旋轉式LF爐三相弧功率不平衡分析

趙鋒輝，董 波，佟 冰，張 東

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安710032)

旋轉式LF爐三相弧功率不平衡分析

趙鋒輝，董 波，佟 冰，張 東

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安710032)

分析了造成LF三相弧功率不平衡的主要原因，提出優化短網布置，改進電極調節系統，減少弧功率不平衡的方法，并用于某旋轉式LF，使其電極調節器運行穩定，降低了能耗。

LF;功率不平衡;電極調節

0 前言

中國重型機械研究院有限公司在某鋼廠承建的LF鋼包精煉爐，考慮到生產節奏和空間布局，決定采用雙工位旋轉式LF爐。三相弧功率不平衡是LF鋼包精煉爐冶煉過程中普遍存在的問題，能造成爐內溫度嚴重不均勻，降低生產率，增加電耗;另外，電弧功率較大一相電極附近的爐襯易過熱，腐蝕較快，降低爐體壽命，同時該相的電極端部很容易損壞，造成浪費。旋轉式LF的爐處理時期工況，具有一般LF爐的共性。為避免旋轉式LF爐三相弧功率不平衡問題，設計時必須考慮引起弧功率不平衡的各種因素。

1 旋轉式LF爐的結構

旋轉式IF爐的結構如圖1所示。一套電極系統通過電極旋轉裝置可處理兩包鋼水:在處理一個鋼包的間隙，可將電極旋轉至另一工作位進行另一包鋼水的處理，此種結構形式比單工位LF爐可節省7～10 min，使得鋼水的冶煉周期與上下游電爐和連鑄機的生產周期完成了較好的匹配。

圖1 電極旋轉式LF爐布置示意圖Fig.1 Layout of LFwith electrod rotation

2 機械結構對弧功率不平衡的影響

LF爐機械結構中和弧功率有較大關系的是LF爐的短網系統，短網是指從變壓器出線側到石墨電極的整個大電流線路，三相短網配置在同一平面上(圖2)。

若三相導體對稱配置，及導體長度、截面尺寸和相互間距都相等，則［1］

由式(1)可見:

(1)由于M12＞M13，則X1=X3，X1＞X2，即兩邊相感抗相等，中相感抗較小;

(2)因為電弧爐短網的感抗遠大于電阻，所以Z1＞Z2＞Z3，三相導體阻抗不等，超前相導體的阻抗最大，滯后相次之，中相最小。

LF爐正常運行時，電源的三相電壓是平衡的。若短網阻抗不平衡，為維持三相電流相等，只得調整爐內三相負載，使系統的三相阻抗平衡。因中相阻抗Z2最小，為了達到短網阻抗平衡，中相的弧阻最大;電熱功率最大;其次是滯后相，超前相的弧功率最小，即電弧爐三相弧功率不平衡。

3 三相供電對弧功率不平衡的影響

LF爐是利用三相電極加熱的裝置，則其中一相的等效電路如圖4所示。

每相電壓為

式中，Ri為電路等效電阻i=1，2，3;xi為電路等效電感，i=1，2，3;ri為弧電阻，i=1，2，3。

圖4 等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram

假設二次變壓器端到電爐的短網電路上的等效電阻和電感是三相相等的，由圖2，Z1、Z2、Z3分別為三相電路的總電抗，此為三相不平衡電路，采用回路電壓法和節點電流法列出方程組

因為三相電壓、電流互相耦合，所以當某一相弧長受擾動發生變化時，另外兩相都存在影響，由式(2)和式(3)知，當ri擾動時，對其它兩相電極電壓、電流影響為［3］

式中 ，i=1、2、3，J=1、2、3，且i≠j。

弧長變化引起的對其它兩相電壓、電流的變化也是引起負載嚴重不對稱，弧功率不平衡的重要原因。

在冶煉過程中，能引起弧長發生變化導致弧功率不平衡的主要原因有:①吹氬量的控制;②電極調節器調整不當;③加料;④電源供電電壓等因素。

4 減小三相弧功率不平衡的方法

根據以上分析，要使三相弧功率平衡，需要從機械結構、電氣控制、生產操作等方面著手。

4.1 合理的選擇短網連接線路和空間配置

設計短網銅管時，抬高中相銅管，將短網銅管布置為等腰三角形，使得導體間互感M12=M21=M13=M31=M23=M32，從而增加中相短網阻抗，實現三相互感平衡，采用盡可能短的線路和平衡的三相線路阻抗，是減小三相弧功率不平衡的有效措施。實際生產過程中，當三相電極消耗長度不等時，會造成新的三相阻抗不平衡值，因此，要及時調整電極長度，保證三相電極長度相等。

4.2 采用較小的核心圓

由于旋轉式LF爐結構復雜，需要在兩個工位兩個爐蓋處調整極心圓，極心圓調整的不合適也會使得在一個工位電弧功率平衡，當轉移到另一工位時弧功率不平衡。由式(1)可知，Zi大小主要取決于Ri和Li，即取決于各相的實際長度。因此旋轉式LF爐短網設計時在保證三相阻抗平衡及機械設備布置的條件允許下，在兩個工位采用較小的極心圓的分布，短網阻抗小，電弧功率高。

4.3 供電方式和操作控制

對上級電網來電，很難進行控制，為此，從電極的控制角度采取以下措施:

(1)以阻抗作為受控對象，根據阻抗設定表中的阻抗設定值獨立工作，阻抗設定表是根據變壓器的各檔位電壓、電流及短網的阻抗參數設計的一組設定值，可以根據變壓器的檔位及功率曲線在不同的加熱階段選擇不同的加熱曲線，使得設備發揮最優性能;

(2)阻抗調節器分工位的自動調整功能。旋轉式的LF爐存在兩包鋼水交叉處理，若電極極心圓調整不合適，即使相同的鋼水條件，也會使得電弧功率的不平衡，為此設計阻抗調節器比例系數自動動態調整，根據系統實際采集的電流、電壓存儲到兩個工位的電流電壓分類表中，當系統工作時，根據該工位最近3 min的電流變化情況，判斷系統是否工作在最佳狀態，并對相應參數進行自動補償，減小三相功率的不平衡，以便達到最佳效果;

(3)自動模式下的手動干預功能。在交流電弧爐冶煉過程中，有時要求操作者進行三相不平衡供電。比如爐壁某相附近有熱點，希望能降低該相功率，以達到安全運行的目的;又如爐料不均勻，某相附近料多或有難熔料，此時希望能提高該相功率，以達到均勻熔化的目的。對此，采取手動優先，無需關閉自動模式就可以手動干預，可靈活控制三相工作點，使三相供電更加合理。

4 結語

造成LF爐三相弧動率不平衡的原因很多，以上方法用于現場后，電極調節器運行穩定，經統計，升溫速度較同容量LF爐提高0.5℃/min，電耗較該廠同容量LF爐每噸鋼可節省2度電，電極消耗降低，產生了良好的經濟效益?？梢?，優化短網布置，改進電極調節系統從而減小電極三相功率不平衡的方法是行之有效的。

［1］武峻，李士琦．交流電弧爐三相不平衡供電的研究［J］．鋼鐵研究學報，2000(4):10-14．

［2］秦勤，郭茂先．電弧爐三相弧功率不平衡分析［J］．冶金能源，2000(11):17-19．

［3］張學輝．電弧爐及其電極升降智能控制系統的研究［D］．江西:江西理工大學，2007．

［4］馬島，王京．電弧爐電極阻抗控制器的研究與應用［J］．電氣傳動，2009(10):59-62．

Analysis on unbalance of three-phase arc power in rotary ladle furnace

ZHAO Feng-hui，DONG Bo，TONG Bing，ZHANG Dong
(China National Heavy Machinery Research CO．，Ltd，Xi'an 710032，China)

By analyzing themain reasons for unbalance of the ladle furnace(LF)three-phase arc power，the main measures to optimize the circuit layout，modify the electrode control system and reduce the arc power unbalance are proposed for rotary LF．It improved the electrode regulating effect and reduced energy consumption

ladle furnace;power unbalance;electrode control

TG232

A

1001－196X(2012)04－0083－03

2011－12－09;

2012－04－11

趙鋒輝(1977－)，男，中國重型機械研究院有限公司工程師。