)電料桿與電極裝卡圖

1.5 極心圓微調(diào)裝置

為保證自耗電極與結(jié)晶器之間的安全間隙及各電極之間的距離，在稱重平臺下部安裝有極心圓微調(diào)裝置，調(diào)整面采用直線導(dǎo)軌，并且由伺服電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)。極心圓調(diào)整范圍為420 mm～720 mm，以實(shí)現(xiàn)10 t～30 t電渣熔鑄錠生產(chǎn),并確保自耗電極對中準(zhǔn)確可靠。極心圓調(diào)整裝置如果4所示。

1.6 稱重系統(tǒng)

稱重系統(tǒng)是本電渣熔鑄爐精確實(shí)現(xiàn)恒熔速控制的核心系統(tǒng)，稱重系統(tǒng)的測壓元件安裝在移動(dòng)平臺的上方。稱重系統(tǒng)每個(gè)單元包括3個(gè)精度為0.02%的測壓元件、3個(gè)稱重模塊、一個(gè)端子盒(連接3個(gè)信號導(dǎo)管線)、3個(gè)接地電纜保護(hù)測壓元件(不受焊接電流、閃電等的影響)、一個(gè)屏蔽的低電容特殊電纜以及一個(gè)稱重處理器。測壓原件里的應(yīng)變儀將模擬信號傳輸給信號端子箱，然后再傳輸給位于控制面板的負(fù)載傳感器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，最后在自動(dòng)熔化控制系統(tǒng)的電腦顯示屏上顯示重量，稱重系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 極心圓調(diào)整裝置

稱重系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)：稱重元件的精度為0.02%；稱重處理器的精度為0.1%；熔速控制精度為±5%。

每一個(gè)爐體有3個(gè)測壓元件，每一元件公稱能力為10 t。

稱重系統(tǒng)特點(diǎn)為：稱重精度高；無摩擦力影響；盲區(qū)重量小。

圖5 稱重系統(tǒng)

2 保護(hù)氣氛系統(tǒng)

為保證渣池、熔池與空氣隔絕，防止增[H]和增[O]，采用全密閉結(jié)構(gòu)惰性保護(hù)氣氛系統(tǒng)。渣池的上方采用水冷不銹鋼保護(hù)罩，罩在結(jié)晶器的頂部，并實(shí)現(xiàn)密封，保證熔鑄過程中保護(hù)罩內(nèi)實(shí)現(xiàn)微正壓。熔鑄過程避免自耗電極表面氧化鐵皮的形成，造成鋼錠[O]增加，同時(shí)避免與大氣接觸，吸收空氣中的[H]和[O]。

惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)包括：兩套水冷不銹鋼保護(hù)罩、惰性氣體流量及壓力監(jiān)測控制面板、氧濃度監(jiān)測面板可以在計(jì)算機(jī)界面上反映并控制惰性氣體的參數(shù)、各類流量儀表、壓力儀表及管道。

3 冗余型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

為保證設(shè)備安全、可靠、高品質(zhì)，其電控系統(tǒng)采用可靠性設(shè)計(jì)，在各關(guān)鍵傳動(dòng)部件、檢測元件及PLC系統(tǒng)采用硬件冗余設(shè)計(jì)，所有傳動(dòng)部件采用數(shù)控設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間可控、位置可控，提高準(zhǔn)備工作效率。

冗余型數(shù)控電渣爐PLC控制系統(tǒng)主要由裝有WinCC監(jiān)控軟件的兩臺工業(yè)計(jì)算機(jī)(HMI)經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)連接到西門子高端產(chǎn)品S7-400冗余控制器CPU，通過冗余profibus-DP網(wǎng)絡(luò)連接到3個(gè)ET200M遠(yuǎn)程工作站，經(jīng)過各ET200M分站上的FM357-2運(yùn)動(dòng)定位驅(qū)動(dòng)模塊控制運(yùn)動(dòng)部分，由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制、定時(shí)及定位功能。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。ET200M站上安裝有數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、高速計(jì)數(shù)和運(yùn)動(dòng)控制模塊等。主要處理現(xiàn)場開關(guān)量、溫度、壓力流量等檢測和控制。

變壓器檔位控制也采用Profibus通訊接口，連接到控制系統(tǒng)的Profibus網(wǎng)絡(luò)上。

重量傳感器通過二次儀表轉(zhuǎn)換成profibus接口，連接到控制系統(tǒng)的profibus網(wǎng)絡(luò)上。

S7-400 CPU是運(yùn)算速度極快的控制中心，主要負(fù)責(zé)電極升降調(diào)節(jié)、設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)狀及我公司多年的積累，在控制算法方面采用了分階段綜合控制方案，固渣起弧控制采用模糊控制方法[6]，正常熔煉控制采用基速控制和迭代學(xué)習(xí)的串級控制，補(bǔ)縮期控制采用分段自適應(yīng)PID控制，熔速計(jì)算模型采用加權(quán)平均策略，保證其靈敏度與穩(wěn)定性兩方面要求[7-8]。

本控制系統(tǒng)采用先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，控制功能齊全，工藝再現(xiàn)性好，控制精度高，可靠性強(qiáng)。

4 實(shí)踐應(yīng)用

本設(shè)備在我國某核電設(shè)備有限公司投產(chǎn)后，生產(chǎn)的品種主要有材質(zhì)為0Cr18Ni9(304)不銹鋼、1Cr9MoVNb(F91)、00Cr17Ni14Mo2(316L)、MC5的(10 t、20 t、30 t)電渣錠。產(chǎn)品合格率為100%，主要應(yīng)用在軍工、核電等領(lǐng)域。

MC5電渣熔鑄錠后，經(jīng)過取樣檢驗(yàn)，自耗電極與電渣錠化學(xué)成分對比基本沒有變化，結(jié)晶組織致密。尤其是夾雜物、氣體含量等指標(biāo)與普通電渣重熔錠相比有大幅度的改觀，對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 MC5電渣熔鑄錠與普通鑄錠夾雜物、氣體含量對比

注：[H]、[O]的單位為10-6。

設(shè)備經(jīng)過長期使用，運(yùn)行可靠性得到充分驗(yàn)證，控制精度全部達(dá)到工藝要求。熔速波動(dòng)控制達(dá)到±5%，電流、電壓波動(dòng)范圍為±5%，熔煉過程中保護(hù)罩內(nèi)最低O濃度≤500×10-6，電耗指標(biāo)≤1 200 kWh/t。各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過國內(nèi)外同類電渣爐水平。電渣爐熔速曲線見圖7。

圖7 電渣爐熔速曲線

5 結(jié)論

(1)控制系統(tǒng)及主傳動(dòng)采用冗余設(shè)計(jì)，傳動(dòng)部件采用數(shù)控設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間可控，位置可控，運(yùn)行精度高，保證了設(shè)備安全和運(yùn)行穩(wěn)定。為我國生產(chǎn)高質(zhì)量大型電渣錠在可靠性、安全性方面提供保障。

(2)直供式短網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)三相阻抗匹配，電渣熔鑄溫度場均勻無冷區(qū)。大電流導(dǎo)體遠(yuǎn)離金屬熔池，短網(wǎng)包圍空間窗口最小，電抗小、泄漏磁場少，避免泄漏雜亂磁場對靜態(tài)凝固的影響，避免產(chǎn)生偏析。為電渣熔鑄提供最優(yōu)凝固條件。

(3)采用精煉爐保護(hù)罩設(shè)計(jì)技術(shù)，使電渣熔鑄凝固過程完全處于密閉的惰性氣氛保護(hù)環(huán)境中，元素?zé)龘p可控，實(shí)現(xiàn)電渣熔鑄過程[H]、[O]含量不增加，熔鑄錠夾雜物評級優(yōu)于普通電渣重熔錠。

(4)采用龍門框架式結(jié)構(gòu)的爐體比懸臂梁式橫臂結(jié)構(gòu)的稱重精度和穩(wěn)定性更高，保證稱量重量僅僅包括導(dǎo)電桿和自耗電極的重量，且數(shù)值精確而穩(wěn)定，為控制熔速提供準(zhǔn)確的依據(jù)，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)熔速控制，工藝再現(xiàn)性好。

(5)設(shè)備經(jīng)過長期運(yùn)行，具有良好的可靠性。熱試開始，生產(chǎn)過程全部順利完成。材質(zhì)為316L等，10 t～30 t電渣熔鑄錠鍛后檢驗(yàn)合格率為100%。氣體含量、夾雜物等指標(biāo)達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。

[1] 劉喜海. 大電流短網(wǎng)直連式氣體保護(hù)三相電渣爐. 專利. CN102189247A.

[2] 李正邦. 電渣冶金回顧與展望[J] . 特殊鋼，1999，20(5)：1-6.

[3] 李正邦.電渣冶金的理論與實(shí)踐[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社.

[4] 李正邦.電渣冶金設(shè)備及技術(shù)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社.

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[7] 陳榮，劉志剛. 淺析康薩克20噸電渣爐設(shè)備結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)[C]. 2014全國特種冶金技術(shù)學(xué)術(shù)會議: 255-258.

[8] 關(guān)旭東. 國外氣氛保護(hù)電渣爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)及對電渣鋼質(zhì)量影響[C]. 2014全國特種冶金技術(shù)學(xué)術(shù)會議: 246-249.

編輯 陳秀娟

Development and Application of 20 Tons Numerical Control Electroslag Casting Furnace with Three-phase Atmosphere Protection

Hao Xuezhuo, Yao Yanping, Liu Xihai, Jiang He

Numerical control, redundancy system, atmosphere protection, constant melting speed control and other advanced technologies have been used to develop the numerical control electroslag casting furnace with three-phase atmosphere protection. The equipment has the characteristics of reliable operation, position control with high precision and better reproducibility of process execution, which provide better solidification conditions for electroslag casting. The qualified rate of the product is 100% during manufacturing, and the gas content and inclusion of the product are much better than that of the common electroslag ingot. The successful development of this equipment can provide a reliable technical support for the production of high quality large electroslag ingot in China.

electroslag casting；atmosphere protection；three-phase electroslag furnace；constant melting speed control

2016—10—26

TF748.6

B