本课题来源于东北大学与中国第一重型机械集团公司共同承担的国家“十一五”机床重大专项课题——大型电渣重熔炉设备(批准号：2009ZX04006-032)。电渣重熔(Electroslag Remelting)是特种冶金的主要手段之一,属于二次精炼技术。电渣重熔的目的是去除金属中有害杂质元素和非金属夹杂物,提纯金属,获得结晶组织均匀致密的钢锭。随着世界工业技术的发展,电渣重熔设备越来越向大型化、自动化和节能方向发展,百吨级大型电渣重熔炉已成为目前世界各国研究的重点。论文针对大型电渣重熔炉设备设计的关键技术问题,进行120t电渣重熔炉设备的优化设计技术和电渣重熔过程的恒熔速控制技术研究。论文研究首先根据重大专项课题合同书的技术指标和产品要求,结合大型电渣重熔炉的国内外发展趋势和研究现状,确定了课题的研究目标和主要技术参数,然后结合120t电渣重熔炉的炉型设计与工艺要求,进行机械装备、全液压传动系统和恒熔速控制系统,进行了机械系统优化设计、电液比例控制研究、恒熔速控制技术研究和实验研究,论文的主要研究内容及创新性成果有：(1)根据三相双极串联式120t电渣重熔炉设备的炉型结构等工艺技术要求,进行了电渣炉机械设备、全液压传动系统、电液比例控制系统和自动换电极系统方案设计等。通过采用三维建模技术进行了机械结构设计,包括自耗电极进给装置、导电横臂、裂式立柱等。在国内外首次基于大尺寸液压缸、位移传感器和电液比例调速系统的自耗电极进给装置和结晶器平台升降装置,进行了电渣炉机械系统的全液压三自由度设计,提高了系统刚度和响应特性,并具有显著的节能作用。基于自耗电极余锭长度的软测量技术,提出了自耗电极自动更换系统设计方案,以解决电极更换时间长金属熔池温度场不平衡问题,提高产品质量和生产效率。(2)根据120t电渣炉的设计内容,进行了电渣炉工艺技术参数计算。基于保证电渣钢产品质量、保证电渣冶金过程的稳定性、经济技术性合理、保证工艺技术参数的统一性的设计原则,计算了120t电渣炉的条件参数、基本控制参数和目标控制参数,使参数设计与炉型设计相匹配,并能在电渣重熔过程中根据炉况进行目标控制参数与基本控制参数的实时调整,进而依据参数调整表和诺模图进行电渣重熔过程的自动控制程序。工艺参数设计对提高电渣重熔工程的控制精度和产品质量具有重要意义。(3)对120t电渣炉机械系统进行了实体建模、有限元分析和运动学分析。首先采用Pro/Engineering软件建立了电渣炉三维实体模型,为机械结构设计、制造和装配提供了技术图纸,并为关键零部件的有限元分析和动态特性研究提供了研究基础。根据120t电渣重熔炉的典型工况,采用ANSYS有限元软件,进行了关键零部件与机构在负载约束下的有限元分析和结构改进设计,指导了机械系统设计、制造,降低了电渣炉装备制造和生产过程中的风险。针对弹簧液压缸在夹持大型自耗电极时容易出现的振荡和松卡问题,采用ADAMS虚拟样机技术,对导电横臂夹钳夹紧过程进行了动态特性研究；对裂式立柱负载旋转过程的大惯性转矩引起的振荡、冲击等问题,在分别施加恒定转矩、阶跃转矩和带制动转矩三种情况下进行了运动学分析研究。研究结果表明,弹簧刚度、系统阻尼对电极夹紧过程的平稳性和可靠性具有重要影响；为降低立柱带载情况下的转动惯量引起的振荡和冲击问题,应对立柱旋转施加一定比例和时间的制动转矩以提高运动的平稳性。(4)为实现自耗电极进给的高频响、高精度控制,进而实现电渣重熔的精确恒熔速控制,针对120t电渣重熔炉的自耗电极进给电液比例控制系统,采用DSHplus仿真软件建立了液压系统仿真模型,进行了液压系统参数校核与优化设计研究,使系统能够满足电液比例控制系统的大刚度、高频响技术要求。DSHplus研究结果表明液压系统元件选型与参数设计合理,可以满足系统对液压系统的工艺技术要求。建立了自耗电极进给电液比例速度控制系统的数学模型,并采用MATLAB软件进行了系统稳定性分析、动态特性分析与内部模型PID校正控制研究。研究表明采用大尺寸液压缸及位移传感器代替传统的滚珠丝杠传动装置,有效的提高了系统响应频率和控制精度；系统响应速度快且超调量为零,控制效果良好。液压系统建模及仿真研究,为实现电渣重熔过程的恒熔速控制提供了必须条件。(5)基于传热学理论和热平衡积分法,建立了电极熔化和电渣重熔过程的热传递模型、渣池内部的热传导模型、渣池与自耗电极间的热平衡模型和渣阻模型等系统过程环节的数学模型,进而建立了电渣重熔过程的电极熔速和电极进给速度双输入、双输出、多回路恒熔速控制模型。在系统处于稳态工作状态下,进行了系统模型的状态方程线性化,进而分析了系统的稳定性和耦合性。通过分析电渣重熔过程中各物理量及控制参数的时变性,进行了Smith预估控制和模糊自适应PID控制策略研究,设计了基于Smith预估的模糊自适应PID控制器,设计了基于加权平均法的模糊规则发生器,并对控制系统的性能进行了仿真研究。仿真结果表明,所建立的电渣重熔过程Smith预估模糊自适应PID控制系统具有响应速度快、超调量小、控制器曲线平滑等特性,控制效果良好,符合电渣重熔的实际工况,可实现电渣冶金和机电液系统的恒熔速协同控制。(6)本文的研究内容在中国一重120t电渣炉车间进行生产实验研究,试制了产品钢锭,获取了相关的实验曲线,并对产品钢锭进行了解剖分析。实验过程中,120t电渣炉设备运行平稳、可控；三相六支电极端部消耗相似,消耗速度基本相同,结晶器内电渣熔池温度场均匀、稳定。实验曲线显示熔速波动<10%,在合同书规定的误差允许范围内,且与电渣重熔的恒熔速控制系统仿真结果相符,验证了熔速控制系统设计的正确性。与国外同类产品相比,本文参与研制的中国一重120t电渣炉生产效率提高了16.7%,平均电耗则降低了17%,设备制造成本仅为国外产品的1/3。综合指标明显优于国外产品,提升了国内电渣炉研发与制造的技术水平,并已通过了国家工信部组织的项目技术验收。