СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ДУГОВОЙ ВАКУУМНОЙ ПЕЧИ

Способ относится к области управления рабочим режимом дуговых вакуумных печей. Основные потери товарного металла, выплавляемого в виде слитков в дуговых вакуумных печах, связаны с его структурной неоднородностью и наличием в массе металла локализованных неметаллических включений, вызванных неустойчивостью вакуумного дугового разряда.

Известный способ автоматического регулирования режима работы дуговой вакуумной печи путем перемещения электрода с использованием среднего значения напряжения печи не позволяет автоматически определять и поддерживать длину дугового промежутка, при которой достигается наибольшая устойчивость вакуумного дугового разряда, наибольшая стабильность теплового режима ванны и как следствие наилучшее качество металла.

Основная отличительная особенность предлагаемого способа состоит в том, что, с целью стабилизации режима работы печи и повышения качества выплавляемого металла, в процессе плавки определяют знаки первой и второй производных напряжения печи по длине дугового промежутка, в соответствие с которыми перемещают электрод в ту или иную сторону до тех пор, пока первая производная напряжения печи по длине дугового промежутка станет равной нулю при положительной второй производной.

Кроме того, для повышения точности и быстродействия системы регулирования поиск указанной длины дугового промежутка производят на интервале, ограниченном, с одной стороны, заданной частотой капельных импульсов, а с другой, - заданной амплитудой высокочастотных колебаний в напряжении печи.

Эти отличия позволяют автоматически определять и поддерживать в процессе плавки длину дугового промежутка, при которой стабильность дугового разряда и теплового режима ванны максимальны. При любой другой длине дугового промежутка отклонение дуги от вертикального направления и утечки тока на стенку кристаллизатора будут больше.

Для иллюстрации предлагаемого способа на фиг. 1 изображена зависимость напряжения печи V_п от длины дугового промежутка а на фиг. 2 - семейство этих характеристик, снятое на промышленной печи для разных токов.

На столб вакуумной дуги в дуговой вакуумной печи всегда действует радиальная сила, обеспечивающая радиальный перенос массы ионизированного газа и выдувающая дугу на периферию электрода, результатом чего является дробление катодного пятна дуги и выход его осколков, на боковую поверхность электрода, возникновение токов утечки, текущих непосредственно на стенку кристаллизатора, и появление различного рода боковых разрядов, нарушающих тепловой режим ванны жидкого металла, даже при питании печи от стабилизированного источника.

При напряжение печи изменяется по закону, близкому к квадратичному, а при дальнейшем увеличении длины дугового промежутка - по линейному закону; такой режим плавки сопровождается значительными токами утечки и боковыми разрядами. ( - искомая оптимальная длина дугового промежутка, - его текущее значение). Уменьшение длины дугового промежутка ведет к увеличению радиальной силы, действующей на столб дуги, и напряжение печи, возрастает по закону, близкому к гиперболе.

Аналогичный закон изменения напряжения был обнаружен при обследовании ряда промышленных печей (фиг. 2).

Поэтому состоянию наибольшей устойчивости дупового разряда в дуговой вакуумной печи, определяющему наилучшие технологические условия плавки, когда радиальная сила, действующая на столб разряда, и токи утечки минимальны, а стабильность теплового режима ванны и выход годного металла максимальны, соответствует такая длина дугового промежутка, при которой производная напряжения печи по длине дугового промежутка равна нулю, а вторая производная положительна.

Погасание отдельных каналов разряда при движении их катодных пятен по боковой поверхности электрода создает в короткой сети печи э.д.с. самоиндукции, возобновляющую разряд на первоначальной стадии, а в напряжении печи возникают высокочастотные релаксационные колебания случайного характера. Время релаксации и амплитуда таких колебаний тем больше, чем выше поднимаются катодные пятна по боковой поверхности электрода. Кроме того, они могут служить параметрами, позволяющими косвенно оценить устойчивость разряда.

Экстремальная точка А печи (фиг. 1), соответствующая наибольшей устойчивости разряда, всегда находится на участке В-С. Поэтому зону автоматического поиска точки экстремума можно значительно сократить, применив в регуляторе коррекцию, изменяющую длину дугового промежутка таким образом, чтобы рабочая точка печи всегда находилась в пределах участка, нижняя граница которого (точка В) соответствует регулярным эксплуатационным капельным коротким замыканиям в печи, а верхняя (точка О) - резкому возрастанию амплитуды (уменьшению частоты) высокочастотных колебаний в напряжении печи.

При этом отклонения рабочей точки печи от точки экстремума можно считать достаточно малыми и использовать простые схемы регуляторов разомкнутого типа. Дуговую вакуумную печь как объект регулирования в этом случае можно представить в виде последовательно соединенных безынерционного звена с экстремальной характеристикой и линейного звена, учитывающего инерцию объекта.