ПУБЛИКАЦИИ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ВАКУУМНОГО ДУГОВОГО ПЕРЕПЛАВА – ОСНОВНАЯ ЗАДАЧА ПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЬЮТЕРА ПРИ УПРАВЛЕНИЯ ВДП

Л.А.Волохонский, С.М.Нехамин (ОАО ВНИИЭТО), Ю.С.Легович (ИПУ РАН)

Вакуумная дуговая печь как металлургический агрегат, обеспечивающий выплавку высокочистых специальных сталей и сплавов, позволяет осуществлять ряд физико-химических процессов при расплавлении и затвердевании металла, интенсивность которых оказывает большое влияние на качество конечного продукта [1]. Скорость плавления, характер кристаллизации и других процессов в ВДП определяются ее конструктивными признаками, технологией процесса и закона его управления. Ниже рассмотрена взаимосвязь параметров управления вакуумным дуговым переплавом с качеством выплавляемых слитков, а также представлен пример промышленной реализации предлагаемых подходов к управлению процессом. Удаление летучих примесей посредством их испарения, а также газов, находящихся в свободном и растворенном виде, зависят от давления и температуры в соответствующей зоне, скорости плавления расходуемого электрода. Особенно активно испаряются магний, свинец, мышьяк, олово. Удается добиться почти полного удаления растворенных водорода и азота, а также кристаллической влаги.  На удаление неметаллических включений в виде оксидов, нитридов, гидридов, сульфидов и их соединений вследствие испарения или термической диссоциации оказывают косвенное влияние такие параметры режима, как длина дугового промежутка и скорость плавления, от которых зависит продолжительность пребывания металла в жидком состоянии, способствующая всплытию включений. Режим с длинной дугой может стать причиной подплавления и падения в ванну конденсата со стенки кристаллизатора, что приводит к образованию металлических включений в слитке (дефект “улитка”)

Для обеспечения однородности химического состава получаемого слитка, формирования поверхности слитка и его кристаллической структуры требуется в процессе плавки жестко выдерживать заданное значение тока печи и распределение мощности между электродом, дугой и жидкой ванной. При прочих равных условиях, распределение мощности определяется формой промежутка между торцом электрода и жидкой ванной. Указанные параметры, взаимосвязаны со скоростью плавления и протяженностью двухфазной области, размеры которой влияют на вероятность образования дефектов макроструктуры слитков, таких как пятнистая ликвация, внеосевая неоднородность, послойная кристаллизация, пористость. 

Для обеспечения качества выплавляемых слитков необходимо такое управление процессом, при котором в рабочем режиме формирования слитка поддерживается высокая стабильность наиболее важных из упомянутых выше параметров: тока дуги, напряжения на дуге, длины дугового промежутка, скорости плавления, давления в вакуумной камере. Кроме того, в начале плавки при наведении жидкой ванны и прогреве электрода, а также в конце - при выведении усадочной раковины, необходимо изменять ток дуги по особой траектории. Форма траектории, обеспечивающая сокращение потерь годного металла с отрезаемыми головной и донной частями слитка, определяется для каждой марки сплава, размеров электрода и кристаллизатора. 

Используемые на отечественных предприятиях локальные регуляторы не могут обеспечить удовлетворительное решение названных задач управления ВДП по ряду причин.

Большинство из перечисленных выше параметров состояния процесса плавки не поддаются непосредственному измерению. Используемое обычно измерение суммарного тока печи не позволяет непосредственно отделить ток, протекающий между торцом электрода и жидкой ванной от неконтролируемого тока утечки на боковую стенку кристаллизатора. В измеряемом напряжении между штоком и кристаллизатором помимо полезного сигнала напряжения дуги присутствуют изменяющиеся во времени слагаемые: переходные сопротивления контактов и напряжение на токоведущих элементах, в том числе изменяющееся по ходу плавки падение напряжения на расходуемом электроде. Длина дугового промежутка и скорость плавления в настоящее время не контролируются. Давление в камере печи, как правило, определяется с погрешностью, превышающей 100%. (В данном случае, речь не о принципиальной возможности определения указанных параметров процесса, а о реальной ситуации, сложившейся на предприятиях вследствие отсутствия относительно дешевых и эффективных средств контроля). 

Другая проблема состоит в том, что используемый для регулирования длины дугового промежутка параметр – напряжение печи, недостаточно информативен, так как характер горения дуги и вид дугового разряда по ходу плавки могут резко изменяться. Соответственно изменяется на порядок и более градиент напряжения на дуговом промежутке. Например, при зажигании дуги на стенку кристаллизатора может принципиально измениться характер обратной связи по напряжению печи. 

Для преодоления перечисленных выше недостатков локальных регуляторов, во ВНИИЭТО в 80-е годы была разработана система управления серии ШЦД, с использованием микропроцессорной техники. По своей структуре система управления была выполнена как адаптивная, использующая для адаптации контура дополнительную информацию о форме кривой напряжения печи. Для коррекции системы управления использовалась статистическая зависимость между длиной дугового промежутка и так называемой “частотой капельных импульсов” [2]. К сожалению, сложность настройки и эксплуатации микропроцессорных систем, неудобство их интерфейса, повлекли за собой возврат предприятий к более простым локальным регуляторам.

На практике, отсутствие надлежащих средств измерения, как правило, компенсируется непрерывным визуальным контролем плавильщика за излучением дуги и рабочего пространства печи, осуществляемым с помощью специальных оптических приборов (перископов).

1. Информационная подсистема должна быть развита в плане существенного повышения точности определения параметров режима, расширения перечня контролируемых существенных показателей процесса, а также учета взаимного влияния параметров и их динамики. 
2. Развитие подсистемы регистрации режима плавки для обеспечения эффективного ретроспективного анализа с целью ускоренного освоения разнообразных марок сплавов и типоразмеров слитков. 
3. Функциональное использование для управления процессом мощного ранее не использовавшегося канала видеоинформации об излучении дуги и рабочего пространства печи. 
4. Дружественный интерфейс системы с плавильщиком и с обслуживающим персоналом, способствующий приживаемости автоматизированной системы в металлургическом цехе. 

Структура САУ “АВАК” представлена на рис. 1. Система обеспечивает: автоматический тест контроля натекания до начала плавки, контроль перемещения электрода, напряжения и тока печи, непрерывное высокоточное измерение веса электрода, а также как величину, производную от веса электрода - контроль и скорости плавления. Контролируется работа оборудования печи, а также все основные параметры процесса плавки. Предусмотрено программное управление током печи и перемещением электрода. 

Наиболее существенными отличиями системы “АВАК” от представленной фирмой “ALD” системы управления являются контроль частоты капельных импульсов, подробнейшая регистрограмма изменения параметров плавки на всем ее протяжении, а также архивирование цифровых массивов параметров плавки с интервалом дискретности в 0,1 секунды. Остановимся более подробно на тех дополнительных функциональных возможностях которые дает САУ “АВАК”. 

Результаты проведенных ранее исследований [1, 2] с использованием скоростной киносъемки и синхронного осциллографирования показали, что при стекании с электрода расплавленного металла часть катодных пятен, двигающихся по электроду, переходит на каплю металла. Это приводит к резкому уменьшению длины дуг, горящих на этих пятнах, и резкому, носящему характер импульса, уменьшению напряжения печи. После отрыва капли от электрода, горящие на ней катодные пятна разрушаются, а в электрическом контуре печи возникает резкое уменьшение тока на величину, соответствующую току исчезнувших пятен. Ввиду индуктивного характера электрической цепи, в этот момент возникает значительное перенапряжение, а капельный импульс приобретает характерную форму, показанную на рис. 2. 

Исследования показали наличие статистической связи между длиной дугового промежутка и частотой капельных импульсов. Принцип регулирования поясняется регистрограммой (см. на обложке фрагмент регистрограммы "Отклонение режима от нормы"), показывающей изменение во времени основных параметров процесса. Видно, как из-за ухудшения вакуума и снижения длины дугового промежутка возросла частота капельных импульсов. Далее, спустя несколько минут после восстановления длины дугового промежутка, частота начала снижаться. 

Испытания способа управления напряжением дуги, с адаптацией по частоте капельных импульсов, подтвердили существенное улучшение качества регулирования процесса, как показано на регистрограмме (см. на обложке фрагмент регистрограммы "Режим в норме"). 

Распечатка подробной регистрограммы изменения параметров плавки, а также архивирование цифровых массивов параметров плавки с интервалом дискретности в 0,1 секунды позволяют осуществлять постоянный мониторинг качественных показателей процесса ВДП. Динамические изменения в регистрограммах параметров (в масштабе 1 минута процесса на 5 мм регистрограммы) наглядно показывают изменения в качестве работы оборудования, недостатки в управлении процессом, ухудшение подготовки электродов на предыдущих переделах. На обложке приведены два фрагмента регистрограммы: первый – нормальный ход процесса, второй – расстройство режима вследствие загрязнения электрода посторонними включениями и снижения длины дугового промежутка. В ситуациях, требующих анализа быстро протекающих процессов (например качество настройки систем регулирования), используются заархивированные компьютером массивы параметров плавки. Этот позволяет выполнить детальный анализ любого отклонения в режиме плавки. 

В развитие системы управления непосредственно на мнемосхеме процесса (представленной на экране дисплея) предусмотрена возможность вывода видеоизображения дуги и рабочего пространства печи, что облегчает плавильщику контроль режима дуги. Система видеонаблюдения и видеоконтроля за счет использования современных промышленных видеокамер и систем обработки видеоизображения в цифровом формате позволит при относительно низкой стоимости получить принципиально новые функциональные возможности по сравнению с оптическими и аналоговыми системами. Благодаря высоким техническим характеристикам видеосистема даст возможность эффективно использовать для управления вакуумным дуговым переплавом важный канал информации о ходе процесса, ранее не применявшийся для автоматизации ВДП. В качестве примера на обложке показаны видеокадры в нормальном режиме и при различном влиянии шлака на режим дуги, зарегистрированные при проведении работ по развитию функциональных возможностей САУ "АВАК". 

САУ “АВАК” выполнена с использованием промышленного компьютера, рассчитанного на эксплуатацию в условиях металлургического цеха. Система встроена в удобный для плавильщика пульт управления (см. фото на обложке). Эргономические требования как плавильщика, так и обслуживающего персонала в значительной степени определили конструктивное оформление программно-технического комплекса. Структура аппаратных средств определена с учетом изложенной выше концепции автоматизации ВДП. Устройства связи с объектом выполнены на основе высокоточных и высокостабильных устройств связи с объектом фирмы “ANALOG DEVIСES”. Особое внимание уделено первичным источникам информации. Так для обеспечения высокоточного контроля перемещения электрода создан специальный преобразователь перемещения электрода с разрешающей способностью 0,02 мм. Разрешающая способность весоизмерительного датчика - 0,1 %. 

Интерфейс выполнен на основе цветных графических мнемосхем на интуитивно понятном уровне. Ввод плавильщиком данных и непосредственное управление осуществляется с помощью сенсорного экрана, что при управлении процессом снижает вероятность ошибочных действий, которые могли бы ухудшить качество слитка. 

В заключении, необходимо отметить, что промышленное применение системы управления “АВАК” и информационно-регистрирующей системы “Регистр” показало их как достаточно надежные и удобные в эксплуатации комплексы, отвечающие современным жестким требованиям к качеству вакуумного дугового переплава. 

1. Волохонский Л.А. Вакуумные дуговые печи. – М..: Энергоатомиздат,1985, с. 85-94.
2. Изаксон-Демидов Ю.А. Автоматическое управление дуговыми вакуумными печами. М., ОВНИИЭМ, 1966. 85 с.
3. Освоение производства крупноразмерной продукции из жаропрочных никелевых сплавов./ Мулин С.В., Никонов Е.В., Батурин А.И., Волохонский Л.А. “Сталь”. № 3, 2000 г., с. 75-77. 
4. ALD Vacuum TecHnologies GmbH. Vacuum Metallurgy. 2000. P. 22-23.