矿热炉节能型PLC—电极自动调节器
发布时间:2017-07-07 17:30:10
一、概述
矿热炉也称为还原炉，它将金属氧化物矿料配入还原剂，通过三相电弧加热，还原得到金属、铁合金或者所需的产品。矿热炉与炼钢电弧炉的电弧加热原理既有相似之处，又有重大差别：
第一、炉料导电性、导热性问题。金属氧化物在常温下的导电性、导热性很差，从固态到液态会发生剧烈变化。
第二、炉料固相线与液相线及氧化还原问题。金属氧化物最重要的物理特性是没有像金属那样有固定的熔点（例如铬为1860℃），它们的形态随着温度变化的规律如下：固态—软化—熔融—流动性好的液态。不同金属氧化物只能在其特定的温度下才能进行还原反应，例如镍铁矿热炉渣温1550℃左右，硅铁炉坩埚区1800℃左右。
第三、连续作业问题。矿热炉原料从进炉到出炉一般有几个小时的历程，冶炼中发生的问题不可能像炼钢电弧炉那样及时判断处理。
第四、封闭式生产问题。现代大型矿热炉因环保除尘的要求，均为封闭式（至少大部分封闭）生产，传统的操作，例如观察料面状态、电极插入深度、刺火程度、炉温观测、捣料以及从炉门补充还原剂等均不能实现。相当一部分任务必然转移到电极自动调节器承担，所以真正适用的矿热炉电极自动调节器比炼钢电弧炉电极自动调节器要复杂得多。
1990年前，当时冶金部花巨资从欧洲引进了两座大型矿热炉，其中电极自动调节器没有成功使用。多年来，国内不少单位称能制造矿热炉电极自动调节器，现实情况都是“炉况好的时候能投入自动运行，炉况不好的时候就改作手动运行”，不能全程自动控制电极升降，换句话说，它的用处不大，因为炉况好的时候，电弧电流自身就相当稳定，是否用自动调节无所谓，手动升降电极也照样正常生产。
武汉华美节能技术开发有限公司（简称华美公司）是研制生产电极自动调节器的专业单位，设计队伍的主要成员具有炼钢及冶金、高压电器、自动控制（含PLC程序设计）及液压气动的专业技能，从1970年开始至今，累积了1700多台调节器设计制作维护的经验，近期充分借鉴所经历的炼钢电弧炉、钢包精炼炉、电渣重熔炉、刚玉炉（包括镁刚玉、锆刚玉、铝刚玉）、海绵铁熔分炉和小型矿热炉（单晶硅、硅锰、硅铁、电石）的设计思路，研发出大中型矿热炉电极自动调节器，在国内和国外成功应用。
二、适用范围
适用于各种容量的镍铁炉、电石炉、高碳铬铁炉、硅铁炉、硅锰炉、工业硅炉等。
1、对液压油缸升降电极的炉子：采用PLC—调速电磁阀组电极自动调节器。
2、对电动机—卷扬机升降电极的炉子：采用PLC—变频式电极自动调节器。
3、适用于所有旧矿热炉改造。
4、使用条件：环境温度不超过40℃，相对湿度不超过85%。
三、电极自动调节器技术条件
项目 | 华美公司标准及特点 |
冶炼电流调节范围 | 12—120%IH（变压器额定电流） |
非灵敏区（不调节区） | 2%或者3%（根据矿热炉的产品确定） |
灵敏度（炉子放大系数） | 能够根据电极电流和电极电压适时 自适应调节灵敏度，调节周期≤30ms |
三相功率不平衡度 | ＜5% |
电极移动响应时间 | 上升启动≤0.1S 制动＜0.1S 下降启动≤0.15S 制动≤0.1S |
电极自动升降最大速度 | 与原设备手动速度相同 |
控制电流方式 | 电极冶炼电流（二次电流） |
四、调节器的特点
1、电极自动调节器按节电原理设计电路
第一、非灵敏区小，电流控制在最佳范围，增大变压器出力，保证安全运行。
电炉输入功率大小由供电电压和电流决定。档位电压与电炉容量、产品种类和冶炼时期有着密切关系，当电压选定以后，电流大小成为输入功率的关键。
自动调节器的任务之一是控制冶炼电流，当电流大于上限值Imax时，电极提升，当电流小于下限值Imin时，电极下降。Imax与Imin的差值与其平均值的百分比称为调节器的非灵敏区，即非灵敏区为（Imax-Imin）/（Imax+Imin）。非灵敏区是评价调节器性能优劣的关键指标，非灵敏区越小，电流控制越准确，自动控制性能越好，对镍铁矿热炉华美公司调节器的非灵敏区为2%。
例如广东阳江某公司矿热炉3×11000KVA变压器，二次额定相电流20158A，线电流34913A，如果将35KA设定为运行电流，那么当实际冶炼电流上升到35×（1+2%）=35.7KA时，电极会提升；当实际冶炼电流下降到35×（1-2%）=34.3KA时，电极会下降；自动调节器保证冶炼电流始终在34.3～35.7KA范围运行。如果用人工调节，无论如何也达不到这样准确，为了求得设备安全，操作者往往减小冶炼电流，经济效果自然就差了。
优点之二是非灵敏区小，炉内温度好掌握。任何炉座，最佳冶炼电流都是根据冶炼工艺人工确定，不同原料、不同时期有不同的数值，炉温控制好了炉子生产状况就会好。
第二、适时调节，减小电流波动，保证炉况稳定
矿热炉主要利用三相交流电弧和液态渣的导电（硅铁炉无渣冶炼除外）加热炉料,有时电弧燃烧比较稳定，有时电流剧烈波动，当值班人员观察到功率（或者电流）明显偏离规定值时，才会去操作开关升降电极；如果发生塌料的情况，又需及时升降电极，避免变压器过载和高压开关跳闸；这样一来实际冶炼功率（或者电流）总是波动式的，波动范围的大小随操作者的责任心而改变。
从电工学理论可知，波动电流可以按数学公式分解为由平均值电流I0（称恒定电流）和交变电流If（称谐波电流）所组成。电流流经变压器绕组、短网铜管、卡头及电极，都会有电阻R发热（自焙电极需要电阻发热），它不能进入矿热炉内加热炉料，其发热功率为恒定电流的I02·R与谐波电流的1/2 If2·R之总和。如果电流无波动，则1/2 If2·R为零，而电流波动越大，则1/2 If2·R越大。我们知道，能量等于功率与时间的乘积，如果说当电流偏小的时候，电极及时下降某一距离，当电流偏大的时候，电极及时提升某一距离，尽量缩短大电流和小电流的时间（也就是电极移动响应时间短），尽量减少电流波动的幅值，那么交变谐波电流所造成的能量损失就会最大限度地减少。
谐波电流不仅浪费电能，而且对电网造成污染，须得花巨资进行治理。
第三、保证三相功率平衡，炉况最好
矿热炉是三相电源供电系统，输入炉内的总功率P为A相、B相、C相功率之和，即P=PA+PB+PC，而单相功率PA（或PB或PC)=I·U相·CosΦ，矿热炉变压器次级接线为三角形，由于电弧电流与其电压的负电阻特性，所以对单独一相电极而言，仅仅增大电流，其功率未必会增加多少，反而容易导致有的相功率大，有的相功率小，炉况变坏。从电工学原理可以证明，只有三相对称运行，PA≈PB≈PC（三相功率大致相等），PA+PB+PC才能获得最大值，功率因数CosΦ最高，炉内工作状况才最好，熔料和升温都快。
本调节器冶炼总给定电流由一个电位器控制，四相（三用一备）统一给定，由数字显示表显示，一目了然，操作者可以方便地选择最适合的给定电流，实际冶炼电流将在给定电流的非灵敏区范围之内运行，实现三相功率平衡供电。同时也有分相给定电流电位器，作特殊情况下使用。
第四、自动调节电极速度有低速、中速和高速。当电流偏差较小，自动是低速或中速，电流偏差大（如塌料），自动才出现高速。三种速度配合得当，电极不会发生串动。
2、自动调节器改善矿热炉炉内工作状况（简称炉况）
矿热炉电极自动调节器与炉况密切相关。固态炉料的导电性和导热性都不好，不导电炉料熔化的热源，要么来自传导热，要么来自辐射热，氧化物的还原反应必须在一定温度条件下才能进行，同时要吸收热量，所以矿热炉内的温度场是不均匀的。炉内高温区集中在三相电极下部四周（电弧区域）及三相电极之间的三角区（电流密度大区域），尽管炉膛呈圆筒形，而实际上矿热炉的熔池是以三相电极的极心园为基准、范围向外扩大的类似于三角形的区域。电极自动调节器能调整到三相功率基本平衡，熔池也就能扩大，调节器还能控制好上下层液态渣的温度，那么还原反应就得以顺利进行，炉况就好，产量就高，消耗就低。
而炼钢电弧炉以加热为目的、以废钢为原料，废钢的导热性好，熔点也不高（例如钢的熔点低于纯铁1537℃），即便三相功率不平衡，最终也能得到温度均匀的熔池，所以电弧炉的自动调节器功能比较简单，直接用于矿热炉是不适宜的。
3、高可靠性，充分适应矿热炉作业环境
矿热炉属连续作业，不允许中途停电，电极调节器又在十分恶劣的环境运行，其可靠性尤其重要。矿热炉自动调节器由四套PLC（选用德国西门子S7型）控制电路组成，其中三相在用、一相备用，各相电路彼此独立，互不影响，不会发生因某个公用元件出问题而引起整个调节器停止工作的故障。主用与备用的转换很方便。
控制系统的方框图如下：
华美公司PLC系统无需UPS电源。
4、塌料预检测功能和快速升降电极
调节器在PLC的运行程序中设计有塌料预检测功能，当塌料刚刚有了征兆，即会被检测出来，并且采取相应措施快速升降电极，塌料结束，及时解除快速。
5、调节器灵敏度的自适应控制，电弧燃烧稳定，炉况最好
电极自动调节器的灵敏度十分重要。矿热炉依赖电弧作为主要热源，电弧的本质是高温下电离的导电气体，其导电性能随着温度变化而变化，导电性用“电压梯度β”表述（β=电弧电压/电弧长度），以3×20000KVA矿热炉用600V线电压冶炼为例，电压梯度、电极位移与电弧电流的关系大致如下：
冶炼时期 | 电压梯度 β（V/mm） | 弧光长度 mm | 电极位移1mm 时 电弧电流变动参考值 |
塌料后低温期 | 10～12 | 32～27 | 3.1%～3.7% |
中温时期 | 3.5～4 | 93～81 | 1%～1.2% |
正常高温时期 | 1.1～1.2 | 296～271 | 0.34%～0.37% |
可见熔炼过程中电压梯度β随炉内温度的变化范围可以相差10倍，要调整同一数值的电极电流所需要的电极升降位置移动在不同的温度时期是很不一致的，换句话说，电极位置移动相同，在不同的温度时期所引起的电弧电流变化也是很不一致的。为了使电弧稳定燃烧，电极升降控制系统必须具有适应电压梯度变化的能力，即选用恰当的灵敏度。
如果灵敏度过低，电极跟踪不及时，冶炼电流忽大忽小，炉况容易变坏；如果灵敏度过高，电极升降串动严重，大量冷料落入电极下端，炉况也容易变坏。
华美公司积累了各种类型电极调节器的设计制造及调试服务的经验，设计了PLC调节器的灵敏度自适应系统，由PLC的应用程序控制，冶炼过程中能适时（周期≤30ms）自动地调节灵敏度，对任何炉料，在熔炼的任何时期，电流都能够稳定燃烧。
6、矿热炉变压器的保护
变压器的国家标准规定，当工作短路电流整定在三倍额定电流持续时间为6秒时，变压器各个部位应无损伤。实际上矿热炉变压器发生故障的几率还是比较高的，根源多出在电极调节系统，因为矿热炉变压器运行状态完全由电极调节决定。
变压器的保护有过电流跳闸，高温和轻瓦斯报警，压力释放及重瓦斯跳闸。前者是电流过载持续时间超过限度被迫切断主电源，后者是故障已经成为事实才发出信号或切断电源。保护变压器的根本办法是提高控制系统的性能，消除故障的诱发因素，从源头上防范变压器的薄弱部件受损。变压器的常见故障及本调节器的对策如下：
第一、换档开关烧坏。矿热炉变压器二次电压等级多达21—35个档位，均为有载调压，炉况变化越大，换档越频繁，开关就越容易发生故障。分接开关触头的发热能量为Q=I2·R·t,其中I—电流的有效值、R—接触电阻、t—时间。正常运行时I值不大，触头发热能够承受，但若出现大电流，则发热量会远远超过正常值，例如冶炼中出现“死相”，该相电流变为正常值的√3 倍，则发热量为正常值的3倍，持续可达数分钟。从发热量机理可见，减小大电流值及其持续时间是降低发热的关键，本调节器反应时间快、灵敏度能自适应变化，炉况稳定，大大减少了换档次数，自然就延长了分接开关使用寿命。
第二、短路冲击电流瞬时高温使绕组绝缘损坏。防范措施与第一条相同。对这种冲击电流的发热，变压器高温报警是不起作用的。
第三、变压器持续过负荷损坏绝缘。实践表明，形成“死相”的变压器最容易烧坏，依靠减小调节器的非灵敏区，过负荷现象可以得到有效控制。同时华美公司调节器的运行程序中设计有电子过电流保护，能有效防止变压器长期缓慢过负荷造成的绝缘老化。
第四、接线头松动、引线铜带折断和线圈松垮。这是由于电流产生的电动力所致。导线之间交变电动力f的大小正比于电流瞬时值i的平方，振动频率为100HZ,正常电流不会造成故障。大型矿热炉正常冶炼二次电流均在30000-50000A，当异常大的电流出现时，例如“死相”，电动力可以达到正常值的3倍，就有危险性了。解决的办法是减小大电流发生，消除“死相”现象，就得用性能好的自动调节器。
第五、过电压击穿绝缘。变压器过电压多发生在切断电流的瞬间，过电压的数值：
e＝﹣L×di/dt。 L—变压器高压绕组的漏电感量
di—被切断电流瞬时值
dt—切断电流的时间
当使用真空开关dt数量级很小，强行切断大电流di值很大，产生的过电压就高。大型矿热炉通常由35KV或者110KV系统供电，电压基数高，大电流跳闸引起过电压的数值更高，容易击穿绕组的绝缘。跳闸过电压击穿了绝缘，瞬时产生的瓦斯气体很少，继电器一般不会报警，当下一次合闸送电，已经损坏的绝缘部位会发生绕组之间弧光短路，引起重瓦斯等继电保护跳闸，变压器严重受损。解决的办法是使用电极自动调节器，避免大电流跳闸。
第六、变压器负荷分配严重不均匀，引起损坏。大型矿热炉由三台单相变压器组成，手动调节负荷可能出现总负荷不超过额定值，而单台变压器可能超过自身的额定值引起损坏。自动调节器能够按照三分之一的比例将总负荷均匀分配给三台变压器，保证任何时候单台变压器都不超载。
国内统计资料表明，矿热炉变压器发生故障大多在深夜工人疲劳的时间段。采用电极自动调节器十分必要。
7、将电极电流作为直接调控对象，调节更简单、准确、可靠
华美公司调节器对冶炼电流的检测采样用电流变换器。三只环形电流变换器套装在矿热炉变压器的高压瓷瓶上或者35KV电缆上，而操作台上依然显示的是三相电极冶炼电流（二次电流），检测信号没有时间滞后和转换误差，且免维护。这种测量方法比常规采用罗高夫线圈优越得多，例如山东某矿热炉3×11000KVA变压器用了3×14=42个罗高夫线圈及其转换电路，其可靠性、准确度及维护工作量便可想而知了。
五、主要部件的安装调试
调节器包括控制柜、电流控制箱、液压控制箱和电流变换器。
1、控制柜一台：宽1100mm×高2000mm×厚600mm，落地安装在主控室。
2、电流控制箱一个：宽450mm×高360mm×厚200mm，置于矿热炉主控室控制台上。
3、液压控制箱一台：宽1400mm×高1500mm×厚600mm，放置在矿热炉液压站附近，落地安装。
4、电流变换器三个：套装在变压器高压瓷瓶或者电缆上。
调节器的全部参数在制造厂内调定，用户只须提供矿热炉变压器铭牌参数和液压系统压力。对运行中的矿热炉停电8个小时就能完成电路和液压管路的对接和调试，恢复正常运行。
液压系统变更的工作量少，简单易行。原液压系统用的电磁换向阀控制液压缸升降电极的方式不作变动，新增一套自动调节器用的直流电磁阀组，分别并接在原有三相电极升降阀组的油管上；再接上液压源的进油管、回油管；大立缸改为柱塞缸模式运行，上升靠压力，下降靠自重。
5、机械传动式自动调节器的安装：原先用的电动机不变，增加钢丝绳张紧装置和变频调速控制柜（尺寸类似于上述控制柜）。
6、维护检修调试方便
各相PLC电路只有两块插件板（即PLC输入和输出的接口电路），电子元件少，故障率降低，可靠性高。PLC电路的四套插件完全相同，有互换性，全国通用，这对检修和判断故障十分有利，详见调节器使用说明书。
六、对矿热炉冶炼工艺的优化
1、保证电极焙烧，不发生电极软断。资料介绍自焙电极设计电流密度3-7A/cm2，对于φ1300mm电极下限电流是40KA，实践证明自动调节器给定30KA就能焙烧好，因为电流是稳定的，不会低到其非灵敏区之下。
2、避免电极硬断。电极下降，所接触的炉料如果一侧是高温熔液，另一侧是因温度降低凝结了的熔融炉料，电极下降过程中势必受到侧向推力，容易引起折断。电极自动调节器能保证炉内正常的温度场，电极插入熔池四周完全是液态熔渣，没有大的侧向推力，电极是不会硬断的。同时调节器有电极顶住炉料报警功能，只要及时压放电极，就能避免因电极不够长引发的严重后果。升降双向油缸改为柱塞缸运行后，最大压下力减小50%以上，避免压断电极。
3、避免电极上抬。手动调节时常发生电极上抬，直到限位。电极异常上抬，是因为熔池局部温度降低所致。自动调节器保证三相功率平衡，只要电极标尺正常，不会发生上抬。
4、减少电极“断头”。大型矿热炉都是从炉内抽风除尘，维持炉内微负压状态运行，当电极上抬时间过长，在炉口附近的部位很容易受到空气氧化而变细，华美公司统计过电极直径Φ1500mm可烧细到φ900mm以下、φ1300mm可烧细到φ700mm以下，电极端部形状上小下大，小头导电面积减小到三分之一，即电流密度增加3倍，电阻发热也增大3倍，局部温度升高进一步加剧氧化。电极端部的大小头，稍受外力（例如塌料）就会断掉。断头电极只能靠炉内氧化还原反应消耗掉，此时三相供电失去平衡，炉况会变坏。
5、避免“死相”现象发生。“死相”是指电流超过允许值，提升电极冶炼电流不能随之减小。其处理相当费事和费时：如果电极升到了上限位，要么不停地换档降低冶炼电压来减小电流，要么大幅度降低另外两相电流来限制“死相”电流，甚至倒拔“死相”电极。这些挽救措施都会加剧炉况变坏。“死相”现象很容易引起变压器过电流保护动作，高压开关跳闸。
6、确保出铁温度，降低炉渣温度。华美公司调节器能控制好电极插入深度，给定电流与冶炼电压配合得当，就能实现两个温度的优化。某公司3×11000KVA镍铁矿热炉出渣温度由原1570-1590℃降为1540-1550℃，出铁温度保证在1510-1530℃。镍铁矿热炉的渣量约占总量的85%，仅降低出渣温度一项，就节约了不少耗电量。同时炉温降低，炉衬寿命延长。
对封闭式矿热炉，目前通行的观测电极插入深度的方法都是不科学的。
7、避免炉内发喷。现有的镍铁矿热炉时常发喷，尤其是在塌料时。炉气连渣从缝隙喷溅出来，引发安全事故。发喷的根源是含有大量FeO与游离C的炉渣，当温度达到某一界限以上，发生比较强烈的氧化还原反应，产生CO气体是放热过程，会继续提高炉渣温度，有利于化学反应的进行，加剧溢出CO，如此循环导致发喷。自动调节器能降低并且稳定炉渣温度，就消除了发喷。
8、提高镍铁水的含镍量。当前含镍富矿越来越少，贫矿用传统工艺很难生产出合格的镍铁水。降低渣温，减少配C量,FeO还原减少，铁水含镍量相对提高。使用华美公司调节器的各座矿热炉都能达到此效果。
9、发生单相、两相塌料，电流减小甚至接近于零值（俗称倒表），不用人工干预，自动调节器能迅速恢复冶炼电流。
10、能显示电极四周翻渣情况（硅铁例外）。提醒及时补充加料，如果是个别电极翻渣，就打开相应下料管的阀门，做到覆盖熔池冶炼，稳定炉况。
11、能顺利起动暂停的冷炉。矿热炉运行中难免不发生因故暂停，当炉渣完全冷凝后启动普遍困难，某厂1#3×11000KVA矿热炉，2016年5月因故突然停炉6天，恢复生产35KV送电后，手动操作用了80小时才完成三相起弧，另一厂同样容量的12#炉因故突然停炉5天多，用华美公司调节器，恢复生产35KV送电后自动操作，仅用了3个小时就完成三相起弧，不久就转到正常冶炼。
12、有高压电流超限报警功能，特别是针对“死相”现象报警，但是开关不跳闸。
13、简化冶炼操作：
1）满足电极“勤压放、每次少放”。只要是升降架的上抱闸不与厂房连接的矿热炉，在自动运行状况下随时都能压放电极，而不需转为手动运行，预先提升电极减小冶炼电流再压放。
2）取消以往的繁琐操作：出炉时有意使某相电极不动或者略微上抬，让熔液流动通畅。
3）有分相自动控制能力，例如有两相自动一相手动、一相自动两相手动、三相给定电流不一致的运行方式，适用于边冶炼边焙烧电极的特殊情况。
4）判断自焙电极何时补充电极糊。
5）自动与手动兼容，转换十分方便。
14、减轻仪表工的紧张操作。三相电极升降有6个动作，而且三相电流变化是相互关联的，用一个鼠标依据画面显示的数据来升降电极，根本无法达到上述自动调节器的效果。
七、使用效果
根据众多矿热炉运行统计，使用华美公司电极自动调节器效果良好：
1、连续生产：可以节电2%以上，增加产量5%以上。
例如广东世纪青山公司，两座3×20000KVA镍铁矿热炉，2012年7月、9月投产，自2014年使用自动调节器，项目总投资105万元，节约17282.81t/年标准煤，能减少二氧化碳排放约5万t/年，新增利润1000万元/年、税金2040万元/年，2015年1月获得阳江市政府颁发的节电奖26万元。
2、间断性生产：例如江苏戴南某厂有两座3×8500KVA矿热炉，高峰电价1.03元/KWh、平段电价0.63元/KWh、低谷电价0.31元/KWh，为了降低成本，矿热炉每天避开8:00—12:00和17:00—21:00的高峰用电。间断性生产的前提条件必须解决矿热炉停电后再起动的问题，华美公司调节器能够满足这种工况要求，操作简单：起动前开关在“手动”位置，高压送电，让电流发热将粘连在电极表面的炉渣熔化，几分钟以后就可以转为“自动”，给定电流缓缓加大，三相电流自始至终平衡，自焙电极均匀升温，炉内功率逐渐加大，二十多分钟后就可以达到最大功率冶炼。
3、合理调峰生产：在高峰电价期间（8小时）降低使用负荷，低谷电价期间（8小时）满负荷甚至超负荷运行，从而节省电费，这是最适用的方案。
4、适应孤网发电运行：有自备电厂的单位，发电成本甚低，例如:国内某单位数座3×11000KVA镍铁矿热炉，由两台60000KW发电机直接供电。发电机组对三相功率不平衡有非常严格的限制，包括不平衡的幅值和持续的时间，使用华美公司5套自动调节器，没有设置谐波补偿和“水电阻”装置（用来消耗矿热炉突然停电甩掉的负荷），自2015年8月投产以来全程自动运行。
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