直流電弧爐電極升降控制系統(tǒng)的問題分析與技術(shù)改進(jìn)

1概述

直流煉鋼電弧爐在冶煉過程中，其初始熔化、熔化、氧化和還原各個(gè)階段對(duì)供電制度（即電壓、電流的大?。┯兄煌囊?，以求節(jié)能降耗、提高工效、達(dá)到最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

與交流煉鋼電弧爐的控制方式不一樣，直流電弧爐的弧壓（即電弧電壓）和弧流（即電弧電流）的大小是由兩套完全獨(dú)立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)分別控制的，弧壓和弧流可以線性地分別獨(dú)立地進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足冶煉工藝對(duì)供電的要求。

弧流調(diào)節(jié)系統(tǒng)以晶閘管整流器作為調(diào)節(jié)對(duì)象，電弧電流自動(dòng)閉環(huán)穩(wěn)流調(diào)節(jié)器控制晶閘管整流器直流輸出電流，有靜態(tài)情況下，自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)可以保持弧流恒定不變。在有效控制范圍內(nèi)，弧壓的變化不會(huì)引起弧流隨之而變，這樣就為獨(dú)立調(diào)節(jié)弧長(zhǎng)和弧壓創(chuàng)造了條件。

直流電弧爐在冶煉過程中，電極升降控制系統(tǒng)以電極定位機(jī)構(gòu)為控制對(duì)象，其主要作用是調(diào)節(jié)電弧弧柱的長(zhǎng)度（即弧長(zhǎng)）。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料分析，電弧電壓Va和電弧長(zhǎng)度la之間近似地存在著以下關(guān)系：

Va=kala

式中ka=0.6～1.1V/mm稱之為電弧電壓梯度，弧壓梯度大小的變化取決于爐內(nèi)的氣氛。相對(duì)于弧流和弧壓的變化速度而言，認(rèn)為ka值的變化十分緩慢，可近似地看作常數(shù)。由此可見，弧壓與弧長(zhǎng)成近似的線性關(guān)系。調(diào)節(jié)弧長(zhǎng)的長(zhǎng)短相當(dāng)于調(diào)節(jié)弧壓的高低。當(dāng)弧流恒定不變時(shí)，調(diào)節(jié)弧長(zhǎng)也相當(dāng)于調(diào)節(jié)電弧功率的大小。因電弧功率Pa=IaVa。所以，電極升降控制系統(tǒng)性能的好壞直接影響電功率的輸入和電爐的運(yùn)行狀態(tài)。

2存在的主要問題和原因分析

甘肅華藏冶金集團(tuán)特殊鋼廠兩臺(tái)標(biāo)稱容量為5噸的直流煉鋼電弧爐于1997年開始投入試運(yùn)行，投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)電極升降控制系統(tǒng)工作不正常，存在的問題主要表現(xiàn)為：

（1）運(yùn)行不穩(wěn)定，電極竄動(dòng)頻繁、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，電爐不能連續(xù)穩(wěn)定地獲得有效的電弧功率輸入；

（2）弧壓低，在交流電壓最高的第五檔，弧壓（直流）值也只能達(dá)到250V左右，嚴(yán)重地限制了電弧功率的提高，變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)也相對(duì)較低；

（3）弧壓調(diào)節(jié)范圍小，實(shí)際弧壓值不是跟隨給定弧壓值線性地變化?？刂菩阅懿荒軡M足冶煉工藝的要求,不能準(zhǔn)確地將弧壓穩(wěn)定在給定的值上；

圖1原調(diào)節(jié)器基本原理圖

圖2弧壓和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器基本原理圖

（4）電路故障率高，經(jīng)常停電檢修，調(diào)整或更換元器件，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

根據(jù)試運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的問題，經(jīng)過仔細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)觀察和對(duì)控制電路系統(tǒng)的認(rèn)真分析，認(rèn)為發(fā)生以上問題的主要原因有以下幾個(gè)方面：

（1）仍沿襲交流電弧爐的控制概念，存在概念不清的問題。以弧壓給定和弧壓反饋信號(hào)之差值作速度調(diào)節(jié)器之給定，未設(shè)差值放大環(huán)節(jié)。原調(diào)節(jié)器電路圖如圖1所示，是原有的電極升降調(diào)節(jié)器的基本電路原理圖。由圖可見，該電路中沒有設(shè)電弧電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，反饋的弧壓信號(hào)Uf經(jīng)4N2組成的比例放大器進(jìn)行比例系數(shù)變換之后直接與給定電位器輸出的弧壓給定信號(hào)Ug進(jìn)行串聯(lián)比較，比較的結(jié)果產(chǎn)生的差值信號(hào)直接作為速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器的給定。比較差值信號(hào)沒有進(jìn)行放大，二者之間的靜差太大，使得反饋與給定之間不可能有很好的跟隨性能。從而導(dǎo)致弧壓調(diào)節(jié)范圍小，不能準(zhǔn)確地將弧壓穩(wěn)定在所給定的值上，而且限制了弧壓的提高。即使在最高電壓檔（AC250V），弧壓（直流）也只能在250V左右來回?cái)[動(dòng)。同時(shí)，也導(dǎo)致變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)偏低。

（2）電路設(shè)計(jì)方面存在的問題較多?？刂瓢迳峡刂?a target="_blank">電源采用單相整流電路，穩(wěn)壓器輸入端沒有足夠容量的電容器進(jìn)行濾波。導(dǎo)致控制電源，尤其是主電源上的紋波成分相當(dāng)嚴(yán)重，直接干擾電路正常工作。

輸入調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)和給定信號(hào)電路，都沒有設(shè)置必要的濾波環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。信號(hào)上疊加的瞬態(tài)干擾信號(hào)容易導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定。

從調(diào)節(jié)器上引出到操作臺(tái)去的來回連接線太多，這些外引線在傳輸信號(hào)的同時(shí)也會(huì)將環(huán)境中的電磁干擾信號(hào)引入控制電路。作為長(zhǎng)距離弱信號(hào)傳輸線，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采取一些必要的隔離，濾波和保護(hù)措施，原電路設(shè)計(jì)中都沒有予以足夠的重視。速度調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)沒有設(shè)限幅電路，導(dǎo)致觸發(fā)器移相范圍的上、下限不固定，容易漂移，致使送到力矩電機(jī)的電壓不對(duì)稱。

主電路采用半控式晶閘管和二極管模塊，雖可以降低部分成本和減少部分觸發(fā)單元，但不容易保證交流調(diào)壓電路輸出的電壓波形完全對(duì)稱。電壓波形不對(duì)稱對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能影響是不可忽視的。

控制電路中元器件參數(shù)選擇不盡合理，各參數(shù)之間不匹配。由于參數(shù)不匹配，導(dǎo)致電路的性能無法得到保證，甚至使其工作性質(zhì)都發(fā)生了變化，致使元器件損壞現(xiàn)象嚴(yán)重。

（3）元器件和制作方面的質(zhì)量問題也比較突出，故障隱患多?？刂瓢迳系牟糠衷骷?shù)經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)整定和頻繁的更換，使得電路板上存在很多的脫焊、虛焊、隱性短接和插接點(diǎn)接觸不良等現(xiàn)象，影響電路板可靠、穩(wěn)定的工作。

3技術(shù)改進(jìn)措施和運(yùn)行效果

針對(duì)上述存在的問題和原因分析，在原有基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有條件對(duì)電極升降控制系統(tǒng)作了部分改進(jìn)，具體改進(jìn)措施和運(yùn)行效果如下：

（1）調(diào)節(jié)器的改進(jìn)

原有系統(tǒng)中只有一個(gè)速度調(diào)節(jié)器，是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)，電弧電壓反饋信號(hào)僅僅作為一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)在系統(tǒng)中起作用?？紤]到電極升降控制系統(tǒng)的最終控制目標(biāo)是穩(wěn)定弧壓，應(yīng)該對(duì)弧壓進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。設(shè)置一個(gè)自動(dòng)閉環(huán)的弧壓調(diào)節(jié)器作外環(huán)，將速度調(diào)節(jié)器作內(nèi)環(huán)。改進(jìn)后的內(nèi)、外環(huán)調(diào)節(jié)器基本原理圖如圖2所示。由圖2可見，改進(jìn)后的調(diào)節(jié)器是一個(gè)由弧壓調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的典型的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器系統(tǒng)。將弧壓給定和弧壓反饋信號(hào)由串聯(lián)比較改為并聯(lián)比較，將兩組公共點(diǎn)沒有連通的＋15V、－15V電源的公共點(diǎn)連通。

（2）更換、調(diào)整部分元器件及其參數(shù)

為了適應(yīng)控制電路的整體要求，除調(diào)整控制電路的電路結(jié)構(gòu)之外，對(duì)電路中部分元器件進(jìn)行了更換，或調(diào)整其參數(shù)，以滿足系統(tǒng)的基本要求。

弧壓調(diào)節(jié)器按大慣性調(diào)節(jié)器設(shè)定元器件參數(shù)，其靜態(tài)放大倍數(shù)設(shè)定在3～6倍之間，以提高實(shí)際弧壓與給定弧壓之間的跟蹤性能，同時(shí)減少二者之間的靜態(tài)差值。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按小慣性調(diào)節(jié)器選配元器件參數(shù)，以提高力矩電機(jī)動(dòng)作的靈敏度。其靜態(tài)放大倍數(shù)控制在3～5倍范圍內(nèi)。

在現(xiàn)有條件下對(duì)電路板進(jìn)行重新修復(fù)，盡量減少因制作質(zhì)量問題帶來的故障隱患。

（3）運(yùn)行效果

電極升降控制系統(tǒng)經(jīng)過上述兩個(gè)方面的改進(jìn)和重新修復(fù)后，于1998年10月份投入系統(tǒng)使用。從使用情況看，改造的基本目的完全達(dá)到了，這主要表現(xiàn)在:

①電極竄動(dòng)現(xiàn)象明顯減少。除因個(gè)別輕薄爐料在熔化中引起一些竄動(dòng)之外，一般情況下不會(huì)發(fā)生明顯的竄動(dòng)現(xiàn)象，能夠保持連續(xù)穩(wěn)定地供電，對(duì)加快熔化速度產(chǎn)生了明顯的效果。

②最高電壓檔的弧壓電壓（直流）有明顯的提高，由原來的250V左右提高到300V左右，并且能夠?qū)⒒罕容^準(zhǔn)確地穩(wěn)定在給定值上，這樣就可以連續(xù)穩(wěn)定地將電弧功率由3500kW提高到4200kW，提高約20％，電弧功率的提高對(duì)加快冶煉速度、縮短冶煉時(shí)間具有明顯的作用。

③電弧電壓能夠比較好地跟隨給定弧壓。其有效調(diào)節(jié)范圍和線性性都能滿足冶煉工藝的要求，為獲得最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)創(chuàng)造了條件。力矩電動(dòng)機(jī)損壞次數(shù)明顯減少。

盡管取得了以上三個(gè)方面的效果，但由于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作存在先天不足，電路工作的穩(wěn)定性仍不十分理想，元器件損壞的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生。

4結(jié)語

直流電弧爐電極升降控制方法有別于交流電弧爐電極控制方法，應(yīng)該設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)、弧壓調(diào)節(jié)為外環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)。電路中元器件參數(shù)的選取極為重要，必要的保護(hù)措施也必不可少。制作質(zhì)量的好壞直接影響設(shè)備的可靠性和正常運(yùn)行。作為成套供應(yīng)商應(yīng)選擇專業(yè)廠家定制此類關(guān)鍵設(shè)備。