YTDK-IV 型矿热炉增产节电.doc

YTDK-IV 型矿热炉增产节电 专 家 系 统 节 电 操 作 指 导 书 韶关市义太机电设备有限公司 二零零四年十二月 注：本指导书仅限于和本公司有合约的经销商和用户内部使用，禁止外传。 矿热炉，属电弧炉系列的一种，冶炼产品包括硅铁类、硅锰合金、铬铁、电石、黄磷、刚玉等和炼钢电弧炉有一定的差别，但它们冶炼的核心理论是相同的：即通过电离空气形成定向高温离子流-电弧，将电能转换成热能。炼钢的功能是熔化冷态钢铁，矿热炉的功能是提供一个能维持还原反应的温度场，这是两类电弧炉的本质所在。对于电极升降控制系统来讲，冷态钢铁和熔融态的导电性是基本相同的，而铁合金冶炼所用的矿石和熔融态的铁合金的导电性却是截然不同的，冷态矿石不导电，熔融态混合体是良导电体，此一特点决定了矿热炉电极升降控制系统的复杂性和难点，也是众多从事矿热炉自动化控制的先行者们至今仍未成功的原因所在。到目前为止，国内的矿热炉控制基本都停留在人工按按钮升降电极的水平。因此造成产量低、电单耗高、断电极事故经常发生，直接导致了产品成本高，企业竞争力低下甚至亏损的不利局面。因人类自身固有的惰性决定了三相电弧功率经常处于严重不平衡状态，由此导致了炉况经常在正常和不正常之间跳转，自然炉内的还原反应也不可能稳定进行。尽管存在这样的问题，但因人的惰性也带来电极的稳定性相对早期未成功的自动控制系统要高得多，这一特性也是人工控制能够走到今天仍被所有厂家采用的原因。我们知道早期的自动控制系统失败的主要原因是电极波动太频繁。要解决此问题，传统的控制理论是无能为力的，除非控制理论的突破，否则矿热炉电极升降控制仍然要依赖人工。那么是否存在一种既能保证三相电功率不平衡度在3%以内，又能保持电极稳定在合理的范围内？炼钢电弧炉控制系统的“死区”电极不调节理论可以解决三相电功率的平衡问题，但存在死区过小时电极波动过频，死区过大又会导致三相电功率不平衡度偏高。长期的炉前观察发现，当死区为3%时，电极的波动大部分是误动作，如果能够消除这些误动作信号，则可以达到稳定电极的目的。我们采用硬件滤波和软件自动识别技术，非常成功的达到目的，即三相电功率平衡控制在3%，电极运行非常平稳。已有多套应用此技术的系统在全国各地运行，均取得满意的效果，节电率普遍超过4%。这就是“YTDK-IV型矿热炉增产节电专家系统”，系统融合了现代控制理论的最新成果主动控制技术和我们对各种铁合金冶炼特性的综合研究与创新的成果，是国内第一种具有明显节电效果可以大范围推广的实用化计算机控制专家系统。无论何种矿热炉产品，只要抓住了它们的共性和特性，然后针对它们制定出对应的解决方案，则问题迎刃而解之。“YTDK-IV型矿热炉增产节电专家系统”有六条控制曲线和20%可调死区相协调，采样区间和允许波动范围依据冶炼品种选择，可以适应各种铁合金及其与之有相类似冶炼特性产品的冶炼。为使用户正确使用“YTDK-IV型矿热炉增产节电专家系统系统”，制定本指导书。一. 矿热炉系统的电特性：1 可以将矿热炉的基本电路简化成图-1所示等效电路：设R1为电极周围的炉料所形成的电阻，则R2为电弧的等效电阻。当A和B端施加一定的弧压Vab时，在R1和R2中流过电流I1和I2，I1表示电阻电流，I2表示电弧电流： A R1 R2 B 图-1I1 = Vab / R1 I2 = f ( Vab / R2)总电流 I = I1 + I2 （ 此电流值由操作者用键盘设定）电弧电流 I2 = I I1 由固体电阻的V-I特性可知，当弧压Vab确定时，I1便确定，其能够产生的热量也确定。因固体电阻通电产生热量时，温度最高不会超过导电固体自身的熔点，由此产生的温度场远低于还原反应所需的温度，仅能对炉料起到预热的作用，此特性也限制了它的热效率。所以。在实际生产中应尽量增加电阻值，减少其消耗的电能。而电弧电流I2则不同，其V-I特性呈倒抛物线状，低电流时呈下降特性，中电流时呈定压特性，高电流时呈上升特性；并且，电弧放热的温度高，没有上限，取决于电弧的发热与热损失的平衡，一般来讲，电流的密度越高，温度越高。温度越高，向周围传导热的速度就越高。热V L1、L2：电弧长（L1L2） L1 L2 A B I 图-2 效率就越高，热效率高则冶炼电耗必然就低。结合图-1和式I2=I-I1可以看出，同一弧压值可对应两个不同的弧流值，A点对应的电弧功率远比B点对应的电弧功率为小。在铁合金炉的冶炼过程中，当炉料电阻较小时，电弧的功率点在A处，而当炉料电阻较大时，电弧的功率点在B处，很明显，B处的电弧功率远大于A点，节电效果也是明显的。而这样的效果正是我们所期待的。2在矿热炉系统的生产过程中，电能主要由三种途径所消耗，一是电弧放电产生的热能，温度在3000以上，是维持冶炼还原反应的主要热源，约占70%；二是电极周围炉料形成的电阻消耗的电能，其功能是可以预热炉料，但温度较低，热效率也较低，约占20%；三是水冷系统带走的热和炉体外壳散发的热能。对于铁合金系统来讲，能否节电的关键是如何调节熔池内电弧功率和电极周围炉料电阻功率的比例。3增加炉料的电阻，即减少焦碳的配比，或用部分木片代替焦碳，降低其导电性是一条切实有效的途径。但是，焦碳是维持还原反应所必须的，其配比不能太小，否则，会出现炉料发粘，料面烧结等不良现象，使还原反应速度变慢。当炉料的配比不能再调整时，可以通过改变料块的大小影响炉料的导电率，减小料块粒度可以增加炉料电阻，但必须大于维持正常熔池所需。一般认为硅石的粒度为50110毫米较宜，焦碳的粒度518毫米较好。对于冶炼锰铁、铬铁等产品则应依据矿石的组成而定。二矿热炉的节电理论1影响矿热炉电耗的因素： （ 二象限 ） 电功 率平衡度 （ 一 象限） 此区域电功率平衡度很好，但 此区域电功率平衡度和炉料均匀度 因炉料的均匀性不好，导致功率平衡 都很好，产量高电耗低 的优越性体现不充分，产量和电耗只 能达到较佳的状态。 炉料均匀度 此区域电功率不平衡、炉料混合不 此区域电功率不平衡，但炉料 均匀，因而产量低电耗高，是最不可 混合较均匀，产量和电单耗都较差 取的区域。 现有的炉子均处于此区域内。 （ 三象限 ） （ 四象限） 图-3据有关资料介绍，目前国内的矿热炉几乎全部处在图3的第三和第四相限内，进入炉内的三相电功率都是不平衡的，低的不平衡度有15%，高的不平衡度高达30%，此因素导致产品的电单耗高出10%以上，造成电功率不平衡的主要因素是短网结构不科学引起的阻抗不平衡和人工控制的不确定性；另一重要因素是炉料混合不均匀，此不均匀度在15%左右，即使是有些早期用了计算机简单料控系统的单位，也因料的成分变化和运送过程不科学等原因，并没有达到炉内料均匀的目的，殊不知某个过程的均匀和炉内的均匀是完全不同的两回事。因炉料不均匀可导致电单耗增高8%左右。三本专家系统的特点：1本专家系统的核心是控制电极的运动，为了使三相功率均衡度始终维持在3%以内，同时又能够使电极在功率异常波动时稳定不动。本系统突破了传统控制理论的束缚，将航空制造技术上的几何造型方法用于控制矿热炉的电极运动，并取得了极大的成功。2系统运行时，当电流波动超出设定值以及死区范围时，电极不会立刻作出反应，而是判断此电流超出死区是属于波动？还是属于阶段性超出？在此系统给出两个参数：“MAXERRORS”和“CURRENTPOINTS”。CURRENTPOINTS确定了系统采样周期和延迟反应的时间，MAXERRORS划定了电流允许波动的范围，只有当电流波动小于它时，系统才认为是电流阶段性偏离了死区范围，此时，电极才需要调节。推荐值： MAXERRORS = 260330000 CURRENTPOINTS = 1040 死区 = 3 此三个参数在上述范围基本可以满足所有冶炼需要。四 当炉料等外界条件一定时，如何通过合理选择电压和设定电流值，达到节电的目的？1. 改善三相不平衡状态，使三相电极的电弧功率始终处于平衡状态，提高供电系统的电效率和热效率；2. 其实当一座炉子的三条电极分度圆确定之后，其最佳弧压和弧流值已经确定，如何合理选择弧压和弧流，成了决定冶炼电耗高低的关键。如图-1所示，选择一个最低的、能使熔池最大的弧压值，即在A和B区间选择弧压和弧流值，可以同时满足电弧功率最大和电阻功率最小；弧压过高，电极上抬，电弧功率减小，电耗增加；弧压过低时，电效率偏低，熔池（坩埚）减小，电耗也会增加。3. 最佳弧压和弧流值的确定方法呢？一是经验法，参照同类炉子的经验值来确定一个初步值，再依此为起点，增加弧压进行验证，或降低弧压值进行验证，当冶炼单耗降低时，即可证明原弧压值选高了，应相应调低，否则应相应调高。4. 取得低电耗的先决条件是电极一定要插的够深。如果电极插不下去，必然是电耗高，产量低。电极插入深度应在1000到1400毫米之间。高电阻值的还原剂是使电极深深地埋入所必需和有利的。5. 影响电耗的因素很多，也就是说变量过多的方程其解的过程是相当的复杂，有时甚至不具有工程实用性，特别是在冶炼现场，让操作工去综合诸多因素来决定如何操作实际上是不现实的，就是用计算机来做都存在困难。出路在哪里？首先解决热源的稳定问题，由计算机控制三相电极在炉内的位置，保证炉内热源均衡稳定；然后解决料的均匀性问题，最好也用计算机来控制。这两大因素是矿热炉节电与否的关键，综合节电的空间在18%左右。第一因素的空间约6%至10%，第二因素的空间约4%至8%。6. 理念第一非常重要，当你面队许多问题时，必须学会抓住主要的关键问题所在，简化甚至忽略部分次要因素，只有这样，才有可能解决你所面对的问题。追求完美是不现实的，也是错误的做法。学会简化问题、抓重要因素是关键。有时外行可能更能很好的解决问题。“因果”关系是普遍适用的，只要抓住了“因果”关系，任何问题都可以迎忍而解的，行业界限是可以轻易打破的，有时甚至能取得意想不到的效果，从完全不同的角度解决问题可能更有效。特别是对铁合金冶炼过程的控制问题，应当尽可能少留点自由度给操作者，才能达到高产低耗的目的。7. 维持操作电阻Ro不变的控制理论存在一定的问题，Ro不变并不等于有效电功率不变，更不等于热源不变，在任何情况下，首先维持热源不变，才有可能得到稳定的坩埚面积，这是维持稳定还原反应的前提。在前提满足的条件下，如果再有均匀的炉料条件，那么，肯定可以做到高产低耗的。但是，实际中影响冶炼的干扰因素主要是炉料的均匀性，这时，如果依据炉料的变化调节电功率，其效果可能还不如稳定电功率，只调整炉料的效果好，事实已证明这一点是正确的。8. 计算机的采用往往会带来意想不到的效果，它可以改变炉子的整体电气性能，过去的许多经验可能不再灵验，这一点是肯定无疑的，因为非常稳定的三相电功率提供了稳定的三个热源和相对大了许多的坩埚面积，这可能会增加对炉料局部均匀性的要求。实际上只要在一个较大范围内炉料是均匀的可能就可以了，因为还原剂“焦碳”并不是直接和矿石发生反应，而是CO气体参与反应的。并且炉料的导电性过高是有害的，在能够维持还原反应所需的情况下，保持最低的导电性是我们所期盼的结果。缺碳或碳过多都会导致电极上抬，坩埚缩小。9. 对操作电阻Ro的几点理解：维持操作电阻不变并不等于功率恒定，只有功率恒定才能维持温度场恒定，进而才有可能做到产量和电耗的相对稳定。维持还原反应的基本条件是稳定的温度场，而获得稳定温度场的条件是稳定足够的电弧功率，显然，仅靠操作电阻恒定是无法做到的。因为同时升、降弧压和弧流均可达到维持操作电阻恒定之目的，但对应的电弧功率和温度场却是变化的。10. 对于结构和炉料已确定的炉子，存在一个最佳电弧功率值P，也存在一个能够使还原反应维持下去的最低电弧功率值Pmin，而这两个值可以是同一个Ro值。当电弧功率小于Pmin时还原反应已经停止，维持Ro恒定已无任何实际意义。所以，控制系统的根本目的就是维持电弧功率的恒定，为还原反应提供恒定的温度场。11. 关于留水操作问题：矿热炉的出铁时间是固定的，约二到三小时。一般的做法是把炉内的铁水出干净，然后再开始下一炉次的冶炼。开始时因为熔池小，导电性差不能大功率送电；到快出铁时会出现电流偏大的问题。这两个问题的存在也会影响电耗偏高，解决的办法是，出铁时不要出干净，而是留少量的铁水在炉内，增加熔池的导电性和电弧功率，以利于下一炉在初期就可以大功率送电。五主变压器的功率选择问题：P 图-3 A B C I如图所示，B点对应最大输出功率，当电流值超过B点后，变压器的输出功率随着电流增大而降低，只有当电流小于B点时，才尊循电流增大功率也大的原则。对于炉料电阻值偏大的产品推荐运行在B点左侧，只有炉料电阻值偏小的产品才推荐运行在B点右侧。因为电弧的非线特性，在B点右侧运行时，虽然变压器的效率有所降低，但电阻功率比例降低，电弧功率比例增加所带来的好处足以抵消变压器效率降低带来的不利因素。这也是众多厂家超功率使用变压器，并未造成电耗的升高，反而取得增加产量的效果。其实这也说明大多炉子的功率配置存在偏低的问题。六如何用好本系统1本系统所带来的好处首先是坩埚形状的改变和电极端部形状的变化，坩埚内温度分布趋于均匀。这些变化是逐步发生的，是缓慢的，往往不为操作者所认识，一般需要连续稳定运行两周以上才能在产量和电耗上看出来。2操作者需及时调整加料和捅炉的节奏，因为在计算机的控制下，炉内热源是非常均衡稳定的，还原反应的速度比人工控制时要快，吃料的速度也快了。这时如果加料不均匀度偏大的话，因热源均衡还原反应速度快会进一步加剧反应区的不均匀，如果加料操作不做相应调整的话，电耗不仅不会降低，反而还会升高。所以，炉前操作者必须改善加料的均匀性和节奏，以适应炉内坩埚增大、反应区面积增大对炉料的需求。有一点必须强调，炉料不均匀性在计算机控制时的影响更大。这一适应过程一般需要一到三个月。3可能操作者会问，我们原来用人工控制时对炉料的均匀性要求都不需要很高呀，怎么用了计算机控制以后反而对炉料的均匀性要求变高了？人工控制时经常性的存在操作者依据不均匀的炉料结构将三相电功率人为调节成不平衡态，是以三相功率不平衡应对炉料的不均匀，来维持冶炼还原反应连续进行，此种反应是目前普遍存在的现象。由此可见，要使本系统发挥应有作用，取得预期的节电效果，操作者就必须改善加料操作和节奏，尽力降低炉料的不均匀性，以均匀的炉料来满足非常平衡的三相电功率提供的稳定热源得以被充分利用的需求。4冶炼时会遇到电极上抬，此时应加大设定电流值，即可解决。这种现象大多出现在出铁（炉）前半小时。如遇电极已升到顶时，应从管理方面解决，可以考虑缩短出铁（炉）间隔。七本系统的优越性和节电空间：如图-4所示，为某厂四台黄磷炉一个月的电单耗图，从图中可 图 - 4以看出，基本都是围绕15000这个轴线上下波动，波动的原因主要是人工操作的随意性所致。如果采用“YTDK-IV”专家系统便可以将数据点稳定控制在15000以下，如图-5中黄线所示： 图 - 5数据基轴已由15000变位到14000，也就是说平均电耗已从15000降低到14000。图中曲线的波动范围也已大幅减小，此波动主要反映了炉料变化对电耗的影响。如果能够提高炉料均匀度，即把炉料的不均匀度控制在5%以内的话，此曲线的波动范围还会进一步缩小到图6 图 - 6所示。可能有业内人士会找出各种理由说，这是不可能的。他们会说矿热炉的冶炼过程非常复杂，就连在炉前摸爬滚打几十年的专家也做不到。那么果真如此吗？我们从矿热炉冶炼的最根本条件出发，维持还原反应稳定持续进行的基本条件无非是足够高的温度场和还原反应得以进行的还原剂，其他因素都是为这两大因素服务的。YTDK-IV系统的主要作用就是提供恒定的平衡的温度场，为还原反应的稳定持续进行提供基本也是最重要的条件。这也是减小上述图示数据波动的唯一途径，也可以说成再均匀的炉料混合，如果没有稳定平衡的温度场，冶炼过程也是不可能稳定持续的；但是，如果有了稳定持续的温度场，即使炉料的均匀度不是很高，也能保证冶炼过程持续稳定的进行。 八由人工控制到YTDK-IV系统的过渡： 采用YTDK-IV节电专家系统后，往往并不能立刻取得预想的节电效果，而是需要一个逐步平衡、炉况转换、工艺调整的过程。因为在人工控制时，都程度不同的存在炉底、炉壁挂料现象，换用YTDK-IV系统后，应使挂料位置的电极功率大出5%冶炼一到三天，首先消除挂料，然后才能调平功率冶炼。否则，可能导致断电极等事故的发生。平衡功率送电会提供稳定均衡的温度场，这为提高产量降低电耗提供了基本条件，真正要达到这一目标，还需要工艺人员的紧密配合，依据平衡炉况及时调整炉料配比，否则会出现电极插不深的问题，有时一相电极上抬，有时两相电极上抬，这都会对正常冶炼造成危害。九黄磷炉的特性及其节电问题：1黄磷炉的还原反应原理和其他矿热炉基本一致，但炉内分布差别很大，最底层是不导电的炉渣，其上是良导体熔融体，熔融体上面是高温气体区，也是电弧放电区，再往上是高粘性熔融体和混合高温炉料区，最上面是炉料预热区和产品气体聚集区。2因炉内分布的特点，决定了存在一个最佳功率点，这个最佳功率点区别于变压器的最大输出功率点。操作时可能出现电极越下插弧流越小的现象，此因为电极下插过深进入炉渣不导电区。原因是设定电流过大和熔池的导电性差。3最底层的熔融体的深度有一个最佳值，其大小取决于还原反应的速度，此值过大会使底渣中夹入有用的熔融体造成浪费，此值过小会降低最佳电弧功率值，造成弧流上不去，反而引起电极下插过深的问题。影响此值的因素主要是电弧功率的大小，功率过大会使高温区进入炉底熔融区的熔融体速率过快，此速率超过了熔融体还原成产品气体的速率，使炉底熔融体区的深度不断增加，此种情况造成炉料浪费和电耗增加；功率过小会使高温区熔融体进入炉底熔融体区的速率小于还原反应的速率，使炉底熔融体区的深度不断减小，炉底导电性不断降低，导致电弧功率逐步减小。因此维持最佳功率和炉内均衡是节电的关键。4. 结拱的原因及其预防：结拱的直接成因是炉料下降速度不平衡造成的，直接原因是功率不均衡和炉料水分过高；结拱的危害性是导致电极折断。结拱的判断依据是电极的位置偏高或炉气温度过高或料管温度过高；预防结拱的方法是改善炉内功率均衡保持均匀下料；消除结拱的手段是上下运动电极。5炉底有挂料的操作：因各相电功率不平衡和炉料混合不均的共同作用会导致炉底出现挂料现象，此现象不仅会引起产量降低、电耗增加，而且还会导致断电极的事故发生。解决的办法是：调整各个电极的电弧功率，有挂料的电极功率增加2%到9%，经过一到三天的调整，可基本消除炉底挂料现象，然后再调整各相功率到平衡状态冶炼；6炉底挂料位置的判断：依据每次出渣过程各个电极的下降长度，如果某相电极降不能到底，则可以认为该相电极周围存在挂料。7. 电极功率送不起时的处理：刚出完渣时，经常会出现某相电极已到下限位电流仍达不到设定电流的现象，如果长时间这样运行会影响产量和电耗。解决的办法可以放电极，也可以采用相邻电极短时带起的