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LF电气特性分析及供电制度优化探讨

王义芳，胡志刚，赵英利，李杰

(河北钢铁集团总部，河北 石家庄 050000)

摘 要：采用电气特性优化模型，对河北钢铁集团150tLF炉进行了电气特性曲线分析，计算了1至4档电压下各工作点的电气参数，优化了现有的供电制度，达到了缩短精炼时间，提高LF热效率的目的。研究结果表明：该150tLF炉1至4档电压下的加热速度在2.46～4.25℃/min之间；通过优化供电制度，加热期间的功率因子由0.5提高到0.72，热效率由0.68提高到0.82，加热速度提高了0.93℃/min，吨钢成本可节约4元。

关 键 词：供电制度；LF；电耗

由于LF炉能对钢水成分和温度进行精确地调整，有效地协调初炼炉与连铸机之间的节奏匹配[1]，同时还具有深脱硫、去夹杂和提高钢水洁净度的功能，是目前在国内应用最广的一种精炼设备，90%以上钢种均需通过LF精炼。品种钢一般都需要在LF进行深脱硫、深脱氧和去夹杂，所需的精炼时间也较长，精炼效果对钢的品质影响很大，精炼成本在炼钢成本中占的比重也较大。LF最主要的成本消耗为电耗，其供电制度的制定非常关键，但是目前各厂使用的供电制度比较单一，大多采用了设备出厂时的设定值，很多LF长期处于低效率高电耗的工作点上，缺乏结合工艺和电气两个专业对工作点的选择进行深入研究[2-3]。

在LF炉冶炼过程中，通过分析电气特性曲线，制定合理的供电制度，有利于降低电耗、电极损耗和耐材消耗，对缩短冶炼周期，提高LF炉热效率有重要意义[4]。传统优化供电制度的方法需要经验丰富的专业电气工程师，依据LF的电气特性参数，在坐标纸上手工绘制电气圆图，通过对大量的电气圆图进行分析和比较，选择合适的工作点位，当LF的工作档位较多时，这种手工绘图的工作量很大；并且，在坐标纸上寻找最佳工作点都是基于经验进行的，缺乏定量计算的标准。本研究利用计算机建模方法和数据库技术，建立了电气特性曲线分析的优化模型，只需在软件界面上输入需要研究的LF炉的设备参数，可自动进行寻优，绘出各档位的电气特性曲线图，找出最佳工作点，并制定最佳的供电制度。

依据所开发的电气特性分析模型，笔者对河北钢铁集团150tLF炉进行了电气特性分析和供电制度优化，研究了不同电压档位下各电气量随电流变化的规律，调整了该LF不同生产阶段的供电工作点位置，提高了加热效率，降低了电耗，取得了良好的经济效益。

1 LF电气特性分析方法

LF主要依靠电弧的加热对钢水进行升温，并熔化新加入的渣料。其供电制度的制定是LF操作和运行的关键技术，决定了LF的生产成本、生产效率和精炼钢水的质量。

制定供电制度的实质是根据LF设备参数和工艺参数，在冶炼不同时期依据冶炼目标，选择合适的供电电压和电流，提高LF精炼的热效率，在较低的能量消耗和生产成本条件下完成冶炼任务。分析LF的电气特性是制定供电制度的基础[5]。电气特性是指在同一电压下各个电气量随电流变化的规律。当电压固定后，电流值的变化影响电弧燃烧、炉内热效率、电极消耗、电耗、加热速度和耐材侵蚀等参数。选择合适的工作电流对LF降低生产成本影响很大。

LF精炼周期主要包括精炼初期(化渣阶段)和精炼后期(加热阶段)。制定供电制度需要在不同阶段参照电气特性的分析结果，选择合理的工作电压和工作电流进行供电。采用电气特性分析方法，可以从电气特性曲线上直观地看出电气参数的变化规律和限制条件，指导最佳工作点的选择，达到制定合理供电制度的目标。

1.1 电气特性分析模型

LF通常会有多达十几个电压档位，不同电压档位下还有多个电流档位。如何确定不同精炼阶段的电压档位以及该电压档位下的最佳工作电流档位，就是分析电气特性和制定供电制度的核心。电压档位一般是参照渣层厚度和电气设备的额定功率进行选取，而电流档位的选择则相对复杂，需要在设定电压下对最优电流工作点进行寻优，其实质是优化求解问题。当电压固定时，决策变量是工作电流。因变量是功率因子，目标值是在保证埋弧条件下实现尽可能高的电弧能量。因此，这种寻优过程比较复杂，计算量大，适合采用计算机模型进行优化求解。电气特性分析模型是利用LF电流与电气参数之间的关系，采用计算机编程和数据库技术，编写优化算法，通过设置寻优条件，自动寻找最佳工作点。LF电气特性分析模型的主要算法如表1所示。

此外，在保证电弧功率为最大值的条件下，电弧电流的设定还应满足下列条件[6]：

1)表观功率不超过变压器许用容量：S≤SF；2)工作电流不超过变压器许用电流：I≤In；3)电弧稳定燃烧条件0.77≤cosφ≤0.86；4)较好的电能利用状况cosφ≥0.65，η≥0.90；5)需要避开耐材侵蚀指数Re的峰值区。

1.2 电气特性分析模型计算流程

相同电压下，最佳工作点的选择实质上是对电流的寻优。随着电流值的增加，有功功率先升后降，无功功率则由较小值不断上升，且上升速度越来越快。电弧功率与有功功率类似，也是先升后降，存在一个最大的电弧功率点。实际上，传递到LF的有效热量为电弧功率的一部分。因此，在电弧功率的极值点可以保证最大的加热速度，此时的电流值设定为最佳值I*，最佳的工作电流I*对应着电弧功率的最大值。当电弧功率超过最大值时，随着电流的增加，电弧功率反而减小，此时炉子的热效率开始下降。经济电流Ie对应的位置是有功功率与无功功率相等时。当无功功率超过有功功率后，LF的热效率开始下降。

寻优算法首先要满足电弧的稳定燃烧、较高的功率因子以及设备允许的超载条件，在约束条件范围内进行寻优，模型的迭代计算流程见图1。

2 150tLF的电气特性分析和供电制度研究

2.1 LF炉主要设备参数和原有供电制度

该150tLF炉设计有13个电压档位，前4档电压分别为380、367、355和342V。每个电压档位下设置长弧、中弧、短弧3个电流档位，电流依次增大。原有供电制度只使用第4档电压供电，在精炼初期采用长弧电流档位化渣，后期用短弧档位加热。150tLF的主要设备参数如表2所示。

采用该供电制度存在的主要问题有：1)初期供电噪声大，经常出现弧光闪烁现象，埋弧差、化渣慢；2)加热期间变压器功率因子在0.5左右，电能的利用率和热效率均较低，电耗较高；3)供电初期存在比较严重的三相不平衡问题。

2.2 原有供电制度分析

原有供电制度仅仅使用第4档电压，其他电压档位均没有开发使用。原制度在精炼初期化渣阶段选择长弧供电，不利于埋弧。在精炼后期加热阶段选择短弧供电，功率因子偏低，热效率低，需要根据电气参数进行优化。由于在精炼初期，渣层较薄不易埋弧，此时易采用短弧供电来保证埋弧效果，精炼后期炉渣造好后，在加热期可以适当增加弧长，根据不同弧长的加热效果和埋弧效果，按照最接近最优工作点的位置工作，保证最佳的加热效率以降低电耗。分析发现造成供电三相不平衡的原因主要是，一方面底吹透气砖的位置设计与电极位置重叠，底吹过大时造成电极晃动，需要降低供电时的底吹氩气流量；另一方面化渣不好和采用长弧档位供电埋弧不好。

3 供电制度优化方案

3.1 供电制度制定的准则

本文制定供电制度的原则是在较高的功率因子条件下，优先考虑最快的加热速度，其次再考虑最佳经济加热速度，其原因是目前大多数厂家在生产组织安排中，均以连铸为调度中心，以精炼时间作为缓冲时间来满足连铸浇钢，大部分厂家LF的精炼时间都比较紧张，特别是一些大断面高拉速的铸机，对精炼时间要求更短，而最快的加热速度能缩短精炼时间和生产周期。同时，较高的功率因子能保证较好的经济性和较高的热效率。供电制度的制定包括不同冶炼阶段的电压档位和电流档位的选择。

3.2 电压档位的选择

电压档位的确定是根据冶炼过程对钢水升温的要求以及不同冶炼阶段炉渣的状况确定的。在冶炼初期，新加入的渣料未完全熔化时，需要根据炉渣厚度和不同电压档位的电弧长度来选择电压。研究表明，只有当渣厚超过弧长的2.5倍以上时，电弧才表现为埋弧燃烧，才能实现电能的有效利用。随着冶炼过程的进行，渣层厚度是不断变化的，经过实测，LF进站渣厚控制在在100～150mm之间，到精炼后期，炉渣厚度可达250～300mm。

由于弧长与电压成正比，与电流成反比，所以可依据计算模型得到不同电压和电流下的弧长。通过比较弧长与渣厚的关系，参照选择工作点，确认了前4档电压下不同电流档位的弧长(表3)。在精炼前期，由于渣层较薄，宜采用低电压高电流供电，以达到良好的埋弧效果，提高电能的利用率。进入精炼中后期，随着渣料的加入和熔化，炉渣厚度不断增加，此时可以使用高电压和低电流档位供电，以实现较快的加热速度和较低的电能消耗。因此，参照表3的弧长数据和实际渣厚情况，精炼初期可供选择的工作点较少，仅有第3档短弧、第4档中弧和短弧能实现埋弧，而精炼后期各档位基本都能实现埋弧。

3.3 电气特性曲线与电流档位的选择

满足埋弧条件后，要达到最快的加热速度和较好的经济性，还需要依据电气特性对各工作点进行加热速度、表观功率消耗等参数的比较分析。在相同电压档位下，需要计算不同工作点下的电气特性参数并进行比较寻优，确认最佳工作的电流值I*。

表4为依据电气特性模型计算得到的各档位下的电气参数。其中S为变压器表观功率，要求尽可能不超过变压器的额定功率，表观功率越小输入能量越小，电耗越低；Parc为电弧功率，在保证埋弧的条件下为输入钢水中的有效能量，与加热速度v成正比；Q为无功功率，cosφ为功率因子，η为热效率，最佳工作点是指以最小的表观输出功率达到最大的电弧输出功率时的电流值I*，即该档位下的最快加热速度。从表4中可以看出，除了第一档380V档位的中弧档最接近最佳工作点外，其他电压下都是长弧档最接近最佳工作点。因此，在加热期为了确保最快的加热速度，同时要求较低的电耗，应优先选择最靠近最佳工作点的档位供电，有利于快速升温和节电。

3.4 优化后的供电制度

综合考虑变压器的容量、过载、埋弧效果、加热速度和电耗等参数，精炼初期(化渣阶段)选择第4档短弧供电。这主要是因为该期间能满足埋弧条件的档位有第3档短弧和第4档中弧和短弧，但是第3档短弧存在超载的问题，第4档短弧的埋弧效果最好，有利于初期化渣。精炼后期(加热阶段)，随着渣厚的增加，埋弧不再是限制性环节。因此，可换档到第4档长弧。由于切换该档位时不用带电调电压，比较安全方便，该档位下加热速度更快，电耗较低，离经济电流值最近。精炼后期如果需要更快的加热速度，可换档到第1档中弧或者第2档长弧。

新的供电制度为：在生产节奏平稳时，以第4档作为供电电压，精炼初期采用短弧供电，在精炼后期采用长弧供电。这种方式无需带电切换电压，操作安全方便，同时也明显提高了供电的功率因子和热效率。当生产节奏紧张时，需要更短的精炼周期，可采用精炼初期使用4档短弧供电，精炼后期使用1档中弧供电的供电制度，以达到最快的升温效果。

4 试验结果与分析

4.1 工作点优化分析

利用电气特性优化模型，绘制了第4档电压下的电气特性曲线图(图2)。可以看出，在第4档电压下，电流越大，弧长越短，该电压档位下设置的长中短3个弧长档对应的工作点位置分别是图2中a、b、c处，3个工作点的弧长分别为78.3、39.8和27.1mm。该电压下最佳工作点位置在I*处，图中a点离最佳工作点最近，是3个工作点中加热速度最快、也最省电的。c点是加热速度最慢、电耗最大的，但是c点的弧长最短。b点介于两者之间。由于精炼初期的渣厚一般小于150mm，为保证埋弧效果，化渣期间需要先采用c点进行短弧供电，待初渣化好后，渣厚可以达到300mm，此时可选择a点供电，加热速度最快且电耗小。

4.2 造渣和埋弧效果

通过对供电工作点的优化，调整了精炼初期的供电制度，初期改用低电压短弧供电。同时，结合供电制度，调整了造渣制度和吹氩制度，减弱了供电期间的吹氩强度。调整后，埋弧效果得到明显改善，没有再出现弧光闪烁的情况，初期供电的噪声下降，化渣速度加快，供电平稳性增强。

4.3 节电效果

通过优化供电制度，大幅度降低了吨钢电耗。图3为优化供电制度过程中，现场测试的第4档(342V)电压下长弧(a)、中弧(b)和短弧(c)3个工作点下的电耗。可以看出，在加热期用工作点a替代原来采用的c点供电，电耗每秒可下降2.5kW·h，同时加热速度还可提高0.93℃/min。按照加热升温平均8min/炉计算，每炉约可节约1200kW·h，吨钢成本可下降4元。从表4可见，优化供电制度后，功率因子由0.5提高到0.72，LF的热效率由0.68提高到0.82。

5 结论

1)利用笔者开发的电气特性优化模型，可快速分析LF炉的电气特性参数并制定最佳供电制度。

2)通过电气特性优化模型，计算了150tLF炉1至4档电压下不同工作点的电气参数和最佳工作点的位置。该LF的升温速度在2.46～4.25℃/min之间。

3)依据电气特性优化模型，对该LF进行了供电优化。优化后的功率因子由0.5提高到0.72，热效率由0.68提高到0.82，加热速度提高了0.93℃/min，吨钢成本可下降4元。

参 考 文 献：

[1]   张鉴.炉外精炼的理论与实践[M].北京：冶金工业出版社，1993.

[2]   胡志刚，赵彦华，孙玉虎，等.120tLF供电曲线的优化[J].特殊钢，2007，28(5)：45.

[3]   阎立懿，肖玉光，李延智，等.LF炉变压器容量及技术参数确定[J].冶金设备，2006，157(3)：55.

[4]   姜周华，唐东，李花兵，等.LF炉运行电抗模型及供电优化[J].中国冶金.2007，17(1)：17.

[5]   黄有明，白熙敬，张莹君.电弧炉电气特性测试计算及优化配电曲线应用软件[J].节能，1992(9)：36.

[6]   李伟立，李士琦，刘仁刚.现代电弧炉炼钢[M].北京：原子能出版社，1995.