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东北大学硕士学位论文 精炼炉的优化与控制 摘要 论文以通化7 0 吨精炼炉为研究背景，在查阅了大量国内外相关文献的基础上， 综述了精炼炉炼钢技术的发展历史、设备及工艺特点：根据精炼炉的电热特性， 熔炼工艺特性对供电优化和控制的要求，建立了优化模型，并给出了精炼炉电能 输入优化与控制的方法。 课题进行了精炼炉的电气特性理论分析，研究了两种优化供电制度的方法： 最快升温法和经济升温法；当电能输入没有优化时，炼钢时对于具体操作模式的 选择，可根据现场某一炉的实际情况来确定，但此时电能消耗与精炼时间的选择 不能同时达到最优；本文对输入电能进行优化时，根据精炼炉的精炼指标要求， 用精炼时问和电耗相乘，建立模型，然后求二者的乘积最小，这样做既克服了单 纯求电耗最小导致精炼时间过长的缺点，又避免了单纯求精炼时间最小，导致电 耗的增大的不足，用二者乘积求最小值，可以做到兼顾二者的情况下达到供电效 果最优，并结合通钢7 0 吨精炼的实际数据进行了计算、 比较；从结果可以看出 计算的电耗及功率因数是符合要求的，用优化供电模型在计算机上进行仿真，优 化后求出的功率消耗与优化前的功率消耗进行比较，结果表明优化供电模型在满 足生产要求的情况下，电耗比较小，与理论分析相吻合，达到了优化供电的效果。 最后，对通钢7 0 吨精炼炉的电能输入控制及下位机硬件进行了介绍。 关键词：精炼炉电气特性供电优化优化模型仿真电能输入控制 东北大学硕士学位论文abstract t h e o p t i m i z a t i o na n d c o n t r o lo fr e f i n i n gf u r n a c e a b s t r a c t t h eb a c k g r o u n do f m ep a p e ri sb a s e do nt h e7 0 t 0 nr e f i n i n gf u n l a c eo f t o n g h u a s t e e lg m u p t h ed c v e l o p m e n th i s t o r i c ，e q u i p m e n ta 1 1 dt e c l l i l i c sc h a r a c t e r i s t i co f r e f i n m gf u m a c es t e e l 一m a k i n gt e c h n i q u e sa r es u m m a d z e db a s e do nc o n s u l t i n gag r c a t d e a lo fd o c u m e n t a t i o n a c c o r d i n gt og a l v a n o t h e 册yc h a r a c t e r i s t i co fr e 士i n i n gf u m a c e ， s m e l t i n gt e c l l n i c sc h a r a c t e r i s t i c sd e m a n df o rp o w e rs u p p l yo p t i m i z a t i o na n dc o 玎t r d l ， m eo p t i m i z a t i o nm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，1 ew a yo fr e f - m i n gf u m a c e si r l p u t c u r r e n t 叩t i m i z a t i o na n dc o n t r 0 1h a sb e e np r e s e n t e d w eh a dh a v es o m ca 1 1 a l y s i s0 ne l c c t r i cc h a r a c t e r i s t i ct h r yo fr e 6 n i n gf 哪a c e ， a i l ds t l l d yt w ok i i l d so fp o w e rs u p p l yo p t i m i z a t i o nw a y ：f u l lo u tc a l e f a c t i v ew a ya 1 1 d e c o n o m i c “c a l e f k t i v ew a y ，a i l dc o n s t i t u t c dn e ww o r k i n gp o i n tt a b l e f o ri d i o g r a p h i c m a n i p l l l a t i o nm o d es e l e c t i o n ，w m c hs h o u l db ed e c i d e db yo n e1 0 c a l ef 缸ti n s t a l l c e ， a c c o r d i n g t or e f m e d t a r g e t sr e q u e s t ，b u t r e f i n e dt i m ea 1 1 dt o ns t e e l e l e c 伍c i t y c o n s u m p t i o nc a n ta r v ea tm eo p t i m i z a t i o na tt l l es 锄et i m e ，w eu s er e f i n e dt i l n ea n d t o ns t e e le l e c t r i c i t yc o n s u r n p t i o nt om u l t i p l y ，a n dc o n s t i t u t em a t hm o d e l ，t h e ns e e kt b e i r l e a s tn u m e r i c a iv a l u e h lt h i sw a yc a nw eo v e r c o m em es h o 矗c o m i n gf o rg a i n j n gm e l e a s te l e c t r i c i t yc o n s 眦p t i o na 玎dm a k i n gr e f m e dt i m eb e c o m el o n g ，a v o i dt h es h o r t a g e f o rg a i l l i n gt h el e a s tr e f i n e dt 妇ea n dm a k i n gt l l ee l e c 埘c i t yc o n s 砌p t i o nb e c o m e1 a r g e ， w eu s eb o mo f t h e mt om u l t i p l ya n ds e e kt h el e a s tn 啪耐c a lv a l u e ，a 1 1 dw ec a ng a i nt l l e o p t i m i z a t i o ns u p p l yp o w e ru n d e rm oc o n d i t i o n s a tt 1 1 es 锄et i n l e ，w eu s ep r a c t i c “ d a t ao f7 0 - t o nr e f i n i n gf u m a c eo ft o n g h u as t e e lg r 0 1 巾t oc a l c u l a t ea l l dc o m p a r e w e c a i lr c a c hac o n c l u s i o nt 1 1 a tt h ec a l c u l a t i n ge l e c t r i c i t yc o n s 眦l p t i o n 锄dp o w e rf a c t o ra r e f i tf o rr e q u e s t ，w eu s eo p t i m i z a t i o ns u p p l yp o w e rm o d e l t os i m u i a t e ，a 1 1 du s eo p t i m i z a t i o n s u p p l yp o w c rm o d e l ss 曲m a t i o no u t c o m et oc o n 中a r ew i 血n oo p t i m i z a t i o ns u p p l y p o w e rm o d e l ，ss i m u l a t i o no u t c o m e ，t h er e s u l ts h o w sm a tm eo p t i m i z a t i o ns u p p l y p a w e rm o d e ln o to m ym e e tt 1 1 ep m d u c t i o nd e r n a n db u tm e e tt h el e a s te l e c 仃i c i t y c o n s 砌p t i o n ，t l l ec a l c u l a t i n go u t c o m ei sm es 蛐ea sm e o r ya i l a l y s i s ，m eo p t i m i z a t i o n s u p p l yp o w e re f r e c ti ss a t i s f i e d 1 1 1t h ee n d ，w ei n t r o d u c ee k c t r i c i t yp o w e ri n p u tc o n t r o l 卸dh y p o g y n yc o m p u t c ro f 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t 7 0 一1 o nr e f i r l i n gf u m a c e k e y w o r d s ：r e 觚e df u m a c ee l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c s u p p l yp o w e ro p t i m i z a t i o n o p t i m i z a t i o nm o d u l es i m u l a t i n ge l e c t r i c i t yp o w e ri n p u tc o m m l 东北大学硕士学位论文声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：f 耐丑雹毫、 日期：z 艘f 年多日2 多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章概述 1 1 精炼炉概述 第一章概述 钢的炉外精炼是把电弧炉和转炉中要完成的精炼任务，如脱硫、脱氧、去除有 害气体及非金属夹杂物、调整成分及温度等，移到炉外钢包专用容器中进行熔化 和初炼；初炼后的钢水倒入钢包或专门容器中进行精炼，这些钢包或专用容器称 为精炼炉。所以也可以把炉外精炼叫做二次炼钢。炉外精炼处理技术在炼钢生产 中，是提高产品质量、扩大品种、提高生产率和实现连铸直轧的重要手段，也是 进。步提高钢的清洁度和降低钢中杂质含量的有效措施。通钢7 0 t 精炼炉主要精炼 钢种为优碳钢、低合金钢、弹簧钢、合结钢等优质钢产品。 1 1 1 精炼炉炼钢的发展史 炉外精炼技术开发于四十年代，最初仅对有特殊性能要求的钢种，在一次熔炼 后再进入另一台熔炼炉进行重熔炼或脱气精炼吼1 9 6 1 年，瑞典a s e a s k f 公司开 发了新的炉型，即将钢包倾动排渣、钢液电弧加热、电磁搅拌以及补加合金、真空 脱气等功能集于一体的a s e a s k f 精炼技术，它与相应发展的连续铸锭技术，促使大 型电弧炉和转炉生产的企业产生了新的工艺流程革命，使整个生产节奏加快，生产 效率和钢液纯净度得到迅速提高，世界钢铁工业有了新的发展【2 】。1 9 7 1 年日本大同 特殊钢公司在a s e a s k f 精炼法的基础上开发了lf 精炼法，当时的主要目的是寻 求一种理想的还原精炼方法替代传统电弧炉冶炼的还原期。它采用铜包底吹氩气 技术使钢液获得搅拌功能，并具有同样好的脱硫、脱氧、使夹杂物上浮等能力。由 于转炉出钢挡渣技术和电弧炉偏心底出钢技术的广泛应用，l f 精炼省去了 a s e a s k f 法中的排渣工位，形成了目前普遍选用的u w 或u w d 型钢包精炼炉。 后来又产生的d 和v h d 法钢包炉，把钢液的加热和脱气设计在同一工位，由于电 极要在真空盖中上下运动，其密封要求很高，影响了该技术的推广使用。 我国于1 9 7 5 年从瑞典引进两台a s e a s k f 型钢包精炼炉巴1 9 7 9 年开始设计我 国第一台4 0 吨u w 型钢包精炼炉，随后各钢厂纷纷采用该技术，但是大容量的钢 包炉仍然不断从国外引进。1 9 9 6 年，上海浦钢公司投产了二台三相三臂式1 0 0 吨 l f v d 钢包精炼炉，显示我国已具备了设计制造大型钢包精炼炉的能力，一年后上 海五钢公司建成了一台三相电缆吊挂式l f v d 炉，这是没有横臂的新型导电结构 东北大学硕士学位论文第一章概述 方式的炉子。1 9 9 9 年武钢公司一炼厂建成了一台三相单臂式1 0 0 吨l f v d 炉。至 今我国已拥有大小近1 0 0 多台钢包精炼炉( 包含在建) ，见表1 。 表1 1 我国非不锈钢用钢包精炼炉情况 t a b l e1 1t h en o n - s t a i n l e s ss t e e ll di i l s t a n c eo f o u rc o u n t r y 交流 炉型 l f 直流 a s e a s k f 注：不包括a o d 、v o d 、v o d c 、c a s 旬r 等精炼装置。 1 1 2 精炼炉炼钢的特点和方法 钢水二次精炼是在一次熔炼炉外进行的冶炼过程，它把以往要在炼钢炉中才 和精炼两部分，不仅解决了炼钢史上一直难以解决的问题，如由于不合理的工艺 安排所造成的白点等问题，而且更加有效地完成了脱磷、脱氧、脱硫，除各种气 体、有害杂质及调整钢液成分和温度的任务。钢水二次精炼的工艺效果是非常明 显的，它可以控制钢水的温度和升温速度，而且也可以根据需要科学的实施电能 优化输入控制，为优质钢的连铸提供了可靠的保证。采用超高功率电炉、钢包精 炼炉和连续铸锭相配合的最优化工艺流程可望提高生产率的5 0 r 1 0 0 ，具有很 大的优势和广阔的前景。 目前二次精炼的形式众多，约有三十多种，大致可分成四类：合成渣洗或合 成渣洗与吹氩搅拌；真空脱气；真空吹氧精炼，氩气搅拌 电弧加热，真空精炼， 电磁或氩气搅拌。上述的一、二类精炼设备仅能满足某些工艺要求，对钢液的精 炼能力有限。而第三种精炼设备主要用于精炼不锈钢，由于设备本身无加热能力， 因此所精炼的钢种受到了限制。第四类糟炼设备适用于各种特钢的精炼，是一种 独立的新炉种。目前在国际上得到了广泛应用的方法h 有循环法真空处理( 如r h ， r h o b 法) ，提升法真空处理( d h 法) ，l f 钢包精炼炉，真空吹氩脱氧( v d 法) ， 真空吹氧脱碳精炼炉( v o d 法) ，钢包吹粉( t n 法，s l 法等) ，喂丝法，氩氧精 炼( a o d 法) 等。 查苎垄! 翌主兰竺笙圭堑二主垫堡 方式的炉子。1 9 9 9 年武钢公司一炼厂建成了台三相单臂式1 0 0 吨l f 八，d 炉。至 今我圈已拥有大小近1 0 0 多台钢包精炼炉( 包含在建) ，见表l 。 表1l 我国非不锈钢用钢包精炼炉情况 t a b l et1 t h en o n - s 嘶n l e g ss t e e l l d i n 盘a n c eo f o u rc o u n 仃y 交流 炉型 l f直流 a s e a s k f 三相三臂式三相电缆吊挂式三相单臂式 台数 37 51 01 23 注：不包括a o d 、v 0 d 、v o d c 、c a s o r 等精炼装置。 1 1 2 精炼炉炼钢的特点和方法 钢水= 次精炼是在一次熔炼炉外进行的冶炼过程，它把以往要在炼钢炉中才 能完成的精炼任务，移到了炉外“钢包”中进行，即把传统的炼钢工艺分为初炼 和精炼两部分，4 i 仅解决了炼钢史上一直难以解决的问题，如由于不合理的工岂 安排所造成的白点等问题，而且更加有效地完成了脱磷、脱氧、脱硫，除各种气 体、有害杂质及调整钢液成分和温度的任务。钢水二次精炼的工艺效果是非常明 显的，它可以控制钢水的温度和升温速度，而且也可以根据需要科学的实施电能 优化输入控制，为优质钢的连铸提供了可靠的保证。采用超高功率电炉、钢包精 炼炉和连续铸锭相配合的最优化工艺流程可望提高生产率的5 0 1 0 0 ，具有很 大的优势和广阔的前景。 目前二次精炼的形式众多，约有三十多种，大致可分成四类：合成渣洗或合 成渣洗与吹氩搅拌；真空脱气；真空吹氧精炼，氯气搅拌；电弧加热，真空精炼， 电磁或氩气搅拌。上述的一、类精炼设备仅能满足某些t 艺要求，对钢液的精 炼能力有限。而第三种精炼设各主要用于精炼不锈钢，由于设备本身无加热能力， 因此所精炼的钢种受到了限制。第四类精炼设备适用于各种特钢的精炼，是一种 独立的新炉种。目前在国际上得到了广泛应用的方法【4 】有循环法真空处理( 如r h ， r h o b 法) ，提升法真空处理( d h 法) ，l f 钢包精炼炉，真空吹氩脱氧( v d 法) ， 真卒吹氧脱碳精炼炉( v o d 法) 。钢包吹粉( t n 法，s l 法等) ，喂丝法，氩氧精 真空吹氧脱碳精炼炉( v 0 d 法) ，钢包吹粉( t n 法，s l 法等) ，喂丝法。氩氧精 炼( a o d 法) 等。 东北大学硕士学位论文第一章概述 量功能的多流喂丝装置；( 7 ) 在加料孔上配备自动加入合金和渣料，以及配有连续加 入发泡剂的功能；( 8 ) 所有辅助系统、传动系统有完整的安全保护、紧急报警和故 障自检功能。重要的压力、流量、温度在屏幕上有动态显示；( 9 ) 每炉有完整的操 作记录和单耗记录以及钢液化学成分、温度和渣样分析的数据。当然对于生产节 奏比较稳定，钢种比较少的钢厂也可开发人工智能型模糊控制方法，采用更为先进 的自控技术。 三、我国与国外精炼水平的比较 近三年内随着平炉改转炉或电弧炉工程的需要，我国的钢包精炼技术已有迅速 的增长，更主要的原因则是随着我国钢液连铸比的迅速提高，加速了钢包精炼技术 的发展。但到1 9 9 8 年，全国粗钢精炼比仍只有2 0 左右，与连铸比的差距很大，因此， 今后大力发展炉外精炼技术是必然的趋势，见表1 4 表1 4 我国l f 炉主体设备与世界先进水平比较 t a b l e l 4 t h ec o 驴a r s i 衄o f o l l rc o u n 缸y s p 曲c l p a ip a nl fe q u l p m e n ta n d 也ew o r l d ，s a d v a n c e di e v e l 序号项目世界先进水平中国 1 单位功率最大4 0 0 k w t 最人2 2 0 k w 2电极夹持器全水冷套式拉箍，结构精巧鄂板水冷式拉箍，结构笨重 管式水冷双层结构间接抽烟，确保砌砖炉盏，无集烟罩，未解 3炉盖 炉内正压决除尘问题 根据分钢种精炼模型，通过计算自 根据要求的加热功率，确定 4电极升降控制电流强度，自动控制，部分 动控制 厂为手动 变压器二次电压 5 全自动有载调档 多数人工无载调档 调档 1 1 4 精炼炉在电炉炼钢中的作用 炉外精炼 7 1 这一环节在电弧炉短流程中起着举足轻重的作用。传统的高功率电 弧炉在冶炼中有着较明显的阶段划分，即熔化期、氧化期和还原期，冶炼时间较 东北大学硕士学位论文第一章概述 给浇注带来恶劣的后果。上钢五厂的二炼钢厂所有轴承钢都经过l f 精炼，1 9 9 0 年时，o 已达到1 2 p m m 水平，这比e a f 单炼的2 5 - 4 0 p p m 低得多。钢中的非金 属夹杂物评级也得到降低，合格率大大提高，钢的纯净度得到明显改善。法国s a f e 在使用l f 以后，许多钢种平均o 为2 0 p p m ，随之而来的是钢的非金属夹杂下降， 钢的清洁度增加。钢中非金属夹杂下降了3 0 ，夹杂颗粒变小，“粉末”级夹杂由 8 0 上升到9 5 。同时脱硫良好，在往钢中喷s i c a 的情况下，钢中 s 可以从精炼 开始的o 0 4 o 0 5 下降到小于o 0 0 5 ，钢中阻 也有所下降。 ( 3 ) 降低生产成本，提高生产率 改善产品内在质量，缩短生产周期都可以使产品成本降低。另外，由于采用 了精炼，允许在电炉中使用一些质量较差和价格较便宜的原材料。这样，在降低 成本方面的意义就更为显著。在上钢五厂【7 】，大量节约配碳所需要的生铁，降低铁 合金用量( 每吨钢可节约c r - f e 及a l 各0 5 克) 。使用高碳c r - f e 代替低碳c r - f 。e ， 以c r l 7 n i 4 m 0 2 为例，至少每吨钢降低2 0 0 元以上成本，另外也减少废品量。s a f e 也认为，利用l f 和连铸技术可使吨钢节约成本3 2 $ ( 4 ) 在电炉和连铸设备之间起一种具备保持和调节温度的缓冲器作用 由于连铸技术的出现，使钢的质量和成材率大提高。但连铸机要求炼钢设各 能定时、定量地提供一定温度的优质钢水，即对钢包的温度控制显得十分重要， 它直接影响后续的中间包、结晶器中钢水的温度。钢的洁净度、铸坏的中心偏析、 水口结瘤、铸坯拉漏、铸坯最大拉速、蹭包寿命等都与蹭包、结晶器中钢水的过 热度有关。因此，铸坯的产量和质量就直接与钢包中钢液温度有关。另外，当连 铸设备出现故障时，希望中间钢包钢水能保温一定时间；当电弧炉出现故障时， 包中钢水和连铸之间也能相应调节。使用传统的炼钢设备较难满足这种要求，连 铸技术的作用不能充分发挥，车间连铸比难以提高。而精炼炉由于具备电弧加热 这一特点，正好满足保持和调节温度这一要求，从而弥补了传统炼钢设备的缺陷， 可显著改善炼钢设备和连铸机的配合。 东北大学硕士学位论文第一章概述 1 。2 精炼炉炼钢发展的趋势 随着炼钢技术的不断进步，炉外精炼在现代钢铁生产中已经占有重要地位， 传统的生产流程( 高炉一炼锅炉( 电炉或转炉) 一铸锭) ，已逐步被新的流程( 高 炉铁水预处理一炼钢炉炉外精炼一连铸) 所代替。已成为国内外大型钢铁 企业生产的主要工艺流程，尤其在特殊钢领域，精炼和连铸技术发展的日趋成熟。 精炼工序在整个流程中起到至关重要的作用，一方面通过这道工序可以提高钢的 纯净度、去除有害杂质，进行微合金化和夹杂物变性处理：另一方面，精炼又是 一个缓冲环节，有利于连铸生产均衡地进行。 工艺上，严格成分含量范围，控制夹杂容量与化学成分。精炼从单一功能向 多功能方向发展，采用工艺组合的办法，实现优质钢种的生产；为减少残余元素， 对钢质量的影响，避免使用被污染的废钢，研究先进的废钢预处理技术与装置； 开发相关技术，不断完善与提高精炼水平。在低氢或低碳钢种生产中，今后很长 一段时间内真空精炼仍可能占主导地位。 自动化程度上，随着控制理论的不断发展，各种选择的控制方法将被应用于 钢水二次精炼的控制过程，如专家系统、智能控制、模糊控制、神经网络技术等， 使控制水平不断地得到提高；同时二次精炼迫切需要的一些测量技术亟待开发， 如钢水的连续测温、钢水成分的现场直接分析、钢包渣的快速分析及钢水中非金 属夹杂的检测等，以实现二次精炼过程的在线控制，改善精度，提高可靠性。冶 炼过程数学模型的开发研究也应加强。 1 3 国内外能量输入优化研究现状 以往功率设定点仅根据静态的电气圆图，制订出各种 验选取。这种静态分析假设电气线路电阻、电抗不变和三相独立，由于 冶炼工艺过程的复杂性，随机干扰因素多，三相电气变量间耦合严重，这种假设 东北大学硕士学位论文第一章概述 l 图1 1 神经网络结构模型图 f 培1 1n e u r a ln e tm o d e ls 仃1 i c t u r e 国内钢包精炼电流优化的研究比较晚，冶金自动化研究院孙彦广 3 】利用智能控 制系统对能量输入进行动态优化，该系统采用人工神经元网络和专家系统有机结 合的能量输入设定点动态优化方案。首先，建立人工神经元网络模型，动态计算 钢包精炼炉有关的电气参数，如电阻、电抗等，然后，基于这些参数计算不同设 定点下的优化电流，最后调用专家系统规则，根据冶炼过程各阶段的不同特性， 将冶炼功率曲线分解成化渣、成分调整升温和出钢前升温3 个阶段，在不同阶段， 根据预报的钢水温度值、电气特曲线、冶炼工艺和生产节奏对温升的要求进行弧 压和弧流设定点的调整，实现电流输入的优化。 1 4 课题来源及本文所做的工作 本课题是吉林通钢集团的精炼炉项目。控制系统由西门子s 7 3 0 0 系列p l c 完 成精炼炉优化供电的控制任务，上位机监视系统采用工控计算机完成组态编程、 诊断、工况显示、各种参数显示、打印监控报警及相应的操作指导。 本文以吉林通钢集团7 0 吨精炼炉项目为背景，对系统中涉及到的工艺设备与 基础白化级硬件部分做了较为详细的介绍。本文所做的工作是： ( 1 ) 查阅大量国内外文献的基础上，综述了精炼炉的发展历程、研究现状及发 - 1 0 东北大学硕士学位论文第二章精炼炉炼钢的工艺与设备 第二章精炼炉炼钢的工艺与设备 2 。1 精炼炉炼钢工艺 目前普遍认为采用电弧炉初炼，钢包炉精炼和连续铸锭相配合的工艺流程是 最优化过程。本精炼炉项目是和电弧炉指配合，这样工艺有了新的特点即把原来 的炼钢工艺分成两步进行。第一步在一般炼钢炉中进行熔化和初炼，一般炼钢炉 称为初炼炉。第二步在钢包中进行精炼，钢包称精炼炉。 还原法是精炼炉炼钢工艺的最基本的方法。 精炼炉钢包精炼法由电弧加热、吹氩搅拌、碱性白渣精炼等项技术组成，可 使钢中氧、硫大幅度降低，从而生产出高纯净度的钢，另外，精炼炉可把钢水温 度准确控制在目标值0 5 ；合金回收率高且稳定，成份可准确控制在o 0 2 内。 精炼炉的主要作用是进一步调整钢水的温度和成份，其工作过程可简单概括为： ( 1 ) 液压泵起动，变压器油泵起动，然后在三电机提升，炉盖处于上位的情况下， 注入钢水的钢包就位。炉旁的氩气接头与钢包车氩气管连接；( 2 ) 炉盖下降，三 电极下降，炉子高压开关闭合，吹氩开始精炼，精炼过程中需测温、取样、化验， 并检查是否需要加料，调整电压级数等，( 3 ) 经测温和化验，钢水的温度和成份 合格后，炉子开关断开，三电极提升，炉盖上升，拨下氩气接头，钢包车将钢包 运到出钢位，转入下道工序，其中，电极的更换通过夹紧缸1 3 的动作实现，该工 艺过程除吹氩接头的接断操作外，均要求由p l c 控制 xf 东北大学硕士学位论文第二章精炼炉炼钢的工艺与设备 第二章精炼炉炼钢的工艺与设备 2 。1 精炼炉炼钢工艺 目前普遍认为采用电弧炉初炼，钢包炉精炼和连续铸锭相配合的工艺流程是 最优化过程。本精炼炉项目是和电弧炉指配合，这样工艺有了新的特点即把原来 的炼钢工艺分成两步进行。第一步在一般炼钢炉中进行熔化和初炼，一般炼钢炉 称为初炼炉。第二步在钢包中进行精炼，钢包称精炼炉。 还原法是精炼炉炼钢工艺的最基本的方法。 精炼炉钢包精炼法由电弧加热、吹氩搅拌、碱性白渣精炼等项技术组成，可 使钢中氧、硫大幅度降低，从而生产出高纯净度的钢，另外，精炼炉可把钢水温 度准确控制在目标值0 5 ；合金回收率高且稳定，成份可准确控制在o 0 2 内。 精炼炉的主要作用是进一步调整钢水的温度和成份，其工作过程可简单概括为： ( 1 ) 液压泵起动，变压器油泵起动，然后在三电机提升，炉盖处于上位的情况下， 注入钢水的钢包就位。炉旁的氩气接头与钢包车氩气管连接；( 2 ) 炉盖下降，三 电极下降，炉子高压开关闭合，吹氩开始精炼，精炼过程中需测温、取样、化验， 并检查是否需要加料，调整电压级数等，( 3 ) 经测温和化验，钢水的温度和成份 合格后，炉子开关断开，三电极提升，炉盖上升，拨下氩气接头，钢包车将钢包 运到出钢位，转入下道工序，其中，电极的更换通过夹紧缸1 3 的动作实现，该工 艺过程除吹氩接头的接断操作外，均要求由p l c 控制动作，以实现快节奏，商效 率。 基本工艺如下： 钢包运输。换接氩气管 l 翟銎- 票霁 玑斑腮革l ，呗氩孺件 翮 或开启电磁搅拌 l r 。塑堕塞l 加入炉渣发泡剂测温取样， 7 合金化增碳加入渣料 启动温度模型 东北大学硕士学位论文第二章精炼炉炼钢的工艺与设备 l 入精炼工位开始 电弧加热、调整 。 加热开始，开始 调整输入功率 l 送屯化渣全程吹 7 i 调整钢液成分 i 氩或电磁搅拌 氲气流量或调整电磁搅拌i 合金微调，调碳 f 调箍成分结束测温，取样 i 保温开始 。l r 1 图2 1 通钢7 0 吨精炼炉精炼工艺框图 f i 晷e2 1 t h er e n i l i n gt e c h n i c s f i g u r e o f7 0t o nl d 钢铁工业消耗大量的能源、矿产资源并对人类生存环境造成很大的威胁。因 此需要大量降低成本，减少电能消耗量和对环境的污染，精炼炉作为能源消耗的 重要用电单位，研究其供电特性并制定科学合理的供电制度，对降低成本和缩短 冶炼时间，有重要的理论和实践意义。 钢包精炼炉电弧加热的目的是使钢液快速升温，并熔化少量的合金添加料和渣 料。在整个精炼过程中，变压器二次换档次数少，输入炉内的功率也较稳定。太原钢 铁公司第一炼钢厂翻的l f 5 0 钢包精炼炉采用笼式水冷炉盖，短网设计中采用三角 形布置，并特别注意到使三相阻抗平衡的问题，电流互感器采用新型磁带式结构，水 冷电缆采用内水冷电缆( 截回3 2 0 0 m m 2 ) ，这些结构在国内均处于先进水平。以上新 技术的运用大大缩短了冶炼时间，降低了吨钢能耗，产生了良好的经济效益。 为了使精炼过程电弧加热时钢水的升温速度能达到最大，供电参数的选择是 至关重要的影响因素之。然而，输入精炼炉内的电弧功率与变压器所随的表观 功率之间没有简单的对应关系，与电弧电流大小之间呈现复杂的非线性关系。因 此，目前人们普遍采用电气特性曲线来分析和确定电弧炉或精炼炉的供电参数。 所谓电弧炉或精炼炉的电气( 功率) 曲线是指输入炉内的总有功功率、电弧功率、 电弧电压、电效率、功率因素等电量与电弧电流之间的相互关系。 东北大学硕士学位论文第二章精炼炉炼钢的工艺与设备 通钢7 0 吨精炼炉变压器二次侧共有9 级抽头，即为9 级电压，它们均可进行 有载切换，控制十分方便。因此，供电优化的确定就是选择具体的电压级和电流 档。 实际的钢液升温速度与初始钢液温度、电炉出钢时的合金和辅料加入量、钢 包的预热温度、钢包底吹氩制度、钢包运转周期等因素有关。 电压级的确定是根据精炼过程对钢水升温的要求，以及不同阶段炉渣的埋弧 状况而定。在精炼刚开始的几分钟内，由于渣料未完全熔化，通常不用最高档电 压，而是用稍低的电压供电，当炉渣基本熔化，渣层泡沫化良好时，应采用高档 电压供电，以获得最大的升温速度。在精炼后期，当升温不是主要目的，而转入 调整成分为主的阶段时，而且通常后期渣层泡沫化减弱，渣层变薄，宣采用相对 较低的电压供电。合理的电压级要根据精炼炉的实际操作情况来确定。 2 2 精炼炉炼钢设备的组成 精炼炉的设备主要包括：电气设备、液压及气动设备、机械设备、钢包及水冷 等部分。精炼主体设备如图2 - 3 。 一电撮；2 一台雏料斗；3 一透气晴：4 一滑动木口 图2 2 精炼炉设备组成图 f i g u 咒2 2 t h ec o 璐n t i l t ef i g u r eo fl de q u i p m e n t 东北大学硕士学位论文 第二章精炼炉炼钢的工艺与设备 精炼炉炼钢一般由三大系统构成，它们是电气系统，机械系统，液压与气动 系统。这三部分相互结合，共同构成精炼炉炼钢的整体。 2 2 1 电气设备 精炼炉供电系统从功能上分有主供电电路，保护与检测计量回路，电极升降 自动调节系统和其它一些必备设施和辅助电回路组成。 ( 1 ) 主供电电路指高压电由厂变电所至电炉变电所后，经隔离开关，高压断路 器，精炼炉变压器，电抗器，短网输送到精炼炉的电路。下面介绍精炼炉主供电 电路的主要元器件： 1 ) 高压真空断路器：在每炉钢冶炼的开始和终了，在冶炼中改换电压， 去掉炉渣和接长电极以及过电流继电器操作断路器开断，都需操作断路器，使 炉子停电或通电。可见精炼炉操作断路器的特点是操作次数极其频繁，因此其 主触电磨损很快。必须选择质量好，性能优越的或电炉专用的高压真空断路器。 2 1 炼炉变压器：是精炼炉电气设备中的主要元件。在熔化期，变压器通 常在超载2 0 的情况下工作，因而其有许多结构特点，性能要求也高。电炉变 压器的一次侧既可接成三角形，也能切换成星形，而二次侧都采用三角形，因 为采用三角形电路的短路电流分布变压器的两个相内，这可以减少线圈所受的 机械应力，并降低它的发热程度。此外，二次线圈的三角形接法使双线三相短 网的构成成为可能。电弧炉采用专用变压器，变压器采用无载电动调压，低压 二次侧采用铜管侧出线、内封口，采用强油循环水冷却器进行冷却。变压器配 套强油循环水冷却器及其电气控制台。 3 ) 短网：也称大电流线路，是指从精炼炉变压器低压出线到电极( 包括 电极) 之间的各种形式导体的总和。电流经短网送入炉内，产生电流，将电能 转变成热能，把炉料熔化。 ( 2 ) 保护与检测计量回路是系统稳定，安全运行和控制系统所需的必不可少的 部分。保护与检测计量回路根据设计者的习惯有很大的不同，但是主要元器件还 是一致的。此部分的主要元器件有： - 1 5 一 东北大学硕士学位论文第二章精炼炉炼钢的工艺与设备 1 ) 过流继电器与过压保护：当电炉变压器电流过大时，过流继电器操作 断路器开断。在炉中发生短路时，希望电极调节器能升起电极消除短路而不要 立刻断开断路器，因而其具有一定的反比延时特性，反比于电流强度延时不等 的时间，继电器才动作。通常将过流继电器整定于3 倍额定电流，延时不超过 5 1 0 秒。在变压器开断或接入时可能引起过电压，采用并联电容器作过压保护。 2 ) 保护接地与接零：在电炉工作条件下，不可避免地要同炉壳和控制电 器接触，这些设备正常状态下是不带电的，但当绝缘击穿时就有可能带电。用 保护接地，保护接零和采用绝缘垫的方法来消除在控制电器手柄或电炉结构部 件上出现电压，从而避免触电危险。 3 )各种测量仪表：为了控制电炉各冶炼阶段的用电情况，在炉前操作台 上，分别装有三块电压表和三块电流表，用以测量每相的电弧电流和电弧电压。 为了取得待测的电量，在电炉变压器的高压侧装设电压互感器和电流互感器。 在低压侧装有大电流的电流互感器。还有钡6 量电炉变压器原边电压和电流的仪 表以及计算冶炼电耗的电度表和计算平均功率的无功电度表等。 4 ) 模拟量信号与节点信号：这些信号没有仪表可以直接显示，而是通过 电路进入p l c 或通过电气联锁处理后用各种方式显示。这些信号包括测量冷却 水温的热电偶，测量液压系统压力的传感器信号等模拟量信号；变压器重瓦斯， 变压器油温高，液压系统液位高等节点信号。 3 、电极升降自动调节系统由液压的电极升降机构和电极自动调节器构成。 4 、其它必备设施和辅助电回路 低压动力及控制电源：由系统动力柜接收变电所供电，进线电压3 8 0 2 2 0 v ， 三相四线制。主要是给液压站、高压泵、加热器、电炉变压器调压控制器、油 水冷却器、仪表电源、控制电源、稳压电源等供电。 2 2 2 机械设备 精炼炉的主要机械设备包括钢包、钢包车、电极夹持器、电极升降装置、炉 顶装料系统以及水冷系统。 东北大学硕士学位论文第二章精炼炉炼钢的工艺与设备 ( 1 ) 钢包：它既是盛钢水的容器，又做为电弧加热的炉体，其形状为筒形的焊 接结构，为减弱电弧对包衬的热辐射和增大钢液面直径，制成带有5 度一7 度的稚 形体，中部设有耳轴箱及耳轴，底部有吹氩口和滑动水口装置，包内部砌筑耐火 材料。 ( 2 ) 钢包车：钢包车是运载钢包的工具，钢包车由车体、轮组、驱动装置、电 气设备、称量装置、专用管线、控制设备组成。在精炼炉工位的地平面下安装隐 藏收迭式定滑轮组，以便在事故状态下用钢丝绳及吊车拖出钢包车。在钢包车上 安装缓冲装置，以缓冲车碰撞。钢包车在线控制，其控制在精炼炉平台操作盒和 精炼炉控制室操作站( m m i ) 上，所有动作均有精炼炉控制硬件p l c 控制。 ( 3 ) 电极夹持器及电极升降装置：电极夹持器可以用来夹紧和放松电极，还可 把电流传送到电极上。在熔炼过程中，由于炉料不断熔化，不同的熔炼阶段要求 给出不同的电能，同时，电极自身的长度也会存在自消耗，因此，需要随时升降 电极以调整电弧的长度。电极通过电极夹持器固定在电极升降装置上。电极升降 装置由导电横臂、立柱和传动装置组成。导电横臂由铜钢复合板制成，作为支持 用的机械结构部分，用来固定电极夹头。立柱和导电横臂联接成“r ”形支架。一 起在固定的框架内升降，框架固定在炉体的摇架上，框架内装有滚轮，立柱沿滚 轮升降。电极夹头、导电横臂都是内部通水冷却。传动方式为液压传动。电极升 降机构包括电极升降液压缸、电极升降立柱、立柱升降导向轮装置、导电横臂、 电极夹头、夹紧弹簧极与放松液压缸、电极喷淋环、夹头喷吹等部分。 ( 4 ) 炉盖提升及旋转装置：该机构包括炉盖旋转架、炉盖提升缸、提升连杆机构、 炉盖旋转机构及锁定机构等。旋转架通过旋转轴承连接在倾动摇架平台上。当固 定在平台上的液压缸活塞杆伸出时，可使炉盖旋开。液压缸活塞杆缩回时，炉盖 即可复位。旋转架伸出臂上安装有炉盖提升机构。炉盖提升机构由轴、链轮、链 条、拉杆等组成。伸出臂下不通水冷却，以防止高温变形。 f 5 ) 水冷系统：为了延长精炼炉的使用寿命以及改善操作条件，精炼炉的许多部 位通水冷却，如前所述的炉盖、钢包等。水冷系统主要包括三部分：水冷炉壁、 水冷炉盖和水冷导电横臂。炉体为双层结构，中间为水冷夹层，炉壁上有入水口 东北大学硕士学位论文第二章精炼炉炼钢的工艺与设备 和出水口，冷却水不断从夹层中流过，使炉壁冷却。冷却水的进口压力要求一般 在1 4 5 大气压以上。电炉主体的水冷系统供给水冷炉臂、水冷炉盖、炉门、炉门 框、导电横臂电极夹头、电极喷淋水冷电缆、铜管等。 2 2 3 液压及气动设备 精炼炉液压系统供电极升降，钢包盖升降，电极放松动作。它包括： ( 1 ) 供液压动力源的电机、恒压变量柱塞泵、循环冷却系统、不锈钢制的油箱 及相关的液压附件等； ( 2 ) 各控制回路的滤油器、调压回路、电极升降回路、电极夹紧放松、精炼炉 盖升降装置有关回路的控制阀件； ( 3 ) 蓄能器组，除起平衡液压压力作用之外，当发生事故停电时，可以提起石 墨电极和炉盖。 考虑到液压系统工作压力较高，介质设有自动循环冷却措施，油箱内的介质 通过循环泵与外部的水冷热交换器进行换热，将冷却后的介质再送回油箱中，保 证了液压系统的正常工作，设有多级过滤精度可达1 0 儿m ，压力油过滤器采用差压 发讯功能。滤芯受阻时可发出信号告诉操作者应及时更换滤芯，液压系统可以取 出压力，温度，油箱液压高度等信号，能满足液压系统自动与联锁保护，使得系 统能可靠地正常工作。电极升降等动作都是靠液压系统提供动力完成的。 液压系统还包括液压源、控制阀门、蓄液箱、蓄能器等。液压源有三台恒压 变量泵并配备一定数量的蓄能器。以保证事故状态的应急操作。电极升降采用伺 服阀，以保证在穿井塌料时电极能快速提升，防止电极碰断和提高灵敏度。炉体 倾动采用比例阀，使倾动速度在o 3 s 之间随意控制，以满足出钢和快速回倾的 要求。炉盖旋转采用比例阀控制，以保证在旋转过程平稳、快速。 由于伺服阀其载能液体可以为水、油或乳化液，它们的惯量都很小，因此调 节系统的动态特性很好，可以实现快速、高精度的调节，电极最快上升速度可达8 9 m m i n ；过渡过程时间短，只有o 1 5 s ；灵敏度高，非灵敏区约为6 。又由于伺 服阀采取异形开口结构，调节系统的静态特性呈非线性，因而能保证理想的调节 - lr - 东北大学硕士学位论文第二章精炼炉炼钢的工艺与设备 特性。冶炼过程的各个阶段的燃弧行为是不同的，为了达到最佳运行，调节器在 各个冶炼阶段要解决的问题有所侧重。在起弧熔化阶段，电弧变化急剧，而且经 常发生断弧和短路现象，在此期间，当出现大扰动时，电极应快速动作，迅速消 除大扰动。当电极位置接近给定值时，电极能迅速停止运动，以避免因惯性造成 的超调，保证系统稳定运行。熔化阶段的特点是电弧燃烧稳定，扰动量小，为了 避免电极插入熔池，造成增碳，此周期的关键是要求调节器灵敏度高，即调节精 度高。伺服阀的开口结构保证了各冶炼阶段的调节要求。 如上所述，电液伺服阀一液压式调节器具有灵敏度高，非灵敏区小，升降速 度快，输出功率大等特点，其调节特性较为理想，能够实现快速、高精度调节， 满足了精炼炉液压控制的技术要求。 ( 钔炉门提升下降等靠气动系统提供动力。 气动装置为电极夹头清灰，为加料斗气缸、炉门气缸等供气，系统由主阀架 气动三大件、气阀等组成。 2 3 精炼炉炼钢的电气特性及研究方法 精炼炉的加热设备与交流电弧炉基本相同，即采用三根石墨电极进行加热。 不同的是精炼炉无熔化过程，而且采用的是埋弧加热方法。同一般的熔化炉比较 而言热效率要高一些，这主要