一种直流电弧炉电极自动调节装置及其控制方法

摘要

本发明公开了一种直流电弧炉电极自动调节装置及其控制方法，包括电弧炉、升降缸、导电铜管、石墨电极、弧压和弧流调节控制系统和电源主回路，所述电弧炉外侧设有升降缸，所述升降缸顶部安装有导电铜管，导电铜管末端设有竖直的石墨电极至电弧炉内部，所述弧压和弧流调节控制系统连接至导电铜管、升降缸和电弧炉，同时还连接电源主回路。本发明通过弧压和弧流调节控制系统控制液压比例阀控制石墨电极的上下运动来改变电极与钢液面之间的距离，来控制电弧长度，从而控制电弧电压的目的，通过整流器控制系统控制整流器晶闸管触发α角的大小，来达到控制电弧电流的目的，控制精度高，安全可靠，能够实现实时精确控制弧压与弧流的大小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流电弧炉，特别涉及一种直流电弧炉电极的弧压与弧流自动调节装置及其控制方法。

背景技术

我国直流电弧炉的快速发展始于上个世纪90年代，基本从国外成套引进，引进的控制系统不开放，维护困难，一旦系统出现问题，无法查找且无法跟踪，影响生产。并且引进的控制系统备件费用高，服务费用高，一次性投资费用也高。电弧炉核心技术之一的电极调节控制系统，现已到了事故高发期，且备件已过时，其中大部分元器件已被淘汰，无法采购，已经威胁到了炼钢生产，需要重新改造更新。若改造更新的控制系统仍采用引进系统，其投资费用很高，且在维护、服务和备件等方面仍然会出现以前的问题。

国内直流电弧炉电极调节器在控制技术上比较落后，基本上都是对小功率的直流电弧炉，并且控制精度低，瞬时响应慢，易断弧，弧压弧流波动大，吨钢电耗与电极消耗高，功率因数低，对整流器、变压器和电网的冲击比较大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种直流电弧炉电极自动调节装置及控制方法，提高控制精度及响应速度，减小整流器、变压器对电网的冲击，能够实现实时精确控制弧压与弧流的大小。

一种直流电弧炉电极自动调节装置，包括电弧炉(1)、升降缸(3)、导电铜管(4)、石墨电极(2)，所述电弧炉(1)外侧设有升降缸(3)，所述升降缸(3)顶部安装有导电铜管(4)，导电铜管(4)末端设有竖直的石墨电极(2)至电弧炉(1)内部，该装置还包括弧压和弧流调节控制系统(20)和电源主回路(10)，所述弧压和弧流调节控制系统(20)连接至导电铜管(4)、升降缸(3)和电弧炉(1)通过控制升降缸(3)来达到石墨电极(2)的上升下降，从而产生弧压，同时所述弧压和弧流调节控制系统(20)还连接控制电源通电和断电的电源主回路(10)。

所述弧压和弧流调节控制系统(20)包括电极调节控制器(201)及整流控制器(202)；所述电极调节控制器(201)控制升降缸(3)；所述整流控制器(202)控制两个整流器(203)，所述整流器(203)一端连接电抗器(204)后通过水冷母排(6)和冰冷电缆(5)连接导电铜管(4)至石墨电极(2)，另一端通过底电极母排(7)连接电弧炉(1)的炉底；

所述电源主回路(10)包括通过隔离开关(104)和真空开关(103)连接的变压器(102)，所述变压器(102)连接接地开关(101)；所述变压器(102)还连接所述两个整流器(203)；

一种直流电弧炉电极控制方法采用上述的直流电弧炉电极自动调节装置，包括以下步骤：

a.电极调节控制器(201)设定电弧电压设定值、电弧电流设定值和电弧功率设定值，真空断路器(103)闭合，接地开关(101)断开，隔离开关(104)接通；

b.当自动调节初始条件满足时，电极调节控制器(201)发出通电开始命令，真空断路器(103)闭合，接地开关(101)断开，隔离开关(104)闭合；

c.通电开始后，整流器控制器(202)发出释放脉冲命令，同时，电极调节控制器(201)发出向下运行命令，石墨电极(2)自动向下运动，直至电弧产生，则停止石墨电极(2)向下运动；若真空断路器(103)没有闭合，则石墨电极(2)停止运动，终止操作；

d.若电弧电流稳定，且未达到设定的电弧电流时，整流控制器(202)向整流器(203)发出相位角减少信号，相位角以每秒-10°的速度开始减小，直到电弧电流大于引弧电流；当电弧电流大于引弧电流时，电极调节控制器(201)向整流控制器(202)发出电压闭环调节信号，并开始以每秒-50°的速度开始推动相位角，直到电弧电流达到电流设定的参考值，则石墨电极(2)进入全闭环电压与电流调节。

本发明通过弧压和弧流调节控制系统控制升降缸液压比例阀控制石墨电极的上下运动来改变电极与钢液面之间的距离，来控制电弧长度，从而实现对电弧电压的控制；通过整流器控制系统控制晶闸管触发α角的大小，来控制电弧电流，本发明控制精度高，安全可靠，能够实现实时精确控制弧压与弧流的大小。本发明提高了控制精度及响应速度，减小了吨钢电耗与电极消耗，同时减小了整流器、变压器对电网的冲击，提高了功率因素。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为整个控制系统的网络结构图；

图3为本发明弧流调节原理示意图；

图4为本发明弧压调节原理示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的装置结构示意图，一种直流电弧炉弧压和弧流自动调节装置，包括电弧炉1、升降缸3、导电铜管4、石墨电极2、弧压和弧流调节控制系统20和电源主回路10，所述电弧炉1外侧设有升降缸3，所述升降缸3顶部安装有导电铜管4，导电铜管4末端设有竖直的石墨电极2至电弧炉1内部，所述弧压和弧流调节控制系统20连接至导电铜管4、升降缸3和电弧炉1，同时还连接电源主回路10。

所述弧压和弧流调节控制系统20包括电极调节控制器201与整流控制器202，主要是通过电极调节控制器201控制石墨电极2的上下移动产生电弧，同时根据设定的电弧电压和电弧电流结合整流控制器202对整流器203相位角的控制达到设定值；所述电极调节控制器201控制升降缸3；所述整流控制器202控制两个整流器203，所述整流器203一端连接电抗器204后通过水冷母排6和冰冷电缆5连接导电铜管4至石墨电极，另一端通过底电极母排7连接电弧炉1的炉底。

所述电源主回路10包括电源、通过隔离开关104和真空开关103连接的变压器102主要是对开关的控制达到终止操作控制整个操作过程，所述变压器102连接接地开关101；所述变压器102还连接所述的两个整流器203。

如图2所示为直流电弧炉炼钢生产中实现弧压与弧流自动调节控制的控制网络结构图，该控制网络主要包括电极调节控制器201、整流控制器202和设备监控HMI系统301。

电极调节控制器201采用S7-300系列PLC，配置一块CP343-1以太网卡，下带一个S7-300扩展机架302，实现石墨电极2升降与调节控制、33kV真空断路器103远程控制、整流器203触发脉冲的封锁与释放、电压与电流开闭环的切换以及相关连锁控制等功能；整流控制器202实现整流脉冲的触发、开闭环电流的调节、α角大小的导通及整流器203保护等设备的控制，系统采用西门子SIMADYN-D产品，配置为3块PM6处理器，2块ITDC电流调节卡，1块CS7通信卡，下带两个ET200M远程I/O站303，ET200M远程I/O站与CPU之间均采用现场总线网402连接；设备监控HMI系统8，配SIEMENS公司WinCCV6.0RC系统工控软件，采用工业以太网401通信方式，实现整流控制器202与电极调节控制器201控制参数的在线优化与调整、事件记录、故障报警、实时历史数据跟踪与记录等功能。主要画面有登录引导画面、电极调节画面、冶炼过程画面、整流控制画面、设备联锁画面、参数设定画面、趋势分析画面、报警记录画面、操作记录画面。

整个网络系统以电极调节控制器201为中心，以整流控制器202为执行对象，以设备监控HMI系统8为过程监控，将电极调节控制器201作为整个系统的数据交换中枢，承担着各系统间的数据通讯、数据执行以及数据转换与分配。电极调节控制器201实现真空断路器103的远程控制、石墨电极2的升降与调节控制、触发脉冲的封锁与释放以及电压与电流开闭环的切换控制等功能。整流控制器202实现整流脉冲的触发、开闭环电流的调节、α角大小的导通及整流器203保护等设备的控制。在冶炼过程中，电弧炉本体PLC将来自设备监控HMI系统8上设定的电弧电压和电弧电流值通讯到电极调节控制器201中，电极调节控制器201根据电弧电压设定值自动调节石墨电极2升降，同时将电弧电流设定值发送到整流控制器202中，完成电弧电流的调节。设备监控HMI系统8直观反映冶炼过程，显示设备状态，记录冶炼数据，完成调节参数设定及报警记录、操作记录、网络诊断等功能。在电极调节控制器201、直流电弧炉本体PLC与设备监控HMI系统8之间采用工业以太网通信，提高了系统之间数据处理的速度、可靠性和安全性，同时，为以后系统的扩展及改造提供了先进的网络架构。

如图3为本发明弧流调节原理示意图，将电弧电流设定参考值与电弧电流实际值传递到ITDC扩展模块电流调节板，其中电流实际值是检测到电弧电流并低通滤波后的电流，然后通过PID(ProportionIntegration Differentiation，比例积分微分)调节器进行比较计算，将计算输出的调节参考值传送到脉冲触发功能块，脉冲触发功能块根据触发角a与脉冲的转换关系计算出脉冲信号，再通过脉冲光缆传送到整流器的脉冲变压器，脉冲变压器将光脉冲转换为电信号并放大，然后均匀分配到每个控制晶闸管的阴极，通过控制晶闸管的阴极达到控制整流器电流的目的。

如图4为本发明弧压调节原理示意图，电弧电压设定参考值与电弧电压实际值，同样电压实际值是检测到电弧电压并低通滤波后的电压，通过动态比例调节器进行比较计算，将计算输出的调节参考值与动态阻抗V/I参考值，再通过PID调节器比较计算，将计算输出的调节参考值输出到比例阀，然后比例阀根据线性关系控制电极立柱的升降，若调节过程中出现短路或断弧，利用干扰值进行导前微分控制。

本发明整个弧流和弧压调节工作流程如下：

a.电极调节控制器201设定电弧电压设定值、电弧电流设定值和电弧功率设定值，真空断路器103闭合，接地开关101断开，隔离开关104接通；

b.当自动调节初始条件满足时，电弧炉主控台发生启动指令，电极调节控制器201发出通电开始命令，真空断路器103闭合，接地开关101断开，隔离开关104闭合；

c.通电开始后，整流器控制器202发出释放脉冲命令，同时，电极调节控制器201发出向下运行命令，石墨电极2自动向下运动，直至电弧产生，则停止石墨电极2向下运动；若真空断路器103没有闭合，则石墨电极2停止运动，且停止发出信号，终止操作；

d.若电弧电流稳定，且未达到设定的引弧电流时，整流控制器202向整流器203发出相位角减少信号，相位角以每秒-10°的速度开始减小，直到电弧电流大于引弧电流；当电弧电流大于引弧电流时，电极调节控制器201向整流控制器202发出电压闭环调节信号，开始以每秒-50°的速度开始推动相位角，直到电弧电流达到电流设定的参考值，则石墨电极2进入全闭环电压与电流调节。

本装置运行稳定，调节效果明显，33kV电网功率因数可保持在0.92～0.95之间，减小了整流器、变压器对电网的冲击，提高了功率因素，并且缩短了冶炼时间，减小了吨钢电耗与电极消耗，加快了电弧炉内温度提升。本调节系统通过在杭钢直流电弧炉的应用，掌握了超高功率直流电弧炉控制技术，打破了国外少数厂商对该项技术的垄断，且电弧弧压和弧流控制精度达到国内领先水平。其控制系统性能指标为：

系统运行率≥99.95％

系统运算率≥99.98％.

系统负荷率≤45％

相对吨钢电耗下降≥1％

相对电极消耗下降≥1％

相对冶炼时间下降≥5％

相对功率因数提高≥1％

系统平均无故障时间≥1x105h

HMI画面响应时间≤1s

数据刷新时间≤1s

计算机平均CPU负荷≤45％