用电极自动调节系统提高电炉电能利用效率

用电极自动调节系统提高电炉电能利用效率近年来，电弧炉炼钢的增速十分惊人。

炉子容量也从30-40t迅速增大到400t。

电弧炉炼钢因为投资低、生产灵活（可冶炼低碳钢、中碳钢、特殊钢和不锈钢等），原材料广泛而多样（可用各种废旧钢铁、固体生铁块、铁水，也可用直接还原铁DRI和HBI等）。

所以被各国炼钢厂商们广泛采用。

电弧炉加料方式有两种即分批加料和连续加料。

分批加料允许在加料期间出现短时中断。

总的冶炼操作可分成三步即：穿井、熔化和精炼。

为了有效熔化，电极将通过废钢穿井形成液态金属熔池。

通过升高电压将输入功率增至最大以延长电弧。

然后，缩短电弧使它的主要热量能传至电极下面的金属。

在较低功率状态下对钢进行连续的化学处理。

由于废钢表面的不规则和压紧石墨电极周围的轻薄废钢，电极穿井和废钢熔化期间的电流变化十分惊人。

所以，等效电路状态的变换将按照短路、断路和非线性特征进行。

1 HiREG PLUS自动调节系统
熔化操作包括利用石墨电极将大电流输入废钢。

熔化期间可通过选择输出电压获得高功率因素，使炉料尽量利用电弧热以提高热效率和加速废钢熔化。

未利用热量不仅造成浪费且会损坏炉衬和炉顶。

炉料熔化期间动力消耗随熔化进展和炉子容量大小变化而有所不同，变化在450-600kWh/t之间。

实践证明，精炼期间尚需增加功率150-400kWh/t钢。

对于典型电炉，输入总能量的70%为电能，其余为C、Fe、Si元素氧化产生的化学热和天然气在氧燃烧喷嘴中的燃烧热。

但仅总能量的53%留在钢液中，其余损失在炉渣、废气或冷却水中。

电能消耗占电弧炉炼钢总成本的12%。

由于电炉炼钢电耗费用高，很多炼钢厂商们十分愿意通过氧气燃烧预热和熔化废钢的方法，即尽量多用化学热以减少电能消耗和降低产品成本。

输入电弧炉的最大功率与最大电弧电压，最大功率密度（kW/t）和最大电极电流有关。

电弧炉容量越大，需要的变压器功率也越高。

电炉变压器需要的额定功率除有功功率外，还应考虑供电网络、短路容量和无功功率补偿器选择系统，尤其是高功率电弧炉。

电炉变压器的输入电压可高达33000V，输出电压变化在60-300V之间（利用变压器一系列抽头进行控制）。

电炉变压器容量选择若以电炉容量（t）为标准约为470-650kVA/t钢（超高功率电弧炉超过700kVA/t钢）；若以电弧炉炉膛面积为计算标准约为750-900kVA/m2。

通过选择适用的系统电抗和功率因素，利用高电弧电压和低电极电流，高阻抗技术可改善电炉电弧的稳定性和采用长电弧操作。

在变压器输入端串联一扼流圈可获得附加电抗，增加电路电感。

利用低电极电流可降低
电极消耗，利用低的短路电流可降低作用在电极支柱和水冷电缆上的电动力，减小机械振动对它们造成的破坏，从而减少维护工作量。

将电能最大限度转变成热能是人们的期盼，但它只能在一特定的电弧长度时才能发生，且这个特定的电弧长度发生任何小小的改变都会降低电能利用效率。

由于废钢不断熔化及其表面天然的不规则性出现的废钢表面连续变化将引起电弧长度改变。

因此，电弧炉实际生产过程中要想长期保持电能变成最大热能，而不利用电极管理系统进行自动调整是很困难的。

电极管理系统能够通过对电极垂直移动位置的自动调整，使电弧长度始终维持在预设的固定长度，使电极能将电能最大限度地转变成热能。

Danieli HiREG PLUS是电极管理系统HiREG的强化升级版。

Danieli HiREG PLUS系统可使现代化的交流电弧炉具有最高的熔化效率。

还可利用先进的泡沫渣控制系统（AFSC）将热更好地传输到液态金属，改善传统电弧炉的电弧控制性能。

2 电极管理系统
电极与变压器输出端绕组联接。

电极不仅应具有足够的机械强度、低的导热性和高的导电性能，而且能够抵抗炉内各种腐蚀气体的侵蚀。

通常，因为石墨电极具有较低的电阻率，所以人们喜欢用石墨电极而不喜欢C电极。

这样可使电极的消耗从C电极的20kg（以耗电量为100kW为计算标准）降低到石墨电极的7kg。

利用独立的控制系统和机械驱动可熟练地操作电极。

为了提高抗弯强度，电极臂通常较短，以便于对电极进行精确控制。

电极臂由内部为钢质，外部为铜质的双金属片制成。

用钢材料确保结构的刚性和强度，用铜材料保证良好的导电性，完全水冷却。

中心电极臂体为三角形布置，有利于将由相电抗引起的不平衡减至最小且更好分配输入电功率。

电极轴承和支撑系统有很高的刚性和共振频率。

电极的垂直运动由一台安装在电极支柱内部的单作用液压缸控制。

用一系列辊子引导电极支柱运动。

停产期间，电极支柱利用孔和销钉进行机械锁定。

电极夹持器用锻造铜制成，允许高压夹持以降低接触电阻。

为了有效散热，夹持体内部向水冷通道钻有散热孔。

用多块弹性垫圈给电极提供适当的夹持力。

当电极需要滑动和更换电极立柱时，夹持器可以松开。

电极管理系统利用液压分配器调节和用伺服阀控制。

用液压缸内流体流量控制电极运动速度，以确保电极位移与误差信号成比例。

因此，在速度/电流模型中出现误差信号时，速度曲线平坦表示误差小，速度曲线陡峭表示误差大，从而实现电极的灵敏调节，使电弧变得稳定并通过稳定的电弧最终实现电力有效而平稳地输入，以强化冶炼操作。

电弧炉系非线性负载，炉子生产过程中的电力参数会不断变化。

为此，用“闪烁”和“谐波”表示熔化期间的电压波动。

非正弦波电压和电流的形成会导致电缆或变压器、电容器过热，断路开关跳闸或其他电器设备出现故障。

冶炼之初和废钢熔化时，电压和电流波形变形严重并产生谐波。

这时，电弧炉的控制目标是实现输入功率最大、网络变形最小和断电时间最短。

实践证明，通过对电极的合理调节，实现上述目标并无困难。

3 工艺控制
电功率的控制方法有两种——改变电压或改变电流。

如果改变电压，可利用变压器抽头改变输入电压以改变输入电炉的无功功率。

如果改变电流，包括改变电弧长度（因电极在废钢上方的移动）以改变系统阻抗。

当电极位置较低时，电弧较短而电流较大；反之，电极位置较高时，电流较小。

采用HiREG PLUS控制电弧炉的电弧长度比HiREG的控制功能更为强大。

以下分别介绍两种系统的技术特点和优势。

HiREG：Danieli HiREG系统是一种结构紧凑、高效率的电弧调节系统。

可用于新式电弧炉也可用于现有电弧炉；可用于AC电弧炉，也可用于DC电弧炉。

凡水力或电力驱动电极工作的电弧炉均可安装，并用HiREG对电弧进行有效控制。

系统有一卓越的特征数字。

HiREG可对每一相阻抗进行独立控制。

除此之外，系统还有合理的相平衡和电极节约功能，和固定的或饱和的串联扼流圈控制功能。

HiREG系开式结构，具有安装简单、维护方便等特点。

HiREG PLUS：正如前述，HiREG PLUS功能比HiREG更强大。

它能最大限度提高熔化效率，特别是交流电弧炉。

HiREG PLUS引进先进的泡沫渣功能和仿真智能技术后，克服了固定的PI管理器和响应非线性工艺行为的缺点。

除此之外，HiREG PLUS还具有将通电时间降至最短，平均输入功率升至最大，同时能降低能源消耗和减少“闪烁”；可在高速状态下读取动力电路的可变电力参数和计算“谐波”；可评价电弧稳定性指数（ASI）和电弧可达范围指数（ACI）；HiREG PLUS还可提示电弧最佳工作点；给出电弧电压和电流调节信号并用于炉渣起泡装置。

4 运行结果
当炉渣正确起泡时，通过有声噪音和电力总谐波变形（THD）测量可获得低噪音指数。

采用有声噪音测量法，由于喷氧/C产生很高的噪音，炉渣不可能良好起泡。

低的炉渣起噪音指数与有功功率和输出电压平均值之间存在着密切的依赖关系。

运行电
抗最低时（接近于短路电抗）与电弧长度和输出电压无关。

就固定输出电流强度而言，电弧长度与电压和电弧电阻成正比。

因而，有功功率与输出电压成正比，而无功功率则维持不变。

所以，低噪音指数时，电压波动直接关系到有功功率的变化。

高噪音指数时，由于输出电压的变化将引起电弧长度变化，最终导致电阻和电抗变化，以便保持功率因素不变。

于是，在高噪音指数时，有功功率与输出电压无关。

用总谐波变形（THD）V/I评价泡沫质量。

用钢/渣化学数据和渣中FeO评价稳定状态时的炉渣形成总量。

THD V/I与噪音指数有关，在炉渣起泡阶段，THD V/I水平高，意味着有声噪音高，THD V/I水平低意味着有声噪音水平低。

5 结论
HiREG PLUS系统是电弧炉炼钢调节电极不可缺少的工具。

可改善废钢熔化效率（节约电费0.3-0.5欧元/t钢、降低闪烁10%、增加平均供电3%），可减少通电时间、降低电极消耗、提高电弧效率。

因而，HiREG PLUS系统已被世界许多电弧炉采用。

更多精彩内容请登录中国冶金装备网()。