电弧炉直流可逆稳弧控制系统的研究

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摘 要：电弧熔炼法是钛及钛合金熔炼生产的重要方法，而电弧炉电弧的稳定对铸锭的质量影响很大。针对电弧炉稳弧系统的工艺和控制要求，研制基于工控机（IPC）+PLC+西门子6RA70直流调速器的集散控制系统，并设计稳弧直流可逆原理电路，实现稳弧磁场的正、反方向快速变化。生产实际应用表明，该系统在稳定电弧，改善合金化条件有显著效果，有一定的应用前景。

关键词：电弧炉；稳弧控制系统；直流可逆系统；PLC

钛及钛合金具有密度低、耐腐蚀、比强度高等优异性能，在航空、航天、海洋运输、石油、化工、冶金、医疗卫生等行业中都是不可缺少的材料。目前，电弧炉是冶炼钛及钛合金十分重要和不可替代的关键设备，而电弧的稳定对电弧熔炼是非常重要的。当稳弧线圈中通以直流电时，线圈内就产生纵向磁场，为了稳定磁场以及对熔池均匀搅拌，通以线圈的电流必须是正反方向交替的，且电流大小需按要求控制。本文以3T电弧炉控制系统研制为背景，结合电弧炉稳弧系统工艺及控制特点，研究电弧炉直流可逆的稳弧控制系统，实现了稳定电弧及对熔池均匀搅拌，改善了合金化条件。

1 电弧炉稳弧控制系统工艺与特点

1.1 电弧炉稳弧系统组成及工艺

电弧炉稳弧系统有两个交替工作的工位，主要由炉体、真空系统、铜坩埚和冷却水套组成。

1.2 控制技术要求

稳弧控制器采用两组可控硅反并联接法共同给一组稳弧线圈实现直流、低频交流以及转向控制，构成一个纯电感的直流可逆系统。工艺特点需求如下：⑴要求直流可逆系统对输出电流进行功率驱动放大，这样金属熔池才得以搅拌；⑵要求稳弧电流调节范围为0～30A，电流调节时间间隔为3～300s，稳弧电压调节范围为0～40V，磁场强度为0～60高斯；⑶要求起弧阶段要尽量短，搅拌磁场比正常熔炼时要强，尽快建立熔池，可以减少铸锭的切除量[2]。

2 稳弧控制系统组成

控制系统主要由研华工控机、西门子PLC S7-400、稳弧控制器和稳弧线圈组成。⑴上位机：采用研华工控机，自带有以太网通讯接口及打印机并行口，监示器选择19寸液晶显示器。⑵过程控制机：采用西门子PLC S7-400系列，配有CP443-1以太网通讯模块，可实现上位机与PLC的通讯。⑶稳弧控制：采用德国西门直流调速器6RA70，应用其直流可逆原理线路，配合PLC准确实时的控制稳弧线圈上电流的大小与方向，通过PROFIBUS现场总线与稳弧控制器之间通讯。

3 稳弧直流可逆系统

电弧炉的稳弧搅拌是由直流可逆线路驱动，由上位机给定稳弧曲线的幅值及调节时间，通过对反并联连接的两组可控硅的正半轴和负半轴导通来实现稳弧电流的正、反方向变化，达到对熔池内金属熔液的换向搅拌[3]。

3.1 系统工作原理

3T电弧炉稳弧直流可逆系统，由四台（每个工位两台）晶闸管直流电源并联输出，供给真空自耗电弧炉稳弧线圈作为供电电源[4]。

该直流可逆系统的原理构成如图1所示，由配电系统、控制系统、整流变压器、电流测量系统等组成。稳弧直流可逆系统的主电路采用单相电输入，变压器二次绕组具有中心抽头，使副绕组两段的电压有效值相等，分别供给两个工位的稳弧线圈。二次绕组连接有电流互感器，通过变送器送去计算机。系统具有结构紧凑、节能、整流效率高等特点，对控制系统基本无干扰。

控制电路主要由电流调节器、正组触发器插件板、反组触发器插件板和电流反馈部分组成。该控制电路实现了稳弧控制过程中磁场的换向，正组触发器插件板4触发导通KG1和KG3，反组触发器插件板5触发导通KG2和KG4。

4 系统程序设计

起弧以后电弧的正常燃烧是稳弧系统运行的先决条件，在电弧正常时，直流可逆系统方可工作。控制系统采用STEP7软件编程，确认稳弧使能开启后，稳弧控制器将进入运行状态，上位机给定稳弧电流，通过电流检测环节，检测输出电流值，构成反馈控制。

5 结论

该电弧炉稳弧直流可逆系统已投入生产运行，实际生产运行表明系统设计满足钛及钛合金电弧熔炼稳弧工艺和控制要求，通过可控硅的正、负半轴导通，实现了磁场的方向改变，达到对金属溶池的换向搅拌，控制精度高，稳弧电压6～11V时，稳弧电流5～6A，熔炼后的铸锭结晶均匀，提高产品质量效果显著，具有广泛的应用推广价值。

[参考文献]

[1]付龙飞.基于总线的真空自耗电弧炉控制系统研究[D].西安石油大学，2012.

[2]张莉，飞，沈建冬.大型电弧炉自适应控制系统的研究[J].炼钢，2009.4，25（2）：56～58.

[3]马开道，鲁毅，马琨.稀有金属真空熔炼技术及其设备设计[M].北京：冶金工业出版社，2011.3.

[4]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2009.8.