电渣重熔炉自动控制系统设计实现

电渣重熔炉自动控制系统设计实现

王宏权 1 王逸昊 2

140108197310191957 140107200202281718 太原市冶金机械厂 山西太原 030000

摘要：电渣重熔工艺中，电极与渣池的距离直接决定自耗电极电流的大小，而电极驱动电机的转速则会对该距离带来影响。因此，测量电极的电流，依据增量式PID控制原理控制电机转速，确定适宜的PID参数，由此得到稳定性较好的电极电流，以保证设备的平稳运行和电渣重熔工艺的有效实现。

关键词：电渣重熔；自动控制系统；增量式PID；设计方法

电渣重熔技术以自耗电极为原料，将其置于水冷结晶器保护的渣池中，在通电状态下融化并重新结晶，经该变化后产生纯净的特殊钢和合金钢。电渣重熔生产效果得以保证的关键前提在于维持自耗电极的熔速的均衡性，以便熔池中非金属杂质的凝聚和上浮，进而有效处理滴落至液态渣池的精炼介质。

1. 电渣重熔工艺原理

在电渣重熔工艺的应用中，电流通过熔渣时产生电阻热，由此形成热源进而达到熔炼的效果。电渣重熔的主要作用在于提纯金属并得到致密且均匀性较好的钢锭。电渣钢锭的质量则受到生产设备运行性能和电渣重熔工艺形式两项关键因素的影响。电渣重熔的原理是：取适量熔融状态的炉渣，将其置于铜制冷水结晶器内，将自耗电极的一段插入熔渣内，配套短网导线和变压器，连同自耗电极、渣池、金属熔池、底水箱、钢锭，共同建立完整的回路。在通电状态下，渣池释放焦耳热，可见电极端头在此期间有熔化的现象，产生的熔融状态金属滴液落入结晶器内，由于水冷作用而在短时间内发生凝固，由此产生钢锭。经过钢-渣反应和高温气化后，原本存在于钢中的硫、铅、锡等有害元素被有效去除。液态金属由于得到渣池的覆盖，无法与外界环境接触，因此可避免再氧化的现象。液态金属在铜制水冷结晶器内发生动态变化（依次为融化、精炼、凝固），可实现对钢的有效防护，以免耐火材料对其造成污染。钢锭凝固前，金属熔池和渣池的存在有利于优化凝固条件，在保温和补缩作用下，确保产生的钢锭有足够的致密性。渣池在结晶器内壁产生薄渣壳，其同时具备绝缘、隔热、提升钢锭表面光洁度的多项作用，更多的热量向下部传递，可促进钢锭的定向结晶。在前述提及的反应机制下，电渣重熔产生的钢锭具有更高的品质，合金钢的塑性和冲击韧性也均有提升，钢材的耐久性较好。

2.电渣重熔炉自动控制系统设计方案

在电渣重熔工艺的实现过程中，自耗电极的电流值属于重点控制指标，该值主要由自耗电极与渣池的距离决定，而自耗电极驱动电机的转速则对该距离有决定性的影响。根据该作用关系，在本次设计中着重测量自耗电极的电流，将实测结果与设定值做对比分析，若实测值偏低，则提高电机转速，反之则降速。在该动态控制过程中，主要应用的是增量式PID控制原理，以保证电机转速的合理性。

3.控制系统的实现

控制系统的核心组成为：

（1）5A电流变送模块。基本功能在于将5A交流信号变换为工业仪表标准信号。电源为24V直流电，输入0～5A交流电，输出4～20mA直流电。

（2）单片机。以8051单片机为宜，原因在于其具有高速、稳定可靠、低功耗的特点，同时该单片机的适用性较强，指令代码可有效兼容该单片机。内部集成MAX810专用复位电路，得益于该电路的配置，可有效提升单片机的抗干扰能力，即便在某些干扰较强的场合也依然可稳定运行。

（3）AD转换器。较为适宜的是∑一△模数转换器，在低频交流测量和直流测量中具有可行性，3V时最大功耗为1mv，功耗较低，因此在电路供电、环路供电中均具有可行性。片内可编程增益放大器提供增益设置，在不配置外部信号调节硬件的条件下也可高效使用，例如有效接收低电平和高电平模拟输入。此外，该AD转换器还具有分辨率高、自校准能力强、动态范围宽等多项特点。

12位D/A转换器含2个输出通道，3线串行接口，能够实现与微控制器的连接。若存在数据传输需求，则由16位的数据组成一帧，具体包含两部分，即4位控制命令字和12位输出数据。DAC的可编程建立时间为日常调控提供了更加便捷的条件，设计人员能够有效优化速度与功耗分配，以达到相对均衡的状态。内置片的电压参考源可达到1mA的电流，具备作为系统参考源的条件，在此取用方式下，系统设计的复杂度有效降低。D/A转换器的主要特点为：供电电源为2.7～5.5V直流电；12位分辨率；可编程内部参考源；可编程速度；慢速模式和快速模式，分别对应3.5 s、１ s；差分非线性度＜0.5LSB。

（4）交流调压器。以智能单相调压器为宜，其具备安全防尘结构，操作和运行维护难度低，兼具单相调压、调功方式，还具备上电缓启动、散热器超温、过流保护等特点，在感性负载和电阻性负载中均具有较高的可行性。智能单相调压器输入信号为4～20mA，接收120Ω阻抗。移相范围为0～175°，负载方式为50Hz单相220V交流电；调压为0.6

⁰、调功为20ms。控制系统运行流程，如图1所示。

图1 自动控制系统运行流程

自耗电极实际运行状态下的电流约为3000A，而根据原系统配置状况可知，其存在5000A/5A的交流电流互感器，可用于变换自耗电极的工作电流 ，产生0～5A的交流电流。因此，在针对原系统的改造中，对5A电流变送模块加以调整，将其串入电流表回路中，目的在于调整0～5A电流，将其变送为4～20mA的直流电源，而后借助250Ω精密电阻进行降压，在执行该项处理后，作为AD芯片AD7705的输入，产生的AD转换结果可在单片机上实时查询，将该结果作为自耗电极电流的实测值，再与设定值对比分析，判断两者是否存在差异，若存在则明确差值，做PID计算，得到输出值增量。基于DA转换芯片将输出量送至可控硅调节器，于该装置中执行对输出电压的调整，再对输出的单相交流电做整流处理，以便满足自耗电极中驱动电机的运行要求，从而富有针对性地控制自耗电极至渣池的距离，将自耗电极的电流稳定在合理的区间内。按前述机制依次进行后，完成集自耗电机电流测量、计算、调整于一体的完整运行流程。单片机的采集周期为200ms，能够高效控制自耗电极的电流，在动态调控措施下，将其始终稳定在合理的区间内。

根据前述提及的自耗电极电流影响因素、自耗电极与渣池距离的影响因素以及各项因素间的关联，提出如下设计思路：实时测量自耗电极的电流，对比分析实测数据和设定值，若实测数据偏低，则提高电机转速，反之降低电机的转速，且在该控制过程中，主要应用的是增量式PID控制原理，有效保证电机的正常运行。

4.结语

综上所述，电渣重熔的自耗电极电流主要受到电极与渣池两者距离的影响，而电极驱动电机的转速则会直接影响到该距离，根据该关联机制，文章展开电渣重熔炉自动控制系统的设计工作，以电极的电流作为重点测量指标，根据该值与设定值的差值动态调节电机转速，并探寻适宜的PID参数，尽可能保证电极电流的合理性与稳定性。

参考文献

[1] 张亮, 王永刚. 电渣重熔炉气体保护装置设计[J]. 一重技术, 2021(2):5.

[2] 余强, 董艳伍, 姜周华. 双工位保护气氛熔速控制电渣重熔炉的开发[J]. 2022(S3).

[3] 宋立功, 袁喜洋, 郭宏磊. 电渣重熔炉低频电源快速熔断器检测装置的开发及应用[J]. 宽厚板, 2021, 27(3):4.