淺析電弧爐電極調(diào)節(jié)器原理

郎志興

摘 要：目前我國電爐電極升降主要采用以下幾種自動調(diào)節(jié)裝置;第一、可控硅-直流電動機(jī)式自動調(diào)節(jié)器;第二、可控硅-電磁轉(zhuǎn)差離合器式調(diào)節(jié)器;第三、電液比例閥-液壓傳動式調(diào)節(jié)器;前兩種調(diào)節(jié)裝置均采用插板電子元件構(gòu)成，由于電子元器件的性能不穩(wěn)定，維護(hù)的工作量大。相比前兩種調(diào)節(jié)方式，本公司現(xiàn)采用的是液壓傳動式調(diào)節(jié)器，液壓系統(tǒng)的慣性小，啟動、制動的升降速度快，力矩大，同時(shí)采用可編程控制器SIEMEN S7-300系列進(jìn)行控制，整個(gè)電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作性能穩(wěn)定，因此故障率低、維護(hù)方便，通過修改程序以滿足不同的冶煉工藝要求，非常適合用來作為調(diào)節(jié)器使用，在大中型電爐上得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電弧爐;電極;PLC;比例閥

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.151

1 HX2-10t交流電弧爐設(shè)備簡介

HX2-10t交流電弧爐是利用電極間電弧產(chǎn)生的熱能冶煉金屬的一種設(shè)備。電弧爐煉鋼就是利用石墨電極與爐料（或金屬液）之間短路產(chǎn)生的電弧所產(chǎn)生的熱量來熔化金屬和爐渣，冶煉出各種成分的鋼和合金。

根據(jù)公司鑄造車間的具體情況，本設(shè)備為廢鋼的熔化和冶煉設(shè)備，可全廢鋼冶煉。是高效優(yōu)質(zhì)鋼生產(chǎn)線的重要保障，具有以下功能：常壓下電弧加熱、造渣脫磷硫、吹氧脫碳、 合金化、測溫、取樣、冶煉鋼種中碳和高碳鋼。

2 調(diào)節(jié)器的組成及工作原理

2.1 調(diào)節(jié)器的組成

調(diào)節(jié)器是有信號采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換、功率放大、低壓電器元件組成。

信號采集：由三只SAA-T2電流變送器（由電流互感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號）、三只SAV-T2電壓信號變送器、檔位到位信號。

PLC：數(shù)模轉(zhuǎn)換：由一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換模塊中的四個(gè)通道提供三相電極控制信號，一路作為備用控制信號;一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理現(xiàn)場采集信號。

2.2 調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理

取變壓器短網(wǎng)處的三相弧壓信號（0-300V AC）送至SAV-T2隔離電壓變送器，產(chǎn)生三個(gè)正比于弧電流變化的4-20mA電流信號，接到西門子6ES7 331-7KF02-OABO模塊，三相弧流信號經(jīng)電流互感器轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生三個(gè)正比于弧流變化的0-10A的電流信號，由SAA-T2隔離電流變送器轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生三個(gè)正比于電弧電流變化的4-20mA的電流信號，接入到同一個(gè)A/D模塊，A/D模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)字量信號輸入到PLC的CPU模塊進(jìn)行處理。

在PLC模塊內(nèi)部CPU運(yùn)用寫入的程序?qū)ι鲜鲂盘栠M(jìn)行轉(zhuǎn)換處理、比較分析判斷處理、數(shù)字運(yùn)算處理，輸出一個(gè)數(shù)字量控制信號，再通過PLC的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊再把這個(gè)數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成一個(gè)-10V～+10V的電壓信號送入電液比例閥，由比例閥控制油缸驅(qū)動電極，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)電弧電流和電極升降速度的目的。

3 弧流自動控制過程

根據(jù)冶煉工藝的要求，PLC程序中設(shè)置最大弧流值，當(dāng)電弧電流設(shè)定值與電流實(shí)際值產(chǎn)生偏差時(shí)，PLC電氣控制系統(tǒng)將測量比較環(huán)節(jié)傳來的偏差信號放大后，傳給電液比例閥的電磁鐵線圈，電磁鐵在偏差信號的驅(qū)動下帶動閥芯向左或向右移動。閥芯的移動控制著閥體的進(jìn)液量，從而使進(jìn)入液壓缸的高壓油增加或減少。增加時(shí)，電極升降立柱向上提升電極;減少時(shí)，依靠立柱和電極的自重使電極下降。但電弧處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，測量環(huán)節(jié)無信號輸出，電液比例閥的閥芯處于中位，升降立柱不動。

4 電極升降速度自動調(diào)節(jié)過程

在PLC系統(tǒng)處于自動控制冶煉狀態(tài)時(shí)，PLC程序中A、B、C三相調(diào)節(jié)器FC功能塊根據(jù)現(xiàn)場采集的三相電弧電流信號和變壓器短網(wǎng)電壓信號，通過與不同冶煉期的設(shè)定值進(jìn)行比較、程序運(yùn)算處理得出參與控制的弧流和弧壓參數(shù)。然后弧壓參數(shù)及弧流參數(shù)輸入阻抗公式計(jì)算出阻抗值和相應(yīng)的設(shè)定值比較，偏差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行正反向限幅，自動控制電極升降。控制靈敏度由PLC在控制電極升降過程中自動跟蹤優(yōu)化處理。當(dāng)有低壓側(cè)過負(fù)荷，則電極自動快速提升從而解除低壓側(cè)過負(fù)荷。當(dāng)電極快速下降過程中與爐料發(fā)生瞬間短路時(shí)，電弧電流的實(shí)際值大于電弧電流的最大設(shè)定值，這時(shí)PLC控制系統(tǒng)給出最大反向控制信號，在這個(gè)信號的驅(qū)動下電液比例閥控制液壓油以最大流量進(jìn)入液壓缸快速提升電極，要以7～9m/min提升速度快速消除短路現(xiàn)象為佳。電極上升的過程中，弧流慢慢減小，則PLC輸出的反向差值信號也逐步減小，電極上升逐步減速;當(dāng)弧流的實(shí)際值達(dá)到電弧電流的設(shè)定值時(shí)，這時(shí)的PLC信號輸出值為零，三相電極停止上升。當(dāng)弧流的實(shí)際值小于電弧電流的設(shè)定值，此時(shí)通過PLC輸出一個(gè)正向控制信號，在這個(gè)正向信號的驅(qū)動下電液比例閥控制液壓油進(jìn)入液壓缸，電極在自重和液壓缸驅(qū)動下快速下降;弧流實(shí)際值小于程序中設(shè)定值越多，差動信號值越大，電極下降的速度也越快。電極在下降的過程中，電弧電流逐步增大，PLC的D/A模塊送出的正向控制信號值也將逐步減小，電極下降速度減慢;當(dāng)弧流的實(shí)際值等于PLC程序的弧流設(shè)定值時(shí)，此時(shí)PLC的輸出為零，電極停止下降。

5 冶煉穩(wěn)定區(qū)控制

冶煉過程中的穩(wěn)定區(qū)，也就是PLC給定值、實(shí)際三相電極的弧流值、弧壓值三者關(guān)系的相對平衡，為防止斷弧現(xiàn)象發(fā)生，就必須對電極上升、下降速度進(jìn)行限幅控制，一般情況下上升、下降限幅值按1：2設(shè)定，此值可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)。調(diào)整時(shí)要適當(dāng)改變比值、積分時(shí)間常數(shù)及升降速度幅值，以確保電弧爐順利引弧并使冶煉弧流平穩(wěn)。

根據(jù)電弧爐的特點(diǎn)，設(shè)定幾個(gè)不同情況下的運(yùn)算程序，經(jīng)比較指令區(qū)分去對應(yīng)的運(yùn)算程序，運(yùn)算結(jié)果由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出，并驅(qū)動電液比例閥，比例閥控制進(jìn)入電極升降油缸液壓油流量和方向，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電極的快慢升降動作。

6 小結(jié)

該篇論文通過對電極調(diào)節(jié)器自動控制原理的分析，便于設(shè)備維修技術(shù)人員真正掌握電弧爐自動煉鋼電氣原理，在電弧爐發(fā)生設(shè)備故障的情況下能及時(shí)、快速分析查找出故障點(diǎn);同時(shí)在編寫電極自動控制PLC程序時(shí)有一定的參考作用。

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