氣氛保護電渣爐的保護罩壓力自動控制系統優化設計研究

任 偉

（撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧 撫順 113001）

目前國外許多大型氣氛保護電渣爐都配備了保護罩壓力自動控制系統，在氣氛保護電渣中微正壓重熔過程中起到了至關重要的作用，該系統直接影響到了保護氣氛的實際使用效果。既要達到爐內保護氣氛，又要保證惰性氣體消耗，是該項研究的目的。

1 氣氛保護電渣爐的基本工作原理與特點

1.1 工作原理

電渣爐是利用電加熱熔渣進行金屬精煉的一種工業生產方法，氣氛保護電渣爐本身所追求的是一種重熔在保護氣氛下的效應，氣氛保護電渣爐在生產過程中可有效抑制偏析現象，控制結晶方向，構建軸向的結晶組織[1]。

1.2 工作特點

氣氛保護電渣爐工藝中所體現的最重要特性就是在惰性氣體的保護氣氛下通過控制熔池形狀進而改善電渣鋼錠的宏觀與微觀組織，就這一點來講是目前許多其它二次精煉技術所無法實現的，相比于傳統冶金方法，氣氛保護電渣爐的生產特點主要體現在有效控制重熔氣氛下，最大限度減少氣氛保護電渣爐生產過程中氧氣、氮氣以及氫氣的介入。

2 氣氛保護電渣爐的保護罩壓力自動控制系統優化設計影響因素分析

一般來說，保護氣氛就是在氣氛保護電渣爐生產過程中以完全無氧化惰性氣氛狀態存在的，在這其中熔渣并不會被氧化，也不需要加入任何脫氧劑，它可確保鋼錠擁有更加良好的純凈度。氣氛保護電渣爐內的保護氣氛流暢與保護罩結構存在一定關系，它的優勢直接影響了保護氣氛保護效果。在實際生產當中需要對大型氣氛保護電渣爐的爐內保護氣氛進行數值模擬，詳細分析、對比不同保護罩結構下的電渣爐內部流場，明確保護罩結構對電渣爐內流場的實際影響規律，進而實現對保護罩內壓力的優化設計。

2.1 保護罩壓力自動控制系統結構對氣氛保護電渣爐的內流場影響

首先，氣氛保護電渣爐保護罩壓力自動控制系統中排氣口對電渣爐內流場存在較大影響，為合理掌握排氣口對電渣爐內流場的影響規律，需要提出保護罩結構的優化設計理論依據，對保護罩下的電渣爐內流場與溫度進行相應數值模擬，并分析所獲得的模擬結果。一般來說，氣氛保護電渣爐保護罩都分為上罩與下罩兩個部分，它的排氣口與保護罩上蓋直接連接，其中上罩厚度一般在200mm左右，以下給出具體的保護罩排氣口截面設計方案如表1。

表1 保護罩排氣口截面設計方案

上述4中方案保護罩其內部壓力分布均相對均勻，其中有部分區域由于存在電極拉桿區域，所以該區域壓力差應該為0。如果在相同出口壓力狀態下，保護罩的截面尺寸會相應減小，而氣氛保護電渣爐內保護罩上蓋內部壓力會逐漸增大，原理排氣口一側就會呈現出正壓力區域逐漸增大的發展趨勢。如果電極拉桿周圍出現正壓壓力，會有部分爐氣從保護罩上蓋電極拉桿位置大量逸出。出現上述現象的根本原因就要結合流體力學理論進行分析，因為在保護罩排氣口管道中存在大量壓力損失，它與管道中的當量直徑恰好形成反比例關系，此時就需要計算矩形

管道中的當量直徑 d 應該為 ：

結合上述算式可求得4種方案的矩形管道當量直徑分別為300mm、286mm、267mm、240mm。根據截面尺寸的減小程度看，管道中的壓力損失、排氣口與保護罩內部的壓差都會逐漸增大，此時電渣爐內部壓力也會逐漸增大。究其原因，這主要是因為排氣口截面尺寸逐漸減小導致電渣爐保護罩上蓋位置內部壓力出現明顯增加狀況。在外部邊界條件是持續保持不變的情況下，電渣爐內壓力必然增加，所以綜合對比上述4種方案中方案一應當為最佳方案。

2.2 保護罩壓力自動控制系統進氣口布局對氣氛保護電渣爐的內流場影響

針對氣氛保護電渣爐保護罩的壓力自動控制系統進氣口布局對其內流場影響進行分析，保證做到進氣口布局合理，直接影響保護氣氛的保護效果優化。這里可采用3種方案進行分析，模擬分析結果并進行對比，設計最合理的壓力自動控制系統進氣口布局方案如表2。

表2 氣氛保護電渣爐保護罩進氣口布局方案

通過對比發現，進氣口為3個的方案一其電渣爐內部完全垂直于正壓方向，且其中的0.2m壓力梯度表現最小，且方案一種保護罩下方壓力差基本維持在20Pa左右，所以說它是符合常壓電渣爐對微正壓的技術要求的，因此方案一可選[2]。超過大氣壓100KPa以上的情況經實際使用則沒有這么大的分布影響，故管道數量可最小化。

如果是非常壓狀態下，伴隨氣流量逐漸增大，氣氛保護電渣爐保護罩下方的壓力也會逐漸增大，此時進氣流量會增大到2.8m3/s左右。在該過程中，電渣爐中保護罩下方壓力分布相對均勻，要基本維持在120KPa左右，如此可完全符合電渣爐微正壓要求，同時保證進氣流量進一步增大到3.0m3/s左右，考慮到保護罩下方壓力梯度相對偏大，最高壓力達到128KPa，保證其符合微正壓要求。而在針對渣面深度為1m的情況時，需要保護氣流量在2.8m3/s為合理狀態，如此可保護進氣流量正常。

3 氣氛保護電渣爐保護罩壓力自動控制系統優化設計

3.1 合理出口壓力的確定

為了保證保護罩上下罩部分內部氣氛流暢始終順暢，需要首先將爐內廢氣完全排出。在設計第一階段中取保護氣進氣流量為3.5m3/s，保持電渣面溫度在1700℃以上，電渣面到爐口距離為1000mm，然后根據電渣爐保護氣氛流場與溫度場進行穩態數值進行計算，并對計算結果進行合理化處理。在處理過程中觀察出口壓力的增大過程，此時電渣爐保護罩內壓力也會隨之增大，一般出口壓力會增大到96.5kPa左右，且保護罩內會出現明顯的正壓區域，所以說96kPa應該是最為合理的出口壓力值。

3.2 合理保護氣供氣流量的確定

第二階段，伴隨進氣流量的持續增大和保護罩出口閥門的完全關閉，電渣爐內保護罩的下方壓力也會相應增大。比如說當進氣流量增大到2.8m3/s時，電渣爐內保護罩的下方壓力會處于最均勻分布狀態，基本上可維持在20KPa ～ 130KPa范圍內，此時是完全符合氣氛保護電渣爐正壓工藝要求的，同時近期流量也會進一步增大到3.0m3/s左右。而如果渣面深度在1m左右時，可將保護進氣流量設置在2.8m3/s左右[3]，主要用于維持爐內設定壓力。

氣氛保護電渣爐的氣體保護罩的壓力自動控制系統特征明顯，它的保護罩與水平管道相互連通，水平管道則與豎直管道相互連通，豎直管道內則設置有浮動球體，要確保浮動球體設置在密封環之上，構建自動化技術體系。根據自動化技術體系應用可將電渣爐氣體保護罩壓力融入到自動控制系統中，如此可令氣氛保護電渣爐氣體保護罩內外壓力差小于200Pa，此時浮動球體會主動下降，反之偏差如果超過200Pa則浮動球體會主動上升。在這里，電渣爐的氣體保護罩壓力自動控制系統一般應用到了耐高溫無磁性材料所制作的空心球，其空心球能夠達到目標壓力以上并自動浮起，當壓力不足時它還會繼續下落。為了進一步明確其自動控制系統的構成，還需要結合電流變換模塊、單片機、AD轉換器等等內容展開分析，它們都能在氣氛保護電渣爐保護氣氛優化調整以及電渣熔化生產過程中產生重要作用。例如在單片機中它就采用到了單時鐘控制體系，設置周期為1T的系列單片機體系，它的功耗較低且速度較高，具有較強的抗干擾能力與兼容性，且內部專用復位電流也具有較強的抗干擾能力。

4 總結

經過上述科學分析表明，針對氣氛保護電渣爐的保護氣氛優化調整可實現對電渣熔化過程中氮含量的過渡增加。而如果對電渣爐內的保護氣流場與溫度場進行數值模擬分析，可有效明確其內流場與溫度場的正確布局規律，再合理確定氣氛保護電渣爐保護罩壓力自動控制系統的進出口壓力與保護氣供氣流量即可。