某电渣冶金系统电气设计

孙 剑

(太原科技大学，山西 太原 030024)

1 工艺概述

电渣冶金具有设备简单，质量高成本低等优势，起源于美国。自从世界上首批电渣炉在前苏联德聂泊尔特钢厂工业电渣炉建成以来，各种不同结构不同用途电渣炉不断创造。国内外电渣冶金技术取得了巨大发展。

电渣重熔是利用电流通过渣池释放热量作为热源使电极融化的熔炼方法。其工作原理见图1，电极金属液降落到渣池底部，形成金属熔池，而金属熔池在水冷金属结晶器不断向上凝结，形成结晶组织均匀的钢锭。电渣钢的零件机械性较好，可靠性大，寿命长。[3]

1.自耗电极，2.水冷结晶器，3.渣池，4.金属熔池，5.锭子，6.收缩空隙，7.垫板，8底水箱

图1电渣炉工作原理示意图

2 主要技术参数及设备构成

本系统以0.5 t电渣炉实验，参数确定如下：

自耗电极直径Φ150 mm，自耗电极长度2 500 mm，结晶器直径300 mm，结晶器高度10 mm，变压器容量500 kVA, 变压器二次电压35～75 V, 变压器二次电流8 kA, 变压器一次电压6(10) kV。

电渣炉设备主要以下系统构成：

机械系统：由立柱、横臂、上夹持器、横臂升降传动装置、电磁离合器、慢速升降电机、测速电机)、运锭车等组成。

电气系统：由高压开关柜、补偿电容柜、磁调变压器、二次短网铜排、裸铜软电缆、二次电流互感器、低压动力柜、磁性调压柜、PLC逻辑控制柜、操作台(含工控机及调速控制系统)、炉前操作台、旋转编码箱等组成。

水冷系统：由进水总阀门、上水排(包括水压表)和出水箱、出水排(包括上结晶器水温表)、水量控制阀组成。

3 电渣炉控制系统

3.1 控制系统

电渣炉自动控制设备核心是控制电极升降的给送动力——直流电动机。自动控制系统中所用的其他电器和元件同样都是为了保证直流电动机能够顺利进行正转或反转，高速或低速运转而服务的配套设备。当然为了实现电极给送的各种工艺要求，还有必要的机械机构。

为保证工艺过程顺利进行，自耗电极的给进速度需要适当调节，为此需要不断调整电动机转速以保证整个过程恒流熔炼。在双极熔炼时，还因为两点间常出现融化速度不等，需要调节电极给进速度更多。总之，在整个炼钢过程中要求慢速给进，炼钢结束时要求快速提升。为此要求对送电极升降机构电动机能够无极调速，实现高低速及正反转变化以适应工艺要求。交流电动机无法精确满足上述要求。

3.2 计算机控制设计

渣炉系统由炉体设备、供配电设备和计算机控制系统组成，计算机控制系统由上位机、PLC组成。程序控制设备采用上位机采用工控机，实现生产监控及报表输出。下位机采用PLC，实现信号采集及输出控制。控制变压器调整功率及支臂、台车的快速升降、移动、夹紧、放松及熔炼控制。上位机与下位机采用MODBUS协议通讯，获取电压、电流、功率因数及能耗等数据。上位机系统采用 Python软件开发。PLC 系统采用专用软件开发。预留远程APP手机监控接口。

3.3 熔炼自动化控制

熔炼过程中电极埋入电渣中深入，电极末端距离钢水表面变小，电极对钢水表面的电压降也变小，由 PLC 控制根据需要工艺曲线和时间函数来改变电气参数，而且还可以根据电极体的减少来改变电气参数，电极体的减小梁变成控制信号控制直流调速器，调节下降速度，从而实现调节自动控制。为了祛除炉衬材料电阻影响，在炉底预埋直径5 mm钢棒，并焊接在炉底炉壳上，作为电阻参考参数。

4 熔池的输入功率及短网损耗对钢锭质量的影响

短网指变压器二次出线到电渣炉设备之间的一段导体，外观上是比较简单的电路，但由于它所处的特殊工作条件使得它对变压器效率，炉子布置，工艺参数有着较大影响，不可忽视，短网通过巨大电流，产生巨大的感抗和阻抗。所以设计电气系统必须减少短网损失。

4.1 表面效应影响

大截面导体中通过大电流时，电流不是沿整个导线截面上均匀通过，绝大部分电流是沿导体表面通过，导体中心导通电流很少，几乎为零，这种表面层六个交流电流的现象称为表面效应，由于表面效应影响，导体通过电流有效截面积变小，相当于导体电阻增大，为此带来阻抗损失增大电耗增加，为此最好采用中空铜管作为短网材料。其次采用矩形材料，不应采用方形或圆形材料铜排。

4.2 领近效应影响

相互平行的导电体之间的感应使平行导体截面上不同点具有不同感抗，使导体截面上流通的交流电流密度不匀，靠近内层或外层电流密度最大，使得有效截面变小与电阻增大。实践中采用8～12 mm厚的紫铜板切成80～120 mm宽的板条作为导电铜排，短网的感抗和阻抗始终存在。整个炼钢过程中不断消耗一部分功率，降低变压器有效输出，引测在短网设计布置时，应考虑使短网具有最小感抗和阻抗。

4.3 解决方案

具体办法有：①减小短网长度，②各个导体位置尽量相互平行与靠近布置，③选择板状或者管状导体，④与粗大钢结构远离布置。

5 小 结

从电气设备技术要求上，电渣炉的电气设备是现有各种电冶金炉中最简单的，它的组成与炼钢电弧炉类似，只是两者使用电能作冶金热源的能量转换方式不同，一个是利用电弧热量，一个是利用电阻热量，给予这种差别反应在控制方式和电气特性不同上。

本系统电源采用了电极体减小量和时间曲线控制的直流调速系统，从软件和硬件上保证设备先进性能。从导体布置设计上，考虑表面效应和领近效应对系统节能降耗和提高效率，使整个系统保持高效稳定运行。软件硬件设计考虑功能完善，针对不同材料具备优化空间，能够较好满足各种特钢的冶炼工艺要求。

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