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依據(jù)所開發(fā)的電氣特性分析模型，筆者對河北鋼鐵集團150tlf爐進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)階段的供電工作點位置，提高了加熱效率，降低了電耗，取得了良好的經(jīng)濟效益。

1LF電氣特性分析方法

LF主要依靠電弧的加熱對鋼水進行升溫，并熔化新加入的渣料。其供電制度的制定是LF操作和運行的關鍵技術，決定了LF的生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率和精煉鋼水的質(zhì)量。制定供電制度的實質(zhì)是根據(jù)LF設備參數(shù)和工藝參數(shù)，在冶煉不同時期依據(jù)冶煉目標，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。分析LF的電氣特性是制定供電制度的基礎［5］。電氣特性是指在同一電壓下各個電氣量隨電流變化的規(guī)律。當電壓固定后，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果，選擇合理的工作電壓和工作電流進行供電。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，指導最佳工作點的選擇，達到制定合理供電制度的目標。

1．1電氣特性分析模型LF通常會有多達十幾個電壓檔位，不同電壓檔位下還有多個電流檔位。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備的額定功率進行選取，而電流檔位的選擇則相對復雜，需要在設定電壓下對最優(yōu)電流工作點進行尋優(yōu)，其實質(zhì)是優(yōu)化求解問題。當電壓固定時，決策變量是工作電流。因變量是功率因子，目標值是在保證埋弧條件下實現(xiàn)盡可能高的電弧能量。因此，這種尋優(yōu)過程比較復雜，計算量大，適合采用計算機模型進行優(yōu)化求解。電氣特性分析模型是利用LF電流與電氣參數(shù)之間的關系，采用計算機編程和數(shù)據(jù)庫技術，編寫優(yōu)化算法，通過設置尋優(yōu)條件，自動尋找最佳工作點。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，電弧電流的設定還應滿足下列條件［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算流程相同電壓下，最佳工作點的選擇實質(zhì)上是對電流的尋優(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，存在一個最大的電弧功率點。實際上，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可以保證最大的加熱速度，此時的電流值設定為最佳值I＊，最佳的工作電流I＊對應著電弧功率的最大值。當電弧功率超過最大值時，隨著電流的增加，電弧功率反而減小，此時爐子的熱效率開始下降。經(jīng)濟電流Ie對應的位置是有功功率與無功功率相等時。當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備允許的超載條件，在約束條件范圍內(nèi)進行尋優(yōu)，模型的迭代計算流程見圖1。

2150tLF的電氣特性分析和供電制度研究

2．1LF爐主要設備參數(shù)和原有供電制度該150tLF爐設計有13個電壓檔位，前4檔電壓分別為380、367、355和342V。每個電壓檔位下設置長弧、中弧、短弧3個電流檔位，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)進行優(yōu)化。由于在精煉初期，渣層較薄不易埋弧，此時易采用短弧供電來保證埋弧效果，精煉后期爐渣造好后，在加熱期可以適當增加弧長，根據(jù)不同弧長的加熱效果和埋弧效果，按照最接近最優(yōu)工作點的位置工作，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計與電極位置重疊，底吹過大時造成電極晃動，需要降低供電時的底吹氬氣流量；另一方面化渣不好和采用長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，以精煉時間作為緩沖時間來滿足連鑄澆鋼，大部分廠家LF的精煉時間都比較緊張，特別是一些大斷面高拉速的鑄機，對精煉時間要求更短，而最快的加熱速度能縮短精煉時間和生產(chǎn)周期。同時，較高的功率因子能保證較好的經(jīng)濟性和較高的熱效率。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，需要根據(jù)爐渣厚度和不同電壓檔位的電弧長度來選擇電壓。研究表明，只有當渣厚超過弧長的2．5倍以上時，電弧才表現(xiàn)為埋弧燃燒，才能實現(xiàn)電能的有效利用。隨著冶煉過程的進行，渣層厚度是不斷變化的，經(jīng)過實測，LF進站渣厚控制在在100～150mm之間，到精煉后期，爐渣厚度可達250～300mm。由于弧長與電壓成正比，與電流成反比，所以可依據(jù)計算模型得到不同電壓和電流下的弧長。通過比較弧長與渣厚的關系，參照選擇工作點，確認了前4檔電壓下不同電流檔位的弧長（表3）。在精煉前期，由于渣層較薄，宜采用低電壓高電流供電，以達到良好的埋弧效果，提高電能的利用率。進入精煉中后期，隨著渣料的加入和熔化，爐渣厚度不斷增加，此時可以使用高電壓和低電流檔位供電，以實現(xiàn)較快的加熱速度和較低的電能消耗。因此，參照表3的弧長數(shù)據(jù)和實際渣厚情況，精煉初期可供選擇的工作點較少，僅有第3檔短弧、第4檔中弧和短弧能實現(xiàn)埋弧，而精煉后期各檔位基本都能實現(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，要達到最快的加熱速度和較好的經(jīng)濟性，還需要依據(jù)電氣特性對各工作點進行加熱速度、表觀功率消耗等參數(shù)的比較分析。在相同電壓檔位下，需要計算不同工作點下的電氣特性參數(shù)并進行比較尋優(yōu)，確認最佳工作的電流值I＊。表4為依據(jù)電氣特性模型計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，最佳工作點是指以最小的表觀輸出功率達到最大的電弧輸出功率時的電流值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外，其他電壓下都是長弧檔最接近最佳工作點。因此，在加熱期為了確保最快的加熱速度，同時要求較低的電耗，應優(yōu)先選擇最靠近最佳工作點的檔位供電，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。這主要是因為該期間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檔長弧。由于切換該檔位時不用帶電調(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檔長弧。新的供電制度為：在生產(chǎn)節(jié)奏平穩(wěn)時，以第4檔作為供電電壓，精煉初期采用短弧供電，在精煉后期采用長弧供電。這種方式無需帶電切換電壓，操作安全方便，同時也明顯提高了供電的功率因子和熱效率。當生產(chǎn)節(jié)奏緊張時，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，以達到最快的升溫效果。

4試驗結果與分析

4．1工作點優(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）?？梢钥闯?，在第4檔電壓下，電流越大，弧長越短，該電壓檔位下設置的長中短3個弧長檔對應的工作點位置分別是圖2中a、b、c處，3個工作點的弧長分別為78．3、39．8和27．1mm。該電壓下最佳工作點位置在I＊處，圖中a點離最佳工作點最近，是3個工作點中加熱速度最快、也最省電的。c點是加熱速度最慢、電耗最大的，但是c點的弧長最短。b點介于兩者之間。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點進行短弧供電，待初渣化好后，渣厚可以達到300mm，此時可選擇a點供電，加熱速度最快且電耗小。

4．2造渣和埋弧效果通過對供電工作點的優(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，結合供電制度，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。

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)場測試的第4檔（342V）電壓下長?。╝）、中?。╞）和短?。╟）3個工作點下的電耗?？梢钥闯觯诩訜崞谟霉ぷ鼽ca替代原來采用的c點供電，電耗每秒可下降2．5kW•h，同時加熱速度還可提高0．93℃／min。按照加熱升溫平均8min／爐計算，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，計算了150tLF爐1至4檔電壓下不同工作點的電氣參數(shù)和最佳工作點的位置。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，對該LF進行了供電優(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：河北鋼鐵集團總部