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电弧炉电极调节控制技术 |
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电弧炉电极调节控制技术
摘要：本文以酒钢天风不锈钢炼钢100 吨电弧炉电极调节系统为研究背景，在查阅的国内外相关文献的基础上，介绍了电弧炉炼钢概述和主要电气设备；着重对电极调节系统控制策略进行了解析。在分析了控制系统工作机理的基础上，从电路学的入手，对恒阻抗法进行了原理上的分析，从根本上阐明了酒钢电弧炉的电极调节系统控制策略的实质。
关键词：电弧炉 电极调节系统 恒阻抗法
1.电弧炉炼钢概述
电炉炼钢法是以电能作为热源，而电弧炉炼钢是应用得最为普遍的电炉炼钢方法。我们通常所说的电炉炼钢，主要指电弧炉炼钢，因为其他类型的电炉如感应电炉、电渣炉等所炼的钢数量较少。交流电弧炉炼钢是采用三相电极和待冶炼炉料(废钢铁)间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化废钢铁、金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金的一种炼钢方法。控制电极升降实现控制电极与炉料的电弧距离，就控制了电弧产生电流的大小，达到控制冶炼功率的目的。
2.电弧炉炼钢的设备概括
电弧炉的构造主要由炼钢工艺决定，同时与电弧炉的容量大小、装料方式、传动方式等有关。电弧炉的基本结构如图1.1。
图1.1 炼钢电弧炉示意图
1－倾炉用液压缸；2—倾炉摇架；3—炉门；4—熔池；5—炉盖；6—电极；7—电极夹持器；8—炉体；9—电弧；10—出钢槽
电弧炉的主要机械设备由炉体、电极夹持器、电极升降装置、炉体倾动装置、炉盖提升、旋转装置和炉顶装料系统等以及液压系统、水冷系统、气动系统等辅助系统组成(由于篇幅的限制对机械设备的介绍省略)。
电弧炉的电气设备主要分为主电路和电极升降自动调节系统。主电路的任务是将高压电转变为低压大电流输往电弧炉，并以电弧的形式将电能转变为热能。电弧炉的主电路主要由电抗器、高压断电器、电炉变压器及低压短网等组成。
电弧炉采用三相交流电供电，电气设备主要包括以下几个部分：高压供电系统、电抗器、二次回路、电炉变压器、短网、低压供电系统和控制系统。
高压系统：为35Kv 电，经电抗器、高压隔离开关、高压真空断路器送至电弧炉变压器，在高压供电系统中设有氧化锌避雷器、阻容吸收器，作为电压吸收装置，吸收操作过电压和浪涌过电压，以保证变压器正常运行。高压测二次计量回路设有高压侧电压、高压侧电流、功率因数、有功功率、有功电度及无功电度的计量，二次保护回路设有过电流保护、欠压保护、缺相保护、变压器温度保护、变压器瓦斯保护及冷却器保护等完善的保护回路。
电抗器：电抗器为外附电抗器，无载调节，分0%、33％、66%、100%四个档位。
电炉变压器：采用高阻抗电弧炉专用变压器，变压器采用有载电动调压，低压二次侧采用铜管侧出线、内封口，采用强油循环冷却器进行冷却。变压器配套强油循环冷却器及其电气控制柜。
短网：也称大电流线路，是指从电弧炉变压器低压出线到电极(包括电极)之间的各种形式导体的总和。电流经短网送入炉内，产生电流，将电能变成热能，把炉料熔化。
低压动力及控制电源：由系统动力柜接收车间馈电，进线电压380/220V，三相四线制。主要是给液压站、高压泵、加热器、阀台电源、电炉变压器调压控制器、油水冷却器、仪表电源、控制电源、稳压电源等供电。
调节系统：是由控制PLC、电极调节系统主机组成。该系统主要完成电极升降的自动或手动调节、变压器二次侧电压、电流的采集和二次侧电压的调节及保护电极折断等功能。
3.电炉电极控制方法简介
在电弧炉炼钢的整个过程中，电极调节系统是主要环节之一。有资料报道采用先进的电极调节装置可使功率消耗减少5%，闪变减少10%，电极破损减少90%，电极消耗减少8.5%，出钢时间减少18.5%，平均功率输入增加8.5%。所以长时间以来如何提高电极调节系统的控制性能，怎样解决在炼钢过程中电弧放大系数的问题，如何解决三相间的相互影响以缩短调节时间等，就成了人们关心的问题。
酒钢100 吨电弧炉控制系统采用的调节系统是目前在电弧炉炼钢中应用最为广泛的就是电液比例阀－液压式电极调节系统。该控制策略的模型是建立在恒阻抗原则的基础上。
电液比例阀－液压式电极调节系统，其结构原理图如图3.1 所示。
图3.1 电极调节液压比例系统模拟装置原理图
1．信号发生器 2．PLC 和计算机
3．比例阀 4．压力表 5．单相表 6．油泵
7．过滤器 8．溢流阀 9．电极 10．电极升降柱塞油缸
根据以上功能的液压系统的基本原理图可以简单的勾画出整个系统简单而典型的结构图如图3.2 所示。
3.1液压式电极调节系统的调节原理
电弧炉电极调节器也叫电极位置控制器，它从供电系统取得电流、电压反馈信号，选取相应的控制策略进行控制计算，通过得出的控制结果来调节电极位置。调节性能好的电极调节器对随机扰动反应快、平稳调节，可以缩短熔炼时间，提高电弧炉生产效率。由液压系统的控制原理图图3.2 可以清晰的看出电弧炉炼钢过程中的各个部分的基本动作，取自电流互感器的电弧电流信号和取自电极与炉底之间底电弧电压信号送到PLC 中，经过计算机对信号进行处理后，信号进入到电极调节器中进行电极调节，后控制变量信号送入电液比例阀的电磁线圈。在额定状态下工作时，差值为零，比例阀不动作；当弧长偏离给定值时，比例阀中的电气信号使阀杆运动，从而使电极升降。当电弧长度小于给定值时，此时电弧电流大于给定值，则送入比例阀电磁线圈的电气信号使阀杆向上运动，从而液压油流入电极升降液压缸，电极上升，而电极上升的速度取决于比例阀阀孔开口的大小。当电流重新达到设定值时，实际电流值与设定值的差为零，电气信号消失，电极停止动作；相反，若弧长大于给定值时，即炉内电弧电流小于给定值时，阀杆向下移动，液压缸内的液体便在电极升降装置自重的作用下，流回储油箱，电极下降直至重新达到给定弧长。上升和下降的速度取决于比例阀阀门的开度，即电气信号的大小。交流电弧炉的电极调节一般采用都是一种闭环调节方式，可实现炼钢全程的电极自动调节。
3.2恒阻抗法原理
电弧炉进行电弧调节控制时，实际测量的是变压器母线电压及电流，因此电弧炉的等效电路如图3.2.1 所示。
图3.2.1 电弧炉等效电路
其中： U1 ——折算到变压器副侧绕组的电源电压，在一段时间内为恒值；
X ——系统的电抗；
r ——系统的电阻；
I1 ——电弧电流；
R ——电弧等效电阻；
σ——电极位置。
R 的大小和电极位置σ有关。
由图3.2.1 所示的电弧炉等效电路可知：
U1=I1 (3.1)
I1=U1/ (3.2)
输入到炉内的有功功率为
P=3I (r+R) (3.3)
由于X、r、U 可以认为是不变的，所以R 取某一定值时， I1 与P 便可相互的确定了。P 与R 的关系特性如图3.2.2 所示。
图3.2.2 P 和R 的关系特性
阻抗调节原则就是在控制过程中，电弧电压与电弧电流之比为一常数，即Uh/ Ih G2 /G1常数
G1UK-G2IK=0 (3.4)
若弧压的检测值与弧流的检测值之差不为0，即
G1 K-G2 K=ε (3.5)
则用式(3.4)减式(3.5)，于是有
ε= G1 ΔUK-G2ΔIK (3.6)
由于我们用到的弧压值是测量出来的，而不是真实值，实测弧压与真正弧压并不相等。根据推算，可得实测弧压U h 与电弧长度l 存在如下得近似关系
UK=D’l (3.7)
D’=D{(1- RC1)(Ra1+Rc1)- } (3.8)
Rc1 ， Ra1 ， x1 ， Z t1 分别是线路的电阻、电抗和阻抗； D 是放大系数，是温度的函数。
在某一确定的温度下，电弧电流变化量与电弧长度变化量之
比的负值为电弧增益，即K=- ，导出
Δlk=-k*Δl (3.9)
把式(3.5)和式(3.6)带入式(3.9)有
ε=(G1D’+G2K)Δl (3.10)
若ε=0 ，则Δl=0。因为恒阻抗调节的实质就是保持电弧的长度为一定值。又由于D’是温度的函数，所以确切地说应该是在一定时间内或一定温度变化阶段内保持弧长为一定值，这才是恒阻抗调节的实质。
电弧炉电气特性原理图如图3.2.3。
图3.2.3 电弧炉电气特性
在上面的图中可以得出，在两种截然不同的电流下(A 点和B 点)，产生的电弧功率为同一数值。若电弧炉在相当于C 点的情况下开始工作(为点燃电弧所必须的电极短路情况)，则调节器显然能自动将电极引至相当于B 点的工作状态。但从功率因数及变压器负荷的观点来看，在B 点工作是不允许的。即使以人为的方式将电极移至相当于A 点的工作状态，但当再次发生短路时，调节器又重新将电极移至相当于B 点的工作状态。因此，这种方式不易被直接采用。
维持弧电压与弧电流比值一定，并对其偏差进行调节的控制策略，即恒阻抗原则在技术上是最先进的。它适合于任何形式的炉子主回路，并且在一切情况下，都能保证调节过程的高度自动程度。
4.结论
由此可以得出，采用恒阻抗控制策略所得出的三相电极的输出电流，不但具有较强稳定性，而且对三相电极间的耦合有较好的解耦作用，使三相间的相互影响为最小。在最大程度上降低了电耗，取得最好的经济效益。
参考文献
[1] SMS DEMAG Aktiengesellschaft June 2002 Technical Specification of Electrical Equipment of JISCO Steel-Making Revamping Project
[2] 电弧炉设备简介 北京钢铁设计总院 1977
[3] 德国ET公司提供的技术资料 2003
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| 评论人署名：zgf3200 |
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评论时间：2014/12/19 10:19:00 |
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