旋轉(zhuǎn)式LF爐三相弧功率不平衡分析

趙鋒輝，董 波，佟 冰，張 東

(中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安710032)

旋轉(zhuǎn)式LF爐三相弧功率不平衡分析

趙鋒輝，董 波，佟 冰，張 東

(中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安710032)

分析了造成LF三相弧功率不平衡的主要原因，提出優(yōu)化短網(wǎng)布置，改進(jìn)電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，減少弧功率不平衡的方法，并用于某旋轉(zhuǎn)式LF，使其電極調(diào)節(jié)器運(yùn)行穩(wěn)定，降低了能耗。

LF;功率不平衡;電極調(diào)節(jié)

0 前言

中國重型機(jī)械研究院有限公司在某鋼廠承建的LF鋼包精煉爐，考慮到生產(chǎn)節(jié)奏和空間布局，決定采用雙工位旋轉(zhuǎn)式LF爐。三相弧功率不平衡是LF鋼包精煉爐冶煉過程中普遍存在的問題，能造成爐內(nèi)溫度嚴(yán)重不均勻，降低生產(chǎn)率，增加電耗;另外，電弧功率較大一相電極附近的爐襯易過熱，腐蝕較快，降低爐體壽命，同時(shí)該相的電極端部很容易損壞，造成浪費(fèi)。旋轉(zhuǎn)式LF的爐處理時(shí)期工況，具有一般LF爐的共性。為避免旋轉(zhuǎn)式LF爐三相弧功率不平衡問題，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮引起弧功率不平衡的各種因素。

1 旋轉(zhuǎn)式LF爐的結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)式IF爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示。一套電極系統(tǒng)通過電極旋轉(zhuǎn)裝置可處理兩包鋼水:在處理一個(gè)鋼包的間隙，可將電極旋轉(zhuǎn)至另一工作位進(jìn)行另一包鋼水的處理，此種結(jié)構(gòu)形式比單工位LF爐可節(jié)省7～10 min，使得鋼水的冶煉周期與上下游電爐和連鑄機(jī)的生產(chǎn)周期完成了較好的匹配。

圖1 電極旋轉(zhuǎn)式LF爐布置示意圖Fig.1 Layout of LFwith electrod rotation

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)弧功率不平衡的影響

LF爐機(jī)械結(jié)構(gòu)中和弧功率有較大關(guān)系的是LF爐的短網(wǎng)系統(tǒng)，短網(wǎng)是指從變壓器出線側(cè)到石墨電極的整個(gè)大電流線路，三相短網(wǎng)配置在同一平面上(圖2)。

若三相導(dǎo)體對(duì)稱配置，及導(dǎo)體長(zhǎng)度、截面尺寸和相互間距都相等，則［1］

由式(1)可見:

(1)由于M12＞M13，則X1=X3，X1＞X2，即兩邊相感抗相等，中相感抗較小;

(2)因?yàn)殡娀t短網(wǎng)的感抗遠(yuǎn)大于電阻，所以Z1＞Z2＞Z3，三相導(dǎo)體阻抗不等，超前相導(dǎo)體的阻抗最大，滯后相次之，中相最小。

LF爐正常運(yùn)行時(shí)，電源的三相電壓是平衡的。若短網(wǎng)阻抗不平衡，為維持三相電流相等，只得調(diào)整爐內(nèi)三相負(fù)載，使系統(tǒng)的三相阻抗平衡。因中相阻抗Z2最小，為了達(dá)到短網(wǎng)阻抗平衡，中相的弧阻最大;電熱功率最大;其次是滯后相，超前相的弧功率最小，即電弧爐三相弧功率不平衡。

3 三相供電對(duì)弧功率不平衡的影響

LF爐是利用三相電極加熱的裝置，則其中一相的等效電路如圖4所示。

每相電壓為

式中，Ri為電路等效電阻i=1，2，3;xi為電路等效電感，i=1，2，3;ri為弧電阻，i=1，2，3。

圖4 等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram

假設(shè)二次變壓器端到電爐的短網(wǎng)電路上的等效電阻和電感是三相相等的，由圖2，Z1、Z2、Z3分別為三相電路的總電抗，此為三相不平衡電路，采用回路電壓法和節(jié)點(diǎn)電流法列出方程組

因?yàn)槿嚯妷?、電流互相耦合，所以?dāng)某一相弧長(zhǎng)受擾動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，另外兩相都存在影響，由式(2)和式(3)知，當(dāng)ri擾動(dòng)時(shí)，對(duì)其它兩相電極電壓、電流影響為［3］

式中 ，i=1、2、3，J=1、2、3，且i≠j。

弧長(zhǎng)變化引起的對(duì)其它兩相電壓、電流的變化也是引起負(fù)載嚴(yán)重不對(duì)稱，弧功率不平衡的重要原因。

在冶煉過程中，能引起弧長(zhǎng)發(fā)生變化導(dǎo)致弧功率不平衡的主要原因有:①吹氬量的控制;②電極調(diào)節(jié)器調(diào)整不當(dāng);③加料;④電源供電電壓等因素。

4 減小三相弧功率不平衡的方法

根據(jù)以上分析，要使三相弧功率平衡，需要從機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制、生產(chǎn)操作等方面著手。

4.1 合理的選擇短網(wǎng)連接線路和空間配置

設(shè)計(jì)短網(wǎng)銅管時(shí)，抬高中相銅管，將短網(wǎng)銅管布置為等腰三角形，使得導(dǎo)體間互感M12=M21=M13=M31=M23=M32，從而增加中相短網(wǎng)阻抗，實(shí)現(xiàn)三相互感平衡，采用盡可能短的線路和平衡的三相線路阻抗，是減小三相弧功率不平衡的有效措施。實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)三相電極消耗長(zhǎng)度不等時(shí)，會(huì)造成新的三相阻抗不平衡值，因此，要及時(shí)調(diào)整電極長(zhǎng)度，保證三相電極長(zhǎng)度相等。

4.2 采用較小的核心圓

由于旋轉(zhuǎn)式LF爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要在兩個(gè)工位兩個(gè)爐蓋處調(diào)整極心圓，極心圓調(diào)整的不合適也會(huì)使得在一個(gè)工位電弧功率平衡，當(dāng)轉(zhuǎn)移到另一工位時(shí)弧功率不平衡。由式(1)可知，Zi大小主要取決于Ri和Li，即取決于各相的實(shí)際長(zhǎng)度。因此旋轉(zhuǎn)式LF爐短網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)在保證三相阻抗平衡及機(jī)械設(shè)備布置的條件允許下，在兩個(gè)工位采用較小的極心圓的分布，短網(wǎng)阻抗小，電弧功率高。

4.3 供電方式和操作控制

對(duì)上級(jí)電網(wǎng)來電，很難進(jìn)行控制，為此，從電極的控制角度采取以下措施:

(1)以阻抗作為受控對(duì)象，根據(jù)阻抗設(shè)定表中的阻抗設(shè)定值獨(dú)立工作，阻抗設(shè)定表是根據(jù)變壓器的各檔位電壓、電流及短網(wǎng)的阻抗參數(shù)設(shè)計(jì)的一組設(shè)定值，可以根據(jù)變壓器的檔位及功率曲線在不同的加熱階段選擇不同的加熱曲線，使得設(shè)備發(fā)揮最優(yōu)性能;

(2)阻抗調(diào)節(jié)器分工位的自動(dòng)調(diào)整功能。旋轉(zhuǎn)式的LF爐存在兩包鋼水交叉處理，若電極極心圓調(diào)整不合適，即使相同的鋼水條件，也會(huì)使得電弧功率的不平衡，為此設(shè)計(jì)阻抗調(diào)節(jié)器比例系數(shù)自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際采集的電流、電壓存儲(chǔ)到兩個(gè)工位的電流電壓分類表中，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)該工位最近3 min的電流變化情況，判斷系統(tǒng)是否工作在最佳狀態(tài)，并對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，減小三相功率的不平衡，以便達(dá)到最佳效果;

(3)自動(dòng)模式下的手動(dòng)干預(yù)功能。在交流電弧爐冶煉過程中，有時(shí)要求操作者進(jìn)行三相不平衡供電。比如爐壁某相附近有熱點(diǎn)，希望能降低該相功率，以達(dá)到安全運(yùn)行的目的;又如爐料不均勻，某相附近料多或有難熔料，此時(shí)希望能提高該相功率，以達(dá)到均勻熔化的目的。對(duì)此，采取手動(dòng)優(yōu)先，無需關(guān)閉自動(dòng)模式就可以手動(dòng)干預(yù)，可靈活控制三相工作點(diǎn)，使三相供電更加合理。

4 結(jié)語

造成LF爐三相弧動(dòng)率不平衡的原因很多，以上方法用于現(xiàn)場(chǎng)后，電極調(diào)節(jié)器運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，升溫速度較同容量LF爐提高0.5℃/min，電耗較該廠同容量LF爐每噸鋼可節(jié)省2度電，電極消耗降低，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益?？梢?，優(yōu)化短網(wǎng)布置，改進(jìn)電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)從而減小電極三相功率不平衡的方法是行之有效的。

［1］武峻，李士琦．交流電弧爐三相不平衡供電的研究［J］．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2000(4):10-14．

［2］秦勤，郭茂先．電弧爐三相弧功率不平衡分析［J］．冶金能源，2000(11):17-19．

［3］張學(xué)輝．電弧爐及其電極升降智能控制系統(tǒng)的研究［D］．江西:江西理工大學(xué)，2007．

［4］馬島，王京．電弧爐電極阻抗控制器的研究與應(yīng)用［J］．電氣傳動(dòng)，2009(10):59-62．

Analysis on unbalance of three-phase arc power in rotary ladle furnace

ZHAO Feng-hui，DONG Bo，TONG Bing，ZHANG Dong
(China National Heavy Machinery Research CO．，Ltd，Xi'an 710032，China)

By analyzing themain reasons for unbalance of the ladle furnace(LF)three-phase arc power，the main measures to optimize the circuit layout，modify the electrode control system and reduce the arc power unbalance are proposed for rotary LF．It improved the electrode regulating effect and reduced energy consumption

ladle furnace;power unbalance;electrode control

TG232

A

1001－196X(2012)04－0083－03

2011－12－09;

2012－04－11

趙鋒輝(1977－)，男，中國重型機(jī)械研究院有限公司工程師。