[科普中国]-高功率电弧炉

电弧炉

电弧炉炼钢技术已有100多年的历史，电弧炉炼钢又称“电炉炼钢法”，利用电弧炉炉顶可升降电极对炉内废钢形成放电间隙，产生电弧，使电能转变为热能，借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属和炉渣。虽然面临着其他炼钢技术的挑战和竞争，但是在世界钢总量的比例中电弧炉钢产量依旧逐年上升。以废钢为原料的电炉炼钢，与高炉转炉法相比，基建投资少，同时由于直接还原技术的发展，为电炉提供金属化球团代替大部分废钢，大大地推动了电炉炼钢技术的发展。在电弧炉电极产生的电弧作用区，温度高达4000 0C。冶炼过程分为熔化期、氧化期和还原期，在炉内既能造成氧化气氛，还能造成还原气氛，脱磷、脱硫效率很高。电弧炉炼钢新技术的不断涌现并被充实到电弧炉炼钢工艺中，电弧炉炼钢对原料的适应性不断增强，正逐渐成为21世纪钢的生产技术的主流。世界上现有较大型的电炉约2000多座，电炉正在向大型化、超高功率以及AI控制等方面发展，世界上最大电炉容量为400t。

电弧炉的分类为了提高电弧炉炼钢的生产率和降低生产成本，1964年在美国矿冶石油工程师协会的提出了电弧炉超高功率的概念(Ultra High Power，简称UHP) ，依据试验结果划分为普通功率(RP)、高功率(HP)和超高功率(UHP)三类。实验结果显示：电弧炉高功率和超高功率化后可废钢的熔化明显加快。熔化时间随着功率提高减少，生产率有明显提高，同时电弧炉的热效率和总效率有一定的改善，单位吨钢电耗降低，但随着电弧长度和功率提高，对耐火材料的辐射也增加，降低了炉衬等耐火材料的寿命。1

定义作为判定电弧炉类别的参考数值，一般认为，20t电弧炉的功率为600～749kVA/t、30t的为600～699kVA/t、50t的为500～599kVA/t、70t的为428～569kVA/t、100t的为400～499kVA/t时，即被称为高功率电弧炉。高功率电弧炉在世界上的应用很普遍，中国也已改造或新建多座20t以上的高功率电弧炉。2

北钢45t高功率电弧炉自动控制系统北钢45t高功率电弧炉计算机监控系统，在充份满足高功率冶炼生产工艺的前提下于2002年11月份改造成功。原设备是1989年从德国引进的二手设备，其电极升降采用滑差离合器、减速机器和钢丝绳传动，调节板由分立元件构成，电气控制均采用继电器逻辑控制，设备老化、故障频繁、消耗高。改造后，采用的比例阀控制的液压电极升降系统，把常规电控全部改为PLC控制，将电极升降自动调节纳人计算机控制，并且引人智能控制方法，从而使电炉生产各项经济技术指标全面优化。

电炉单炉生产能力为45t，电炉变压器容量2. 5MVA，液压站一套，工作压力12MPa,为了满足冶炼工艺要求，配备了20多个热工量进行检测的仪表系统。

硬件配置由工业控制机作为上位机器监控站，PLC作为下位机，构成一个二级计算机监控系统。根据电弧工艺和控制要求，在电炉主控制室配置一套西门子115U PLC，中央机板安装943 CPU、点对点通信处理板CP 525、高速A/D板、A/D板、D/A板、高速计数板IP242等，并配带4个扩展基板，装有开关量输入输出模板。以PLC为核心的基础检测与控制级承担600多个I/0点的过程逻辑控制、热工物理量采集以及三项电极升降调节控制。编程器联接到CPU板接口上，完成平时系统维护、故障查找等任务，上位管理监控机配置两套互为备用的监控站，通过与PLC点对点通信获得实时数据，监视整个电炉各个设备的运行状况，以及电炉冶炼过程中的各个量的变化趋势、故障报警，帮助操作人员及时、全面的完成各种操作。

系统功能（1）变压器换档及保护换档操作联锁相关信号，实现了18档点动自动换档，档位数码显示，操作简单，显示明了。变压器过流、高温、瓦斯等有关实时状态和参数由PLC实现自动检测与记录并联锁到高压跳、合闸控制中，通过高压断路器自动跳、合闸，对变压器进行保护。

（2）炉体操作:炉体操作动作过程及相关联锁较为复杂。根据工艺要求，设计了完善的炉盖提升、旋转、出渣、炉后出钢等控制程序。

（3）加料系统:配备了6个高位料仓，通过设定仓位和重量，自动完成加料过程。为了提高加料的准确度，料仓振动采用了交流变频调速，由计算机控制，自动记录加料过程动态量，确保产品质量。

（4）电极调节自动控制:在冶炼过程中计算机能根据不同的档位、操作及冶炼状态，在PLC中通过分析判断炼钢的不同阶段和条件进行长、短弧设定，用系统知识规则匹配的方式，切换不同算法，实现电极调节自动控制。3