用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置及控制方法与流程

1.本发明属于电渣重熔设备技术领域，用于电渣重熔的电压摆幅、渣阻摆幅控制，尤其是涉及用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置及控制方法。


背景技术：

2.电渣冶金是利用电流通过液态熔渣产生电阻热用以精炼金属的一种特种熔炼方法；它是一项跨学科、跨行业的技术，用于重熔精炼时称为电渣重熔；用于铸造时称作电渣熔铸；用于焊接时称做电渣焊；用于制备复合材料时称做电渣复合；用于铸锭加热补缩时称为电渣热封顶；用于连续铸钢之中间罐的中间罐电渣加热，将熔融钢水浇入水冷结晶器，经过导电状态的熔渣渣洗的电渣浇铸，在耐火材料炉衬的炉体内，利用电渣过程，熔化金属使之合金化，制获得优质合金钢钢水供铸造的有衬电渣炉熔炼，将有衬电渣炉与离心铸造相结合的电渣离心浇铸，在感应炉内(钢液上面)制造电渣过程，活化炉渣，强化脱硫，发展形成了感应电渣炉，进一步与离心浇铸相结合形成感应电渣离心浇铸；电渣冶金一般通称为电渣重熔，是利用炉渣作为电阻和提纯剂，熔渣和钢液的精炼及钢锭结晶都在一个水冷结晶器中进行从而可控制钢锭结晶的一种冶金方法，其产品具有纯净度高、力学性能和使用性能好、金属纯净、组织致密、成分均匀、成型良好、表面光洁、使用性能优异。因此在国民经济的许多重要领域用于生产高端产品或关键部件；电渣钢在高端工具、航空航天、高铁、造船、军工领域有非常重要的用途。
3.目前国外有三家公司提供电渣炉设备两家是欧洲的ald和inteco，另一家是美国的consac；国产电渣炉经过多年的发展在机械设备部分和控制系统部分的水平已追上了国外设备，唯有电源部分有一定的差别，只有电源和控制系统紧密结合才能统一，发挥设备的良好性能。目前国产和国外的电渣炉的电源采用的原理都是可控饱和电抗器调整二次电压，俗称为磁性调压变压器。其中欧洲两家电渣炉设备采用德国munk电源、munk电源已禁止向中国电渣炉制造厂家出口，consac处于对市场的保护也禁止给国内电渣炉制造厂家提供电源技术，所以国产电渣炉设备唯有突破电源技术才能和国外产品媲美，也才能生产出高品质钢材。本技术文件的发明人在研究中发现：国产磁性调压变压器目前的控制精度和输出响应时间与国外相比有一定差距，这就导致在采用国产装备生产一些高端电渣钢有一定的困难，现有的大功率晶闸管应用已非常成熟，具有控制精度高无输出滞后等特点。为此，本技术发明人对此结构进行了改良；采用此发明的电源可以完全替代单相磁性调压变压器即可控饱和电抗器调压变压器，在该电源下才能瞬间输出稳定的电流和电压、控制软件实时计算出实际设定渣阻，实现电渣重熔的电压摆幅、渣阻摆幅控制。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置及使用方法，采用大功率晶闸管替代单相磁性调压变压器，即可控饱和电抗器调压变压器，在该电源下才能瞬间输出稳定的电流和电压、控制软件实时计算出实际设定渣阻，实现电渣重熔的
电压摆幅、渣阻摆幅控制。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置，包括主变压器和重熔炉，还包括触发单元、同步信号隔离、可控硅、plc、信号隔离检测，所述触发单元与所述同步信号隔离和plc相连并与所述可控硅控制极相连，所述可控硅的电流输入回路与所述主变压器相连、可控硅的电流输出回路与所述重熔炉相连，所述信号隔离检测用于检测所述重熔炉内的信号并传输至所述plc和触发单元。
6.所述信号隔离检测包括保护信号和检测信号，所述保护信号、检测信号分别与所述plc和触发单元连接。
7.所述可控硅为多个且串联。
8.所述同步信号隔离、信号隔离检测分别为同步信号发生器和信号隔离器。
9.还包括中压变压器，所述重熔炉、可控硅分别与所述中压变压器相连，所述信号隔离器与所述中压变压器相连。
10.用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置及控制方法，包括上位机，所述上位机与所述plc相连，所述上位机内部安装有asesrhmi软件，所述asesrhm与所述plc通讯完成摆幅算法控制；具体包括如下步骤：
11.设定渣阻摆幅值，设定摆幅值和重熔炉实际渣阻摆幅值，并与所述设定渣阻摆幅值比较计算出偏差；
12.根据计算出的摆幅偏差再计算出电压设定值偏差，并计算出需要电压设定值的偏差、该偏差和电压初始值计算电压给定；
13.根据计算出需要电压设定值的偏差、该偏差和电压初始值计算电压给定电压给定和检测电压反馈值比较，计算出触发单元的电压设定值；
14.触发单元控制可控硅输出最终炉口电压，检测炉口电压和电流计算实际渣阻，计算渣阻摆幅，计算摆幅差值，驱动电极实现电极在渣液中的插入深度实现摆幅设定值。
15.本发明与现有技术相比具有以下优点：
16.本发明提供的用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置及控制方法，电压摆幅控制系统采取两个闭环控制方式：一个是摆幅控制闭环，其目的是维持电极在渣中稳定的浸入深度，稳定的浸入深度能得到好的钢锭表面质量，并根据冶炼工艺要求asesrhmi期望摆幅设置到plc，plc程序通过算法计算出实际电压摆幅和设定摆幅比较后计算出需要叠加的电压，并和初始电压加权后计算出设定电压；另一个是电压控制闭环，通过设定电压和实际电压偏差计算后所得值输入到触发单元，经过触发单元as3223计算后控制可控硅的开度输出达到设定电压，并通过改变的电压去调整电极的插入深度从而维持一个稳定的冶炼过程，最终实现重熔炉的摆幅控制。
17.本发明使用电压摆幅来维持电极在渣中浅插入，实现渣耗最小化、电效率最大化，保持电极尖端均匀熔化，电极端部尽可能地“平坦”，钢锭内部结构最优；如浸入深度变化过大导致凝固过程中的热平衡被破坏，避免电极浸入深度较大的变化，最佳的钢锭表面质量；使得浮力最小并恒定，避免对称重传感器造成的影响。
附图说明
18.图1为本发明的装置架构示意图；
19.图2为本发明的可控硅输出控制对象为中压变压器，中压变压器再给重熔炉供电示意图；
20.图3为本发明的可控硅输出控制对象为重熔炉示意图；
21.图4为本发明的触发单元框图示意图；
22.图5为本发明的系统软件控制触发单元驱动可控硅实现摆幅控制流程图示意图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
24.如图1-图3所示，用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置，包括主变压器和重熔炉，还包括触发单元、同步信号隔离、可控硅、plc、信号隔离检测，所述触发单元与所述同步信号隔离和plc相连并与所述可控硅控制极相连，所述可控硅的电流输入回路与所述主变压器相连、可控硅的电流输出回路与所述重熔炉相连，所述信号隔离检测用于检测所述重熔炉内的信号并传输至所述plc和触发单元；当可控整流电路上电后，交流电通过负载电阻rl经二极管d1—d4整流，在可控硅scr的a、k两端形成一个脉动直流电压，该电压由电阻r9～r11降压后作为触发电路的直流电源，在交流电的正半周时，整流电压通过光电耦合向arm放生外部触发中断0，arm在中断0服务程序中根据调电压、调电流及调功率的设定值来改变触发脉冲移相角，从而达到调电压、调电流及调功率的目的。
25.如图1-图4所示，本实施例中，主变压器为高压变压器为输入侧电力变压器；同步信号隔离变压器为同步信号发生源；信号隔离检测为重熔炉的反馈信号检测元件；可控硅1—4为大电流控制元件；中压变压器为受控端电力变压器；重熔炉为控制对象属于现有技术；asesrhmi是控制软件；plc为上位机控制程序的执行单元；三级管采用c2073npn大功率三级管；arm芯片参与stm32f103rbt6是触发单元嵌入式程序载体；ads8688：模拟量转换采集芯片；kmb419触发脉冲变压器。具体实施，电渣炉重熔炉实现电压摆幅控制的装置，包括触发单元、同步信号隔离、可控硅；触发单元、同步信号隔离相连、触发单元和可控硅控制极相连；可控硅的电流输入回路和外部主变压器相连、可控硅的电流输出回路和中压变压器相连或者和重熔炉相连；触发单元rj45以太网口，通过改端口和esrhmi连接；触发单元的j1端子和kmb419触发脉冲变压器相连，输出控制信号；触发单元的j3端子和plc连接，接受arm启动、停止、保护信号；触发单元的j4端子和同步变压器连接，接受同步信号；触发单元的j5端子和plc连接，接受电流采集、功率信号、给定信号；触发单元内部元件包含u5为stm32f103rbt6，该芯片为arm和该触发单元内所有芯片相连，接受输入、输出信号；u5通过光耦隔离连接，控制c2073(npn三级管)；触发单元包含q1、q2、q3、q4为c2073(npn三级管)连接控制kmb419(触发脉冲变压器)，q1、q2、q3、q4分别各控制1路kmb419；kmb419(触发脉冲变压器)连接控制可控硅，1路kmb419外接1台双路可控硅；触发单元包含u3为ads8688(模拟量转换采集芯片)通过j5端子连接重熔炉电流、电压反馈；esrhmi、plc、触发单元和可控硅连接共同完成重熔炉摆幅控制：plc和重熔炉连接，检测电压、电流反馈信号；esrhmi和plc通讯，完成摆幅算法控制；参考图2和图3所示，主变压器，一次侧输入电压10kv或35kv，二次输出电压690v
±
20％，调压、调电流或调功率单元esrpower，由晶闸管和控制系统组成，此单元有三种控制模式，分别是电压控制、电流控制或功率控制，电压模式：控制输出电压＝t1
输出电压*(0％-100％)；电流模式：控制输出电流＝t1二次电流(0％-100％)；功率控制模式＝t1功率*(0％-100％)；中压变压器，一次输入电压690v
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20％，二次输出电压100v
±
20％。参考图3所示，主变压器，一次侧输入电压10kv或35kv，二次输出电压100v
±
20％，调压、调电流或调功率单元esrpower，由晶闸管和控制系统组成。此单元有三种控制模式，分别是电压控制、电流控制或功率控制。电压模式：控制输出电压＝t1输出电压*(0％-100％)；电流模式：控制输出电流＝t1二次电流(0％-100％)；功率控制模式＝t1功率*(0％-100％)；参考图4所示，可控硅交流调压由可控整流电路和触发电路两部分组成，就是触发电路，从图中可知，二极管d1—d4组成桥式整流电路，二极管d1～d4构成方波发生器作为可控硅的同步触发电路，当可控整流电路上电后，交流电通过负载电阻rl经二极管d1—d4整流，在可控硅scr的a、k两端形成一个脉动直流电压，该电压由电阻r9～r11降压后作为触发电路的直流电源，在交流电的正半周时，整流电压通过光电耦合向arm放生外部触发中断0，arm在中断0服务程序中根据调电压、调电流及调功率的设定值来改变触发脉冲移相角，从而达到调电压、调电流及调功率的目的；图中u2\u4\u10\u12及q1～q4构成一级触发放大电路，arm在中断0服务程序中发出触发脉冲，0～10ms产生正触发脉冲，这个脉冲作为控制信号送到正可控硅scr的控制极，使可控硅导通；当交流电通过零点时，正可控硅自关断，当交流电在负半周时(10～20ms)，产生负触发脉冲，这个脉冲作为控制信号送到负可控硅scr的控制极，使可控硅导通，当交流电通过零点时，正可控硅自关断，如此周而复始，便可调整负载上的功率了。本触发板晶振为8m，经9分频，使arm的工作频率达到72m赫兹，因此，和磁性调压变压器调压比较，控制精度成几何级提升、并且响应速度也是磁性调压变压器调压无法企及的，这样可以准确计算出自耗电极熔化时的渣阻、渣功率，为实现渣阻及功率控制提供支持。
26.如图5所示，现存的电渣炉还没有一个可以直接测量电极的浸入深度的系统，只有根据测得的过程参数来推断，而电压摆幅信号是电极位置很好的指示器，由于变压器的耦合特性导致输出电压和输出电流互相影响，计算出来的电压摆幅不能作为一个有效的控制变量。用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置及控制方法，包括上位机，上位机与plc相连，上位机内部安装有asesrhmi软件，asesrhm与plc通讯完成摆幅算法控制；具体包括如下步骤：设定渣阻摆幅值，设定摆幅值和重熔炉实际渣阻摆幅值，并与设定渣阻摆幅值比较计算出偏差；根据计算出的摆幅偏差再计算出电压设定值偏差并计算出需要电压设定值的偏差、该偏差和电压初始值计算电压给定；根据计算出需要电压设定值的偏差、该偏差和电压初始值计算电压给定电压给定和检测电压反馈值比较，计算出触发单元的电压设定值；触发单元控制可控硅输出最终炉口电压，检测炉口电压和电流计算实际渣阻，计算渣阻摆幅，计算摆幅差值，驱动电极实现电极在渣液中的插入深度实现摆幅设定值。
27.电渣炉“电压摆幅”控制技术特点；当电渣炉电极端部接近渣面时，电极位置的一个小的变化将引起电阻较大的变化，而电极浸入较深时，电极位置的变化对电阻变化的影响较小，这反映在电压信号波带宽度变化上；通过使用电压摆幅来维持电极在渣中浅插入，并且尽可能地保持不变，这样做的好处有：渣耗最小化；电效率最大化；保持电极尖端均匀熔化，电极端部尽可能地“平坦”，钢锭内部结构最优；如浸入深度变化过大导致凝固过程中的热平衡被破坏，避免电极浸入深度较大的变化；最佳的钢锭表面质量；使得浮力最小并恒定，避免对称重传感器造成的影响；在电渣炉熔炼过程中理想的插入深度一直是追求的目
标，现存的电渣炉还没有一个可以直接测量电极的浸入深度的系统，只有根据测得的过程参数来推断，而电压摆幅信号是电极位置很好的指示器，由于变压器的耦合特性导致输出电压和输出电流互相影响，计算出来的电压摆幅不能作为一个有效的控制变量，现在通过触发板控制可控硅的设备从根本上实现变压器的解耦控制，从而输出连续稳定不受电流影响的二次电压，这样就能够通过电压波动准确计算出电压的摆动幅度。采用“电压摆幅”控制的系统，一般采取两个闭环控制方式：第一个是摆幅控制闭环。这种闭环控制的目的是维持电极在渣中稳定的浸入深度；稳定的浸入深度能得到好的钢锭表面质量。根据冶炼工艺要求asesrhmi期望摆幅设置到plc，plc程序通过算法计算出实际电压摆幅和设定摆幅比较后计算出需要叠加的电压，并和初始电压加权后计算出设定电压；第二个电压控制闭环，通过设定电压和实际电压偏差计算后所得值输入到触发单元，经过触发单元as3223计算后控制可控硅的开度输出达到设定电压，通过改变的电压去调整电极的插入深度从而维持一个稳定的冶炼过程，最终实现重熔炉的摆幅控制。
28.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置，包括主变压器和重熔炉，其特征在于，还包括触发单元、同步信号隔离、可控硅、plc、信号隔离检测，所述触发单元与所述同步信号隔离和plc相连并与所述可控硅控制极相连，所述可控硅的电流输入回路与所述主变压器相连、可控硅的电流输出回路与所述重熔炉相连，所述信号隔离检测用于检测所述重熔炉内的信号并传输至所述plc和触发单元。2.根据权利要求1所述的用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置，其特征在于：所述信号隔离检测包括保护信号和检测信号，所述保护信号、检测信号分别与所述plc和触发单元连接。3.根据权利要求1所述的用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置，其特征在于：所述可控硅为多个且串联。4.根据权利要求1所述的用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置，其特征在于：所述同步信号隔离、信号隔离检测分别为同步信号发生器和信号隔离器。5.根据权利要求1所述的用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置及使用方法，其特征在于：还包括中压变压器，所述重熔炉、可控硅分别与所述中压变压器相连，所述信号隔离器与所述中压变压器相连。6.根据权利要求1-5任一项所述的用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置及控制方法，其特征在于：包括上位机，所述上位机与所述plc相连，所述上位机内部安装有asesrhmi软件，所述asesrhm与所述plc通讯完成摆幅算法控制；具体包括如下步骤：设定渣阻摆幅值，设定摆幅值和重熔炉实际渣阻摆幅值，并与所述设定渣阻摆幅值比较计算出偏差；根据计算出的摆幅偏差再计算出电压设定值偏差，并计算出需要电压设定值的偏差、该偏差和电压初始值计算电压给定；根据计算出需要电压设定值的偏差、该偏差和电压初始值计算电压给定电压给定和检测电压反馈值比较，计算出触发单元的电压设定值；触发单元控制可控硅输出最终炉口电压，检测炉口电压和电流计算实际渣阻，计算渣阻摆幅，计算摆幅差值，驱动电极实现电极在渣液中的插入深度实现摆幅设定值。

技术总结
本发明公开的用于电渣重熔设备中实现渣阻摆幅控制的装置及控制方法，属于电渣重熔设备技术领域。电压摆幅控制系统采取两个闭环控制方式：一个是摆幅控制闭环，其目的是维持电极在渣中稳定的浸入深度，稳定的浸入深度能得到好的钢锭表面质量，并根据冶炼工艺要求期望摆幅设置到PLC，PLC程序通过算法计算出实际电压摆幅和设定摆幅比较后计算出需要叠加的电压，并和初始电压加权后计算出设定电压；另一个是电压控制闭环，通过设定电压和实际电压偏差计算后所得值输入到触发单元，经过触发单元计算后控制可控硅的开度输出达到设定电压，并通过改变的电压去调整电极的插入深度从而维持一个稳定的冶炼过程，实现重熔炉的摆幅控制。制。制。


技术研发人员：李洲山 李敬科 陈殿忠 于元山
受保护的技术使用者：西安澳新软件技术有限公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/25