孫 劍

(太原科技大學，山西 太原 030024)

1 工藝概述

電渣冶金具有設(shè)備簡單，質(zhì)量高成本低等優(yōu)勢，起源于美國。自從世界上首批電渣爐在前蘇聯(lián)德聶泊爾特鋼廠工業(yè)電渣爐建成以來，各種不同結(jié)構(gòu)不同用途電渣爐不斷創(chuàng)造。國內(nèi)外電渣冶金技術(shù)取得了巨大發(fā)展。

電渣重熔是利用電流通過渣池釋放熱量作為熱源使電極融化的熔煉方法。其工作原理見圖1，電極金屬液降落到渣池底部，形成金屬熔池，而金屬熔池在水冷金屬結(jié)晶器不斷向上凝結(jié)，形成結(jié)晶組織均勻的鋼錠。電渣鋼的零件機械性較好，可靠性大，壽命長。[3]

1.自耗電極，2.水冷結(jié)晶器，3.渣池，4.金屬熔池，5.錠子，6.收縮空隙，7.墊板，8底水箱

圖1電渣爐工作原理示意圖

2 主要技術(shù)參數(shù)及設(shè)備構(gòu)成

本系統(tǒng)以0.5 t電渣爐實驗，參數(shù)確定如下：

自耗電極直徑Φ150 mm，自耗電極長度2 500 mm，結(jié)晶器直徑300 mm，結(jié)晶器高度10 mm，變壓器容量500 kVA, 變壓器二次電壓35～75 V, 變壓器二次電流8 kA, 變壓器一次電壓6(10) kV。

電渣爐設(shè)備主要以下系統(tǒng)構(gòu)成：

機械系統(tǒng)：由立柱、橫臂、上夾持器、橫臂升降傳動裝置、電磁離合器、慢速升降電機、測速電機)、運錠車等組成。

電氣系統(tǒng)：由高壓開關(guān)柜、補償電容柜、磁調(diào)變壓器、二次短網(wǎng)銅排、裸銅軟電纜、二次電流互感器、低壓動力柜、磁性調(diào)壓柜、PLC邏輯控制柜、操作臺(含工控機及調(diào)速控制系統(tǒng))、爐前操作臺、旋轉(zhuǎn)編碼箱等組成。

水冷系統(tǒng)：由進水總閥門、上水排(包括水壓表)和出水箱、出水排(包括上結(jié)晶器水溫表)、水量控制閥組成。

3 電渣爐控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)

電渣爐自動控制設(shè)備核心是控制電極升降的給送動力——直流電動機。自動控制系統(tǒng)中所用的其他電器和元件同樣都是為了保證直流電動機能夠順利進行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，高速或低速運轉(zhuǎn)而服務(wù)的配套設(shè)備。當然為了實現(xiàn)電極給送的各種工藝要求，還有必要的機械機構(gòu)。

為保證工藝過程順利進行，自耗電極的給進速度需要適當調(diào)節(jié)，為此需要不斷調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速以保證整個過程恒流熔煉。在雙極熔煉時，還因為兩點間常出現(xiàn)融化速度不等，需要調(diào)節(jié)電極給進速度更多?？傊谡麄€煉鋼過程中要求慢速給進，煉鋼結(jié)束時要求快速提升。為此要求對送電極升降機構(gòu)電動機能夠無極調(diào)速，實現(xiàn)高低速及正反轉(zhuǎn)變化以適應(yīng)工藝要求。交流電動機無法精確滿足上述要求。

3.2 計算機控制設(shè)計

渣爐系統(tǒng)由爐體設(shè)備、供配電設(shè)備和計算機控制系統(tǒng)組成，計算機控制系統(tǒng)由上位機、PLC組成。程序控制設(shè)備采用上位機采用工控機，實現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控及報表輸出。下位機采用PLC，實現(xiàn)信號采集及輸出控制。控制變壓器調(diào)整功率及支臂、臺車的快速升降、移動、夾緊、放松及熔煉控制。上位機與下位機采用MODBUS協(xié)議通訊，獲取電壓、電流、功率因數(shù)及能耗等數(shù)據(jù)。上位機系統(tǒng)采用 Python軟件開發(fā)。PLC 系統(tǒng)采用專用軟件開發(fā)。預留遠程APP手機監(jiān)控接口。

3.3 熔煉自動化控制

熔煉過程中電極埋入電渣中深入，電極末端距離鋼水表面變小，電極對鋼水表面的電壓降也變小，由 PLC 控制根據(jù)需要工藝曲線和時間函數(shù)來改變電氣參數(shù)，而且還可以根據(jù)電極體的減少來改變電氣參數(shù)，電極體的減小梁變成控制信號控制直流調(diào)速器，調(diào)節(jié)下降速度，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)自動控制。為了祛除爐襯材料電阻影響，在爐底預埋直徑5 mm鋼棒，并焊接在爐底爐殼上，作為電阻參考參數(shù)。

4 熔池的輸入功率及短網(wǎng)損耗對鋼錠質(zhì)量的影響

短網(wǎng)指變壓器二次出線到電渣爐設(shè)備之間的一段導體，外觀上是比較簡單的電路，但由于它所處的特殊工作條件使得它對變壓器效率，爐子布置，工藝參數(shù)有著較大影響，不可忽視，短網(wǎng)通過巨大電流，產(chǎn)生巨大的感抗和阻抗。所以設(shè)計電氣系統(tǒng)必須減少短網(wǎng)損失。

4.1 表面效應(yīng)影響

大截面導體中通過大電流時，電流不是沿整個導線截面上均勻通過，絕大部分電流是沿導體表面通過，導體中心導通電流很少，幾乎為零，這種表面層六個交流電流的現(xiàn)象稱為表面效應(yīng)，由于表面效應(yīng)影響，導體通過電流有效截面積變小，相當于導體電阻增大，為此帶來阻抗損失增大電耗增加，為此最好采用中空銅管作為短網(wǎng)材料。其次采用矩形材料，不應(yīng)采用方形或圓形材料銅排。

4.2 領(lǐng)近效應(yīng)影響

相互平行的導電體之間的感應(yīng)使平行導體截面上不同點具有不同感抗，使導體截面上流通的交流電流密度不勻，靠近內(nèi)層或外層電流密度最大，使得有效截面變小與電阻增大。實踐中采用8～12 mm厚的紫銅板切成80～120 mm寬的板條作為導電銅排，短網(wǎng)的感抗和阻抗始終存在。整個煉鋼過程中不斷消耗一部分功率，降低變壓器有效輸出，引測在短網(wǎng)設(shè)計布置時，應(yīng)考慮使短網(wǎng)具有最小感抗和阻抗。

4.3 解決方案

具體辦法有：①減小短網(wǎng)長度，②各個導體位置盡量相互平行與靠近布置，③選擇板狀或者管狀導體，④與粗大鋼結(jié)構(gòu)遠離布置。

5 小 結(jié)

從電氣設(shè)備技術(shù)要求上，電渣爐的電氣設(shè)備是現(xiàn)有各種電冶金爐中最簡單的，它的組成與煉鋼電弧爐類似，只是兩者使用電能作冶金熱源的能量轉(zhuǎn)換方式不同，一個是利用電弧熱量，一個是利用電阻熱量，給予這種差別反應(yīng)在控制方式和電氣特性不同上。

本系統(tǒng)電源采用了電極體減小量和時間曲線控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，從軟件和硬件上保證設(shè)備先進性能。從導體布置設(shè)計上，考慮表面效應(yīng)和領(lǐng)近效應(yīng)對系統(tǒng)節(jié)能降耗和提高效率，使整個系統(tǒng)保持高效穩(wěn)定運行。軟件硬件設(shè)計考慮功能完善，針對不同材料具備優(yōu)化空間，能夠較好滿足各種特鋼的冶煉工藝要求。

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