Лекция 16 - Система автоматического регулирования тепловым режимом дуговой сталеплавильной печи и установки внепечной обработки стали «Печь-ковш».

Автоматизация процессов внепечной обработки стали

Доводка стали в ковше

Структурная схема системы управления доводкой стали в ковше по­казана на рис.V1.21. В состав АСУ входит автоматизированная сис­тема аналитического контроля состава металла 2, которая осуществ­ляет анализ отобранных зондом V проб металла, а также использует результаты измерения этим зондом температуры и окисленности ме­талла. Данные от системы аналитического контроля вводятся в ЭВМ 4 автоматически или вручную.

На основании этих данных и заданного состава стали ЭВМ рас­считывает необходимое количество добавок в ковш и выдает задание САУ дозированием и подачей сыпучих материалов и ферросплавов 3. Система включает вибропитатели под соответствующими бункерами II, откуда легирующие добавки поступают в дозатор III, который взвешивает добавки. После набора заданного количества добавок по команде системы открывается затвор дозатора и добавки выгружа­ются в ковш.

Продувка металла порошкообразными материалами (карбидом кальция, силикокальцием, известью, шпатом и др.) позволяет осуще­ствить высокую степень десульфурации стали, а продувка аргоном дает возможность усреднить химический состав и температуру ме­талла. ЭВМ рассчитывает количество порошкообразных материалов для получения заданного содержания серы в стали, время продувки, а так же количество аргона и выдает задание САУ продувкой аргоном и порошками 1, которая осуществляет регулирование и выдает ко­манду на прекращение продувки после подачи соответствующего количества порошкообразного материала или аргона.

Вакуумирование стали

В установках порционного вакуумирования порция металла засасывает­ся в вакуум-камеру через огнеупорный патрубок, погружаемый в металл, за счет вакуума, создаваемого вакуумным пароэжекторным насосом. Масса поступающего в вакуум-камеру металла за один цикл должна составлять не менее 10 % от общей массы металла в ковше. В процессе вакуумирования вакуум-камера перемещается в крайнее нижнее положе­ние и при этом порция металла поступает в камеру и там дегазируется. При последующем движении вакуум-камеры вверх сталь выливается обратно в ковш и при этом интенсивно перемешивается.

Один цикл, включающий наполнение и опорожнение вакуум-камеры, продолжается от 15 до 30 с. Число необходимых циклов за­висит от марки стали и изменяется от 40 - 45 до 60 - 65. Перед нача­лом вакуумирования футеровка вакуум-камеры нагревается системой электрообогрева до 1400 - 1500 °С, что сокращает потери тепла ме­таллом.

Структурная схема системы управления процессом порционного вакуумирования показана на рис. VI.22. В процессе вакуумирования ЭВМ получает данные от контрольно-измерительных приборов (КИП) о температуре, окисленности и составе стали (путем анализа отобранной из ковша пробы металла), а также о величине вакуума, положении вакуум-камеры, массе добавок и металла в ковше.

По этим данным, а так же по заданному составу стали ЭВМ рассчитывает массы добавок в ковш, верхнее и нижнее положение вакуум-камеры. АСУ процессом вакуумирования выполняет сле-дующие функции: контроль массы металла в ковше; контроль и управление подачей легирующих добавок; управление подъемом и опусканием вакуум-камеры; управление электроподогревом ваку­ум-камеры; управление вакуумным насосом; контроль параметров вакуумирования.

Состав стали определяют после проведения заданного числа циклов перед подачей раскислителей и легирующих добавок, кото­рые поступают в вакуум-камеру через специальный шлюз без нару­шения вакуума. Добавки поступают за несколько циклов. После окончания введения добавок проводят еще 4-5 циклов для выравни­вания состава и температуры металла в ковше.

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.

Второй принцип реализуется в более сложной двухканальной программной системе регулирования сопротивления шлаковой ван­ны R_ш.в. (или силы тока I) и скорости плавления электрода vэл. Систе­ма (pис.VI.24) выполнена с использованием тиристорного регулятора АРШМТ Чебоксарского электроаппаратного завода.

Фактическая скорость плавления электрода сравнивает­ся с задаваемой программным устройством 2ПУ и при наличии от­клонения блок управления БУ дает команду переключателю ступеней напряжения ПСН изменить напряжение Uп на одну или две ступени, что приводит к изменению подаваемой мощности, определяющей скорость плавления.

Естественно, что в современных условиях рассмотренные и более сложные принципы управления печами ЭШП могут быть реализова­ны с использованием ЭВМ или регулирующих микропроцессорных контроллеров.

Так, Чебоксарский электроаппаратный завод выпускает шкаф ШПД-970Х для программного управления переплавными печами с применением микро-ЭВМ. Шлак реализует следующие алгоритмы:

расчет перемещения электрода, расчет скорости плавления, рас­чет длины и массы слитка, расчет сопротивления шлаковой ванны Rш.в., автоматическое начало плавки, установка электрода в заданное положение и определение начального значения Rш.в., проведение пе­риода прогрева электрода по заданной программе, стабилизация заданных значений сопротивления шлаковой ванны и скорости плав­ления, программное изменение режима во время плавки, расчет рас­хода электроэнергии, автоматическое окончание плавки, документи­рование плавки.

Применяются и более сложные системы регулирования, в кото­рых заданные значения силы тока и напряжения корректируются по фактической скорости наплавления слитка, определяемой по скоро­сти подъема кристаллизатора (в установках ЭШП другой конструк­ции) при постоянном уровне жидкого металла, измеряемом индукци­онным датчиком.ν