劉 征 王莉莎 王 華 花 皚

(1:西安桃園冶金設(shè)備工程有限公司 陜西西安710075;2:西安電爐研究所有限公司 陜西西安710061)

埋弧爐用新型晶閘管式電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)

劉 征①1王莉莎2王 華2花 皚2

(1:西安桃園冶金設(shè)備工程有限公司 陜西西安710075;2:西安電爐研究所有限公司 陜西西安710061)

埋弧爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)是爐子冶煉操作的心臟，它在很大程度上影響埋弧爐的工作效率。介紹了先進(jìn)的晶閘管—交流電動(dòng)機(jī)式電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)。新型調(diào)節(jié)系統(tǒng)能明顯地降低電能消耗和電極消耗，以及提高輸入爐內(nèi)的功率。最后援引波蘭HUTA ZABRZE鐵合金廠采用新型調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)證明該種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)越性。

埋弧爐 晶閘管式電極調(diào)節(jié)系統(tǒng) 三點(diǎn)式電子繼電器

埋弧爐是一種用途廣泛、式樣眾多的電爐。這類電爐多數(shù)用來從礦石中熔煉各種冶金材料和化工原料。在工作過程中，電極的下部一般是被埋在爐料里面的，所以除了電極和爐料間的電弧所產(chǎn)生的熱量以外，電流通過爐料時(shí)，因爐料電阻所產(chǎn)生的焦耳熱也占相當(dāng)大的部分，因此這類電爐又被叫做電弧—電阻爐。

一般說來，所有的埋弧爐均配有電極自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。電極自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置能夠保證準(zhǔn)確地維持規(guī)定的電氣工作條件，使電爐設(shè)備獲得較高的生產(chǎn)率、減少電能及電極的消耗，以及提高所熔煉鐵合金的質(zhì)量。由于埋弧爐的最大生產(chǎn)率與穩(wěn)定的操作及向爐內(nèi)輸入最大允許功率有關(guān)，所以在這種情況下，調(diào)節(jié)器的任務(wù)是自動(dòng)地維持適宜的電氣工作條件。通常，埋弧爐電能的最大輸入量是在給定電壓下維持其電流為最佳值時(shí)獲得。因此，埋弧爐調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般是測(cè)定電爐的每相電壓及電流，并維持其為最佳值。另外，由于埋弧爐的工作條件具有穩(wěn)定的變化特性，所以過去曾有采用手動(dòng)操作電極升降來調(diào)節(jié)電流值，但是，這時(shí)爐內(nèi)的功率偏差一般的較自動(dòng)操作電極時(shí)大4～5倍。因此為了改善埋弧爐運(yùn)行指標(biāo)，最好安裝電極自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。

對(duì)于埋弧爐的電極升降系統(tǒng)而言，國(guó)內(nèi)的埋弧爐大多采用機(jī)電式(機(jī)械—電機(jī)式)，電動(dòng)機(jī)則采用繞線式交流電動(dòng)機(jī)或交流力矩電動(dòng)機(jī)。

1 埋弧爐對(duì)電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求

1)大多數(shù)埋弧爐都由三相供電。對(duì)于圓形爐膛的電爐，三根電極按正三角形對(duì)稱位置布置在爐膛中。三相埋弧爐可以由一臺(tái)三相變壓器供電，也可以由三臺(tái)單相變壓器供電，這時(shí)，三臺(tái)單相變壓器對(duì)稱地布置在爐子周圍。由一臺(tái)三相變壓器供電的埋弧爐示意圖示于圖1[1]。

圖1 由一臺(tái)三相變壓器供電的埋弧爐示意圖

2)埋弧爐的基本工作原理是將電能通過電弧的輻射熱和爐料焦耳熱來進(jìn)行熔煉的,而埋弧爐能量的傳輸是依靠調(diào)節(jié)電弧長(zhǎng)度和電弧功率來實(shí)現(xiàn)的，即依靠調(diào)節(jié)埋弧爐電極位置來保證輸入爐中的功率。因此，先進(jìn)的電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)是提高埋弧爐效率的重要手段。

3)對(duì)于連續(xù)工作的埋弧爐來說，其運(yùn)行情況通常是平穩(wěn)的，僅偶而在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中引起不大的擾動(dòng)。在選擇調(diào)節(jié)器型式時(shí)，需考慮被調(diào)節(jié)對(duì)象的調(diào)節(jié)條件對(duì)調(diào)節(jié)器的要求，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)需考慮以下諸問題：電爐變壓器說明書所載數(shù)據(jù)，各組電壓、電流數(shù)據(jù)、變壓器線圈的聯(lián)接方式、電流互感器說明書。對(duì)于連續(xù)工作的埋弧爐，通常僅在變壓器的高壓側(cè)裝設(shè)有電流互感器。如果變壓器的高壓側(cè)和低壓側(cè)的聯(lián)接組不同，如高壓側(cè)為星形，而低壓側(cè)為三角形時(shí)，則這時(shí)高壓側(cè)的三個(gè)電流互感器的二次線圈需接成三角形，以便與被測(cè)量電極電流矢量一致，達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量。

4)對(duì)現(xiàn)代化的埋弧爐電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)提出以下要求：

(1)對(duì)于電流的不靈敏區(qū)δ不超過8%～10%，其功率波動(dòng)亦不超過6%～8% 。

(2)電極移動(dòng)的極限速度不小于1000mm/min～1200mm/min。

(3)需保證能在額定電流之30%～125%Ie范圍內(nèi)平滑地改變整定值，其整定準(zhǔn)確度不小于5%。

(4)實(shí)行阻抗控制，即保證達(dá)到一定的電壓/電流關(guān)系(UARC/IARC=constant)。

(5)需保證電極移動(dòng)控制能迅速地從手動(dòng)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)及由自動(dòng)轉(zhuǎn)換為手動(dòng)。

(6)需能自動(dòng)點(diǎn)弧。

(7)工作可靠，操作簡(jiǎn)單。

(8)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對(duì)于變壓器容量在400kVA以下的埋弧爐才允許采用手動(dòng)調(diào)節(jié)。

(9)調(diào)節(jié)器的電極速度與被調(diào)節(jié)的電極電流特性曲線形狀v=f(I/Ie)如圖2所示。

圖2 電極速度與電極電流特性曲線v=f(I/Ie)

J-電極電流;Jh-額定電極電流;v-電極速度

由圖2可看出：埋弧爐電極調(diào)節(jié)器的靜特性v=f(I/Ie)與電弧爐的不同，它是一種被稱作“三點(diǎn)式靜特性，即以恒定速度升、降，而且需要有8% 左右的不靈敏區(qū)，如果不靈敏區(qū)太小，將破壞爐況，就是不允許調(diào)節(jié)器頻繁動(dòng)作。目前國(guó)內(nèi)外埋弧爐調(diào)節(jié)器普遍采用三點(diǎn)式調(diào)節(jié)器。

5)埋弧爐電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)共有2個(gè)操作模式，即：①恒阻抗模式；②恒電流模式。恒阻抗調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種新型自動(dòng)化系統(tǒng)，它連續(xù)、實(shí)時(shí)地進(jìn)行過程測(cè)量和在線動(dòng)態(tài)控制，始終使埋弧爐運(yùn)行在最佳狀態(tài)。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：①提高輸入到爐中的有功功率，因而提高生產(chǎn)率；②由于電弧非常穩(wěn)定，所以埋弧爐的產(chǎn)量提高，運(yùn)行成本降低；③由于減少了車間排出的煙塵，因而保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

2 新型晶閘管—交流電機(jī)式電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1)目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)埋弧爐的電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)均采用機(jī)電式。圖3示出了新型晶閘管—交流電機(jī)式電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該控制系統(tǒng)包括晶閘管控制電動(dòng)機(jī)的主回路部分和控制回路部分[2]。

圖3 晶閘管—交流電機(jī)式電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器方框圖

MC-測(cè)量比較環(huán)節(jié); TR-三點(diǎn)式電子繼電器; FS-晶閘管同步觸發(fā)器; FT-觸發(fā)脈沖變壓器; TS-晶閘管可逆式交流開關(guān); SF-電子式穩(wěn)壓器; T-電源變壓器; M-交流電動(dòng)機(jī); B-電磁抱閘

2)由圖3可看出：動(dòng)力傳輸部分包括繞線式交流電動(dòng)機(jī)M和可逆式晶閘管交流開關(guān)TS，通過該開關(guān)，電動(dòng)機(jī)從三相供電網(wǎng)絡(luò)獲得供電。這種開關(guān)包括4組單相晶閘管開關(guān)TS，而電動(dòng)機(jī)三相中的一相，則直接接到供電電源上。

3)控制部分包括： 測(cè)量比較環(huán)節(jié)MC、三點(diǎn)式電子繼電器TR、晶閘管同步觸發(fā)器FS、觸發(fā)脈沖變壓器FT、SF-電子式穩(wěn)壓器，給控制系統(tǒng)供電的電源變壓器TS，以及電子式穩(wěn)壓器SF。

4)當(dāng)爐子運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)定值有偏差時(shí)，測(cè)量比較環(huán)節(jié)MC的輸出端便出現(xiàn)不平衡信號(hào)，該信號(hào)被三點(diǎn)式電子繼電器TR放大，再由晶閘管同步觸發(fā)器FS、觸發(fā)脈沖變壓器FT觸發(fā)相應(yīng)的一對(duì)晶閘管開關(guān)TS，這時(shí)，全部電源電壓都加到電動(dòng)機(jī)M上，則電動(dòng)機(jī)M以最大的加速度啟動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)電極。當(dāng)電極被移動(dòng)到，使測(cè)量比較環(huán)節(jié)輸出端的不平衡信號(hào)消失時(shí)，則已導(dǎo)通的晶閘管TS被封鎖，因此電動(dòng)機(jī)上的電壓被切斷，電動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，電磁抱閘動(dòng)作，電極停止移動(dòng)。該調(diào)節(jié)器控制電極最快上升速度為1m/min～1.2m/min。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制對(duì)象是保持：UARC/IARC=ZARC=設(shè)定常數(shù)。對(duì)于埋弧爐來說，這種控制原則比電流控制時(shí)，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

5)圖4示出了上述機(jī)電式調(diào)節(jié)器的電極升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備時(shí)：需設(shè)定傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，如傳動(dòng)機(jī)械的傳動(dòng)比與動(dòng)能、電極懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，平衡錘重量，電極上升及下降速度，以及加到電動(dòng)機(jī)軸上的靜力矩等。

圖4 埋弧爐的機(jī)電式電極升降裝置

1-構(gòu)架; 2-電動(dòng)機(jī)—卷?yè)P(yáng)機(jī); 3-鋼絲繩或吊鏈; 4-繩輪或鏈輪; 5-手搖輪; 6-制動(dòng)器; 7-導(dǎo)向筒; 8-電極夾持器; 9-自焙電極; 10-埋弧爐; A區(qū)-受熱變軟的自焙電極料; B區(qū)-半燒結(jié)自焙電極料; C區(qū)-已燒結(jié)完好的自焙電極

6)該調(diào)節(jié)系統(tǒng)已被用于波蘭科拉克夫市HUTA ZABRZE 鐵合金廠的45MVA埋弧爐上。其電極電流和相有功功率測(cè)試值示于表1。

表1 45MVA埋弧爐的電極電流和每相有功功率測(cè)試值 (變壓器二次額定電壓：397V)

由表1可看出：電流和功率的三相不平衡度都在允許值之內(nèi)。

上述調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有以下功能，即：

(1)當(dāng)電極接觸到不導(dǎo)電爐料時(shí)，電極自動(dòng)停止下降，保護(hù)電極，免受折斷；

(2)當(dāng)電極同爐料短路時(shí)，立即快速提升電極，消除短路，重新燃弧；

(3)當(dāng)爐料開始熔化時(shí)，電弧電流很快即穩(wěn)定下來。

7)上述調(diào)節(jié)系統(tǒng)顯示的運(yùn)行電參數(shù)有：

(1)每相二次相電壓有效值(RMS值)；

(2)每相二次線電壓有效值(RMS值)；

(3)每相電極電流有效值(RMS值)；

(4)功率因數(shù)Cosφ值；

(5)有功功率值；

(6)功率曲線。

3 結(jié)論

1)介紹的晶閘管—機(jī)電式電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)在波蘭科拉克夫市HUTA ZABRZE 鐵合金廠45MVA埋弧爐上運(yùn)行了二年多，爐子各項(xiàng)指標(biāo)改進(jìn)如下：二次電壓提高到397V、爐子功率波動(dòng)由過去的±10%提高到±5%、調(diào)節(jié)器可靠、靈敏，其不靈敏區(qū)在8% 之內(nèi)。

2)新型埋弧爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)同傳統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，能保證下列指標(biāo)：

(1)調(diào)節(jié)器自動(dòng)工作，因而節(jié)省了人力；

(2)熔煉時(shí)間縮短了12%；

(3)電能消耗減少了8%～10%；

(4)電極消耗降低2%；

(5)縮短了加料等輔助工作時(shí)間；

(6)排煙除塵效果好。

[1]BARKER I.The Interaction Effect in Submerged Arc Furnaces.[C]Electric Furnace Conference Proceedings, Randburg, South Africa.1999, Jun. p.305-310.

[2]BISZTYGA K, KURBIEL A, SENKOWSKI J.Thyristor Control System for Electrode Movement of EAF or Submerged Arc Furnace[C]. UIE XVI International Congress Proceedings. Krakow, Poland, 2008, May, p.45-48.

[3]REUTER P.Submerged Arc Furnace. [C]Mannesmann technology, Duisburg, Germany. 2006: p.8-9.

New Thyristor Type Electrode Regulation System for the Submerged Arc Furnace

Liu Zheng1Wang Lisha2Wang Hua2Hua Ai2

(1:Xi’an Taoyuan Metallurgical Equipment Engineering Co., Ltd., Xi’an 710075;2:Xi’an Electric Furnace Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710061)

The electrode regulation system is the heart of the furnace melting operation, it has a great influence on the efficiency of the submerged arc furnace. Poland HUTA ZABRZE ferroalloy factory has been designed and developed advanced electrode regulation system in order to optimize energy and electrode consumption and raise the power input from the transformer to furnace. Finally, author quote operation data of HUTA ZABRZE type regulation system, these data prove that the regulation system has very much advantages.

Submerged arc furnace Thyristor type electrode regulation system Three point type electronic relay

劉征，男，1978年出生，畢業(yè)于西安西北大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，學(xué)士，工程師，主要從事電弧爐、鋼包爐和VD爐等設(shè)備的研究和設(shè)計(jì)工作

TF741.5

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.01.009

2014-09-12)