Способ управления переплавом в вакуумной дуговой печи

(5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ В ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ П (57) Существо предложени плавки периодически вычи значение длины дуги с задан ют рассогласование по длин щают электрод в сторону ег Измеряют напряжение печи рассогласования по длине пользуют это значение напр стве заданного. 2 ил.(71) Всесоюзный наи проектный инстиции и управления(56) Патент США М 3Изаксон-Демидуправление дуговыМ,: ВНИИЭМ, 1971, с. 17,ПЕРЕПЛАЕЧИя: в процляют текым. Опредуги. Перо уменьшепри равендуги нуля.яжения в М ессе ущее деля- емения, ствеИс- качеМ 1учно-исследовательскийтут. систем автоматизаБ.М,Миров143587, кл. 13-13, 1981.ов Ю.А. Автоматическоеми вакуумными печами. напряжением и заданным его АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к производству стали и сплавов методом вакуумнодугового переплава (ВДП).Известен и широко используется.в различных модификациях способ, основанный на возникающих, из-за шунтирования дуги каплями расплавленного металла, импульсах напряжения печи, в частности, на измерении частоты этих импульсов. Недостатком этого способа является зависимость частоты от режима переплава и химического состава электрода, особенно от, содержания в нем поверхностноактивных включений (элементов-модификаторов, таких как церий, лактан, кальций, магний и др,), от скорости переплава. Другим недостатком является низкое быстродействие йэ-за усреднения частоты, которая в силу зависимости от многих факторов постоянно колеблется, даже при постоянной длине дуги.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому решению является способ, заключающийся в поддержании заданного -тока печи и перемещении электрода до устранения рассогласования между выделенным среднимзначением.Недостатком способа является недостаточная точность регулирования, обуславливаемая неопределенностьюградиента напряжения по длине дуги и сопротивления цепи между точками измерения напряже- ния печи, Оба эти параметра изменяются по ходу переплава и не поддаются непосредственному контролю,Целью изобретения является улучшение качества выплавляемого слитка путем повышения стабильности процесса переплава.Исходя из технологической необходимости, питание ДВП осуществляют от регулируемых выпрямительных агрегатов. поддерживающих заданное значение силы тока дуги, обеспечивающее заданную массовую скорость переплава,В результате прохождения тока на печи (между точками изгиерения) возникает падение напряжения, которое можно представить состоящим из двух составляющих: падение напряжения на активном сопротивлении цепи вторичного токоподвода (шинный пакет, гибкие кабели, токоведущий шток, электрододержатель, расходуемыйТираж Подписноеного комитета по изобретениям и открыт035, Москва, Ж, Рауцская наб., 4/5электрод, контактные соединения) и напряжения дуги.Напряжейие печиО = Од+ 1 Вц, (1)где Оп - напряжение на печи; 5Од - напряжение дуги;Вц- сопротивление цепи вторичного токоподвода;д - ток дуги (печи).Йедостатки прбтотипа определяются 10тем, что обе составляЮщие выражения (1)непостоянньгв процессе переплава и неподдаются непосредственному контролю,а, следовательно, вносят ошибку в регулирование длины дуги. 15Сопротивление цепй изменяется в процессе плавки в основном эа счет сплавлениярасходуемого электрода; сопротивление которого меняется от 30 вначале до 5 процентов от Вц в конце переплава 20Напряжение дуги может быть представлено выражениемО,=А+ а .д, (2)где д - длйнадуги;А - константа данной йлавки, равная 25сумме анодного и катодного падения напряжения в дуге;й - коэффициент выражения.Из второго выражения видно, что второе его слагаемое зависит как от длины дуги, так и от величины тока, Зависимость отвеличины тока определяется наличием сопротивления дуги, отличного от нуля. В условиях ДВП это сопротивление невелико иопределяет слабо возрастающую вольтамперную характеристику печи. Учитывая технологическую особенность ДВП,заключающуюся в поддержании постоянной длины дуги, на что и направлено данноепредложение, и небольшую саму по себе 40величину сопротивления дуги, можно пре- .небречь зависимостью сопротивления, дугиот длины дуги и с достаточной для практических целей точностью считать сопротив-.ление дуги константой данной плавки, 45Исходя из вь 1 шеизложенного, выражение 92) может быть преобразовано в видОд=А+ 31 д+Вдд,(3)где 3 - продольный градиент Напряжениядуги. 50ВА - сопротивление дуги.Тогда с учетом (3) выражение (1) примет.: видОп = А+ Р д+ Вд 1 д+ Вцд,илиОп = А+ Р ,а"+ Впд,где сопротивленйе печи Вп = Вд+ ВцВеличина 3 в процессе плавки также меняется в некоторых пределах при измене(9) нии давления и химического состава атмосферы печи.Анализ выражения (4) показывает, что величины ф и Вп могут быть определены в результате специально организованных нескольких измерений тока и напряжения печи, величины которых контролируются на всех печах.Измерения должны проводиться при устойчивой работе печи, то есть, при отсутствии корбткого замыкания или разряда на кристаллизатор, что определяется горением дуги; длина которой не выходит за допустимые значения, лежащие ля различных печей в пределах от 10-20 до 30-50 мм. Таким образом, при отсутствии сигнала о форсированном перемещении электрода от регулятора и выработке решения о контроле длины дуги, блокируют перемещение электрода от регулятора и измеряют значения рабочего тока и напряжения печи д и Оп 1.Затем изменяют заданное значение тока д.зад, источника питания до величины 1 д 2, приблизительно 1,1-1,21 д 1, фиксируют значение Оп 2.Производят вычисления разности Оп 2 - Оп 1, КОтОрая В СООтВЕтСтВИИ С(4) будЕт раВНа Оп 2 - Оп 1,А+ ф-д+ Вп -1 д 2- А - ,81 д - Впд 1; (5) откуда Оп 2 Оп 1,д 2 д 1Затем форсированно увеличивают дли- ну дуги перемещением электрода на величину Лд, равную приблизительно 0,1-0,21 д.зад. (заданная длина дуги) и фиксируют дз и Опз Производят вычисления:Опз Оп 2 фЬ д откуда или с учетом того, что 1 дз д 2, т.к, питание печи осуществляется от источника токаПри известных значениях ф и Вп вычисляют текущее значение длины д дуги в соответствии с выражением, вытекающим из (4) О А - В.д. при Оп Опз и д ДЗд 2Сравнивают полученное значение с заданным, перемещают электрод на величину Ь 1 и одновременно устанавливают заданное значение тока д,зад.й.1 1 д,зад, - .;дгдето д,зад, - заданное значение длины дуги;1 д - значение длины дуги, вычисленное по вь ражению (8),Измеряют фактическое напряжение Оф печи и заканчивают коррекцию длины дуги 1 д установлением нового задания регулятору в виде напряжения печи Оп.зад равного измеренному значению Оф печиОп.зад. = Оп = Оф.печиРазблокируют перемещение электрода от регулятора и продолжают вести переплав до следующей коррекции длины дуги,На фиг. 1 приведена блок-схема устройства контроля междуэлектродного промежутка при ДВП, которое может быть использовано при реализации данного способа; на фиг. 2 (а) (б), (в), (г), (д)- последовательная совокупность субблоков, реализующих алгоритм блока 20,Устройство для контроля режима печи 1, содержащий электрод 2, слиток 3, водоохлаждаемые кристаллизатор 4 и поддон 5, шток 6, регулируемый источник 7 питания, состоит из блоков 8 - измерения положения штока (электрода), блока 9 - перемещения электрода (штока), датчика 10 напряжения печи, датчика 11 тока дуги (печи), задатчика 12 напряжения печи, задатчика 13 тока дуги, элемента 14 сравнения, сумматора 15, реле 16, показьвающего прибора 17, сигнального табло 18, кнопки 19, блока 20 контроля.Устройство работает следующим образом.После наведения жидкой ванны и зажигания дуги блок 9 перемещения электрода переходит на управление от сигнала на его первом входе. При этом, так как и в начальный момент реле 16 отключено, на печи устанавливается режим, соответствующий заданному от задатчика 13 току дуги и от задатчика 12 напряжения дуги, которое поддерживается изменением величины между- электродного промежутка (длины дуги). Табло 18 гори, означая необходимость корректировки показаний прибора 17, Прибор 17, показывающий величину междуэлектродного промежутка, в этот (первый) момент работы дает нулевые показания, но табло горит. Затем, по ходу переплава, алгоритм работы данного устройства предполагает периодическую коррекцию показаний прибора 17, начинающуюся по нажатию плавильщиком кнопки 19,При этом табло 18 гаснет, срабатывает реле 16, в результате чего прекращаются перемещения электрода по сигналу элемента 14 сравнения, Блок 20 контроля считывает значения положения электрода 1, тока 1 и напряжения 01 печи от блока 8 измерения положения штока О, эгектрода 2, датчики 11(2)и переходит к периодическому определению текущей величины междуэлектродногопромежуткапо значению текущего напряжения Оп печи на втором входе и текущеготока 1 О дуги на третьем входе в соответствиис выражением:- + - , . З,40 где А - константа плавки;О=О;1=1 ди его выводу на прибор 17 с четвертого выхода,После завершения одного периода кор 45 ректировкии до следующего периода поинформации о текущих значениях Оп и 1 дпроизводится непрерывный подсчет длиныдуги по выражению (8).Блок 20 через заданное время 1 после50 отключения реле 16 зажигает табло 17 иначинает в периоде определения и выводазначения междуэлектродного промежуткаконтролировать (опрашивать) состояниекнопки 19. При нажатии кнопки цикл работыблока 20 повторяется, начиная с гашениятабло 18,При горении табло 18 и инициативе плавильщика по уточнению величины между- электродного промежутка, которое 5 10 15 20 25 тока дуги и датчика 10 напряжения печи соответственно с первого, третьего и второго своих входов, запоминает, эти значения, а затем с третьего выхода на второй вход элемента 15 сравнения выдает сигнал 0,21, и на вход источника 7 питания поступает результирующее значение элемента 15 - 1 + 0,211. После чего блок 20 контроля с третьего и второго входов считывает значения 12 и 02 тока дуги и напряжения печи, запоминает эти значения и с первоговыхода выдает сигнал на второй вход блока 9 на перемещение электрода вверх на форсированной скорости до достижения электродом положения 2 =1+ В, По достижениюдлины 12 блок 20 снимает сигнал с первого своего выхода, считывает информацию о положении электрода - 1.2, напряжение Оз печи и токе 1 з дуги, запоминает эти значения и выдает сйгнал с первого выхода на форсированное перемещение электрода вниз до значения его положения, равного 11 после чего отключает реле 16 снятием сигнала со второго своего выхода; Затем блок 20 контроля производит вычисления значений сопротивления печи Йп и,градиента напряжения печи 3 по выражениюО 2 - О 1,1015 20 ремещение вверх); 30 35 дуги); 45 50 производится при ровном стабильном ходепечи, он нажимает кнопку 19, блок 20 производит указанные операции и через 30 сек.плавильщик может считать с прибора 17уточненное значение длины дуги, На основании этих показаний плавильщик можетоткоррректировать длинудуги, изменяя сигнал задатчика 12 и следя за показаниями,прибора 17, Показания прибора 17 являются доверительными пока не горит табло 18.Для работы блока 20 в него в качествепостоянных плавки должныбыть введенызначения А - равного сумме катодного ианодного падения напряжения дуги, 1- равного времени переплава примерно 100 ммэлектрода, В - равного 0,2 величины требуемого междуэлектродного промежутка.Сумматор, реле, показывающий прибор, сигнальное табло, кнопка являются широкораспространенными элементами и ихреализация не вызывает затруднений. В качестве блока контроля может быть исполь-зовано вычислительное устройство (микро,мини ЭВМ, нестандартное устройство) иликонтролер типа Ремиконт или Ломиконт. Алгоритм работы блока контроля приведен нафиг. 2.Перечень субблоков блока 20 контроля,соответствующий алгоритму его работы;представлен на фиг. 2 (а), (б) и (в). Реквизитыалгоритма описаны в таблице.Алгоритм работы блока 20 инициируется и рй его включении. При этом производятся действия в следующем порядке. - . См,фиг.2(а).Блок 21 алгоритма устанавливает нулевой сигнал на втором выходе(реле 16 отключено);Блок 22 устанавливает нулевой сигналначетвертом выходе (прибор 17 показываетноль);Блок 23 устанавливает нулевой сигнална первом выходе (отсутствйе команды наперемещение электрода);Блок 24 устанавливает единичный сигнал на пятом выходе (табло 18 загорается);Блок 25 проверяет; есть лина четвертомвходе сигнал (нажата ли кнопка 19), еслинет - то через блок 26, осуществляющийвыдержку времени, проверка повторяется,если - да, то алгоритм переходит к блоку27;- см.фиг. 2(б),Блок 27 устанавливает на пятом выходенулевой сйгнал (табло 18 гаснет);Блок 28 устанавливает на втором выходе единичный сигнал (реле 26 включается,прекращая перемещение электрода);Блок 29 запоминает (значение 1) текущее значение сигнала на третьем входе (ток.печи); Блок 30 запоминает (значение 01) текущее значение сигнала на втором входе (напряжение печи);Блок 31 запоминает (значение1) текущее значение сигнала на первом входе (положение электрода);Блок 32 устанавливает на третьем выходе значение сигнала, равное 0,21(ток дуги(увеличивается на 0,21); Блок 33 осуществляет выдержку времени (на время переходного процесса в цепях печи),Блок 34 запоминает (значение 2) текущее значение сигнала на третьем входе (ток дуги); Блок 35 запоминает (значение 02) текущее значение сигнала на втором входе (напряжение печи); . Блок 36 устанавливает на первом выходе сигнал плюс единица (электрод перемещается вверх);Блок 37 проверяет, достигло ли значение положения электрода величины равной 2" 1+ В, если нет - то через блок 38, осуществляющий выдержку времени, проверка повторяется; если - да, то алгоритм переходит к блоку 39;Блок 39 устанавливает на первом выходе нулевой сигнал (электрод прекраЩает пеБлок 40 осуществляет выдержку времени(на время переходного процесса в цепях печи); Блок 41 запоминает (значение 3) текущее значение сигнала на третьем входе(ток Блок 42 запоминает (значение Оз) текущее значение сигнала на втором входе (напряжение печи);Блок 43 запоминает (значение 2) текущее значение сигнала на первом входе 1 (положейие электрода); Блок 44- см.фиг, 2(в), устанавливает на первом выходе сигнал минус единица (электрод перемещается вниз цо1); Блок 45 проверяет, достигло ли значение положения электрода величины равной1, если нет - то через блок 46, осуществляющий выдержку времени, проверка повторяется, если - да, то алгоритм переходит к блоку 47; Блок 47 устанавливает на втором выходе нулевой сигнал (реле 16) отклоняется); Блок 48 устанавливает значение времени, прошедшего от последней коррекции показаний, равное нулю;Блок 49 определяет и запоминает значение сопротивления печи Рп,Блок 50 определяет и запоминает значение градиента ф дуги;Блок 51 осуществляет выдержку времени (на время переходного процесса в цепях печи);Блок 52 определяет, запоминает и выводить на четвертый выход(на показывающий прибор 17) значение величины междуэлектродного промежутка (длиные дуги), определенное по текущим значениям сигналов на втором и третьем входах (напряжение и ток печи);Блок 53 проверяет, не достигло ли значение времени, прошедшего от последней коррекции показаний, заданной величины, если нет - то через блок 54, осуществляющий выдержку времени, и блок 55, осуществляющий отсчет времени, алгоритм возвращается на периодическое определение блоком 52 значения междуэлектродного промежутка и проверку блока 53, если - да, то алгоритм переходит к блоку 56;Блок 56 устанавливает на пятом выходе единичный сигнал (зажигает табло 18);Блок 57 проверяет, равен ли сигнал на четвертом входе единице (нажата ли кнопка 19), если - нет, то алгоритм возвращает на выполнение блоков 54, 55, 52, 53, 56, если - да, то алгоритм переходит к блоку 27 - фиг, 2 (б), и процесс повторяется, начиная с блока 27.Таким образом, приведенные технические решения позволяют повысить стабильность процесса вакуумного переплава и, тем самым, качество получаемого металла.Формула изобретенияСпособ управления переплавом в вакуумной дуговой печи, при котором зажигают дугу, измеряют текущее значение тока, 5 сравнивают его с заданным, определяют рассогласование по току и изменяют напряжение регулируемого источника питания в сторону уменьшения рассогласования по току, измеряют напряжение печи, определя ют его среднее значение, сравнивают среднее значение напряжения печи с заданным, определяют рассогласование по напряжению и.перемещают электрод в сторону уменьшения рассогласования по напряже нию, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения качества выплавляемого слитка путем повышения стабильности процесса переплава, периодически вычисляют текущее значение длины дуги по формуле 20 Оп - А - Йп - д-д где Оп - напряжение печи; Вп - сопротивление печи; 1 д - ток дуги; 25 Р - градиент дуги;А - постоянная данной плавки, сравнивают текущее значение длины дуги с заданным, определяют рассогласование по длине дуги, перемещают электрод в сторону 30 его уменьшения, измеряют напряжение печи при равенстве рассогласования по длине дуги нулю и используют зто значение напряжения в качестве заданного.