摘? 要: 等離子體加熱裝置體積小、熱效率高、無環(huán)境污染，應(yīng)用于連鑄中間包加熱中可取得顯著經(jīng)濟效益。介紹了這一裝置及其控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)的構(gòu)成與特點。

　　關(guān)鍵詞: 等離子體? 連鑄? 中間包? PLC

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1 等離子體加熱器概況

　　被稱作物質(zhì)第四態(tài)的等離子體是由分子、原子、離子和電子組成的電離氣體，長期以來等離子體能量一直被視為稀有的珍品。但隨著電力電子器件的發(fā)展與其它學(xué)科的進步，現(xiàn)在已有了更可靠、更經(jīng)濟地產(chǎn)生和維持高能量的等離子體技術(shù)。與其它加熱方式相比，等離子體加熱方式具有如下獨特優(yōu)點:

　　(1)一般化工燃料(例如煤、石油等)只能產(chǎn)生4000K以下的溫度，而等離子體加熱器能產(chǎn)生8000K~15000K的高溫或更高的溫度;

　　(2)等離子體加熱器由于不需要氧氣助燃，可以在隨意選擇的工作氣體和工作氣壓下工作，選用惰性氣體可避免加熱體在高溫下的污染，在還原氣體下，等離子體加熱器不但提供有效的加熱，而且提供很強的還原作用;

　　(3)等離子體加熱器由于采用特殊材料金屬電極，在加熱過程中電極消耗量極其微小，不會象用石墨做電極的電弧爐那樣給被加熱體帶來增碳效應(yīng)與其它污染;

　　(4)等離子體加熱器的功率大小可調(diào)節(jié)范圍大，并且可以做到精確控制。

　　由于這些特點，等離子體在高溫工藝過程中的實際應(yīng)用預(yù)示著許多傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程將發(fā)生根本性的變化。冶金工藝過程是發(fā)揮等離子體加熱器獨特性質(zhì)較理想的領(lǐng)域之一。

　　二十世紀(jì)六十年代后期，西方國家逐步開始在煉鐵、金屬重熔、有色金屬等冶金領(lǐng)域開始了等離子體加熱器的試驗研究;到了八十年代后期，已有技術(shù)成熟的兆瓦級等離子體加熱器商品問世。國內(nèi)等離子體加熱器的研究分為兩類。

　　(1)主要在金屬加工領(lǐng)域應(yīng)用的中低功率等離子體加熱器，如等離子體切割機、焊接機等。這類加熱器的功率一般在100kW以下，可連續(xù)工作，使用氣體冷卻電極。從技術(shù)上講，不可能通過簡單地擴大尺寸，將此類加熱器功率提高到兆瓦級。由于功率太小，這類加熱器難以在冶金工業(yè)中找到應(yīng)用領(lǐng)域。

　　(2)主要在航天領(lǐng)域應(yīng)用的用來模擬火箭載入大氣層熱環(huán)境的大功率等離子體加熱器。由于研究遠(yuǎn)程火箭的需要，二十世紀(jì)六十年代科學(xué)院電工所、力學(xué)所聯(lián)合七機部七零一所開發(fā)了用電弧加熱器模擬載入大氣層的電弧風(fēng)洞，到現(xiàn)在功率已達5MW，這種等離子體加熱器雖然從原理上與冶金用等離子體加熱器有類似性，但它處于脈沖工作狀態(tài)，弧壓高、弧電流小(2000A以下)、噪聲大、電極壽命短、運行費用高，推廣到冶金行業(yè)應(yīng)用難度很大。

2 等離子體加熱器用于連鑄中間包調(diào)溫控制

　　鋼的生產(chǎn)采用連鑄技術(shù)始于二十世紀(jì)五十年代，七十年代以后迅速發(fā)展，八十年代日臻完善，一個國家連鑄技術(shù)的水平與比例已成為衡量其鋼鐵工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。

　　中間包在連鑄生產(chǎn)中的基本工藝作用是:①分流;②儲存鋼水維持連澆;③排除夾雜。在每一爐大包鋼水澆注過程中，隨著澆注時間增加，大包鋼水溫度下降，中間包內(nèi)鋼水溫度也隨之降低，分流也會引起各流之間的溫差，中間包鋼水溫度過低會產(chǎn)生如下問題:①邊流絮流;②中間包鋼水凍結(jié)。通過提高轉(zhuǎn)爐鋼水溫度來保證較高的鋼水過熱度可解決中間包溫度過低問題，但會帶來新的問題:①過高的中間包溫度降低了澆注速度;②高的鋼水過熱度不利于得到優(yōu)質(zhì)等軸晶鑄坯;③過高的出鋼溫度降低了轉(zhuǎn)爐壽命。因此，理想的方法是:不提高鋼水過熱度，采用外部加熱方法及時補償中間包散熱損失引起的中間包鋼水溫度下降，保持恒溫(低過熱度)澆注。

　　有多種對中間包鋼水進行外部加熱的傳統(tǒng)方法，但都存在一定的缺點，例如:在中間包內(nèi)采用化學(xué)方法加熱易造成鋼水污染;采用電弧加熱時，電弧電極系統(tǒng)現(xiàn)場布置困難，另外石墨電極對鋼水有增碳效應(yīng);采用感應(yīng)加熱法反應(yīng)較慢，而且加熱溫度場不易與中間包鑄流結(jié)合。等離子體加熱方式可有效地克服這些問題，因此普遍認(rèn)為等離子體加熱方式是連鑄中間包上首選的加熱方式。

　　1984年，德國Demag公司正式將等離子體加熱技術(shù)用于連鑄中間包鋼水加熱調(diào)溫。近幾年來，西方國家各大鋼鐵公司紛紛采用這一技術(shù)，我國也有鋼鐵廠從國外引進了類似設(shè)備。目前國外只有三家公司能提供連鑄中間包等離子體加熱系統(tǒng)。

　　1996年2月，我們與某鋼鐵公司聯(lián)合研制的國產(chǎn)首臺1MW連鑄中間包等離子體加熱器經(jīng)過一年200多爐的熱負(fù)荷試驗與工業(yè)試運行后，通過了原冶金部與安徽省經(jīng)貿(mào)委組織的技術(shù)成果鑒定與新產(chǎn)品鑒定，得到了專家們“國內(nèi)首創(chuàng)、部分達到國際領(lǐng)先水平”的評價。

　　通過實驗發(fā)現(xiàn)，中間包采用等離子體加熱器加熱調(diào)溫，可有如下效果:

　　(1)澆注溫度穩(wěn)定，澆注速度不必因溫度變化而調(diào)整;

　　(2)每爐開澆溫度不必太高，從而上一道工序的能耗和耐材消耗可降低，大包內(nèi)鋼水溫度只要滿足全包澆完即可;

　　(3)避免中間包內(nèi)鋼水凍結(jié);

　　(4)平均澆注溫度下降后，鑄坯等軸晶比例增大，減少中心偏折，高碳鋼也可以連鑄;

　　(5)可以在低過熱度下加快澆注速度，提高生產(chǎn)率;

　　(6)加熱促使中間包內(nèi)溫度場均勻化，防止多流連鑄機外側(cè)水口溫度偏低;

　　(7)可維持每組最后一爐中間包內(nèi)鋼水澆完，減少了中間包結(jié)殼與殘鋼，提高了鋼的收得率。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與功能

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，主要由五個部分組成:

　　(1)電源系統(tǒng)。包括高壓配電室、整流變壓器、整流裝置、平衡電抗器" title="電抗器">電抗器、平波電抗器、直流母線排、滑動觸頭、底陽極、點火裝置" title="點火裝置">點火裝置等，額定弧電壓200V，額定弧電流5000A，額定功率因數(shù)0.85。

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　　(2)去離子水處理系統(tǒng)。由于等離子體槍的噴嘴及陰極頭尺寸較小，散熱功率很大，要求冷卻水壓力高、流量大，同時為降低結(jié)垢及電蝕，需要用去離子水閉路循環(huán)冷卻，去離子水的散熱在不銹鋼板式換熱器中進行，同時去離子水還用來冷卻整流變壓器、整流裝置與平衡、平波電抗器等。要求如下:

　?、偎|(zhì):ρ>500kΩ·cm;水壓力為1.6MPa;水流量為25t/h;水溫T≤32℃;

　?、诎迨綋Q熱器:冷卻進水壓力為0.1～0.3MPa;水流量為30t/h;進口溫度不大于30℃;出口溫度不大于32℃。

　　(3)氬氣系統(tǒng)。減壓后氬氣壓力為0.3MPa，額定流量為150SNL/min，采用質(zhì)量流量控制器控制流量，具有溫度、壓力自動補償功能，可以準(zhǔn)確控制氣體流量，保證弧流的平穩(wěn)。

　　(4)等離子槍及機構(gòu)。主要功能為:①把持等離子體槍，并按需要調(diào)整槍位，改變弧長;②接通等離子體槍水、氣、電源。槍架采用已獲國家專利的四連桿機構(gòu)，連桿本身通水，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，也不易升溫;槍架采用交流恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制，高速與低速比為10：1，定位精度為5mm，同時可完成槍位測量。槍架設(shè)計參數(shù)為:槍頭總行程高度2150mm;其中精確垂直段行程500mm;槍頭在最低位懸伸長度2700mm;槍頭在最高位機架總高2500mm;槍頭在垂直段最大上升速度300mm/s;槍頭在垂直段點動距離5mm/次;槍架動載荷100kg。根據(jù)需要，還編制了槍架機構(gòu)運動仿真軟件，通過軟件可確定槍架機構(gòu)的最佳尺寸參數(shù)。

　　(5)中間包。主要包括中間包鋼水液位測量" title="液位測量">液位測量、中間包鋼水連續(xù)測溫" title="測溫">測溫兩個子系統(tǒng)。目前中間包鋼水液位測量多用稱重法，在本裝置中，我們采用弧壓法進行測量，測量精度在3cm以內(nèi)，能滿足要求;傳統(tǒng)的中間包鋼水測溫用鉑銠熱電偶進行點測，不能滿足自動控制要求，為此專門研制了用于中間包鋼水連續(xù)測溫的鎢錸熱電偶及外套管、測溫儀表、操作機構(gòu)，通過與點測進行對比，證明測溫精度、時間常數(shù)能滿足要求。

　　控制系統(tǒng)由下位機PLC及上位機組成，I/O點數(shù)在100點左右，在中間包平臺上有現(xiàn)場控制柜，完成的主要功能有:

　　(1)監(jiān)測、顯示系統(tǒng)運行各種狀態(tài)，自動執(zhí)行各種故障保護動作。例如，在加熱過程中槍漏水保護過程為:在槍位置進入中間包及冷卻水泵啟動狀態(tài)下，如果槍發(fā)生漏水故障，由于中間包內(nèi)高溫鋼水的作用，可能會發(fā)生爆炸事故。通過槍進、出口水流量與壓力等參數(shù)的測量或外部緊急按鈕，在發(fā)生槍漏水故障情況下，首先快速將槍高速提升，同時迅速停止冷卻水泵并關(guān)閉管道上緊急電磁閥門，切斷冷卻水供應(yīng)，同時切斷整流變壓器電壓輸出。

　　(2)點火過程控制。點火裝置為高壓脈沖裝置，槍噴口流過一定流量的氬氣，高電壓加在槍陰極頭與槍外管之間，在兩者之間形成電流可達200A左右的非轉(zhuǎn)移弧，加大流過的氬氣流量，將非轉(zhuǎn)移弧吹長，觸到中間包鋼水液面，形成陰極頭到鋼水間的轉(zhuǎn)移弧，開始對中間包鋼水加熱。

　　(3)手動操作功能。通過設(shè)在中間包平臺上的控制柜，可手動控制槍的上下移動、電源系統(tǒng)工作、冷卻水系統(tǒng)啟動、氬氣流量調(diào)節(jié)、弧流給定等，滿足正常手動操作功能。

??? (4)中間包鋼水液位測量。在主電弧未啟動前，槍前端有一個探頭可隨槍下降，當(dāng)探頭接觸中間包鋼水液面時，探頭即通過鋼水與中間包內(nèi)底陽極接通，控制電路給出信號，槍停止下降，此時槍頭高度(以中間包底為0標(biāo)高點)即為中間包鋼水液面高度。主電弧啟動后，由槍位計數(shù)器測出槍頭高度，由電弧電壓換算出弧長，槍頭高度減去弧長即為中間包鋼水液面高度。在氣流與電流關(guān)系、弧壓與弧流關(guān)系確定后，實際證明這種測量誤差不超過3cm;通過此功能，也可實現(xiàn)槍自動下降與點火。

　　(5)自動控制功能。啟動中間包連續(xù)測溫系統(tǒng)，進入自動運行狀態(tài)，按設(shè)定的運行方式，系統(tǒng)可自動進行恒功率、恒溫加熱。由于中間包為大慣性系統(tǒng)，測溫傳感器的時間常數(shù)較大，閉環(huán)控制方式可選用PID或Smith預(yù)估法，Smith預(yù)估法效果較好。

　　1MW連鑄中間包等離子體加熱裝置，經(jīng)過一年200多爐的熱負(fù)荷試驗與工業(yè)試運行，考驗了裝置的手動與自動運行狀態(tài)，測量得到的大量實驗數(shù)據(jù)，證明裝置運行可靠，達到了預(yù)期目的。

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參考文獻

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