[科普中国]-电渣重熔自动控制

电渣重熔自动控制(computer control of ESR process)是指整个电渣重熔过程中的给电引燃、稳定重熔及补缩等均由计算机按照给定程序加以控制的技术。同时在重熔过程中，计算机监视整个设备的运行情况，记录重熔过程的有关参数。

简介电渣重熔自动控制(computer control of ESR process)是指整个电渣重熔过程中的给电引燃、稳定重熔及补缩等均由计算机按照给定程序加以控制的技术。同时在重熔过程中，计算机监视整个设备的运行情况，记录重熔过程的有关参数。

在电渣重熔过程中，为保证重熔过程稳定，并获得良好的钢锭质量。要进行一系列的操作：

(1)按预先确定的参数控制输入功率、重熔电流及电压，在输入功率确定后，电流I和电压V的关系符合欧姆定律V=IR，重熔电流和电压的变化通过调节渣池电阻R来控制。渣池电阻则是由电极在渣池中的插入深度即电极和钢锭间的距离来调节。在重熔过程中，电极不断熔化，使电极在渣池中的位置发生变化即渣池电阻发生变化，从而使重熔电流或电压发生变化，通过不断地向渣池中输入电极，保持这些参数稳定。

(2)在重熔过程中，为获得良好的钢锭凝固质量，随着重熔的进行，要调节输入功率、重熔电流和电压，控制熔化速度。

(3)在重熔过程中，为避免渣池电阻发生变化，要控制电极在渣池中的位置保持稳定以维持极间距不变。

由操作人员用手工完成这些操作有一定的难度，很难保证稳定的电渣钢锭质量。当采用自动控制时，则很容易准确地进行有关操作，由计算机对重熔过程的参数如电极熔化速度，重熔电流、电压等进行检测，将它们与预先给定的参数进行比较，然后给出操作指令对重熔过程进行控制。由于计算机系统可以高速准确地采集数据，处理数据和给出结果，在重熔过程中消除了人为因素的影响，保证了电渣重熔结果的稳定性和再现性，从而有效地保证电渣重熔钢锭的质量1。

理论基础电渣重熔自动控制是以电渣重熔过程数学模型为基础的，通过模型对电渣重熔过程的模拟，得到重熔过程的变化规律，找出控制参数的最佳值，以此作为控制重熔过程的标准。

1.热传输模型

描述电渣重熔结晶器系统热状态的模型。其研究始于60年代末，随着研究技术的发展，该模型不断完善。电渣重熔过程中，整个结晶器系统处在电磁场中，熔渣和金属烙池在电磁力的作用下发生运动，其热传输包括传导传热和对流传热。

2.凝固模型

通过求解可以从理论上了解电渣钢锭的组织结构。从热传输模型可以得到铭锭中的温度分布，带入所重熔金属的物理参数可得出重熔过程中金属熔池的形状及钢锭凝固的有关凝固参数，如局部凝固时间、凝固速度、两相区宽度等。由金属熔池的形状可以推测出钢锭凝固时晶粒的生长方向。将金属的有关物理参数及晶粒尺寸的有关方程与重熔过程的热传输棋型结合即得到了预测电渣重熔金属锭凝固组织的凝固模型。

3.电渣重熔过程控制的目标参数

调整电渣重熔过程的工艺参数，如输入功率、重熔电流和电压，其最直接的反映就是电极熔化速度的变化；通过热传输棋型和凝固模型可以从理论上直接得到电极熔化速度对钢锭组织的影响；实验研究得出影响电渣重熔钢锭质量的主要因素是重熔过程中电极的熔化速度；另外电极熔化速度也是影响电渣重熔生产率和电能消耗的一个重要因素。所以取电渣重熔中电极的熔化速度为重熔过程控制的一个目标参数。

在电渣重熔过程中，为保持重熔过程稳定，并能够对重熔过程输入功率进行有效的控制，需要保持渣池电阻的稳定，电极在渣池中插入深度的变化会使渣池电阻发生变化，从而对重熔过程及钢锭质量造成一定的影响。因此在电渣重熔过程中保持电极插入深度的稳定也是过程控制的一个目标参数。

4.过程控制原理

以电极熔化速度和电极在渣池中的位置作为控制的目标参数。根据重熔钢锭的质量要求解析模型得到重熔过程的电极熔化速度。以此为设定值输入计算机。重熔过程中通过传感器测取实际熔化速度，由计算机将其与设定值进行比较运算。并将所需要的电流或电压的调节值输入控制设备，对重熔过程进行调节，使电极熔化速度保持在给定值。同时对测取的电极位置信号进行运算比较，给出调节值到电极驱动机构使电极在渣池中维持稳定的插入深度2。

系统组成由系统硬件和系统软件构成。系统硬件的中心是一台计算机，通过各种传感器获取必要的数据，按照系统软件的要求进行运算并给出结果。

1.确定熔化速度

电极的熔化速度有两种检测方法：

(1)位移法。通过检测电渣重熔过程中单位时间电极的位移量，换算出熔化速度。采用这种方法对电极质量要求较高，要求电极密度均匀且外形尺寸规则，电极内不能有疏松或缩孔，否则会给熔速计算带来误差，影响控制的准确性。电极的位移信号由驱动电极的同步电机给出。

(2)重量法。通过测取电渣重熔过程中单位时间电极或钢锭重量的变化得到熔化速度；通过重量传感器获得重量信号。重量传感器安装在不同位置，可分别得到电极或钢锭的重量。将传感器安装在电极夹头处可得到电极的重量，这种方法要注意对检测信号的有效屏蔽，因为电极夹头是重熔电流的必经之处，安装在此处的传感器处于强电磁信号的干扰之中。将重量传感器安装在底板处可得到钢锭的重量，采用这种方法要注意避免重熔过程中溢出的液渣、金属或结晶器及底板中的冷却水损坏传感器。

2.控制电极位置

一种有效地控制电极插入渣池深度的方法称为电压摆动控制。研究表明当电极位于渣池表面附近时，电极在渣池中位置的细小变化都会造成渣池电阻的较大变化。由欧姆定律可知，当重熔电流一定时渣池电阻的变化可以造成重熔电压的波动，在电渣重熔自动控制中就是利用这一研究结果，通过电压的摆动信号将电极控制在渣池中的适当位置。

3.其他硬件

系统中还包括检测重熔电流、电压、冷却系统水温及其他附属设备有关参数的硬件装置。

4.自动控制软件

为电渣重熔自动控制编制的程序，是控制系统的重要组成部分，是理论计算分析的结果。随电渣重熔过程的进行，电极的长度由于熔化而发生变化，结晶器系统的热状态也会发生变化，电极熔化速度逐渐升高，造成金属熔池加探，钢锭的结构发生变化。为避免这一问题，在重熔过程中要逐渐降低输入功率，维持电极熔化速度不变或逐渐减小。按照获得均匀稳定的钢锭结构的要求，由模型计算得到重熔过程电极熔化速度的变化曲线，将其输入计算机系统，则系统以该熔化曲线为标准对重熔过程进行控制。整个电渣重熔过程分3个阶段：在给电引燃阶段宜采用最大功率，使结晶器中尽快形成金属熔池，保证钢锭底部质量，在正常重熔阶段输入功率需保持稳定并略有降低；在补缩阶段应明显降低翰入功率。直至重熔结束。

对于不同的钢种，电渣熏熔时电极熔化速度的取值也不相同，要由棋型按照所要求的钢锭结构解析出电极熔化速度曲线。再根据设备情况编制出具体的控制程序。将重熔不同钢种，不同规格钢锭的控制程序组合起来就构成了电渣重熔自动控制系统的控制软件包。

电渣重熔自动控制系统不仅能准确地控制重熔过程，而且能对重熔的各参数进行详细记录，为改进工艺提供依据。随着计算机技术的发展，电渣重熔自动控制系统的功能将不断完善3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学