Устройство управления процессом электрошлакового переплава

 

Использование: для управления процессом электрошлакового переплава. Цель изобретения - обеспечение положения расходуемого электрода на оптимальном заглублении в шлаковую ванну и снижение расхода электроэнергии при высоком качестве переплава. Устройство управления процессом электрошлакового переплава содержит печь, состоящую из кристаллизатора, электрода, шлаковой ванны, двигатель перемещения электрода с датчиком, узел контроля вращения двигателя электрода со счетчиками импульсов прямого и обратного хода, анализатор положения электрода, блок управления, датчик активной мощности, силовой трансформатор, переключатель ступеней напряжения, датчик тока, регулятор тока, пороговый переключатель, датчик напряжения, токовый измерительный трансформатор. 7 ил.

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для управления процессом электрошлакового переплава (ЭШП).

Известно устройство автоматического управления процессом электрошлакового переплава [1] в котором режимы переплава задаются в виде уравнений, описывающих изменение основных технологических параметров: тока, напряжения, мощности переплава, скорости переплава. Однако устройство не обеспечивает оптимального заглубления электрода в шлаковую ванну, что не позволяет сократить расход электроэнергии.

Известен способ регулирования работы установок ЭШП и устройство для его осуществления [2] которое обеспечивает работу ЭШП в зависимости от параметров электрических цепей расходуемого и нерасходуемого электродов, где в качестве регулирующих величин используются относительные электрические параметры.

Недостатки устройства повышенный расход электроэнергии ввиду сложности выбора оптимального режима работы печи и сложность устройства.

Наиболее близким техническим решением является устройство для регулирования работы печей ЭШП [3] которое регулирует работу печи ЭШП в зависимости от электрических параметров, а также от перемещения электрода.

Недостатки устройства повышенный расход электроэнергии, невозможность достижения оптимального заглубления электрода в шлаковую ванну.

Цель изобретения обеспечение положения электрода на оптимальном заглублении в шлаковую ванну и за счет этого снижение расхода электроэнергии при обеспечении высокого качества переплава.

Для достижения цели устройство управления процессом электрошлакового переплава содержит печь, блок управления первый выход которого соединен с последовательно включенными регулятором тока и двигателем электрода, третий выход соединен с последовательно включенными переключателем ступеней напряжения и силовым трансформатором, датчик активной мощности, первый вход которого подключен к измерительному трансформатору, второй вход соединен с низкой стороной силового трансформатора, а выход соединен с четвертым входом блока управления, датчик тока, вход которого связан с измерительным трансформатором тока, первый выход соединен с регулятором тока, а второй выход с пятым входом блока управления, узел контроля вращения двигателя электрода, вход которого связан с датчиком перемещения электрода, а первый и второй выходы соединены со счетчиками импульсов прямого и обратного хода электрода. Устройство дополнительно содержит анализатор положения электрода, пороговый переключатель тока, датчик напряжения, при этом входы анализатора положения электрода соединены со счетчиками импульсов прямого и обратного хода, а первый и второй выходы связаны с первым и вторым входом блока управления. Вход порогового переключателя соединен со вторым выходом блока управления, а выход порогового переключателя с третьим входом регулятора тока. Вход датчика напряжения соединен с низкой стороной силового трансформатора, а выход связан с третьим входом блока управления.

Использование в устройстве анализатора положения электрода позволяет в течение всей плавки вне зависимости от состояния короткой цепи электрошлаковой печи (длины инвентарной головки, количества сварных швов, степени зачистки места контакта электрода с зажимом электрической цепи) определить нахождение электрода в шлаковой ванне. Блок управления, получив информацию от анализатора, выдает команды в канал регулирования положения электрода с целью обеспечения его оптимального заглубления, которое определяется по исчезновению пульсаций тока переплава при его перемещении вниз от границы шлак-воздух, в результате чего обеспечивается минимальная величина тока. Пороговый переключатель тока обеспечивает максимальное быстродействие для сохранения оптимального положения электрода при переключении ступеней напряжения, что позволяет повысить КПД печи при работе на паровой части от экстремума электрической характеристики мощности.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается связями его элементов между собой, а также наличием новых элементов. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Проведенный анализ показал, что ни одно техническое решение из известного уровня техники не имеет признаков, аналогичных отличительным признакам заявляемого устройства. Это обеспечивает его соответствие критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена схема устройства управления; на фиг.2 и 3 временные диаграммы работы блока управления; на фиг.4 положения электрода в шлаковой ванне; на фиг.5 электрические характеристики печи для двух рабочих ступеней напряжения; на фиг.6 и 7 структурная схема алгоритма работы блока управления.

Устройство управления процессом электрошлакового переплава содержит печь, состоящую из кристаллизатора 1, электрода 2, шлаковой ванны 3, двигатель 4 перемещения электрода с датчиком, узел 5 контроля вращения двигателя электрода со счетчиками 6 и 7 импульсов прямого и обратного хода, анализатор 8 положения электрода, блок 9 управления, датчик 10 активной мощности, силовой трансформатор 11, переключатель 12 ступеней напряжения, датчик 13 тока, регулятор 4 тока, пороговый переключатель 15, датчик 16 напряжения, токовый измерительный трансформатор ТРШ1.

Блок 9 управления обеспечивает следующие функции: преобразование аналоговой и дискретной информации в цифровой код; проведение операций фильтрации и реализации апертурных алгоритмов для вывода паспорта плавки; хранение технологических массивов и информации о короткой сети каждой печи для управления процессом; задание в аналитическом виде уравнений для управления электрическим режимом и скорости плавления для каждой марки стали и используемого флюса, либо его сочетаний; обеспечение адаптивного алгоритма управления в зависимости от количества сварных швов, состояния контактов короткой сети; хранение технологической информации с целью дальнейшего анализа.

Алгоритм работы блока 9 управления, реализован в виде динамической цепочки программ, работающих в реальном масштабе времени.

Устройство управления процессом электрошлакового переплава работает следующим образом. После подачи напряжения на кристаллизатор 1 и электрод 2 с силового трансформатора 11 при соприкосновении электрода 2 со шлаком 3 через электрод и шлак протекает ток переплава и происходит разогрев шлака 3 выше температуры плавления электрода 2. Величина тока переплава устанавливается с помощью регулятора 14 тока, который воздействует на двигатель 4 перемещения электрода. Величина тока переплава регулируется с помощью подачи электрода 2 на определенную глубину в шлак 3. Контур обратной связи по току содержит датчик 13 тока, первый выход которого связан с первым входом регулятора 14 тока. Изменение напряжения на печи осуществляется через переключатель 12 ступеней напряжения. Подача расходуемого электрода 2 в шлак 3 контролируется узлом 5 контроля вращения двигателя. При движении электрода 2 вниз на первом выходе узла 5 контроля вращения двигателя формируются импульсы, количество которых пропорционально числу оборотов двигателя 4 перемещения электрода, которые поступают на вход счетчика 6 импульсов прямого хода. При движении электрода 2 вверх на втором входе узла 5 контроля вращения двигателя формируются импульсы, количество которых пропорционально числу оборотов обратного хода вращения двигателя 4 перемещения электрода. Эти импульсы поступают на вход счетчика 7 импульсов обратного хода. Двоичные значения счетчика 6 и счетчика 7 поступают в анализатор 8 положения электрода. Величина перемещения электрода 2 вычисляется путем суммирования состояния счетчика 6 импульсов прямого хода и счетчика 7 импульсов обратного хода, взятого с обратным знаком, что позволяет получить на первом выходе анализатора положения 8 информацию о перемещении электрода, которая поступает на второй вход блока 9 управления.

Блок 9 управления, в памяти которого хранятся заданные в аналитическом виде минимально и максимально возможные значения электрического режима и скорости наплавления, производит после включения печи опрос датчиков 10, 13, 16 электрических параметров и выдачу управляющих воздействий в каналы перемещения электрода на регулятор 14 тока и напряжения на шлаковой ванне через переключатель 12 ступеней напряжения. На диаграмме фиг.2 показана первая минута работы блока 9 управления от начала плавки; на фиг.3 с минутной разрешающей способностью показаны розжиг и фрагмент периода плавления. Цифрами обозначены: 1 включение печи; 2 опрос аналоговых датчиков 10, 13, 16; 3 выдача уставки по I (току); 4 выдача сигнала на переключение ступени напряжения; 5 опрос датчиков перемещения и оптимизации положения электрода; 6 вычисление скорости переплава и ее корректировка.

В режиме розжига последовательно происходит увеличение силы тока и повышение напряжения до получения максимально возможной для данного агрегата мощности. По окончании розжига каждую минуту происходит оптимизация положения электрода, каждые 10 мин производится вычисление скорости переплава и при необходимости производится ее корректировка.

Узел 5 контроля вращения двигателя выполняет функции: определяет величину перемещения электрода за промежуток времени Δ Т путем алгебраического суммирования импульсов прямого и обратного хода двигателя, на основании этой информации рассчитывается скорость наплавления слитка; позволяет определить положение электрода в шлаковой ванне в результате анализа величины обратного хода двигателя и выдать необходимую информацию в блок 9 управления.

Лучшая очистка металла электрода достигается при максимальном времени нахождения капли жидкого металла в контакте со шлаком. Это возможно только в том случае, если электрод находится в крайнем верхнем положении в шлаковой ванне при устойчивом электрическом режиме. Нахождение электрода в таком состоянии обеспечивается анализатором положения совместно с блоком управления. Одновременно при этом поддерживается минимальная величина тока переплава, что приводит к сокращению расхода электроэнергии, т.к. cos ϕ печи согласно фиг.5 увеличивается с уменьшением величины тока. При работе на низких напряжениях в правой области экстремума, что наглядно отражено на графике выделения активной мощности фиг.5, при переключении ступени напряжения пороговый переключатель производит ступенчатое изменение величины тока, что также приводит к снижению расхода электроэнергии.

Анализатор 8 положения обеспечивает выдачу в блок 9 управления информации о положении электрода. Блок 9 управления поддерживает его заглубление в соответствии с его оптимальным положением (фиг.4). Положение электрода по фрагменту а соответствует неустойчивому положению электрода, б оптимальному, в глубоко заглубленному. Эта функция реализована в блоке 9 управления следующим образом. После установления первоначального тока I_o происходит уменьшение тока переплава порциями на величину Δ I через промежуток Δ Т до неустойчивого положения электрода 2 на границе шлак-воздух. Анализатор 8 положения контролирует количество оборотов обратного хода.

Минимизация тока I переплава при заданной скорости определяется I_i+1 I_i (T_i+1-T_i)/ΔT˙ΔI если n ≅ n₁ (1) I_i+1 I_i, если n₁ < n < N (2)
I_i+1 I_i +(T_i+1-T_i)/ΔT˙2ΔI,
если n ≥ N, (3) где I_i и I_i+1 текущее и последующие значения тока переплава;
n₁ и N граничные значения зоны положения электрода 2 в шлаковой ванне 3.

Если n ≅ n₁, то на втором выходе анализатоpа положения 8 устанавливается отрицательное напряжение (нижняя граница), при n ≥ N₁ появляется положительный потенциал на втором выходе (верхняя граница). При оптимальном положении электрода 2 устанавливается нулевой потенциал. На первом выходе анализатора 8 положения выдается информация о перемещении электрода, на основании которой в блоке управления рассчитывается истинная скорость переплава
V_пер Δx/Δt˙α (х), где Δ х приращение перемещения электрода 2;
Δ t отрезок времени, через который контролируется приращение х;
α (х) геометрические параметры и плотность электрода 2 и кристаллизатора 1 печи.

Пороговый переключатель тока 15 обеспечивает изменение тока при ступенчатом переключении в соответствии с фиг.5, на котором показаны графики изменения потребляемой активной мощности Р_потр, мощности потерь Р_потерь, соsϕ для двух смежных ступеней, обозначенных индексами 1 и 2 на рабочем участке соответственно. В правой области экстремума пороговое изменение тока не приводит к снижению активной мощности на шлаковой ванне.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА, содержащее блок управления, первый выход которого соединен с последовательно соединенными регулятором тока и двигателем электрода, третий выход соединен с последовательно соединенными переключателем ступеней напряжения и силовым трансформатором, датчик активной мощности, первый вход которого подсоединен к измерительному трансформатору, второй вход соединен с обмоткой силового трансформатора, соединенной с электродом и кристаллизатором, а выход соединен с четвертым входом блока управления, датчик тока, вход которого соединен с измерительным трансформатором тока, первый выход соединен с регулятором тока, а второй выход - с пятым входом блока управления, узел контроля вращения двигателя электрода, вход которого соединен с датчиком перемещения электрода, а первый и второй выходы соединены со счетчиками импульсов прямого и обратного хода элеткрода, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит анализатор положения электрода, пороговый переключатель тока, датчик напряжения, при этом входы анализатора положения электрода соединены со счетчиками импульсов прямого и обратного хода, а первый и второй выходы соединены с первым и вторым входами блока управления, вход порогового переключателя соединен с вторым выходом блока управления, а выход - с третьим входом регулятора тока, вход датчика напряжения соединен с обмоткой силового трансформатора, соединенной с электродом и кристаллизатором, а выход - с третьим входом блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7