125 t单相电渣重熔炉与分时段电极调节控制

伍国洪 王卫红 石 晛 季 霜

(1.二重(德阳)重型装备有限公司，2.中钢集团鞍山热能研究院有限公司)

随着我国电渣冶金技术的迅速发展，以前需要从国外进口的高精尖产品也正逐渐被国产替代。大型电渣锭的生产是我国电渣重熔发展的必然趋势。电渣重熔炉可分为单相电渣重熔炉和三相电渣重熔炉。单相电渣重熔炉由于设备结构简单，便于设计、制造，造价较低，具有易于操作和检修维护方便等优点[1-2]，近年来被广泛应用。2017年底，二重重型装备有限公司引进了奥地利因泰克(INTECO)公司的125 t级气体保护电渣重熔炉，它是国内首台单相大型电渣重熔炉，拥有双工位、双炉头、双预热工位，可采用电极坯交替生产模式，主工位最大生产125 t电渣锭，副工位最大生产40 t电渣锭。125 t电渣重熔炉为二重重型装备有限公司成功开发研制了Cr12转子、燃机轮盘、核电主管道和核电堆内构件等尖端产品。

1 125 t单相电渣重熔炉的基本情况

1.1 125 t单相电渣重熔炉结构

125 t单相电渣重熔炉是双炉头、双熔炼工位的单相电渣炉。125 t单相电渣重熔炉采用双电源变压器供电，每个工位分别配备一台电源变压器。

125 t单相电渣重熔炉采用独立双炉头设计，整个系统包含两套独立的冶炼控制系统，当一个炉头生产时另一个炉头可以检修或准备生产。

125 t单相电渣重熔炉有两个独立炉头(1号和2号)。每个炉头正中间安装导电立柱，导电立柱可以上下运动，与导电母排之间采用滑动接触器连接。炉头上安装高精度的称重传感器，可以对电极坯的质量进行精准称量。炉头上还装有除尘装置、气体密封罩和自动称料加料装置等。炉头下方有4个工位，分别是1号炉头预热工位、主熔炼工位、2号炉头预热工位、副熔炼工位。主熔炼工位设计在中心位置，副熔炼工位设计在外侧。在主熔炼工位两旁，是两个预热工位，预热冶炼用的电极坯。

1.2 单相电渣重熔炉重熔原理

单相电渣重熔炉重熔原理如图1所示。电极坯固定于电极夹持器上，结晶器通入循环冷却水，变压器采用A、B两相供电。A、B两相电源经过导电母排、导电立柱、电极坯、结晶器底水箱形成冶炼回路。送电引弧后，电极坯受到渣阻产生的热量不断熔化，渣池和熔池逐渐形成。金属熔液穿过渣池时与炉渣发生一系列的物理化学反应，从而可去除金属中有害杂质元素和非金属夹杂物[3]。电渣锭由下而上逐渐凝固，熔池和渣池不断地向上移动。

图1 单相电渣重熔炉重熔原理

1.3 125 t单相电渣重熔炉工作模式

1号炉头和2号炉头可以单独移动到主熔炼工位进行重熔生产，也可以交替在主熔炼工位重熔，生产大型的电渣锭。

当生产大于40 t的电渣锭时，由于每支电极坯的长度和直径受到一定的限制，需要多支电极坯才能重熔成一支大型电渣锭，这时两个炉头就需要交替重熔生产。1号炉头电极坯熔炼时，2号炉头电极坯在2号炉头预热工位预热，预热温度通常为750 ℃左右。当1号炉头电极坯熔炼还剩200 kg时(剩余质量可根据冶炼工艺设定)，控制系统发出电极交换指令。1号炉头停止冶炼，剩余电极坯与导电立柱、保护罩一起抬起，移向1号炉头预热工位。同时，2号炉头电极坯从2号炉头预热工位内抬起，移向主熔炼工位，到达主熔炼工位后，电极坯与导电立柱、保护罩一起下降，直到保护罩盖在结晶器上，此时继续送电冶炼，电极交换完成。每次电极交换的时间控制在200 s以内。

当生产小于40 t的电渣锭时，为提高电渣锭的生产效率，主熔炼工位和副熔炼工位可以同时生产。把需要重熔的电极坯分别置于1号炉头和2号炉头上。1号炉头的电极坯在主熔炼工位冶炼，2号炉头的电极坯在副熔炼工位冶炼。

2 分时段控制电极调节

125 t单相电渣重熔炉电极调节控制方式采用分时段控制。整个冶炼过程分为起弧时段、精炼时段和封顶时段。不同时段对应采用的控制为起弧控制、熔速控制与摆幅控制和封顶控制。

2.1 起弧时段

起弧时段是冶炼初期，形成渣池和熔池的过程。采用起弧控制，此时要保证电弧连续，不能出现断弧现象。此阶段电极调节控制器采用恒电压控制，电压按工艺预先给定的电压曲线运行。125 t单相电渣重熔炉变压器的二次输出电压调节范围为48～155 V，起弧曲线的电压参数设置由低到高，为了保证引弧时电弧的连续、稳定，引弧电压选用72 V左右。

熔炼前期炉口电压由72 V逐渐升高到105 V，电流从30 000 A逐渐升高到50 000 A。在此阶段金属熔池和渣池不断形成，直到金属熔池和渣池达到一个稳定的状态，电流平稳运行在45 000 A左右。

2.2 精炼时段

精炼时段是渣池和熔池形成后，稳定熔炼的过程，熔速稳定是决定重熔质量的关键[4]。为了使电极坯的熔化速度和电渣锭的凝固速度稳定，采用恒熔速控制，使电极坯的熔化速度等于冶炼工艺给定的熔化速度。125 t单相电渣重熔炉装有精准的称重系统。通过称重系统测量出实际电极坯的熔化速度并反馈到控制系统，与给定的熔速进行对比，调整变压器的输出功率，保证电极坯熔速的稳定。

渣阻是影响熔速变化的一个关键因素，保证电极坯熔速稳定必须对渣阻进行调节控制。通过控制电极坯插入渣池的深度可以控制渣阻值，电极坯插入渣池越深，渣阻越小。渣阻的大小无法直接测量，可以通过间接测量方法计算。电极坯、结晶器中的钢锭阻值很小，可以忽略不计，根据公式R=U/I得到的电阻就是渣阻，其中U为炉口电压，I为熔炼电流[5]。在变压器输出电压不变的情况下，炉口电压近似为渣阻两端的电压，炉口电压的变化可直接反映渣阻的变化。

通过以上分析，在精炼过程中要实现恒熔速控制，必须同时对渣阻和熔速进行控制。125 t单相电渣重熔炉精炼时段控制系统采用双闭环控制，即熔速闭环控制和摆幅闭环控制，见图2和图3。熔速闭环控制：根据不同钢种的需要，设定熔炼速度V0作为工艺给定熔炼速度，熔炼过程中通过电子称测得电极坯的消耗速度V1，二者进行比较得到ΔV，即ΔV=V0-V1。熔速控制器根据ΔV的大小，通过电源控制器缓慢调整变压器输出功率，使熔炼速度接近或达到冶炼工艺要求的熔炼速度。摆幅闭环控制：根据实测的炉口电压与电流测算出渣阻值R1，与工艺给定的渣阻值R0进行比较得到ΔR，即ΔR=R0-R1。电极运动控制器根据ΔR的大小，调整变频器输出，控制电极坯在渣池中缓慢地上下移动，保持电极坯在渣池中的插入深度基本固定。通过调节变压器的输出功率和电极坯插入渣池的深度，保持熔炼速度稳定。

图2 熔速闭环控制原理

图3 摆幅闭环控制原理

精炼时段炉口电压逐渐减小到95～98 V，电流在40 000～45 000 A，保持平稳运行。在熔炼过程中，电极坯自身质量减少，对应的电阻值也减小，根据欧姆定律I=U/R，当电压不变，电阻减小时，电流增大。这时摆幅控制器通过电极驱动，提升电极。电流增大，对应熔速增大，当熔速控制器检测到熔速变化，降低变压器输出功率，电流减小，此时摆幅控制器通过电极驱动，下降电极。这样就克服了电极坯自身重量变化对熔速的影响，同时保持了电极坯在渣池中插入深度不变。

2.3 封顶时段

封顶时段是冶炼后期补缩过程，熔速逐渐降低，熔池逐渐缩小。封顶时段采用熔炼功率递减的方法，根据工艺电压曲线调节变压器的输出电压，控制方式为恒电压控制。封顶时段炉口电压逐渐降为80 V，电流逐渐减小到25 000 A。封顶时段通常会持续8 h以上，在这个过程中金属熔池随着电压的降低逐渐缩小，直到冶炼停止。

3 结论

文章介绍了125 t单相电渣重熔炉的整体结构，阐述了单相电渣炉的重熔原理和过程。分析了125 t单相电渣重熔炉在冶炼过程中采用分时段电极调节控制方式的特点，分别对每个时段的控制方法进行了介绍。分时段控制是目前比较完善的一种控制方式，它弥补了恒功率控制的不足，提高了电渣锭质量的稳定性和可靠性。