摘  要: 等离子体加热装置体积小、热效率高、无环境污染，应用于连铸中间包加热中可取得显著经济效益。介绍了这一装置及其控制系统" title="控制系统">控制系统的构成与特点。

　　关键词: 等离子体  连铸  中间包  PLC

1 等离子体加热器概况

　　被称作物质第四态的等离子体是由分子、原子、离子和电子组成的电离气体，长期以来等离子体能量一直被视为稀有的珍品。但随着电力电子器件的发展与其它学科的进步，现在已有了更可靠、更经济地产生和维持高能量的等离子体技术。与其它加热方式相比，等离子体加热方式具有如下独特优点:

　　(1)一般化工燃料(例如煤、石油等)只能产生4000K以下的温度，而等离子体加热器能产生8000K~15000K的高温或更高的温度;

　　(2)等离子体加热器由于不需要氧气助燃，可以在随意选择的工作气体和工作气压下工作，选用惰性气体可避免加热体在高温下的污染，在还原气体下，等离子体加热器不但提供有效的加热，而且提供很强的还原作用;

　　(3)等离子体加热器由于采用特殊材料金属电极，在加热过程中电极消耗量极其微小，不会象用石墨做电极的电弧炉那样给被加热体带来增碳效应与其它污染;

　　(4)等离子体加热器的功率大小可调节范围大，并且可以做到精确控制。

　　由于这些特点，等离子体在高温工艺过程中的实际应用预示着许多传统的生产过程将发生根本性的变化。冶金工艺过程是发挥等离子体加热器独特性质较理想的领域之一。

　　二十世纪六十年代后期，西方国家逐步开始在炼铁、金属重熔、有色金属等冶金领域开始了等离子体加热器的试验研究;到了八十年代后期，已有技术成熟的兆瓦级等离子体加热器商品问世。国内等离子体加热器的研究分为两类。

　　(1)主要在金属加工领域应用的中低功率等离子体加热器，如等离子体切割机、焊接机等。这类加热器的功率一般在100kW以下，可连续工作，使用气体冷却电极。从技术上讲，不可能通过简单地扩大尺寸，将此类加热器功率提高到兆瓦级。由于功率太小，这类加热器难以在冶金工业中找到应用领域。

　　(2)主要在航天领域应用的用来模拟火箭载入大气层热环境的大功率等离子体加热器。由于研究远程火箭的需要，二十世纪六十年代科学院电工所、力学所联合七机部七零一所开发了用电弧加热器模拟载入大气层的电弧风洞，到现在功率已达5MW，这种等离子体加热器虽然从原理上与冶金用等离子体加热器有类似性，但它处于脉冲工作状态，弧压高、弧电流小(2000A以下)、噪声大、电极寿命短、运行费用高，推广到冶金行业应用难度很大。

2 等离子体加热器用于连铸中间包调温控制

　　钢的生产采用连铸技术始于二十世纪五十年代，七十年代以后迅速发展，八十年代日臻完善，一个国家连铸技术的水平与比例已成为衡量其钢铁工业现代化程度的重要标志。

　　中间包在连铸生产中的基本工艺作用是:①分流;②储存钢水维持连浇;③排除夹杂。在每一炉大包钢水浇注过程中，随着浇注时间增加，大包钢水温度下降，中间包内钢水温度也随之降低，分流也会引起各流之间的温差，中间包钢水温度过低会产生如下问题:①边流絮流;②中间包钢水冻结。通过提高转炉钢水温度来保证较高的钢水过热度可解决中间包温度过低问题，但会带来新的问题:①过高的中间包温度降低了浇注速度;②高的钢水过热度不利于得到优质等轴晶铸坯;③过高的出钢温度降低了转炉寿命。因此，理想的方法是:不提高钢水过热度，采用外部加热方法及时补偿中间包散热损失引起的中间包钢水温度下降，保持恒温(低过热度)浇注。

　　有多种对中间包钢水进行外部加热的传统方法，但都存在一定的缺点，例如:在中间包内采用化学方法加热易造成钢水污染;采用电弧加热时，电弧电极系统现场布置困难，另外石墨电极对钢水有增碳效应;采用感应加热法反应较慢，而且加热温度场不易与中间包铸流结合。等离子体加热方式可有效地克服这些问题，因此普遍认为等离子体加热方式是连铸中间包上首选的加热方式。

　　1984年，德国Demag公司正式将等离子体加热技术用于连铸中间包钢水加热调温。近几年来，西方国家各大钢铁公司纷纷采用这一技术，我国也有钢铁厂从国外引进了类似设备。目前国外只有三家公司能提供连铸中间包等离子体加热系统。

　　1996年2月，我们与某钢铁公司联合研制的国产首台1MW连铸中间包等离子体加热器经过一年200多炉的热负荷试验与工业试运行后，通过了原冶金部与安徽省经贸委组织的技术成果鉴定与新产品鉴定，得到了专家们“国内首创、部分达到国际领先水平”的评价。

　　通过实验发现，中间包采用等离子体加热器加热调温，可有如下效果:

　　(1)浇注温度稳定，浇注速度不必因温度变化而调整;

　　(2)每炉开浇温度不必太高，从而上一道工序的能耗和耐材消耗可降低，大包内钢水温度只要满足全包浇完即可;

　　(3)避免中间包内钢水冻结;

　　(4)平均浇注温度下降后，铸坯等轴晶比例增大，减少中心偏折，高碳钢也可以连铸;

　　(5)可以在低过热度下加快浇注速度，提高生产率;

　　(6)加热促使中间包内温度场均匀化，防止多流连铸机外侧水口温度偏低;

　　(7)可维持每组最后一炉中间包内钢水浇完，减少了中间包结壳与残钢，提高了钢的收得率。

3 系统结构组成与功能

　　系统结构见图1，主要由五个部分组成:

　　(1)电源系统。包括高压配电室、整流变压器、整流装置、平衡电抗器" title="电抗器">电抗器、平波电抗器、直流母线排、滑动触头、底阳极、点火装置" title="点火装置">点火装置等，额定弧电压200V，额定弧电流5000A，额定功率因数0.85。

　　(2)去离子水处理系统。由于等离子体枪的喷嘴及阴极头尺寸较小，散热功率很大，要求冷却水压力高、流量大，同时为降低结垢及电蚀，需要用去离子水闭路循环冷却，去离子水的散热在不锈钢板式换热器中进行，同时去离子水还用来冷却整流变压器、整流装置与平衡、平波电抗器等。要求如下:

　　①水质:ρ>500kΩ·cm;水压力为1.6MPa;水流量为25t/h;水温T≤32℃;

　　②板式换热器:冷却进水压力为0.1～0.3MPa;水流量为30t/h;进口温度不大于30℃;出口温度不大于32℃。

　　(3)氩气系统。减压后氩气压力为0.3MPa，额定流量为150SNL/min，采用质量流量控制器控制流量，具有温度、压力自动补偿功能，可以准确控制气体流量，保证弧流的平稳。

　　(4)等离子枪及机构。主要功能为:①把持等离子体枪，并按需要调整枪位，改变弧长;②接通等离子体枪水、气、电源。枪架采用已获国家专利的四连杆机构，连杆本身通水，结构简单紧凑，也不易升温;枪架采用交流恒转矩调速控制，高速与低速比为10：1，定位精度为5mm，同时可完成枪位测量。枪架设计参数为:枪头总行程高度2150mm;其中精确垂直段行程500mm;枪头在最低位悬伸长度2700mm;枪头在最高位机架总高2500mm;枪头在垂直段最大上升速度300mm/s;枪头在垂直段点动距离5mm/次;枪架动载荷100kg。根据需要，还编制了枪架机构运动仿真软件，通过软件可确定枪架机构的最佳尺寸参数。

　　(5)中间包。主要包括中间包钢水液位测量" title="液位测量">液位测量、中间包钢水连续测温" title="测温">测温两个子系统。目前中间包钢水液位测量多用称重法，在本装置中，我们采用弧压法进行测量，测量精度在3cm以内，能满足要求;传统的中间包钢水测温用铂铑热电偶进行点测，不能满足自动控制要求，为此专门研制了用于中间包钢水连续测温的钨铼热电偶及外套管、测温仪表、操作机构，通过与点测进行对比，证明测温精度、时间常数能满足要求。

　　控制系统由下位机PLC及上位机组成，I/O点数在100点左右，在中间包平台上有现场控制柜，完成的主要功能有:

　　(1)监测、显示系统运行各种状态，自动执行各种故障保护动作。例如，在加热过程中枪漏水保护过程为:在枪位置进入中间包及冷却水泵启动状态下，如果枪发生漏水故障，由于中间包内高温钢水的作用，可能会发生爆炸事故。通过枪进、出口水流量与压力等参数的测量或外部紧急按钮，在发生枪漏水故障情况下，首先快速将枪高速提升，同时迅速停止冷却水泵并关闭管道上紧急电磁阀门，切断冷却水供应，同时切断整流变压器电压输出。

　　(2)点火过程控制。点火装置为高压脉冲装置，枪喷口流过一定流量的氩气，高电压加在枪阴极头与枪外管之间，在两者之间形成电流可达200A左右的非转移弧，加大流过的氩气流量，将非转移弧吹长，触到中间包钢水液面，形成阴极头到钢水间的转移弧，开始对中间包钢水加热。

　　(3)手动操作功能。通过设在中间包平台上的控制柜，可手动控制枪的上下移动、电源系统工作、冷却水系统启动、氩气流量调节、弧流给定等，满足正常手动操作功能。

    (4)中间包钢水液位测量。在主电弧未启动前，枪前端有一个探头可随枪下降，当探头接触中间包钢水液面时，探头即通过钢水与中间包内底阳极接通，控制电路给出信号，枪停止下降，此时枪头高度(以中间包底为0标高点)即为中间包钢水液面高度。主电弧启动后，由枪位计数器测出枪头高度，由电弧电压换算出弧长，枪头高度减去弧长即为中间包钢水液面高度。在气流与电流关系、弧压与弧流关系确定后，实际证明这种测量误差不超过3cm;通过此功能，也可实现枪自动下降与点火。

　　(5)自动控制功能。启动中间包连续测温系统，进入自动运行状态，按设定的运行方式，系统可自动进行恒功率、恒温加热。由于中间包为大惯性系统，测温传感器的时间常数较大，闭环控制方式可选用PID或Smith预估法，Smith预估法效果较好。

　　1MW连铸中间包等离子体加热装置，经过一年200多炉的热负荷试验与工业试运行，考验了装置的手动与自动运行状态，测量得到的大量实验数据，证明装置运行可靠，达到了预期目的。

参考文献

1 Jerome Feiman主编，刘述临、金佑民等译.等离子体在冶金中的应用.北京:北京工业大学出版社，1989.8

2 王念春.用于连铸中间包加热的工业兆瓦级等离子体柜的研制.中国科学技术大学博士后研究工作报告，1996.9

3 T.Fujiwara and K.Yamagauchi.Latest Progress of Plasma Meiting and Refining Process Booklet.Daido Stell Co.

Ltd.，Nagoya，Japan，1983:p22

4 Hans.J.Bebber，马鞍山钢铁设计院译.用等离子体中间包加热器控制浇注温度.德马克公司交流资料

5 陈家祥.连续铸钢手册.北京:冶金工业出版社，1991.12

6 H.G.Herlitz，B.Johansson and Sven Santen.A New Family of Reduction Precesses Based on Plasma Technology.Iron