CN104486859A - 矿热炉电极做功点自动跟踪熔池液面轨迹的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿热炉电极做功点自动跟踪熔池液面轨迹的方法，通过对矿热炉各个冶炼阶段工艺特点的分析，在出炉阶段和炉温恢复阶段按照恒功率策略自动控制运行；在最大功率阶段、次高功率阶段和出炉前阶段，按照三相电极电弧做功点跟踪熔池液面轨迹相同趋势升降自动运行的策略控制电极升降，分别采用不同的自动控制策略，实现矿热炉冶炼各个阶段电极电弧做功点始终处于同一平面全自动运行，获得增产节能的效果。本发明的积极效果是：在矿热炉冶炼的不同冶炼阶段，运用不同的自动控制原理和方法，控制三相电极电弧功率全过程始终维持平衡状态。从而达到提高电、热效率，降低冶炼电耗，提高产量的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿热炉电极做功点自动跟踪熔池液面轨迹的方法。
背景技术
矿热炉，属电弧炉系列的一种，属于埋弧电弧炉。三相电极分别插入炉料深处一米左右，配有碳材的混合炉料将三相电极两两联接在一起，当炉子送电冶炼时，在料层内产生炉料支路电流；同时，三相电极端部和熔池液面之间放电产生电弧电流。料层支路电流和电极端部电弧电流是矿热炉冶炼的特点，也是和炼钢电弧炉的关键区别。
矿热炉冶炼的产品包括硅铁类、硅锰合金、铬缺、电石、黄磷、刚玉等，它们冶炼的核心理论是：料层支路电流预热炉料，电极端部电弧电流通过还原反应温度场。
矿热炉冶炼过程控制系统必须检测电极电流大小，用来控制输入功率大小，只有如此，才能实现正常的生产过程。目前为止，检测电极电流的方法有三种：第一种是通过检测变压器一次侧输入电流值，来控制输入功率大小；第二种是通过检测变压器三次调压线圈电流大小来计算二次侧电流值，进行控制输入功率大小；第三种是直接在二次侧短网安装大电流检测装置，来检测电极电流大小，用以控制输入功率大小。不管何种检测方法，都只能检测输入电极的总电流大小，无法检测料层支路电流和电极端部电弧电流大小。
矿热炉冶炼过程中，对冶炼生产效果起决定性作用的是料层支路电流和电极端部电弧电流之间比例关系。电弧电流所占比例越高，生产效果越好，反之，生产效果越差。但是，如何才能控制两者之间的比例分配呢？一直以来是业内众多科研机构和专家追求的目标，因为无法直接检测料层电流和电弧电流，所以，至今仍未有确切的答案。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种矿热炉电极做功点自动跟踪熔池液面轨迹的方法，根据冶炼过程不同阶段的特点，通过近似计算电弧电流所占总电流的权重来相应控制冶炼过程电能的输入，达到提高生产效果的目的，从而无需进行料层电流和电弧电流确切值的直接检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种矿热炉电极做功点自动跟踪熔池液面轨迹的方法，包括如下步骤：
第一步、实时采集参数：电极电压U、电极电流It、电极位移Hd、功率因数cos；
第二步、按如下公式计算累计用电量P：
P＝∑(U*It*COS*⊿T)
其中：⊿T为采样周期；
第三步、按如下公式计算单位时间熔池液面升高量⊿Hr：
⊿Hr＝((P/Wg)/m)/((Dr/2)2*∏)
其中：Wg为产品冶炼工艺单耗、Dr为炉膛内径值、m为熔池产品密度；
第四步、计算机进行判断和控制：
设(0,T1]为恢复阶段，(T1,T2]为最高功率冶炼阶段，(T2,T3]为次高功率阶段，(T3,T4]为出炉前阶段，(T4,T5]为出炉阶段；
(1)当0<T≤T1时：
若电极电流It在持续时间段T设内一直小于I设-I死区时，计算机发出电极下降的指令，电极下降，直到满足(I设-I死区)≤It<(I设+I死区)时为止；
若It在持续时间段T设内一直大于I设+I死区时，计算机发出电极上升的指令，电极上升，直到满足(I设-I死区)≤It<(I设+I死区)为止；
(2)当T1<T≤T2时：
首先按如下公式定时计算电极的理论位移值Hs(i)：
Hs(i)＝Hs(i-1)+⊿Hr，其中：Hs(0)为恢复阶段最后时刻的电极实际位移值；
若电极的实际位移值Hd小于(Hs(i)-⊿Hd)时，计算机发出电极上升指令，电极升高，直到满足(Hs(i)-⊿Hd)<Hd≤(Hs+⊿Hd)时为止；
如果Hd≥Hs(i)+⊿Hd时，计算机发出电极禁止上升指令，电极静止不动，直到电极总电流大于电极总电流安全保护值时为止；⊿Hd为设定的电极位移允许偏差值；
(3)当T2<T≤T3时：
首先按如下公式定时计算电极的理论位移值Hs(i)：
Hs(i)＝Hs(i-1)+⊿Hr，其中：Hs(0)为恢复阶段最后时刻的电极实际位移值；
若电极的实际位移值Hd小于(Hs(i)-⊿Hd)时，计算机发出电极上升指令，电极升高，直到满足(Hs(i)-⊿Hd)<Hd≤(Hs+⊿Hd)时为止；
如果Hd≥Hs(i)+⊿Hd时，计算机发出电极禁止上升指令，电极静止不动，直到电极总电流大于电极总电流安全保护值时为止；
(4)当T3<T≤T4时：
首先按如下公式定时计算电极的理论位移值Hs(i)：
Hs(i)＝Hs(i-1)+⊿Hr，其中：Hs(0)为恢复阶段最后时刻的电极实际位移值；
若电极的实际位移值Hd小于(Hs(i)-⊿Hd)时，计算机发出电极上升指令，电极升高，直到满足(Hs(i)-⊿Hd)<Hd≤(Hs+⊿Hd)时为止；
如果Hd≥Hs(i)+⊿Hd时，计算机发出电极禁止上升指令，电极静止不动，直到电极总电流大于电极总电流安全保护值时为止；
(5)当T4<T≤T5时：
若电极电流It在持续时间段T设(比如3－5分钟)内一直小于I设-I死区时，计算机发出电极下降的指令，电极下降，直到满足(I设-I死区)≤It<(I设+I死区)时为止。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：在矿热炉每个冶炼周期的不同阶段，根据料层电流和电弧电流之间占比变化的特点，采用不同的控制策略和方法，维持电极端部电弧电流始终处于较高的平衡状态，达到控制三相电极坩埚区温度平衡稳定，维持较高的生产效果的目的，成功实现了矿热炉冶炼全过程自动可靠、稳定运行的效果。
具体实施方式
一种矿热炉电极做功点自动跟踪熔池液面轨迹的方法，包括如下步骤：
第一步、实时采集参数：电极电压U、电极电流It、电极位移Hd、功率因数cos：
具体的采集方式为：
(1)电网三相交流电经隔离开关、真空开关接入矿热炉变压器初级，经变换后在变压器的次级输出80V到500V的三相交流电，通过由大截面铜管或铜板、软铜电缆组成的大截面短网、导电装置和石墨电极相接，进入矿热炉内，提供电功率；
(2)在变压器的初级或次级装有电流互感器，输出0-5安培的交流电流信号，经三相交流电流变送器变换为0-5V(或0-10V)的直流电压模拟信号，提供给A/D采样板；另一路三相交流电压信号直接取自变压器次级出线排上，是0-500V交流电压信号，经三相交流电压变送器变换为0-5V或0-10V直流电压模拟信号，提供给A/D采样板；
(3)数据转换：A/D采样板将上述六路直流电压模拟信号转换为六路数字信号，并输送给计算机。
第二步、按如下公式计算累计用电量P：
P＝∑(U*It*COS*⊿T)
其中：⊿T为采样周期；
第三步、按如下公式计算单位时间熔池液面升高量⊿Hr：
⊿Hr＝((P/Wg)/m)/((Dr/2)2*∏)
其中：Wg为产品冶炼工艺单耗、Dr为炉膛内径值、m为熔池产品密度；
第四步、计算机进行判断和控制：
设(0,T1]为恢复阶段，(T1,T2]为最高功率冶炼阶段，(T2,T3]为次高功率阶段，(T3,T4]为出炉前阶段，(T4,T5]为出炉阶段；
(1)在恢复阶段，即0<T≤T1时：
若电极电流It在持续时间段T设(比如3－5分钟)内一直小于I设-I死区时，计算机发出电极下降的指令，电极下降，直到满足(I设-I死区)≤It<(I设+I死区)时为止；其中：I设为设定的电流值，I死区为设定的死区电流值；
若It在持续时间段T设内一直大于I设+I死区时，计算机发出电极上升的指令，电极上升，直到满足(I设-I死区)≤It<(I设+I死区)为止；
(2)在最高功率阶段，即T1<T≤T2时：
首先按如下公式定时计算电极的理论位移值Hs(i)：
Hs(i)＝Hs(i-1)+⊿Hr，其中：Hs(0)为恢复阶段最后时刻的电极实际位移值，其中定时计算的时间间隔为1至3分钟；
若电极的实际位移值Hd小于(Hs(i)-⊿Hd)时，计算机发出电极上升指令，电极升高，直到满足(Hs(i)-⊿Hd)<Hd≤(Hs+⊿Hd)时为止；
如果Hd≥Hs(i)+⊿Hd时，计算机发出电极禁止上升指令，电极静止不动，直到电极总电流大于电极总电流安全保护值时为止；⊿Hd为设定的电极位移允许偏差值。
(3)次高功率阶段：T2<T≤T3
首先按如下公式定时计算电极的理论位移值Hs(i)：
Hs(i)＝Hs(i-1)+⊿Hr，其中：Hs(0)为恢复阶段最后时刻的电极实际位移值；
若电极的实际位移值Hd小于(Hs(i)-⊿Hd)时，计算机发出电极上升指令，电极升高，直到满足(Hs(i)-⊿Hd)<Hd≤(Hs+⊿Hd)时为止；
如果Hd≥Hs(i)+⊿Hd时，计算机发出电极禁止上升指令，电极静止不动，直到电极总电流大于电极总电流安全保护值时为止；⊿Hd为设定的电极位移允许偏差值。
(4)出炉前阶段：T3<T≤T4
首先按如下公式定时计算电极的理论位移值Hs(i)：
Hs(i)＝Hs(i-1)+⊿Hr，其中：Hs(0)为恢复阶段最后时刻的电极实际位移值；
若电极的实际位移值Hd小于(Hs(i)-⊿Hd)时，计算机发出电极上升指令，电极升高，直到满足(Hs(i)-⊿Hd)<Hd≤(Hs+⊿Hd)时为止；
如果Hd≥Hs(i)+⊿Hd时，计算机发出电极禁止上升指令，电极静止不动，直到电极总电流大于电极总电流安全保护值时为止；⊿Hd为设定的电极位移允许偏差值。
(5)出炉阶段：T4<T≤T5
若电极电流It在持续时间段T设(比如3－5分钟)内一直小于I设-I死区时，计算机发出电极下降的指令，电极下降，直到满足(I设-I死区)≤It<(I设+I死区)时为止；
出炉阶段，禁止电极上抬，除非电极总电流大于电极总电流安全保护值。
本发明的工作原理是：矿热炉的冶炼过程是一个周期性的过程：出炉---下一炉开始---恢复阶段---最高功率冶炼阶段---次高功率阶段---出炉前阶段---出炉。
恢复阶段：此阶段料层结构杂乱，炉料电阻很高，料层电流占比很小，电极电弧电流占比最高，控制三相电极总电流平衡，生产效果很好。预先设定电极工作电流值，当实际电极总电流大于设定值时，电极上抬，始终保持三相电极总电流平衡，并处于设定值范围内运行；
最高功率阶段：此阶段料层温度已经升高，料层电阻减小，料层电流占比升高。统一的熔池已经形成，三相电极端部对熔池液面放电形成电弧电流。当三相电极总电流平衡时，如果出现料层结构局部碳材分布不均匀，料层电流走向在三相电极之间会出现较大的偏差，从而导致电极电弧电流也出现较大偏差，直接结果就是电极做功点位置高低偏差增大，三相电极坩埚区出现较大偏差，生产效果下降。熔池液面随着冶炼还原过程的不断进行而逐步升高，电极总电流亦随着增大超出设定值范围，电极随即上抬，维持电极总电流处于设定值范围内。
次高功率阶段：此阶段和最高功率阶段类似。
出炉前阶段：此阶段和最高功率阶段类似。
电弧的状态取决于电极端头和放电体的距离、放电体的导电性、电压以及电极周围的温度和炉料介质的电阻特性。在冶炼过程中，随着炉底熔池液面(或渣面)的不断升高，炉料经常性下榻，电极端头因烧损而上移以及熔池导电性的变化，需要适时调整电极的实际位置，以保持炉内电弧功率始终能够处于最佳状态，同时还要能够保持三相电极电弧的弧长基本相同，以维持三相电极释放相同的电弧功率，保持相同大小的还原反应区域，同时使供电系统能够达到的较高的电效率。
Claims (2)
1.一种矿热炉电极做功点自动跟踪熔池液面轨迹的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步、实时采集参数：电极电压U、电极电流It、电极位移Hd、功率因数cos ；
第二步、按如下公式计算累计用电量P：
P = ∑(U * It * COS * ⊿T )
其中：⊿T为采样周期；
第三步、按如下公式计算单位时间熔池液面升高量⊿Hr：
⊿Hr = (（P/Wg）/m)/( (Dr/2)2*∏)
其中：Wg为产品冶炼工艺单耗、Dr为炉膛内径值、m为熔池产品密度；
第四步、计算机进行判断和控制：
设（0,T1]为恢复阶段，（T1,T2]为最高功率冶炼阶段，（T2,T3]为次高功率阶段，（T3,T4]为出炉前阶段，（T4,T5]为出炉阶段；
（1）当0<T ≤T1时：
若电极电流It在持续时间段T设内一直小于I设-I死区时，计算机发出电极下降的指令，电极下降，直到满足 (I设-I死区 )≤It<(I设+I死区)时为止；
若It在持续时间段T设内一直大于I设 + I死区时，计算机发出电极上升的指令，电极上升，直到满足(I设-I死区 )≤It<(I设+I死区 )为止；
（2）当T1<T ≤T2时：
首先按如下公式定时计算电极的理论位移值Hs(i) ：
Hs(i)= Hs(i-1) + ⊿Hr ，其中：Hs(0)为恢复阶段最后时刻的电极实际位移值；
若电极的实际位移值Hd小于（Hs(i)- ⊿Hd）时，计算机发出电极上升指令，电极升高，直到满足（Hs(i) - ⊿Hd ）< Hd ≤（Hs + ⊿Hd）时为止；
如果Hd≥ Hs(i)+ ⊿Hd时，计算机发出电极禁止上升指令，电极静止不动，直到电极总电流大于电极总电流安全保护值时为止；⊿Hd为设定的电极位移允许偏差值；
（3）当T2<T ≤T3时：
首先按如下公式定时计算电极的理论位移值Hs(i) ：
Hs(i)= Hs(i-1) + ⊿Hr ，其中：Hs(0)为恢复阶段最后时刻的电极实际位移值；
若电极的实际位移值Hd小于（Hs(i)- ⊿Hd）时，计算机发出电极上升指令，电极升高，直到满足（Hs(i) - ⊿Hd ）< Hd ≤（Hs + ⊿Hd）时为止；
如果Hd≥ Hs(i)+ ⊿Hd时，计算机发出电极禁止上升指令，电极静止不动，直到电极总电流大于电极总电流安全保护值时为止；
（4）当T3<T ≤T4时：
首先按如下公式定时计算电极的理论位移值Hs(i) ：
Hs(i)= Hs(i-1) + ⊿Hr ，其中：Hs(0)为恢复阶段最后时刻的电极实际位移值；
若电极的实际位移值Hd小于（Hs(i)- ⊿Hd）时，计算机发出电极上升指令，电极升高，直到满足（Hs(i) - ⊿Hd ）< Hd ≤（Hs + ⊿Hd）时为止；
如果Hd≥ Hs(i)+ ⊿Hd时，计算机发出电极禁止上升指令，电极静止不动，直到电极总电流大于电极总电流安全保护值时为止；
（5）当T4<T ≤T5时：
若电极电流It在持续时间段T设（比如3－5分钟）内一直小于I设-I死区时，计算机发出电极下降的指令，电极下降，直到满足 (I设-I死区 )≤It<(I设+I死区)时为止。
2.根据权利要求1所述的矿热炉电极做功点自动跟踪熔池液面轨迹的方法，其特征在于：实时采集参数的方法为：
（1）将电网三相交流电经隔离开关、真空开关接入矿热炉变压器初级，经变换后在变压器的次级输出80V到500V的三相交流电，再通过由大截面铜管或大截面短网依次与导电装置和石墨电极相接，然后进入矿热炉内，提供电功率；
（2）在变压器的初级或次级装有电流互感器，输出0-5安培的交流电流信号，经三相交流电流变送器变换为直流电压模拟信号，提供给A/D采样板；直接取自变压器次级出线排上的0-500V三相交流电压信号，经三相交流电压变送器变换为直流电压模拟信号，提供给A/D采样板；
（3）数据转换：A/D采样板将上述六路直流电压模拟信号转换为六路数字信号，并输送给计算机。
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