CN102111927A - 一种敞口式埋弧矿热炉电极控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种敞口式埋弧矿热炉电极控制方法及***，所述方法包括以下步骤：A、获取敞口式埋弧矿热炉交流电机的电极行程参数信息，包括电极的初始位置、移动距离和消耗量；B、根据所述电极的初始位置、移动距离和消耗量，预估电极在坩埚熔池中的位置；C、根据所述电极在坩埚熔池中的位置控制所述电极。本发明通过建立敞口式埋弧矿热炉电极模型，实时检测电极在熔池中的位置，并采用恒阻抗原则控制电极电压，实现了对电极的优化控制，提高敞口式埋弧矿热炉产量，实现了对电极的优化控制，提高敞口式埋弧矿热炉产量，并实现节能降耗。

Description

一种敞口式埋弧矿热炉电极控制方法及***

技术领域

本发明涉及敞口式埋弧矿热炉，尤其涉及一种敞口式埋弧矿热炉电极控制方法及***。

背景技术

目前敞口式埋弧矿热炉的控制仍然是采用人工控制电极升降，主要的控制参数是变压器一次侧电流，当电流增大时上抬电极，电流减小时，下插电极。

在以一次侧电流控制电极常常会造成三相电极工作状况差异较大。比如其中某相的反应区电极火焰面积大，反应剧烈，化料速度快；而另外某相电极反应区相对缓慢，反应区小于其他两相，炉料消耗缓慢。这就是敞口式埋弧矿热炉熔炼过程常常出现的强相和弱相的情况，有时即使各相的相电压和相电流接***衡，但各相电极实际的工作状况并不平衡，这些对生产过程都会产生很大影响。各相电极功率不平衡对生产过程产生影响主要有：

1)电炉三相功率不平衡对冶炼操作的影响：

当某支电极处于上限或者下限位置时，功率不平衡的现象最为突出。造成这种现象的主要原因是电极过长或过短。当一相电极过短，并处于下限位置时，电极电流无法给满，这时该相电极功率最小。当某相电极过长或电流过大而处于上限位置时，为了防止过电流跳闸，只能减少其他两相电极电流。这时一相电极功率过大，而另外两相电极功率过小。这两种情况都会减少输入炉内的总功率。电极的非对称排列会使某相电极感抗最小，造成该相电极的功率高于其他两相。

十分严重的弱相被称为死相，死相有电流死相和电压死相：

电流死相：某相电极的电流长期接近于零的状态；

电压死相：某相电极的相电压长期接近于零的状态。

弱相电极输入功率减少会造成该相反应区缩小；各相反应区互不沟通，出炉时排渣不畅。这种局面持续下去极易产生电流死相。电流死相时，该相电极电阻增大，相电压增大，电极电流减少。由于该相反应区导电能力很差，电流对电极移动的反应迟钝，即使电极插得很深，电极电流仍然很小。会导致坩埚区缩小和上移，会使电极难以插深。

电极下部导电能力过强会使该相电极电阻减少，相电压随之降低，当电压过低出现电压死相时，就会导致该相电极无法工作。

2)电炉三相功率不平衡对产品电耗的影响：

三相电极功率不平衡会使产品电耗增加，一座16500kV·A锰硅合金埋弧电炉发生功率不平衡故障，使产量降低约23％，产品电耗增加500kW·h/t。

3)电炉三相功率不平衡对电极操作的影响：

强相电极消耗过快，而弱相电极消耗过慢。强相电极的烧结速度往往低于消耗速度，经常出现电极工作端过短的现象，为了保证电极工作端长度，需要进行死相焙烧。这必然增加热停时间，减少输入炉内的功率。弱相电极消耗往往造成电极过烧，容易发生损坏铜瓦，电极硬断等事故。

4)电炉三相功率不平衡对坩埚位置和形状的影响

某相功率减少会使该相坩埚区温度降低，坩埚区缩小，电极难以下插，致使炉况恶化；严重时还会出现炉底上涨、各相的坩埚区沟通差的现象。坩埚区的缩小必然降低生产指标。

5)电炉三相功率不平衡对电炉炉衬寿命的影响

电极电流和电弧会产生强大的磁场。由于磁场的作用，三相交流电炉的电弧有向炉墙一侧倾斜的趋势。功率过高的强相电极所产生的电弧高温会加剧炉衬耐火材料的热损毁。

因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述缺点，提供了一种通过控制三相电极功率平衡，提高生产过程的各项指标的敞口式埋弧矿热炉电极的控制方法及***。

本发明的技术方案是：

提供了一种敞口式埋弧矿热炉电极控制方法，包括以下步骤：

A、获取敞口式埋弧矿热炉交流电机的电极行程参数信息，包括电极的初始位置、移动距离和消耗量；

B、根据所述电极的初始位置、移动距离和消耗量，预估电极在坩埚熔池中的位置；

C、根据所述电极在坩埚熔池中的位置控制所述电极。

本发明所述的控制方法，其中，所述步骤B中，根据：

L＝L₀+ΔL_sj-ΔL_xh-ΔL_f

求得电极在坩埚熔池中的位置；

其中，所述L₀为电极的初始位置；所述ΔL_sj为电极的移动距离，所述ΔL_xh为电极的正常损耗量，所述ΔL_f为电极出现软断或硬断时的损耗量。

本发明所述的控制方法，其中，所述步骤A中，采用绝对式编码器记录电极行程，得到电极的初始位置和电极的移动距离。

本发明所述的控制方法，其中，所述步骤B中，当电极出现软断或硬断时，根据公式：

ΔL_f＝L_h-L_q

求得电极出现软断或硬断时的损耗量；

其中，所述Lq为事故前所记录的电极位置，Ln为事故发生前电极位置。

本发明所述的控制方法，其中，所述步骤C包括：根据所述电极在坩埚熔池中的位置，控制电极电压，使电极电压与检测出来的二次电流比值趋于恒定。

还提供了一种敞口式埋弧矿热炉电极控制***，包括：

数据获取模块，用于获取敞口式埋弧矿热炉交流电机的电极行程参数信息，包括电极的初始位置、移动距离和消耗量；

计算处理模块，用于根据所述电极的初始位置、移动距离和消耗量，计算得到电极在坩埚熔池中的位置；

控制模块，用于根据所述电极在坩埚熔池中的位置控制所述电极。

本发明所述的敞口式埋弧矿热炉电极控制***，其中，所述数据获取模块中包括设于交流电机上的绝对式编码器，用于记录交流电机的电极行程参数信息。

本发明所述的敞口式埋弧矿热炉电极控制***，其中，所述控制模块包括设于交流电机上的变频器，用于改变交流电动机的转速和扭矩。

本发明通过建立敞口式埋弧矿热炉电极模型，实时检测电极在熔池中的位置，并采用恒阻抗原则控制电极电压，实现了对电极的优化控制，提高敞口式埋弧矿热炉产量，并实现节能降耗，将吨电耗降低到4200kWh/t以下，并将功率因素从0.74提高到0.85以上。

附图说明

图1为本发明实施例的敞口式埋弧矿热炉电极控制***框图；

图2为本发明实施例的敞口式埋弧矿热炉电极控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，将对本发明的较佳实施例加以详细说明。

由于三相电极是***在熔池内，所以无法测量电极端点在熔池中的位置，如果能准确判断电极在熔池中的位置则能提高操作生产效率。具体的测量方法为统计法和熔池阻抗相结合，根据电极的初始位置、移动距离、消耗量来统计计算得出电极目前所处的位置。

本实施例的敞口式埋弧矿热炉电极控制***框图如图1所述，包括数据获取模块102，可获取敞口式埋弧矿热炉交流电机的电极行程参数信息，其中电极行程参数信息包括电极的初始位置、移动距离和消耗量。敞口式埋弧矿热炉电极控制***还包括计算处理模块101，可根据电极的初始位置、移动距离和消耗量，计算得到电极在坩埚熔池中的位置；以及包括控制模块103，用于根据电极在坩埚熔池中的位置控制电极。数据获取模块中可包括设于交流电机104上的绝对式编码器，通过该绝对式编码器可记录交流电机104的电极行程参数信息。控制模块可包括设于交流电机104上的变频器，以改变交流电动机104的转速和扭矩。

结合以上***，本实施例的敞口式埋弧矿热炉电极控制方法具体流程图如图2所示，下面结合图2作详细描述。

步骤S101、获取敞口式埋弧矿热炉内交流电机的电极行程参数信息，包括电极的初始位置、移动距离和消耗量；

电极位置主要两个部分决定：电极本身上下移动的距离、电极在冶炼过程中的消耗。

步骤S102、根据：

L＝L₀+ΔL_sj-ΔL_xh-ΔL_f  (1)

求得电极位置。式中：L₀为电极的初始位置，ΔL_sj为电极的移动距离，ΔL_xh为电极的正常损耗量，ΔL_f为电极出现软断或硬断时的损耗量。

本实施例中，采用绝对式编码器来记录卷扬机带动电极的移动距离，实现对电极行程的记录。

对于电极在冶炼过程中的正常消耗，由于各相电极的消耗速度不一，可以根据大量历史数据，分析得出每相电极在正常冶炼下的平均消耗速度。

当电极出现事故，发生软断或硬断时的损耗量，根据：

ΔL_f＝L_h-L_q  (2)

得到非正常情况下电极的损耗量，其中L_q为事故前所记录的电极位置，L_h为事故发生前的电极所在的位置。

还可以根据：

L_cd＝L_cs+L_y-ΔL_xh-ΔL_f(3)

求得电极长度。式中：L_cd为电极的长度，L_cs为电极的初始长度，ΔL_xh电极的正常损耗量，ΔL_f电极出现软断或硬断时的损耗量。

步骤S103、根据所述电极在坩埚熔池中的位置控制所述电极。

埋弧电炉可以看成是三支电极在炉底接成星形的不对称负载，其中性点电位与电源中性点的电位有一定电位差。在电炉各相电压相位图上，电源中性点O位于正三角形的中心，而不对称的星形负载中性点在O′点。O和O′点的距离就是中性点的位移。OO′点之间的电位差可以用电压矢量U_OO′来计量。

电源电压保持恒定时，变压器的二次线电压为：

U_AB＝U_BC＝U_CA  (4)

各相电压矢量关系为：

U_AO＝U_AO′+U_OO′(5)

U_BO＝U_BO′+U_OO′(6)

U_CO＝U_CO′+U_OO′(7)

OO′位移越大，U_AO′，U_BO′，U_CO′之间的差别越大。决定OO′位移大小的是各相阻抗不平衡程度。以A相为例，各相阻抗可以由式8表示：

$Z=\sqrt{{(R_{\mathrm{AA}}+R_{\mathrm{\δ}}+R_{\mathrm{AM}})}^2+{(X_{\mathrm{AA}}+X_{\mathrm{AB}}+X_{\mathrm{AC}}+X_{\mathrm{AO}})}^2}---\left(8\right)$

式(8)中，P_AA，R_δ，R_AM为该相短网的电阻、附加电阻和熔池电阻，X_AA为该相的自感电抗，X_AB+X_AC为互感电抗，X_AO为杂散分布电抗。

对于敞口式埋弧矿热炉来说，不仅仅要考虑三相电极得到同样的功率，当三个电极的插深不同时，三个电极的热力中心不在一个平面上，会导致熔池的横剖面热力不均，热效率大大降低。如果采用恒电流控制，有可能会出现三相电极位置偏差很大的情况。

由上述分析，可以控制电极电压(电极电压即为二次侧电压减去短网压降)与检测出来的二次电流比值趋于恒定：

(V_检测-I_检测Z_短网)/I_检测-V_设定/I_设定＝ε→0(9)

而由于阻抗与电极埋入深度有一定的比例关系，采用以上恒阻抗控制策略可以比较大程度上的保证三根电极***深度，并且插深一致，排除了短网阻抗不平衡所引起的功率不平衡。采用恒阻抗原则进行调节时，当一相电极受到扰动，它的提升或下降，对其它两相处于平衡状态的电极电压、电流比值的影响可以忽略不计，这是电流调节原则所不能达到的，当两相或三相电极受到扰动时，恒阻抗调节原则的抗干扰能力较恒电流原则要强得多。

在炉况正常时，因为阻抗控制的功率偏差积累小，敞口式埋弧矿热炉电极控制***可采用前面所述的恒阻抗原则控制电极，***的偏差信号与电弧的阻抗成比例；当电流下降或上升幅度过大时，可采用恒电流控制，此时***的偏差信号与电流成比例，会使电弧的电流快速地得到修正。

实践证明，采用先进的具有快速相应的阻抗电极调节，可使功率消耗减少5％，电极折断减少90％，电极消耗减少8.5％，出铁时间减少18.5％，平均功率输入增加8.5％。

综上所述，本发明通过建立敞口式埋弧矿热炉电极模型，实时检测电极在熔池中的位置，并采用恒阻抗原则控制电极电压，实现了对电极的优化控制，提高敞口式埋弧矿热炉产量，并实现节能降耗，将吨电耗降低到4200kWh/t以下，并将功率因素从0.74提高到0.85以上。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种敞口式埋弧矿热炉电极控制方法，包括以下步骤：

A、获取敞口式埋弧矿热炉交流电机的电极行程参数信息，包括电极的初始位置、移动距离和消耗量；

B、根据所述电极的初始位置、移动距离和消耗量，预估电极在坩埚熔池中的位置；

C、根据所述电极在坩埚熔池中的位置控制所述电极。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤B中，根据公式：

L＝L₀+ΔL_sj-ΔL_xh-ΔL_f

求得电极在坩埚熔池中的位置；

其中，所述L为电极在坩埚熔池中的位置，所述L₀为电极的初始位置，所述ΔL_sj为电极的移动距离，所述ΔL_xh为电极的正常损耗量，所述ΔL_f为电极出现软断或硬断时的损耗量。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤A中，采用绝对式编码器记录电极行程，得到电极的初始位置和电极的移动距离。

4.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤B中，当电极出现软断或硬断时，根据公式：

ΔL_f＝L_h-L_q

求得电极出现软断或硬断时的损耗量；

其中，所述L_q为事故前所记录的电极位置，所述L_h为事故发生前电极位置。

5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤C包括：根据所述电极在坩埚熔池中的位置，控制电极电压，使电极电压与检测出来的二次电流比值趋于恒定。

6.一种敞口式埋弧矿热炉电极控制***，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取敞口式埋弧矿热炉交流电机的电极行程参数信息，包括电极的初始位置、移动距离和消耗量；

计算处理模块，用于根据所述电极的初始位置、移动距离和消耗量，计算得到电极在坩埚熔池中的位置；

控制模块，用于根据所述电极在坩埚熔池中的位置控制所述电极。

7.如权利要求6所述的敞口式埋弧矿热炉电极控制***，其特征在于，所述数据获取模块中包括设于交流电机上的绝对式编码器，用于记录交流电机的电极行程参数信息。

8.如权利要求6或7所述的敞口式埋弧矿热炉电极控制***，其特征在于，所述控制模块包括设于交流电机上的变频器，用于改变交流电动机的转速和扭矩。

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