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中冶南方钢包精炼炉电极调节技术


钢包精炼炉是一种通过电弧加热、钢包吹氩、合金加料、喂丝等手段,调节均匀钢水温度和成分、提高钢液纯度、缓冲匹配炼钢初炼炉与连铸生产节奏的重要炉外二次精炼设备。电极调节系统是其关键和核心,它根据炉变二次电压和二次电流信号,驱动比例阀带动电极升降机构,调整电极离开钢水液面的距离,稳定弧长,对钢水加热。
由于钢包炉炉变和二次短网是一个复杂的非线性、时变、强耦合的多变量系统,电极液压升降机构也是一个大滞后、带死区和零点飘移的非线性系统,同时在冶炼过程中电弧会反复受到吹氩、加料等扰动因素的影响,因此电极调节一直是钢包炉基础自动化的核心和难点。
2 中冶南方钢包精炼炉电极调节技术优势和特点
依托中冶南方在炉外精炼领域的优秀业绩和丰富技术储备,通过对引进工程电极调节系统的消化吸收再创新,中冶南方开发出具有独立自主知识产权的钢包炉电极调节系统。该系统采用高性能的硬件平台,先进的阻抗调节算法,在保证钢水升温速度的同时,可有效减少电能消耗、电极消耗、耐材消耗,延长炉变、调压开关等关键设备的使用寿命,降低冶炼成本和设备维护成本贵。
2.1电极调节系统的硬件构成
电极调节系统的硬件构成主要包括二次电压和二次电流检测设备、电极调节控制器、主操作台、操作画面等,如图1所示。
2.1.1二次电压检测设备
二次电压检测设备包括弧压信号箱和电压变送器:前者安装在变压器室内,内设保护、转换、滤波电路,以减小噪声干扰,提高信号采集质量;后者安装在电极调节柜内,采用高精度变送模块实现二次电压真有效值采样和转换。
2.1.2二次电流检测设备
二次电流检测方法有电流互感器和罗科夫斯基线圈(简称罗氏线圈)两种:
图1 电极调节系统的硬件构成
1)电流互感器法
二次电流的常规检测方法是在炉变原边安装电流互感器检测原边电流,再折算为副边电流的间接检测方法,其采集设备包括电流互感器和电流变送器:前者随炉变制造时预安装于炉变原边侧绕组;后者安装在电极调节柜内,采用高精度变送模块实现二次电流真有效值采样和转换。
2)罗氏线圈法
罗氏线圈可直接套在被测导体上,测得被测电流的微分信号,再经积分器还原得到被测电流。相对于电流互感器,罗氏线圈具有无磁饱和磁滞效应、无相位差、测量速度快、精度高、轻便小巧、安装维护方便等优点。其检测设备包括罗氏线圈和积分器:前者环绕在炉变副边导电铜管上;后者安装在电极调节柜内。
二次电流检测可采用上述两种方法之一或同时采用两种方法。若同时采用两种方法,则可实现二次电流在线冗余热备用。
2.1.3 电极调节控制器
电极调节控制器位于电极调节柜内,可选用PLC或其它专用工业控制器,一般选用高性能CPU模块、高速AI模块,以满足电极调节算法对控制硬件的要求,同时配备电能质量监测模块实时监测冶炼中炉变各电量参数。
2.2阻抗调节控制算法
中冶南方电极调节系统基于阻抗控制算法,与传统的弧流控制算法相比,可显著减小三相电极间的偶合程度。它以阻抗反馈控制为基础,辅以调节器参数自适应、过流前馈控制、短路前馈控制、比例阀液压特性补偿等手段,提高电极调节的稳定性和灵敏性。整个阻抗调节器包括设定阻抗计算修正、实际阻抗采样计算、阻抗调节控制输出三大部分。
2.2.1调节器参数自适应
阻抗调节器的核心反馈控制算法是常规的比例积分算法,但为了保证在冶炼不同阶段电极调节的稳定性和灵敏性,对调节器的比例系数采用动态调整的策略,即采用非线性比例积分控制。在冶炼初期的化渣阶段,钢渣反应剧烈,此阶段比例系数要小一些,优先保证调节的稳定性;在冶炼中后期的升温保温阶段,反应相对平稳,比例系数要大一些,优先保证调节的灵敏性。
调节器参数自适应有动态模式和静态模式两种:在动态模式下,通过对二次电流的波动情况进行统计分类,比例系数随二次电流的波动在一个区间内动态变化;在静态模式下,冶炼前期使用一个较小的固定比例系数,冶炼后期使用一个较大的固定比例系数。
2.2.2 过流前馈控制
对实际电流与炉变所在档位允许最大电流的差值进行比例积分运算以模拟过电流的热效应。将比例积分的结果经限幅后叠加到阻抗反馈控制器的输出上,提升一个或多个电极以纠正过流状态,且过流越多电极提升速度越快。
2.2.3 短路前馈控制
当实际阻抗值小于短路阻抗阈值并延迟后便判断电极处于短路状态,立即在阻抗反馈控制器的输出上叠加一个经滤波平滑处理的短路提升附加控制量来提升电极,迅速纠正短路状态。
2.2.4 比例阀液压特性补偿
在开炉前分别测试三相电极的升降速度、死区、零点漂移等,做出比例阀液压特性曲线,通过在电极调节程序中设置液压特性补偿参数,从控制程序上尽力消除和弥补由于液压设备制造、安装所造成的三相电极升降特性差异,确保三相电极动作的一致性。
2.3 加热供电制度
加热供电制度就是根据钢包炉在精炼的不同工艺阶段,在满足炉变稳定工作的前提条件下,选择合适的阻抗设定值和调压开关档位,以尽可能少的电能消耗来满足钢水加热升温的要求。
钢包炉炉变稳定工作同时受到炉变额定电流Ie、额定视载功率Se、炉变最大额定电压Uemax、炉变最小额定电压Uemin、最大功率因数cosφmax 、最小功率因数cosφmin、最大钢包耐材系数等多个约束条件的限制。

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