摘? 要: 等離子體加熱裝置體積小、熱效率高、無(wú)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(jì)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(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞: 等離子體? 連鑄? 中間包? PLC

?

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(zhǎng)期以來(lái)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(jìn)步，現(xiàn)在已有了更可靠、更經(jīng)濟(jì)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(dú)特優(yōu)點(diǎn):

　　(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(qiáng)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(guò)程中電極消耗量極其微小，不會(huì)象用石墨做電極的電弧爐那樣給被加熱體帶來(lái)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(diǎn)，等離子體在高溫工藝過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用預(yù)示著許多傳統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程將發(fā)生根本性的變化。冶金工藝過(guò)程是發(fā)揮等離子體加熱器獨(dú)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(guó)家逐步開(kāi)始在煉鐵、金屬重熔、有色金屬等冶金領(lǐng)域開(kāi)始了等離子體加熱器的試驗(yàn)研究;到了八十年代后期，已有技術(shù)成熟的兆瓦級(jí)等離子體加熱器商品問(wèn)世。國(guó)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(jī)、焊接機(jī)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(guò)簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)大尺寸，將此類加熱器功率提高到兆瓦級(jí)。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(lái)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(jī)部七零一所開(kāi)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(dá)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(yùn)行費(fèi)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(gè)國(guó)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(chǔ)存鋼水維持連澆;③排除夾雜。在每一爐大包鋼水澆注過(guò)程中，隨著澆注時(shí)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(huì)引起各流之間的溫差，中間包鋼水溫度過(guò)低會(huì)產(chǎn)生如下問(wèn)題:①邊流絮流;②中間包鋼水凍結(jié)。通過(guò)提高轉(zhuǎn)爐鋼水溫度來(lái)保證較高的鋼水過(guò)熱度可解決中間包溫度過(guò)低問(wèn)題，但會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題:①過(guò)高的中間包溫度降低了澆注速度;②高的鋼水過(guò)熱度不利于得到優(yōu)質(zhì)等軸晶鑄坯;③過(guò)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(guò)熱度，采用外部加熱方法及時(shí)補(bǔ)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(guò)熱度)澆注。

　　有多種對(duì)中間包鋼水進(jìn)行外部加熱的傳統(tǒng)方法，但都存在一定的缺點(diǎn)，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(shí)，電弧電極系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置困難，另外石墨電極對(duì)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(chǎng)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(wèn)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(guó)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(lái)，西方國(guó)家各大鋼鐵公司紛紛采用這一技術(shù)，我國(guó)也有鋼鐵廠從國(guó)外引進(jìn)了類似設(shè)備。目前國(guó)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(guó)產(chǎn)首臺(tái)1MW連鑄中間包等離子體加熱器經(jīng)過(guò)一年200多爐的熱負(fù)荷試驗(yàn)與工業(yè)試運(yùn)行后，通過(guò)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(guó)內(nèi)首創(chuàng)、部分達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”的評(píng)價(jià)。

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(kāi)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(guò)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(chǎng)均勻化，防止多流連鑄機(jī)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(jiàn)圖1，主要由五個(gè)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(dòng)觸頭、底陽(yáng)極、點(diǎn)火裝置" title="點(diǎn)火裝置">點(diǎn)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。

?

?

　　(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(shí)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(jìn)行，同時(shí)去離子水還用來(lái)冷卻整流變壓器、整流裝置與平衡、平波電抗器等。要求如下:

　　①水質(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(jìn)水壓力為0.1～0.3MPa;水流量為30t/h;進(jìn)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(dòng)補(bǔ)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(jī)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(zhǎng);②接通等離子體槍水、氣、電源。槍架采用已獲國(guó)家專利的四連桿機(jī)構(gòu)，連桿本身通水，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)可完成槍位測(cè)量。槍架設(shè)計(jì)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(zhǎng)度2700mm;槍頭在最高位機(jī)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(diǎn)動(dòng)距離5mm/次;槍架動(dòng)載荷100kg。根據(jù)需要，還編制了槍架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真軟件，通過(guò)軟件可確定槍架機(jī)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(cè)量" title="液位測(cè)量">液位測(cè)量、中間包鋼水連續(xù)測(cè)溫" title="測(cè)溫">測(cè)溫兩個(gè)子系統(tǒng)。目前中間包鋼水液位測(cè)量多用稱重法，在本裝置中，我們采用弧壓法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度在3cm以內(nèi)，能滿足要求;傳統(tǒng)的中間包鋼水測(cè)溫用鉑銠熱電偶進(jìn)行點(diǎn)測(cè)，不能滿足自動(dòng)控制要求，為此專門研制了用于中間包鋼水連續(xù)測(cè)溫的鎢錸熱電偶及外套管、測(cè)溫儀表、操作機(jī)構(gòu)，通過(guò)與點(diǎn)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，證明測(cè)溫精度、時(shí)間常數(shù)能滿足要求。

　　控制系統(tǒng)由下位機(jī)PLC及上位機(jī)組成，I/O點(diǎn)數(shù)在100點(diǎn)左右，在中間包平臺(tái)上有現(xiàn)場(chǎng)控制柜，完成的主要功能有:

　　(1)監(jiān)測(cè)、顯示系統(tǒng)運(yùn)行各種狀態(tài)，自動(dòng)執(zhí)行各種故障保護(hù)動(dòng)作。例如，在加熱過(guò)程中槍漏水保護(hù)過(guò)程為:在槍位置進(jìn)入中間包及冷卻水泵啟動(dòng)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(huì)發(fā)生爆炸事故。通過(guò)槍進(jìn)、出口水流量與壓力等參數(shù)的測(cè)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(shí)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(shí)切斷整流變壓器電壓輸出。

　　(2)點(diǎn)火過(guò)程控制。點(diǎn)火裝置為高壓脈沖裝置，槍噴口流過(guò)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(dá)200A左右的非轉(zhuǎn)移弧，加大流過(guò)的氬氣流量，將非轉(zhuǎn)移弧吹長(zhǎng)，觸到中間包鋼水液面，形成陰極頭到鋼水間的轉(zhuǎn)移弧，開(kāi)始對(duì)中間包鋼水加熱。

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

??? (4)中間包鋼水液位測(cè)量。在主電弧未啟動(dòng)前，槍前端有一個(gè)探頭可隨槍下降，當(dāng)探頭接觸中間包鋼水液面時(shí)，探頭即通過(guò)鋼水與中間包內(nèi)底陽(yáng)極接通，控制電路給出信號(hào)，槍停止下降，此時(shí)槍頭高度(以中間包底為0標(biāo)高點(diǎn))即為中間包鋼水液面高度。主電弧啟動(dòng)后，由槍位計(jì)數(shù)器測(cè)出槍頭高度，由電弧電壓換算出弧長(zhǎng)，槍頭高度減去弧長(zhǎng)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(shí)際證明這種測(cè)量誤差不超過(guò)3cm;通過(guò)此功能，也可實(shí)現(xiàn)槍自動(dòng)下降與點(diǎn)火。

　　(5)自動(dòng)控制功能。啟動(dòng)中間包連續(xù)測(cè)溫系統(tǒng)，進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，按設(shè)定的運(yùn)行方式，系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行恒功率、恒溫加熱。由于中間包為大慣性系統(tǒng)，測(cè)溫傳感器的時(shí)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(guò)一年200多爐的熱負(fù)荷試驗(yàn)與工業(yè)試運(yùn)行，考驗(yàn)了裝置的手動(dòng)與自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)量得到的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明裝置運(yùn)行可靠，達(dá)到了預(yù)期目的。

?

參考文獻(xiàn)

1 Jerome Feiman主編，劉述臨、金佑民等譯.等離子體在冶金中的應(yīng)用.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，1989.8

2 王念春.用于連鑄中間包加熱的工業(yè)兆瓦級(jí)等離子體柜的研制.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后研究工作報(bào)告，1996.9

3 T.Fujiwara and K.Yamagauchi.Latest Progress of Plasma?Meiting and Refining Process Booklet.Daido Stell Co.

Ltd.，Nagoya，Japan，1983:p22

4 Hans.J.Bebber，馬鞍山鋼鐵設(shè)計(jì)院譯.用等離子體中間包加熱器控制澆注溫度.德馬克公司交流資料

5 陳家祥.連續(xù)鑄鋼手冊(cè).北京:冶金工業(yè)出版社，1991.12

6 H.G.Herlitz，B.Johansson and Sven Santen.A New Family?of Reduction Precesses Based on Plasma Technology.Iron