[科普中國]-電渣重熔自動控制

電渣重熔自動控制(computer control of ESR process)是指整個電渣重熔過程中的給電引燃、穩(wěn)定重熔及補縮等均由計算機按照給定程序加以控制的技術(shù)。同時在重熔過程中，計算機監(jiān)視整個設(shè)備的運行情況，記錄重熔過程的有關(guān)參數(shù)。

簡介電渣重熔自動控制(computer control of ESR process)是指整個電渣重熔過程中的給電引燃、穩(wěn)定重熔及補縮等均由計算機按照給定程序加以控制的技術(shù)。同時在重熔過程中，計算機監(jiān)視整個設(shè)備的運行情況，記錄重熔過程的有關(guān)參數(shù)。

在電渣重熔過程中，為保證重熔過程穩(wěn)定，并獲得良好的鋼錠質(zhì)量。要進行一系列的操作：

(1)按預(yù)先確定的參數(shù)控制輸入功率、重熔電流及電壓，在輸入功率確定后，電流I和電壓V的關(guān)系符合歐姆定律V=IR，重熔電流和電壓的變化通過調(diào)節(jié)渣池電阻R來控制。渣池電阻則是由電極在渣池中的插入深度即電極和鋼錠間的距離來調(diào)節(jié)。在重熔過程中，電極不斷熔化，使電極在渣池中的位置發(fā)生變化即渣池電阻發(fā)生變化，從而使重熔電流或電壓發(fā)生變化，通過不斷地向渣池中輸入電極，保持這些參數(shù)穩(wěn)定。

(2)在重熔過程中，為獲得良好的鋼錠凝固質(zhì)量，隨著重熔的進行，要調(diào)節(jié)輸入功率、重熔電流和電壓，控制熔化速度。

(3)在重熔過程中，為避免渣池電阻發(fā)生變化，要控制電極在渣池中的位置保持穩(wěn)定以維持極間距不變。

由操作人員用手工完成這些操作有一定的難度，很難保證穩(wěn)定的電渣鋼錠質(zhì)量。當(dāng)采用自動控制時，則很容易準(zhǔn)確地進行有關(guān)操作，由計算機對重熔過程的參數(shù)如電極熔化速度，重熔電流、電壓等進行檢測，將它們與預(yù)先給定的參數(shù)進行比較，然后給出操作指令對重熔過程進行控制。由于計算機系統(tǒng)可以高速準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)和給出結(jié)果，在重熔過程中消除了人為因素的影響，保證了電渣重熔結(jié)果的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性，從而有效地保證電渣重熔鋼錠的質(zhì)量1。

理論基礎(chǔ)電渣重熔自動控制是以電渣重熔過程數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的，通過模型對電渣重熔過程的模擬，得到重熔過程的變化規(guī)律，找出控制參數(shù)的最佳值，以此作為控制重熔過程的標(biāo)準(zhǔn)。

1.熱傳輸模型

描述電渣重熔結(jié)晶器系統(tǒng)熱狀態(tài)的模型。其研究始于60年代末，隨著研究技術(shù)的發(fā)展，該模型不斷完善。電渣重熔過程中，整個結(jié)晶器系統(tǒng)處在電磁場中，熔渣和金屬烙池在電磁力的作用下發(fā)生運動，其熱傳輸包括傳導(dǎo)傳熱和對流傳熱。

2.凝固模型

通過求解可以從理論上了解電渣鋼錠的組織結(jié)構(gòu)。從熱傳輸模型可以得到銘錠中的溫度分布，帶入所重熔金屬的物理參數(shù)可得出重熔過程中金屬熔池的形狀及鋼錠凝固的有關(guān)凝固參數(shù)，如局部凝固時間、凝固速度、兩相區(qū)寬度等。由金屬熔池的形狀可以推測出鋼錠凝固時晶粒的生長方向。將金屬的有關(guān)物理參數(shù)及晶粒尺寸的有關(guān)方程與重熔過程的熱傳輸棋型結(jié)合即得到了預(yù)測電渣重熔金屬錠凝固組織的凝固模型。

3.電渣重熔過程控制的目標(biāo)參數(shù)

調(diào)整電渣重熔過程的工藝參數(shù)，如輸入功率、重熔電流和電壓，其最直接的反映就是電極熔化速度的變化；通過熱傳輸棋型和凝固模型可以從理論上直接得到電極熔化速度對鋼錠組織的影響；實驗研究得出影響電渣重熔鋼錠質(zhì)量的主要因素是重熔過程中電極的熔化速度；另外電極熔化速度也是影響電渣重熔生產(chǎn)率和電能消耗的一個重要因素。所以取電渣重熔中電極的熔化速度為重熔過程控制的一個目標(biāo)參數(shù)。

在電渣重熔過程中，為保持重熔過程穩(wěn)定，并能夠?qū)χ厝圻^程輸入功率進行有效的控制，需要保持渣池電阻的穩(wěn)定，電極在渣池中插入深度的變化會使渣池電阻發(fā)生變化，從而對重熔過程及鋼錠質(zhì)量造成一定的影響。因此在電渣重熔過程中保持電極插入深度的穩(wěn)定也是過程控制的一個目標(biāo)參數(shù)。

4.過程控制原理

以電極熔化速度和電極在渣池中的位置作為控制的目標(biāo)參數(shù)。根據(jù)重熔鋼錠的質(zhì)量要求解析模型得到重熔過程的電極熔化速度。以此為設(shè)定值輸入計算機。重熔過程中通過傳感器測取實際熔化速度，由計算機將其與設(shè)定值進行比較運算。并將所需要的電流或電壓的調(diào)節(jié)值輸入控制設(shè)備，對重熔過程進行調(diào)節(jié)，使電極熔化速度保持在給定值。同時對測取的電極位置信號進行運算比較，給出調(diào)節(jié)值到電極驅(qū)動機構(gòu)使電極在渣池中維持穩(wěn)定的插入深度2。

系統(tǒng)組成由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件構(gòu)成。系統(tǒng)硬件的中心是一臺計算機，通過各種傳感器獲取必要的數(shù)據(jù)，按照系統(tǒng)軟件的要求進行運算并給出結(jié)果。

1.確定熔化速度

電極的熔化速度有兩種檢測方法：

(1)位移法。通過檢測電渣重熔過程中單位時間電極的位移量，換算出熔化速度。采用這種方法對電極質(zhì)量要求較高，要求電極密度均勻且外形尺寸規(guī)則，電極內(nèi)不能有疏松或縮孔，否則會給熔速計算帶來誤差，影響控制的準(zhǔn)確性。電極的位移信號由驅(qū)動電極的同步電機給出。

(2)重量法。通過測取電渣重熔過程中單位時間電極或鋼錠重量的變化得到熔化速度；通過重量傳感器獲得重量信號。重量傳感器安裝在不同位置，可分別得到電極或鋼錠的重量。將傳感器安裝在電極夾頭處可得到電極的重量，這種方法要注意對檢測信號的有效屏蔽，因為電極夾頭是重熔電流的必經(jīng)之處，安裝在此處的傳感器處于強電磁信號的干擾之中。將重量傳感器安裝在底板處可得到鋼錠的重量，采用這種方法要注意避免重熔過程中溢出的液渣、金屬或結(jié)晶器及底板中的冷卻水損壞傳感器。

2.控制電極位置

一種有效地控制電極插入渣池深度的方法稱為電壓擺動控制。研究表明當(dāng)電極位于渣池表面附近時，電極在渣池中位置的細(xì)小變化都會造成渣池電阻的較大變化。由歐姆定律可知，當(dāng)重熔電流一定時渣池電阻的變化可以造成重熔電壓的波動，在電渣重熔自動控制中就是利用這一研究結(jié)果，通過電壓的擺動信號將電極控制在渣池中的適當(dāng)位置。

3.其他硬件

系統(tǒng)中還包括檢測重熔電流、電壓、冷卻系統(tǒng)水溫及其他附屬設(shè)備有關(guān)參數(shù)的硬件裝置。

4.自動控制軟件

為電渣重熔自動控制編制的程序，是控制系統(tǒng)的重要組成部分，是理論計算分析的結(jié)果。隨電渣重熔過程的進行，電極的長度由于熔化而發(fā)生變化，結(jié)晶器系統(tǒng)的熱狀態(tài)也會發(fā)生變化，電極熔化速度逐漸升高，造成金屬熔池加探，鋼錠的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。為避免這一問題，在重熔過程中要逐漸降低輸入功率，維持電極熔化速度不變或逐漸減小。按照獲得均勻穩(wěn)定的鋼錠結(jié)構(gòu)的要求，由模型計算得到重熔過程電極熔化速度的變化曲線，將其輸入計算機系統(tǒng)，則系統(tǒng)以該熔化曲線為標(biāo)準(zhǔn)對重熔過程進行控制。整個電渣重熔過程分3個階段：在給電引燃階段宜采用最大功率，使結(jié)晶器中盡快形成金屬熔池，保證鋼錠底部質(zhì)量，在正常重熔階段輸入功率需保持穩(wěn)定并略有降低；在補縮階段應(yīng)明顯降低翰入功率。直至重熔結(jié)束。

對于不同的鋼種，電渣熏熔時電極熔化速度的取值也不相同，要由棋型按照所要求的鋼錠結(jié)構(gòu)解析出電極熔化速度曲線。再根據(jù)設(shè)備情況編制出具體的控制程序。將重熔不同鋼種，不同規(guī)格鋼錠的控制程序組合起來就構(gòu)成了電渣重熔自動控制系統(tǒng)的控制軟件包。

電渣重熔自動控制系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確地控制重熔過程，而且能對重熔的各參數(shù)進行詳細(xì)記錄，為改進工藝提供依據(jù)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，電渣重熔自動控制系統(tǒng)的功能將不斷完善3。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)