氣氛保護(hù)電渣爐的保護(hù)罩壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

任 偉

（撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧 撫順 113001）

目前國(guó)外許多大型氣氛保護(hù)電渣爐都配備了保護(hù)罩壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)，在氣氛保護(hù)電渣中微正壓重熔過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用，該系統(tǒng)直接影響到了保護(hù)氣氛的實(shí)際使用效果。既要達(dá)到爐內(nèi)保護(hù)氣氛，又要保證惰性氣體消耗，是該項(xiàng)研究的目的。

1 氣氛保護(hù)電渣爐的基本工作原理與特點(diǎn)

1.1 工作原理

電渣爐是利用電加熱熔渣進(jìn)行金屬精煉的一種工業(yè)生產(chǎn)方法，氣氛保護(hù)電渣爐本身所追求的是一種重熔在保護(hù)氣氛下的效應(yīng)，氣氛保護(hù)電渣爐在生產(chǎn)過(guò)程中可有效抑制偏析現(xiàn)象，控制結(jié)晶方向，構(gòu)建軸向的結(jié)晶組織[1]。

1.2 工作特點(diǎn)

氣氛保護(hù)電渣爐工藝中所體現(xiàn)的最重要特性就是在惰性氣體的保護(hù)氣氛下通過(guò)控制熔池形狀進(jìn)而改善電渣鋼錠的宏觀與微觀組織，就這一點(diǎn)來(lái)講是目前許多其它二次精煉技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，相比于傳統(tǒng)冶金方法，氣氛保護(hù)電渣爐的生產(chǎn)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在有效控制重熔氣氛下，最大限度減少氣氛保護(hù)電渣爐生產(chǎn)過(guò)程中氧氣、氮?dú)庖约皻錃獾慕槿搿?/p>

2 氣氛保護(hù)電渣爐的保護(hù)罩壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)影響因素分析

一般來(lái)說(shuō)，保護(hù)氣氛就是在氣氛保護(hù)電渣爐生產(chǎn)過(guò)程中以完全無(wú)氧化惰性氣氛狀態(tài)存在的，在這其中熔渣并不會(huì)被氧化，也不需要加入任何脫氧劑，它可確保鋼錠擁有更加良好的純凈度。氣氛保護(hù)電渣爐內(nèi)的保護(hù)氣氛流暢與保護(hù)罩結(jié)構(gòu)存在一定關(guān)系，它的優(yōu)勢(shì)直接影響了保護(hù)氣氛保護(hù)效果。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中需要對(duì)大型氣氛保護(hù)電渣爐的爐內(nèi)保護(hù)氣氛進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)分析、對(duì)比不同保護(hù)罩結(jié)構(gòu)下的電渣爐內(nèi)部流場(chǎng)，明確保護(hù)罩結(jié)構(gòu)對(duì)電渣爐內(nèi)流場(chǎng)的實(shí)際影響規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)罩內(nèi)壓力的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 保護(hù)罩壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)氣氛保護(hù)電渣爐的內(nèi)流場(chǎng)影響

首先，氣氛保護(hù)電渣爐保護(hù)罩壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)中排氣口對(duì)電渣爐內(nèi)流場(chǎng)存在較大影響，為合理掌握排氣口對(duì)電渣爐內(nèi)流場(chǎng)的影響規(guī)律，需要提出保護(hù)罩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論依據(jù)，對(duì)保護(hù)罩下的電渣爐內(nèi)流場(chǎng)與溫度進(jìn)行相應(yīng)數(shù)值模擬，并分析所獲得的模擬結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，氣氛保護(hù)電渣爐保護(hù)罩都分為上罩與下罩兩個(gè)部分，它的排氣口與保護(hù)罩上蓋直接連接，其中上罩厚度一般在200mm左右，以下給出具體的保護(hù)罩排氣口截面設(shè)計(jì)方案如表1。

表1 保護(hù)罩排氣口截面設(shè)計(jì)方案

上述4中方案保護(hù)罩其內(nèi)部壓力分布均相對(duì)均勻，其中有部分區(qū)域由于存在電極拉桿區(qū)域，所以該區(qū)域壓力差應(yīng)該為0。如果在相同出口壓力狀態(tài)下，保護(hù)罩的截面尺寸會(huì)相應(yīng)減小，而氣氛保護(hù)電渣爐內(nèi)保護(hù)罩上蓋內(nèi)部壓力會(huì)逐漸增大，原理排氣口一側(cè)就會(huì)呈現(xiàn)出正壓力區(qū)域逐漸增大的發(fā)展趨勢(shì)。如果電極拉桿周圍出現(xiàn)正壓壓力，會(huì)有部分爐氣從保護(hù)罩上蓋電極拉桿位置大量逸出。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的根本原因就要結(jié)合流體力學(xué)理論進(jìn)行分析，因?yàn)樵诒Ｗo(hù)罩排氣口管道中存在大量壓力損失，它與管道中的當(dāng)量直徑恰好形成反比例關(guān)系，此時(shí)就需要計(jì)算矩形

管道中的當(dāng)量直徑 d 應(yīng)該為 ：

結(jié)合上述算式可求得4種方案的矩形管道當(dāng)量直徑分別為300mm、286mm、267mm、240mm。根據(jù)截面尺寸的減小程度看，管道中的壓力損失、排氣口與保護(hù)罩內(nèi)部的壓差都會(huì)逐漸增大，此時(shí)電渣爐內(nèi)部壓力也會(huì)逐漸增大。究其原因，這主要是因?yàn)榕艢饪诮孛娉叽缰饾u減小導(dǎo)致電渣爐保護(hù)罩上蓋位置內(nèi)部壓力出現(xiàn)明顯增加狀況。在外部邊界條件是持續(xù)保持不變的情況下，電渣爐內(nèi)壓力必然增加，所以綜合對(duì)比上述4種方案中方案一應(yīng)當(dāng)為最佳方案。

2.2 保護(hù)罩壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)氣口布局對(duì)氣氛保護(hù)電渣爐的內(nèi)流場(chǎng)影響

針對(duì)氣氛保護(hù)電渣爐保護(hù)罩的壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)氣口布局對(duì)其內(nèi)流場(chǎng)影響進(jìn)行分析，保證做到進(jìn)氣口布局合理，直接影響保護(hù)氣氛的保護(hù)效果優(yōu)化。這里可采用3種方案進(jìn)行分析，模擬分析結(jié)果并進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)最合理的壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)氣口布局方案如表2。

表2 氣氛保護(hù)電渣爐保護(hù)罩進(jìn)氣口布局方案

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣口為3個(gè)的方案一其電渣爐內(nèi)部完全垂直于正壓方向，且其中的0.2m壓力梯度表現(xiàn)最小，且方案一種保護(hù)罩下方壓力差基本維持在20Pa左右，所以說(shuō)它是符合常壓電渣爐對(duì)微正壓的技術(shù)要求的，因此方案一可選[2]。超過(guò)大氣壓100KPa以上的情況經(jīng)實(shí)際使用則沒(méi)有這么大的分布影響，故管道數(shù)量可最小化。

如果是非常壓狀態(tài)下，伴隨氣流量逐漸增大，氣氛保護(hù)電渣爐保護(hù)罩下方的壓力也會(huì)逐漸增大，此時(shí)進(jìn)氣流量會(huì)增大到2.8m3/s左右。在該過(guò)程中，電渣爐中保護(hù)罩下方壓力分布相對(duì)均勻，要基本維持在120KPa左右，如此可完全符合電渣爐微正壓要求，同時(shí)保證進(jìn)氣流量進(jìn)一步增大到3.0m3/s左右，考慮到保護(hù)罩下方壓力梯度相對(duì)偏大，最高壓力達(dá)到128KPa，保證其符合微正壓要求。而在針對(duì)渣面深度為1m的情況時(shí)，需要保護(hù)氣流量在2.8m3/s為合理狀態(tài)，如此可保護(hù)進(jìn)氣流量正常。

3 氣氛保護(hù)電渣爐保護(hù)罩壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 合理出口壓力的確定

為了保證保護(hù)罩上下罩部分內(nèi)部氣氛流暢始終順暢，需要首先將爐內(nèi)廢氣完全排出。在設(shè)計(jì)第一階段中取保護(hù)氣進(jìn)氣流量為3.5m3/s，保持電渣面溫度在1700℃以上，電渣面到爐口距離為1000mm，然后根據(jù)電渣爐保護(hù)氣氛流場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理化處理。在處理過(guò)程中觀察出口壓力的增大過(guò)程，此時(shí)電渣爐保護(hù)罩內(nèi)壓力也會(huì)隨之增大，一般出口壓力會(huì)增大到96.5kPa左右，且保護(hù)罩內(nèi)會(huì)出現(xiàn)明顯的正壓區(qū)域，所以說(shuō)96kPa應(yīng)該是最為合理的出口壓力值。

3.2 合理保護(hù)氣供氣流量的確定

第二階段，伴隨進(jìn)氣流量的持續(xù)增大和保護(hù)罩出口閥門的完全關(guān)閉，電渣爐內(nèi)保護(hù)罩的下方壓力也會(huì)相應(yīng)增大。比如說(shuō)當(dāng)進(jìn)氣流量增大到2.8m3/s時(shí)，電渣爐內(nèi)保護(hù)罩的下方壓力會(huì)處于最均勻分布狀態(tài)，基本上可維持在20KPa ～ 130KPa范圍內(nèi)，此時(shí)是完全符合氣氛保護(hù)電渣爐正壓工藝要求的，同時(shí)近期流量也會(huì)進(jìn)一步增大到3.0m3/s左右。而如果渣面深度在1m左右時(shí)，可將保護(hù)進(jìn)氣流量設(shè)置在2.8m3/s左右[3]，主要用于維持爐內(nèi)設(shè)定壓力。

氣氛保護(hù)電渣爐的氣體保護(hù)罩的壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)特征明顯，它的保護(hù)罩與水平管道相互連通，水平管道則與豎直管道相互連通，豎直管道內(nèi)則設(shè)置有浮動(dòng)球體，要確保浮動(dòng)球體設(shè)置在密封環(huán)之上，構(gòu)建自動(dòng)化技術(shù)體系。根據(jù)自動(dòng)化技術(shù)體系應(yīng)用可將電渣爐氣體保護(hù)罩壓力融入到自動(dòng)控制系統(tǒng)中，如此可令氣氛保護(hù)電渣爐氣體保護(hù)罩內(nèi)外壓力差小于200Pa，此時(shí)浮動(dòng)球體會(huì)主動(dòng)下降，反之偏差如果超過(guò)200Pa則浮動(dòng)球體會(huì)主動(dòng)上升。在這里，電渣爐的氣體保護(hù)罩壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)一般應(yīng)用到了耐高溫?zé)o磁性材料所制作的空心球，其空心球能夠達(dá)到目標(biāo)壓力以上并自動(dòng)浮起，當(dāng)壓力不足時(shí)它還會(huì)繼續(xù)下落。為了進(jìn)一步明確其自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，還需要結(jié)合電流變換模塊、單片機(jī)、AD轉(zhuǎn)換器等等內(nèi)容展開(kāi)分析，它們都能在氣氛保護(hù)電渣爐保護(hù)氣氛優(yōu)化調(diào)整以及電渣熔化生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生重要作用。例如在單片機(jī)中它就采用到了單時(shí)鐘控制體系，設(shè)置周期為1T的系列單片機(jī)體系，它的功耗較低且速度較高，具有較強(qiáng)的抗干擾能力與兼容性，且內(nèi)部專用復(fù)位電流也具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

4 總結(jié)

經(jīng)過(guò)上述科學(xué)分析表明，針對(duì)氣氛保護(hù)電渣爐的保護(hù)氣氛優(yōu)化調(diào)整可實(shí)現(xiàn)對(duì)電渣熔化過(guò)程中氮含量的過(guò)渡增加。而如果對(duì)電渣爐內(nèi)的保護(hù)氣流場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可有效明確其內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的正確布局規(guī)律，再合理確定氣氛保護(hù)電渣爐保護(hù)罩壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)的進(jìn)出口壓力與保護(hù)氣供氣流量即可。