УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники, в частности к устройствам для управления электрическим режимом установок электрошлакового переплава постоянного и переменного тока с вертикально перемещающимся электродом.
Известно устройство для управления установкой электрошлакового переплава, снабженной водоохлаждаемым кристаллизатором с расположенными в нем выплавляемым слитком, шлаковой ванной и электродом, вертикально перемещаемым приводом, подключенным входом к выходу элемента сравнения, связанного первым входом с выходом задатчика напряжения, а вторым входом - с выходом датчика напряжения, подключенного к поддону кристаллизатора и электроду, также подключенным к выходу источника питания с датчиком тока (Системы управления печами электрошлакового переплава, Электротехнический справочник: В 4 т. Т.4. Использование электрической энергии / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г.Герасимова и др. - 8-е изд. исп. И доп.М.: Издательство МЭИ, 2002. - с.376-378).
шв
шв
шв
шв
шв
ос
Данное устройство, обеспечивая работу установки в различных режимах, включая старт установки, основной процесс переплава с постоянным током, вывод усадочной раковины, ликвидацию коротких замыканий и обрывов электрода, не обеспечивает сохранения неизменной структуры выплавляемого слитка. Это обусловлено тем, что для обеспечения в процессе переплава неизменной по высоте слитка структуры, необходимо поддерживать в течение всего процесса мощность, выделяемую в шлаковой ванне. Однако, в известном устройстве при стабилизации тока и напряжения на электроде и кристаллизаторе мощность, выделяемая в шлаковой ванне, определяемая напряжением на шлаковой ванне U и током I, протекающим по шлаковой ванне, т.е. Р=UI, изменяется в процессе плавки. Изменение мощности, выделяемой в шлаковой ванне, вызвано тем, что сигнал обратной связи по напряжению U, снимаемый с поддона кристаллизатора и штока электрода (снять сигнал обратной связи непосредственно со шлаковой ванны не представляется возможным из-за высоких температур в зоне плавления), отличается от напряжения шлаковой ванны.
ос
oc
шв
шв
к
э
с
п
к
э
с
ос
Действительно, из электрической схемы замещения следует, что сигнал обратной связи, определяемый выражением U=U-U-I (R+R+R), где: U - напряжение источника питания; R - сопротивление короткой сети (сопротивление подводящих кабелей и внутреннее сопротивление источника питания; R - сопротивление электрода; R - сопротивление слитка, зависит не только от напряжения шлаковой ванны, но и от падения напряжения на сопротивлении электрода и слитка. Падение напряжения на электроде и слитке можно было бы учесть и скорректировать сигнал обратной связи на эту величину при настройке системы, если бы сопротивления электрода и слитка не изменялись в процессе плавки. Однако, в процессе плавки сопротивление электрода и слитка изменяются, что приводит к изменению сигнала обратной связи U и, следовательно, к изменению мощности, выделяемой в шлаковой ванне.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в поддержании необходимой мощности, выделяемой в шлаковой ванне путем коррекции сигнала задания напряжения по температуре шлаковой ванны.
Технический результат, заключающийся в обеспечении неизменной по высоте слитка структуре выплавляемого металла, достигается тем, что известное устройство для управления установкой электрошлакового переплава с водоохлаждаемым кристаллизатором и вертикально перемещаемым электродом, содержащее первый элемент сравнения, выход которого подключен к входу привода вертикального перемещения электрода, а входом соединенного с выходом датчика напряжения, подключенного к поддону кристаллизатора и электроду, также подключенным к выходу источника питания с датчиком тока, задатчик напряжения, дополнительно содержит датчик температуры шлаковой ванны, задатчик температуры шлаковой ванны, второй элемент сравнения и сумматор, соединенный одним входом с выходом задатчика напряжения, выходом - со вторым входом первого элемента сравнения, причем второй вход сумматора подключен к выходу второго элемента сравнения, соединенного одним входом с выходом датчика температуры шлаковой ванны, а вторым входом - с выходом задатчика температуры.
Кроме того, в предлагаемом устройстве датчик температуры шлаковой ванны может содержать термопару, погружаемую в шлаковую ванну кристаллизатора. Такое выполнение предлагаемого устройства обеспечивает поддержание в процессе плавки постоянной мощности и, что особенно важно, температуры шлаковой ванны, независимость которой от длины электрода и слитка обеспечивает однородную структуру выплавляемого слитка по высоте. В свою очередь однородная структура слитка является гарантией сохранения требуемых свойств выплавляемого металла во всем объеме слитка.
На чертеже представлена функциональная схема устройства для управления установкой электрошлакового переплава.
Устройство для управления установкой электрошлакового переплава, включающей в себя водоохлаждаемый кристаллизатор 1 с расположенными в нем выплавляемым слитком 2, шлаковой ванной 3 и электродом 4, вертикально перемещаемым приводом 5, выполненным, например, в виде передающего механизма 6, двигателя 7 и преобразователя 8, содержит источник питания 9 с датчиком тока 10, первый элемент сравнения 11, второй элемент сравнения 12, сумматор 13, задатчик напряжения 14, задатчик температуры 15, датчик температуры 16 и датчик напряжения 17. Кроме того, датчик температуры может включать в себя термопару 18, погружаемую в шлаковую ванну кристаллизатора 1.
ШВ
oс
шв
Первый элемент сравнения 11 подключен выходом к входу привода 5, вторым входом - к выходу датчика напряжения 17, а первым входом - к выходу сумматора 13, соединенного одним входом с выходом задатчика напряжения 14, а вторым входом - с выходом второго элемента сравнения 12. Первый вход второго элемента сравнения 12 подключен к выходу задатчика температуры 15, а второй вход второго элемента сравнения 12 подключен к выходу датчика температуры 16. Конкретная реализация датчика температуры не изменяет существа предложения. Датчик температуры шлаковой ванны может быть выполнен как в виде физического устройства, например, содержать погружаемую в шлаковую ванну термопару 18, так и в виде вычислительного устройства, принцип реализации которого в рассматриваемом устройстве не раскрывается. Источник питания 9 установки электрошлакового переплава, содержащий датчик тока 10, подключен поддону кристаллизатора 1 и к штоку электрода 4, к которым одновременно подключен и датчик напряжения 17. Источник питания 9 обеспечивает протекание тока I по шлаковой ванне 3, а датчик напряжения 17 вырабатывает сигнал обратной связи по напряжению U, который используется для управления приводом 5 перемещения электрода 4. Мощность, выделяемая в шлаковой ванне 3 при протекании по ней тока I, обеспечивает плавление шлака, процесс переплава и формирование слитка, образующегося в водоохлаждаемом кристаллизаторе 1.
Устройство работает следующим образом.
Пуск установки проводят в режиме холодного или горячего старта. При холодном старте на поддон кристаллизатора устанавливают затравку из материала будущего слитка и засыпают холодный шлак. После чего опускают электрод и зажигают электрическую дугу, которая расплавляет шлак. После расплавления шлака установка переходит в рабочий режим. При горячем старте на дно кристаллизатора заливают расплавленный в другой печи шлак. При любом старте можно считать, что нормальный режим работы установки начинается с момента, характеризующегося наличием расплавленного шлака, поднятым на требуемую высоту электрода, при котором его конец находится в шлаковой ванне, и включенным состоянием системы регулирования напряжения шлаковой ванны.
ШВ
oc
oc
oc
шв
ос
ос
з
ос
з
При опущенном в шлаковую ванну электроде будет протекать ток I и возникнет напряжение обратной связи U. Если напряжение задания Uз, вырабатываемое на выходе задатчика напряжения 14, равно напряжению обратной связи U, то электрод будет находиться в неподвижном состоянии, что соответствует стационарному режиму переплава. По мере сплавления электрода или наплавления слитка напряжение обратной связи U будет изменяться. Если при заданном токе I напряжение U станет меньше заданного, т.е. U<U, то система управления включит привод на подъем электрода до установления равенства U=U. Увеличение напряжения на шлаковой ванне приведет к опусканию электрода и, следовательно, к уменьшению мощности выделяемой в шлаковой ванне.
oc
з
з
з
з
Как уже отмечалось выше, при использовании только системы стабилизации напряжения U обеспечить постоянство мощности, выделяемой в шлаковой ванне, невозможно из-за изменения в процессе плавки сопротивления электрода и слитка. Для поддержания мощности, выделяемой в шлаковой ванне, в предлагаемой системе введена коррекция задания напряжения U по температуре шлаковой ванны. Корректирующая связь работает следующим образом. Если температура шлаковой ванны, измеряемая датчиком температуры 16, равна заданному значению, вырабатываемому задатчиком температуры 15, то сигнал на выходе второго элемента сравнения 12, равный разности этих температур, будет равен нулю. При этом на сумматор 13 не будет поступать сигнал коррекции, система стабилизации напряжения шлаковой ванны будет поддерживать напряжение задания U. Уменьшение напряжения на шлаковой ванне, вызванное сплавлением электрода и наплавлением слитка, приведет при неизменном напряжении задания U к снижению мощности, выделяемой в шлаковой ванне. В этом случае сигнал на выходе датчика температуры станет меньше заданного значения температуры, что приведет к поступлению на вход сумматора 13 дополнительного положительного сигнала (сигнала коррекции), который увеличит заданное значение напряжения U. Увеличение задания напряжения вызовет работу привода на подъем электрода и, соответственно, увеличение мощности, выделяемой в шлаковой ванне, что в конечном итоге приведет к повышению температуры шлаковой ванны. Знак сигнала коррекции, поступающий на вход сумматора 13, изменится, если напряжение на шлаковой ванне увеличится (из-за уменьшения сопротивления электрода), что приведет к возрастанию выделяемой в шлаковой ванне мощности и повышению ее температуры. В этом случае отрицательный сигнал коррекции, поступающий на вход сумматора 13, уменьшит заданное значение напряжения и обеспечит работу привода на опускание электрода.
Как уже отмечалось, сигнал, пропорциональный температуре шлаковой ванны может быть получен с помощью физических приборов или вычислен по сигналам, снимаемым с датчиков тока и напряжения. Принцип реализации датчика температуры не оказывает влияния на описанную выше работу системы управления электрошлаковой установкой. Здесь рассматривается одна из возможных реализации датчика температуры шлаковой ванны, в которой использована постоянно погруженная в шлаковую ванну или периодически погружаемая термопара. Поскольку тепловые процессы в шлаковой ванне протекают медленно, то непрерывного измерения ее температуры не требуется.