气氛保护电渣炉的保护罩压力自动控制系统优化设计研究

时间：2024-11-02

任伟

（抚顺特殊钢股份有限公司，辽宁抚顺 113001）

目前国外许多大型气氛保护电渣炉都配备了保护罩压力自动控制系统，在气氛保护电渣中微正压重熔过程中起到了至关重要的作用，该系统直接影响到了保护气氛的实际使用效果。既要达到炉内保护气氛，又要保证惰性气体消耗，是该项研究的目的。

1 气氛保护电渣炉的基本工作原理与特点

1.1 工作原理

电渣炉是利用电加热熔渣进行金属精炼的一种工业生产方法，气氛保护电渣炉本身所追求的是一种重熔在保护气氛下的效应，气氛保护电渣炉在生产过程中可有效抑制偏析现象，控制结晶方向，构建轴向的结晶组织[1]。

1.2 工作特点

气氛保护电渣炉工艺中所体现的最重要特性就是在惰性气体的保护气氛下通过控制熔池形状进而改善电渣钢锭的宏观与微观组织，就这一点来讲是目前许多其它二次精炼技术所无法实现的，相比于传统冶金方法，气氛保护电渣炉的生产特点主要体现在有效控制重熔气氛下，最大限度减少气氛保护电渣炉生产过程中氧气、氮气以及氢气的介入。

2 气氛保护电渣炉的保护罩压力自动控制系统优化设计影响因素分析

一般来说，保护气氛就是在气氛保护电渣炉生产过程中以完全无氧化惰性气氛状态存在的，在这其中熔渣并不会被氧化，也不需要加入任何脱氧剂，它可确保钢锭拥有更加良好的纯净度。气氛保护电渣炉内的保护气氛流畅与保护罩结构存在一定关系，它的优势直接影响了保护气氛保护效果。在实际生产当中需要对大型气氛保护电渣炉的炉内保护气氛进行数值模拟，详细分析、对比不同保护罩结构下的电渣炉内部流场，明确保护罩结构对电渣炉内流场的实际影响规律，进而实现对保护罩内压力的优化设计。

2.1 保护罩压力自动控制系统结构对气氛保护电渣炉的内流场影响

首先，气氛保护电渣炉保护罩压力自动控制系统中排气口对电渣炉内流场存在较大影响，为合理掌握排气口对电渣炉内流场的影响规律，需要提出保护罩结构的优化设计理论依据，对保护罩下的电渣炉内流场与温度进行相应数值模拟，并分析所获得的模拟结果。一般来说，气氛保护电渣炉保护罩都分为上罩与下罩两个部分，它的排气口与保护罩上盖直接连接，其中上罩厚度一般在200mm左右，以下给出具体的保护罩排气口截面设计方案如表1。

表1 保护罩排气口截面设计方案

上述4中方案保护罩其内部压力分布均相对均匀，其中有部分区域由于存在电极拉杆区域，所以该区域压力差应该为0。如果在相同出口压力状态下，保护罩的截面尺寸会相应减小，而气氛保护电渣炉内保护罩上盖内部压力会逐渐增大，原理排气口一侧就会呈现出正压力区域逐渐增大的发展趋势。如果电极拉杆周围出现正压压力，会有部分炉气从保护罩上盖电极拉杆位置大量逸出。出现上述现象的根本原因就要结合流体力学理论进行分析，因为在保护罩排气口管道中存在大量压力损失，它与管道中的当量直径恰好形成反比例关系，此时就需要计算矩形

管道中的当量直径 d 应该为：

结合上述算式可求得4种方案的矩形管道当量直径分别为300mm、286mm、267mm、240mm。根据截面尺寸的减小程度看，管道中的压力损失、排气口与保护罩内部的压差都会逐渐增大，此时电渣炉内部压力也会逐渐增大。究其原因，这主要是因为排气口截面尺寸逐渐减小导致电渣炉保护罩上盖位置内部压力出现明显增加状况。在外部边界条件是持续保持不变的情况下，电渣炉内压力必然增加，所以综合对比上述4种方案中方案一应当为最佳方案。

2.2 保护罩压力自动控制系统进气口布局对气氛保护电渣炉的内流场影响

针对气氛保护电渣炉保护罩的压力自动控制系统进气口布局对其内流场影响进行分析，保证做到进气口布局合理，直接影响保护气氛的保护效果优化。这里可采用3种方案进行分析，模拟分析结果并进行对比，设计最合理的压力自动控制系统进气口布局方案如表2。

表2 气氛保护电渣炉保护罩进气口布局方案

通过对比发现，进气口为3个的方案一其电渣炉内部完全垂直于正压方向，且其中的0.2m压力梯度表现最小，且方案一种保护罩下方压力差基本维持在20Pa左右，所以说它是符合常压电渣炉对微正压的技术要求的，因此方案一可选[2]。超过大气压100KPa以上的情况经实际使用则没有这么大的分布影响，故管道数量可最小化。

如果是非常压状态下，伴随气流量逐渐增大，气氛保护电渣炉保护罩下方的压力也会逐渐增大，此时进气流量会增大到2.8m3/s左右。在该过程中，电渣炉中保护罩下方压力分布相对均匀，要基本维持在120KPa左右，如此可完全符合电渣炉微正压要求，同时保证进气流量进一步增大到3.0m3/s左右，考虑到保护罩下方压力梯度相对偏大，最高压力达到128KPa，保证其符合微正压要求。而在针对渣面深度为1m的情况时，需要保护气流量在2.8m3/s为合理状态，如此可保护进气流量正常。

3 气氛保护电渣炉保护罩压力自动控制系统优化设计

3.1 合理出口压力的确定

为了保证保护罩上下罩部分内部气氛流畅始终顺畅，需要首先将炉内废气完全排出。在设计第一阶段中取保护气进气流量为3.5m3/s，保持电渣面温度在1700℃以上，电渣面到炉口距离为1000mm，然后根据电渣炉保护气氛流场与温度场进行稳态数值进行计算，并对计算结果进行合理化处理。在处理过程中观察出口压力的增大过程，此时电渣炉保护罩内压力也会随之增大，一般出口压力会增大到96.5kPa左右，且保护罩内会出现明显的正压区域，所以说96kPa应该是最为合理的出口压力值。

3.2 合理保护气供气流量的确定

第二阶段，伴随进气流量的持续增大和保护罩出口阀门的完全关闭，电渣炉内保护罩的下方压力也会相应增大。比如说当进气流量增大到2.8m3/s时，电渣炉内保护罩的下方压力会处于最均匀分布状态，基本上可维持在20KPa ～ 130KPa范围内，此时是完全符合气氛保护电渣炉正压工艺要求的，同时近期流量也会进一步增大到3.0m3/s左右。而如果渣面深度在1m左右时，可将保护进气流量设置在2.8m3/s左右[3]，主要用于维持炉内设定压力。

气氛保护电渣炉的气体保护罩的压力自动控制系统特征明显，它的保护罩与水平管道相互连通，水平管道则与竖直管道相互连通，竖直管道内则设置有浮动球体，要确保浮动球体设置在密封环之上，构建自动化技术体系。根据自动化技术体系应用可将电渣炉气体保护罩压力融入到自动控制系统中，如此可令气氛保护电渣炉气体保护罩内外压力差小于200Pa，此时浮动球体会主动下降，反之偏差如果超过200Pa则浮动球体会主动上升。在这里，电渣炉的气体保护罩压力自动控制系统一般应用到了耐高温无磁性材料所制作的空心球，其空心球能够达到目标压力以上并自动浮起，当压力不足时它还会继续下落。为了进一步明确其自动控制系统的构成，还需要结合电流变换模块、单片机、AD转换器等等内容展开分析，它们都能在气氛保护电渣炉保护气氛优化调整以及电渣熔化生产过程中产生重要作用。例如在单片机中它就采用到了单时钟控制体系，设置周期为1T的系列单片机体系，它的功耗较低且速度较高，具有较强的抗干扰能力与兼容性，且内部专用复位电流也具有较强的抗干扰能力。