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依據(jù)所開發(fā)的電氣特性分析模型，筆者對(duì)河北鋼鐵集團(tuán)150tlf爐進(jìn)行了電氣特性分析和供電制度優(yōu)化，研究了不同電壓檔位下各電氣量隨電流變化的規(guī)律，調(diào)整了該LF不同生產(chǎn)階段的供電工作點(diǎn)位置，提高了加熱效率，降低了電耗，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1LF電氣特性分析方法

LF主要依靠電弧的加熱對(duì)鋼水進(jìn)行升溫，并熔化新加入的渣料。其供電制度的制定是LF操作和運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，決定了LF的生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率和精煉鋼水的質(zhì)量。制定供電制度的實(shí)質(zhì)是根據(jù)LF設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)，在冶煉不同時(shí)期依據(jù)冶煉目標(biāo)，選擇合適的供電電壓和電流，提高LF精煉的熱效率，在較低的能量消耗和生產(chǎn)成本條件下完成冶煉任務(wù)。分析LF的電氣特性是制定供電制度的基礎(chǔ)［5］。電氣特性是指在同一電壓下各個(gè)電氣量隨電流變化的規(guī)律。當(dāng)電壓固定后，電流值的變化影響電弧燃燒、爐內(nèi)熱效率、電極消耗、電耗、加熱速度和耐材侵蝕等參數(shù)。選擇合適的工作電流對(duì)LF降低生產(chǎn)成本影響很大。LF精煉周期主要包括精煉初期（化渣階段）和精煉后期（加熱階段）。制定供電制度需要在不同階段參照電氣特性的分析結(jié)果，選擇合理的工作電壓和工作電流進(jìn)行供電。采用電氣特性分析方法，可以從電氣特性曲線上直觀地看出電氣參數(shù)的變化規(guī)律和限制條件，指導(dǎo)最佳工作點(diǎn)的選擇，達(dá)到制定合理供電制度的目標(biāo)。

1．1電氣特性分析模型LF通常會(huì)有多達(dá)十幾個(gè)電壓檔位，不同電壓檔位下還有多個(gè)電流檔位。如何確定不同精煉階段的電壓檔位以及該電壓檔位下的最佳工作電流檔位，就是分析電氣特性和制定供電制度的核心。電壓檔位一般是參照渣層厚度和電氣設(shè)備的額定功率進(jìn)行選取，而電流檔位的選擇則相對(duì)復(fù)雜，需要在設(shè)定電壓下對(duì)最優(yōu)電流工作點(diǎn)進(jìn)行尋優(yōu)，其實(shí)質(zhì)是優(yōu)化求解問題。當(dāng)電壓固定時(shí)，決策變量是工作電流。因變量是功率因子，目標(biāo)值是在保證埋弧條件下實(shí)現(xiàn)盡可能高的電弧能量。因此，這種尋優(yōu)過程比較復(fù)雜，計(jì)算量大，適合采用計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化求解。電氣特性分析模型是利用LF電流與電氣參數(shù)之間的關(guān)系，采用計(jì)算機(jī)編程和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，編寫優(yōu)化算法，通過設(shè)置尋優(yōu)條件，自動(dòng)尋找最佳工作點(diǎn)。LF電氣特性分析模型的主要算法如表1所示。此外，在保證電弧功率為最大值的條件下，電弧電流的設(shè)定還應(yīng)滿足下列條件［6］：1）表觀功率不超過變壓器許用容量：S≤SF；2）工作電流不超過變壓器許用電流：I≤In；3）電弧穩(wěn)定燃燒條件0．77≤cosφ≤0．86；4）較好的電能利用狀況cosφ≥0．65，η≥0．90；5）需要避開耐材侵蝕指數(shù)Re的峰值區(qū)。

1．2電氣特性分析模型計(jì)算流程相同電壓下，最佳工作點(diǎn)的選擇實(shí)質(zhì)上是對(duì)電流的尋優(yōu)。隨著電流值的增加，有功功率先升后降，無功功率則由較小值不斷上升，且上升速度越來越快。電弧功率與有功功率類似，也是先升后降，存在一個(gè)最大的電弧功率點(diǎn)。實(shí)際上，傳遞到LF的有效熱量為電弧功率的一部分。因此，在電弧功率的極值點(diǎn)可以保證最大的加熱速度，此時(shí)的電流值設(shè)定為最佳值I＊，最佳的工作電流I＊對(duì)應(yīng)著電弧功率的最大值。當(dāng)電弧功率超過最大值時(shí)，隨著電流的增加，電弧功率反而減小，此時(shí)爐子的熱效率開始下降。經(jīng)濟(jì)電流Ie對(duì)應(yīng)的位置是有功功率與無功功率相等時(shí)。當(dāng)無功功率超過有功功率后，LF的熱效率開始下降。尋優(yōu)算法首先要滿足電弧的穩(wěn)定燃燒、較高的功率因子以及設(shè)備允許的超載條件，在約束條件范圍內(nèi)進(jìn)行尋優(yōu)，模型的迭代計(jì)算流程見圖1。

2150tLF的電氣特性分析和供電制度研究

2．1LF爐主要設(shè)備參數(shù)和原有供電制度該150tLF爐設(shè)計(jì)有13個(gè)電壓檔位，前4檔電壓分別為380、367、355和342V。每個(gè)電壓檔位下設(shè)置長(zhǎng)弧、中弧、短弧3個(gè)電流檔位，電流依次增大。原有供電制度只使用第4檔電壓供電，在精煉初期采用長(zhǎng)弧電流檔位化渣，后期用短弧檔位加熱。采用該供電制度存在的主要問題有：1）初期供電噪聲大，經(jīng)常出現(xiàn)弧光閃爍現(xiàn)象，埋弧差、化渣慢；2）加熱期間變壓器功率因子在0．5左右，電能的利用率和熱效率均較低，電耗較高；3）供電初期存在比較嚴(yán)重的三相不平衡問題。

2．2原有供電制度分析原有供電制度僅僅使用第4檔電壓，其他電壓檔位均沒有開發(fā)使用。原制度在精煉初期化渣階段選擇長(zhǎng)弧供電，不利于埋弧。在精煉后期加熱階段選擇短弧供電，功率因子偏低，熱效率低，需要根據(jù)電氣參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于在精煉初期，渣層較薄不易埋弧，此時(shí)易采用短弧供電來保證埋弧效果，精煉后期爐渣造好后，在加熱期可以適當(dāng)增加弧長(zhǎng)，根據(jù)不同弧長(zhǎng)的加熱效果和埋弧效果，按照最接近最優(yōu)工作點(diǎn)的位置工作，保證最佳的加熱效率以降低電耗。分析發(fā)現(xiàn)造成供電三相不平衡的原因主要是，一方面底吹透氣磚的位置設(shè)計(jì)與電極位置重疊，底吹過大時(shí)造成電極晃動(dòng)，需要降低供電時(shí)的底吹氬氣流量；另一方面化渣不好和采用長(zhǎng)弧檔位供電埋弧不好。

3供電制度優(yōu)化方案

3．1供電制度制定的準(zhǔn)則本文制定供電制度的原則是在較高的功率因子條件下，優(yōu)先考慮最快的加熱速度，其次再考慮最佳經(jīng)濟(jì)加熱速度，其原因是目前大多數(shù)廠家在生產(chǎn)組織安排中，均以連鑄為調(diào)度中心，以精煉時(shí)間作為緩沖時(shí)間來滿足連鑄澆鋼，大部分廠家LF的精煉時(shí)間都比較緊張，特別是一些大斷面高拉速的鑄機(jī)，對(duì)精煉時(shí)間要求更短，而最快的加熱速度能縮短精煉時(shí)間和生產(chǎn)周期。同時(shí)，較高的功率因子能保證較好的經(jīng)濟(jì)性和較高的熱效率。供電制度的制定包括不同冶煉階段的電壓檔位和電流檔位的選擇。

3．2電壓檔位的選擇電壓檔位的確定是根據(jù)冶煉過程對(duì)鋼水升溫的要求以及不同冶煉階段爐渣的狀況確定的。在冶煉初期，新加入的渣料未完全熔化時(shí)，需要根據(jù)爐渣厚度和不同電壓檔位的電弧長(zhǎng)度來選擇電壓。研究表明，只有當(dāng)渣厚超過弧長(zhǎng)的2．5倍以上時(shí)，電弧才表現(xiàn)為埋弧燃燒，才能實(shí)現(xiàn)電能的有效利用。隨著冶煉過程的進(jìn)行，渣層厚度是不斷變化的，經(jīng)過實(shí)測(cè)，LF進(jìn)站渣厚控制在在100～150mm之間，到精煉后期，爐渣厚度可達(dá)250～300mm。由于弧長(zhǎng)與電壓成正比，與電流成反比，所以可依據(jù)計(jì)算模型得到不同電壓和電流下的弧長(zhǎng)。通過比較弧長(zhǎng)與渣厚的關(guān)系，參照選擇工作點(diǎn)，確認(rèn)了前4檔電壓下不同電流檔位的弧長(zhǎng)（表3）。在精煉前期，由于渣層較薄，宜采用低電壓高電流供電，以達(dá)到良好的埋弧效果，提高電能的利用率。進(jìn)入精煉中后期，隨著渣料的加入和熔化，爐渣厚度不斷增加，此時(shí)可以使用高電壓和低電流檔位供電，以實(shí)現(xiàn)較快的加熱速度和較低的電能消耗。因此，參照表3的弧長(zhǎng)數(shù)據(jù)和實(shí)際渣厚情況，精煉初期可供選擇的工作點(diǎn)較少，僅有第3檔短弧、第4檔中弧和短弧能實(shí)現(xiàn)埋弧，而精煉后期各檔位基本都能實(shí)現(xiàn)埋弧。

3．3電氣特性曲線與電流檔位的選擇滿足埋弧條件后，要達(dá)到最快的加熱速度和較好的經(jīng)濟(jì)性，還需要依據(jù)電氣特性對(duì)各工作點(diǎn)進(jìn)行加熱速度、表觀功率消耗等參數(shù)的比較分析。在相同電壓檔位下，需要計(jì)算不同工作點(diǎn)下的電氣特性參數(shù)并進(jìn)行比較尋優(yōu)，確認(rèn)最佳工作的電流值I＊。表4為依據(jù)電氣特性模型計(jì)算得到的各檔位下的電氣參數(shù)。其中S為變壓器表觀功率，要求盡可能不超過變壓器的額定功率，表觀功率越小輸入能量越小，電耗越低；Parc為電弧功率，在保證埋弧的條件下為輸入鋼水中的有效能量，與加熱速度v成正比；Q為無功功率，cosφ為功率因子，η為熱效率，最佳工作點(diǎn)是指以最小的表觀輸出功率達(dá)到最大的電弧輸出功率時(shí)的電流值I＊，即該檔位下的最快加熱速度。從表4中可以看出，除了第一檔380V檔位的中弧檔最接近最佳工作點(diǎn)外，其他電壓下都是長(zhǎng)弧檔最接近最佳工作點(diǎn)。因此，在加熱期為了確保最快的加熱速度，同時(shí)要求較低的電耗，應(yīng)優(yōu)先選擇最靠近最佳工作點(diǎn)的檔位供電，有利于快速升溫和節(jié)電。

3．4優(yōu)化后的供電制度綜合考慮變壓器的容量、過載、埋弧效果、加熱速度和電耗等參數(shù)，精煉初期（化渣階段）選擇第4檔短弧供電。這主要是因?yàn)樵撈陂g能滿足埋弧條件的檔位有第3檔短弧和第4檔中弧和短弧，但是第3檔短弧存在超載的問題，第4檔短弧的埋弧效果最好，有利于初期化渣。精煉后期（加熱階段），隨著渣厚的增加，埋弧不再是限制性環(huán)節(jié)。因此，可換檔到第4檔長(zhǎng)弧。由于切換該檔位時(shí)不用帶電調(diào)電壓，比較安全方便，該檔位下加熱速度更快，電耗較低，離經(jīng)濟(jì)電流值最近。精煉后期如果需要更快的加熱速度，可換檔到第1檔中弧或者第2檔長(zhǎng)弧。新的供電制度為：在生產(chǎn)節(jié)奏平穩(wěn)時(shí)，以第4檔作為供電電壓，精煉初期采用短弧供電，在精煉后期采用長(zhǎng)弧供電。這種方式無需帶電切換電壓，操作安全方便，同時(shí)也明顯提高了供電的功率因子和熱效率。當(dāng)生產(chǎn)節(jié)奏緊張時(shí)，需要更短的精煉周期，可采用精煉初期使用4檔短弧供電，精煉后期使用1檔中弧供電的供電制度，以達(dá)到最快的升溫效果。

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

4．1工作點(diǎn)優(yōu)化分析利用電氣特性優(yōu)化模型，繪制了第4檔電壓下的電氣特性曲線圖（圖2）。可以看出，在第4檔電壓下，電流越大，弧長(zhǎng)越短，該電壓檔位下設(shè)置的長(zhǎng)中短3個(gè)弧長(zhǎng)檔對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)位置分別是圖2中a、b、c處，3個(gè)工作點(diǎn)的弧長(zhǎng)分別為78．3、39．8和27．1mm。該電壓下最佳工作點(diǎn)位置在I＊處，圖中a點(diǎn)離最佳工作點(diǎn)最近，是3個(gè)工作點(diǎn)中加熱速度最快、也最省電的。c點(diǎn)是加熱速度最慢、電耗最大的，但是c點(diǎn)的弧長(zhǎng)最短。b點(diǎn)介于兩者之間。由于精煉初期的渣厚一般小于150mm，為保證埋弧效果，化渣期間需要先采用c點(diǎn)進(jìn)行短弧供電，待初渣化好后，渣厚可以達(dá)到300mm，此時(shí)可選擇a點(diǎn)供電，加熱速度最快且電耗小。

4．2造渣和埋弧效果通過對(duì)供電工作點(diǎn)的優(yōu)化，調(diào)整了精煉初期的供電制度，初期改用低電壓短弧供電。同時(shí)，結(jié)合供電制度，調(diào)整了造渣制度和吹氬制度，減弱了供電期間的吹氬強(qiáng)度。調(diào)整后，埋弧效果得到明顯改善，沒有再出現(xiàn)弧光閃爍的情況，初期供電的噪聲下降，化渣速度加快，供電平穩(wěn)性增強(qiáng)。

4．3節(jié)電效果通過優(yōu)化供電制度，大幅度降低了噸鋼電耗。圖3為優(yōu)化供電制度過程中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的第4檔（342V）電壓下長(zhǎng)弧（a）、中弧（b）和短弧（c）3個(gè)工作點(diǎn)下的電耗。可以看出，在加熱期用工作點(diǎn)a替代原來采用的c點(diǎn)供電，電耗每秒可下降2．5kW•h，同時(shí)加熱速度還可提高0．93℃／min。按照加熱升溫平均8min／爐計(jì)算，每爐約可節(jié)約1200kW•h，噸鋼成本可下降4元。從表4可見，優(yōu)化供電制度后，功率因子由0．5提高到0．72，LF的熱效率由0．68提高到0．82。

5結(jié)論

(1）利用筆者開發(fā)的電氣特性優(yōu)化模型，可快速分析LF爐的電氣特性參數(shù)并制定最佳供電制度。2）通過電氣特性優(yōu)化模型，計(jì)算了150tLF爐1至4檔電壓下不同工作點(diǎn)的電氣參數(shù)和最佳工作點(diǎn)的位置。該LF的升溫速度在2．46～4．25℃／min之間。3）依據(jù)電氣特性優(yōu)化模型，對(duì)該LF進(jìn)行了供電優(yōu)化。優(yōu)化后的功率因子由0．5提高到0．72，熱效率由0．68提高到0．82，加熱速度提高了0．93℃／min，噸鋼成本可下降4元。

作者：王義芳胡志剛趙英利李杰單位：河北鋼鐵集團(tuán)總部