Принципы построения системы управления электрическим режимом установки импульсно-электрошлакового переплава

621.365.22

А.В. АБРАМОВ, АН. ИЛЬГАЧЕВ

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ УСТАНОВКИ ИМПУЛЬСНО-ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА

Ключевые слова: шлаковая ванна, импульсно-электрошлаковый переплав, система управления.

Дан сравнительный анализ технологических особенностей процесса импульсно-электро-шла-кового переплава, на основании которого сформулированы принципы построения системы управления электрическим режимом установки импульсно-электрошлакового переплава. Приведён пример реализации системы управления и описана работа её блоков, предназначенных для измерения частоты образования капли на интервалах протекания тока электрода и бестоковой паузы.

A.V. ABRAMOV, A.N. ILGACHEV PRINCIPLES FOR BUILDING THE IMPULSE-ELECTROSLAG REMELTING SET ELECTRICAL MODE CONTROL SYSTEM Key words: slag bath, impulse-electroslag remelting, control system.

The article gives the comparative analysis of the technological peculiar properties of the impulse electroslag remelting process, on the basis of which principles for building the impulse-electroslag remelting set electrical mode control system are stated. A control system realization example is given here and operation of its units intended to measure frequency of creating a drop during flowing electrode current and dead time intervals is described.

Экспериментальные исследования, результаты которых приведены в [1, 7], позволили установить особенности формирования капли расплавленного металла на торце электрода при его переплаве. Поведение жидкого металла на поверхности электрода при электрошлаковом переплаве несколько отличается от процессов, наблюдаемых при обычном тепловом расплавлении. Механизм формирования капли металла на оплавленной поверхности торца электрода в этом случае может быть представлен следующим образом.

Жидкий металл, стекающий по оплавляемой поверхности торца электрода, достигнув вершины конуса, под действием сил поверхностного натяжения собирается в каплю. Кроме этих сил на растущую каплю действуют гравитационные, электродинамические силы и силы трения, которые обусловлены движением шлакового расплава. Эти силы стремятся оторвать от электрода каплю, удерживаемую на его торце лишь силами поверхностного натяжения расплавленного металла. С ростом капли увеличивается равнодействующая гравитационных, электродинамических и вязкостных сил, а силы поверхностного натяжения уменьшаются вследствие увеличения температуры капли. Когда равнодействующая сил, отрывающих каплю от торца электрода, превысит равнодействующую сил поверхностного натяжения, происходит отрыв капли. Одновременно с воздействием на каплю, электродинамические силы действуют на расположенный плёночным слоем на торце электрода расплавленный металл, выжимая его на периферийные участки электрода, где он собирается в виде кольцевого утолщения. По мере увеличения массы жидкого металла в кольцевом утолщении он начинает двигаться с возрастающим ускорением по конусу электрода вниз, участвуя в формировании капли. После

отрыва капли часть металла, удерживаемая на электроде силами поверхностного натяжения, вновь растекается в виде плёнки по всей оплавляемой поверхности электрода и вместе с новой порцией оплавленного металла электродинамическими силами выжимается на его периферийные участки [2, 4]. Таким образом, действие электродинамических сил на расплавленный металл, расположенный плёночным слоем на конусе расходуемого электрода, замедляет процесс каплеобразования на его торце.

Применение импульсно-электрошлакового переплава (ИЭШП) [6] позволяет повысить скорость роста капли. Исследованиями установлено, что на интервале бестоковой паузы часть жидкого металла после отрыва капли от электрода, так же как и в случае ЭШП, растекается по его оплавляемой поверхности с небольшим смещением по отношению к вновь оплавляемому металлу [3]. В этот период электродинамические силы на жидкий металл плёнки не действуют, поэтому он не вытесняется к основанию конуса оплавления электрода, а вместе с новой порцией оплавленного металла стекает к его вершине, образуя каплю жидкого металла. В результате увеличивается линейная скорость роста капли металла на торце электрода, что положительно влияет на производительность переплава в целом [1]. Если в момент завершения формирования капли на интервале бестоковой паузы скачком изменить ток, то благодаря действию появившихся электродинамических сил произойдут отрыв и измельчение капли, в результате она лучше очищается в процессе прохождения через шлак.

В момент отрыва капли расплавленного металла от переплавляемого электрода, на огибающей кривой синусоидального рабочего тока установки ЭШП, протекающего по цепи электрод - шлаковая ванна - выплавляемый слиток, появляются скачкообразные изменения амплитуды тока [5]. Явление флуктуации амплитуды рабочего тока установки ЭШП объясняется тем, что в период формирования и роста капли происходит постепенное уменьшение межэлектродно-го промежутка на размер капли электродного металла. При этом сопротивление промежутка электрод-поверхность металлической ванны несколько уменьшается, что вызывает увеличение амплитуды тока установки. Во время отрыва и падения капли происходит скачкообразное уменьшение амплитуды тока. На интервале после падения капли в жидкую металлическую ванну и до возникновения следующей капли электродного металла амплитуда рабочего тока почти не изменяется. Зафиксировав с помощью соответствующих технических средств указанные скачкообразные изменения амплитуды рабочего тока установки ЭШП, можно с большой точностью определить моменты отрыва капель электродного металла от оплавляемого торца расходуемого электрода.

Анализ осциллограмм, полученных авторами и приведенных в [3, 4, 7], показал, что формирование капли для электродов диаметром до 0,2 м происходит в течение 4-5 периодов напряжения питающей сети промышленной частоты. Осциллограммы характеризуются плавным нарастанием огибающей кривой тока электрода, что соответствует росту капли. По огибающей кривой рабочего тока электрода можно с точностью до одного периода напряжения питающей сети определить момент завершения образования капли, что позволяет управлять

процессом формирования капли на торце расходуемого электрода на интервале бестоковой паузы ИЭШП. Экспериментально установлено, что формирование капли в бестоковую паузу происходит за время не более 0,08 с.

В соответствии со структурной схемой модели установки электрошлако-вого переплава, приведенной в [4], авторами проведено исследование изменения теплового состояния шлаковой ванны при импульсном изменении тока. Передаточная функция шлаковой ванны по температуре 9 ш имеет следующий вид:

Ж (р) = кр/ (1 + Тш р),

где Кр - коэффициент передачи; Тш - постоянная времени теплового процесса в шлаковой ванне.

Периодическое изменение вводимой в шлаковую ванну мощности на значение ДРш при ИЭШП приводит к периодическим колебаниям температуры шлаковой ванны.

Результаты анализа амплитуды колебаний температуры Д9ш при заданной температуре шлаковой ванны 9 ш = 1800 °С приведены в таблице

Диаметр слитка, м Тш , с Кр Д9ш,°С

0,1 42 0,17 2,0

0,15 72 0,145 1,5

0,2 110 0,13 0,5

Как видно из таблицы, импульсная модуляция мощности АРш с интервалом бестоковой паузы длительностью до 0,06-0,08 с приводит к незначительным колебаниям температуры шлаковой ванны.

На рис. 1 представлена блок-схема системы управления электрическим режимом установки ИЭШП, построенная на основе принципа синхронизации импульсов тока и процесса каплеобразования расплавляемого металла электрода.

Для понимания алгоритма работы системы управления электрическим режимом установки ИЭШП рассмотрим работу БИЧ1, БИЧ2 и АР блок-схемы. Сигнал с выхода датчика тока ДТ, идентичный по форме кривой /дТ тока электрода, поступает на вход выпрямителя ДВ. Выходной сигнал ЦдВ выпрямителя ДВ, показанный на рис. 2, представляет собой амплитудно-модулированные колебания рабочего тока промышленной частоты установки ИЭШП. Скачкообразные изменения амплитуды тока соответствуют моментам отрыва капель электродного металла от торца расходуемого электрода. Сигнал с выход выпрямителя ДВ поступает на вход амплитудного детектора АД, который выделяет (детектирует) сигнал огибающей кривой тока электрода из сигнала ЦдВ. Сигнал с выхода АД поступает на вход компаратора К1, напряжение срабатывания иП1 которого устанавливается таким, что срабатывание происходит с опережением не более чем 0,04 с момента появления «скачкообразного» изменения амплитуды рабочего тока электрода.

ш

-Г БИЧ2

І І БСЧ |-| ІР ЦАП АЦП

і І__________________________ ї2

Рис. 1. Блок-схема системні управления электрическим режимом установки ИЭШП: ТП - тиристорный переключатель; Т - трансформатор; БИУ - блок импульсного управления ТП; БИЧ1 - блок измерения частоты каплеобразования; БИЧ2 - блок измерения частоты каплеобразования на интервале паузы тока; ДТ - датчик тока; ДВ -двухполупериодный выпрямитель; АД - амплитудный детектор; К1, К2, К3, К4 - компараторы; ЭК - электронный ключ; ПИТ - параметрический источник тока; ИН - инвертор напряжения; АР - автоматический регулятор; ДН - датчик напряжения; ДАС -датчик активного сопротивления шлаковой ванны; БСУ - блок сравнивающего устройства; ГИ - генератор импульсов; БРИ - блок распределителя импульсов; РЦАП - реверсивный цифроаналоговый преобразователь; РЭ - расходуемый электрод; ТТТВ - шлаковая ванна; ДПРЭ - двигатель перемещения расходуемого электрода; РТП - реверсированный транзисторный преобразователь; АЦП - аналого-цифровой преобразователь

Рис. 2. Осциллограммы токов и напряжений на входе элементов БИЧ1 и БИЧ2

При превышении выходным напряжением иАД амплитудного детектора АД напряжения срабатывания иП1 компаратора К1 в момент времени ї\ на выходе последнего появляется импульс иКі, который поступает на второй вход блока импульсного управления БИУ. В результате на первом выходе БИУ появляется уровень логического нуля, который запрещает работу тиристорного переключателя ТП, и трансформатор Т отключается от питающей сети. При этом на втором выходе БИУ возникает уровень логической единицы, который посредством электронного ключа ЭК подключает параметрический источник тока ПИТ к участку цепи «электрод - шлаковая ванна - поддон». По мере формирования капли на торце расходуемого электрода на выходе инвертора напряжения ИН происходит формирование инвертированного сигнала иин, который содержит в себе информацию об изменении активного сопротивления шлаковой ванны Яш и, соответственно, о процессе каплеобразования на интервале бестоковой паузы. Этот сигнал поступает на вход компаратора К2.

Напряжение срабатывания иП2 компаратора К2 устанавливается таким образом, чтобы длительность интервала бестоковой паузы не превышала 0,08 с. В момент срабатывания компаратора К2 (момент времени ґ2) на его выходе появляется импульс иК2, который поступает на третий вход БИУ. В результате БИУ выдает сигнал на повторное включение тиристорного переключателя ТП. В момент включения тиристорного переключателя ТП в результате резкого возрастания электродинамических сил порция жидкого металла на конце электрода сбрасывается в виде очень мелких капель, которые лучше очищаются в процессе прохождения через шлак [1].

На кривой тока, протекающего в цепи расходуемого электрода, имеют место характерные «скачки» тока, зафиксировав которые с помощью блока измерителя частоты БИЧ1 образования капли электродного металла с высокой точностью определяются период и момент образования капли на торце расходуемого электрода.

Автоматический регулятор АР работает следующим образом. Выпрямленный сглаженный и согласованный по уровню сигнал с выхода датчика тока ДТ, пропорциональный току расходуемого электрода, поступает на первые входы датчика активного сопротивления ДАС и компаратора КЗ, а на их вторые входы - сигнал с выхода датчика напряжения ДН шлаковой ванны. ДАС формирует сигнал, пропорциональный активному сопротивлению шлаковой ванны Яш, который поступает на второй вход блока сравнивающего устройства БСУ, первый вход которого подключен к выходу К3. Сигнал задания из2, пропорциональный уставке сопротивления шлаковой ванны Лшз, поступает на третий вход БСУ. С выхода последнего сигнал рассогласования сопротивления шлаковой ванны ДЛш поступает на второй вход аналого-цифрового преобразователя АЦП, который совместно с БРИ и РЦАП формирует сигнал управления на входе РТП.

На интервалах бестоковой паузы с выхода ДАС на второй вход АЦП через БСУ поступает сигнал, равный нулю. На выходе АЦП сигнал управления равен значению сигнала с выхода БСУ в моменты отключения ТП. БРИ не работает, скорость перемещения расходуемого электрода остается постоян-

ной и межэлектродный промежуток также не изменяется, т.е. сопротивление шлаковой ванны остается без изменения.

Экспериментальная проверка автоматического регулятора показала его высокую эффективность. Погрешность определения момента образования капли жидкого металла на торце электрода как на интервале действия тока, так и в бестоковую паузу не превышает одного периода питающего напряжения промышленной частоты для электродов с диаметром от 0,04 до 0,15 м.

Проведенные на установке ЭШП-0,25ВГЛ эксперименты с использованием системы управления, построенной на вышерассмотренных принципах, позволили установить преимущества ИЭШП: обеспечение измельчения капли электродного металла в момент её отрыва, в результате она лучше очищается в процессе прохождения через шлак, что способствует более полной очистке металла электрода от неметаллических включений в слитке; увеличение линейной скорости роста капли жидкого металла на торце электрода на интервале паузы тока, что положительно влияет на производительность процесса переплава.

Литература

1. Боровский О.Б. Исследование процесса электрошлакового переплава с помощью рентгеновского излучения / О.Б. Боровский, И.С. Ивахненко // Методы и аппаратура для неразрушающих исследований металлов / Тр. ЦНИИТМАШ. М., 1966. С. 68-78.

2. Жмойдин Г.И. Гидродинамика течения металла с плавящегося в шлаке электрода // Восстановление и рафинирование железа / Г.И. Жмойдин. М.: Наука, 1968. С. 91-104.

3. Медовар Б.И. Металлургия электрошлакового процесса // Б.И. Медовар, А.К. Цикулен-ко, В.Л. Шевцов и др. - Киев: Наукова думка, 1986. 248 с.

4. Миронов Ю.М. Установки электрошлаковой металлургической технологии / Ю.М. Миронов. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. 408 с. (Сер. монографий «Современные электротехнологии». Т. 11).

5. Панин В.В. К вопросу о каплеобразовании и рафинировании при плавлении его в шлаке / В.В. Панин, И.С. Ивахненко // Металлы. Изв. АН СССР. 1971. № 2. С. 36-38.

6. Способ управления режимом работы установки электрошлакового переплава и устройство для его осуществления / А.В. Абрамов, Ильгачев А.Н., Михадаров Д.Г. Патент РФ № 2337979, МПК С 22В/18. Н05В7/142. Заявл. 22.01.2007. Опубл.: 10.11.2008, бюл.

7. Умерова Г.Д. Электродинамические силы, действующие на подплавленный металл на электроде при электрошлаковом переплаве / Г.Д. Умерова, Г.А. Вачугов // Современные проблемы электрометаллургии стали / ЧПИ. Челябинск, 1981. Вып. 263. С. 127-131.

АБРАМОВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ - заслуженный изобретатель Чувашской Республики, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных электро-технологических установок и систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (ANIKIL47@mail.ru).

ABRAMOV ALEKSANDR VASILIEVICH - well-deserved inventor of Chuvash Republic, candidate of technical sciences, lecturer of Automated Electro Technological Installations and Systems department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

ИЛЬГАЧЕВ АНАТОЛИИ НИКОЛАЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных электротехнологических установок и систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (ANIKIL47@mail.ru).

ILGACHJEV ANATOLY NIKOLAYEVICH - candidate of technical sciences, lecturer of Automated Electro Technological Installations and Systems department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.