1概述

直流煉鋼電弧爐在冶煉過(guò)程中,，其初始熔化,、熔化、氧化和還原各個(gè)階段對(duì)供電制度（即電壓,、電流的大?。┯兄煌囊螅郧蠊?jié)能降耗,、提高工效,、達(dá)到最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),。

與交流煉鋼電弧爐的控制方式不一樣，直流電弧爐的弧壓（即電弧電壓）和弧流（即電弧電流）的大小是由兩套完全獨(dú)立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)分別控制的,，弧壓和弧流可以線性地分別獨(dú)立地進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),，以滿足冶煉工藝對(duì)供電的要求。

弧流調(diào)節(jié)系統(tǒng)以晶閘管整流器作為調(diào)節(jié)對(duì)象,，電弧電流自動(dòng)閉環(huán)穩(wěn)流調(diào)節(jié)器控制晶閘管整流器直流輸出電流,，有靜態(tài)情況下，自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)可以保持弧流恒定不變,。在有效控制范圍內(nèi),，弧壓的變化不會(huì)引起弧流隨之而變，這樣就為獨(dú)立調(diào)節(jié)弧長(zhǎng)和弧壓創(chuàng)造了條件,。

直流電弧爐在冶煉過(guò)程中,，電極升降控制系統(tǒng)以電極定位機(jī)構(gòu)為控制對(duì)象，其主要作用是調(diào)節(jié)電弧弧柱的長(zhǎng)度（即弧長(zhǎng)）,。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料分析,，電弧電壓Va和電弧長(zhǎng)度la之間近似地存在著以下關(guān)系：

Va=kala

式中ka=0.6～1.1V/mm稱之為電弧電壓梯度，弧壓梯度大小的變化取決于爐內(nèi)的氣氛,。相對(duì)于弧流和弧壓的變化速度而言,，認(rèn)為ka值的變化十分緩慢，可近似地看作常數(shù),。由此可見(jiàn),，弧壓與弧長(zhǎng)成近似的線性關(guān)系。調(diào)節(jié)弧長(zhǎng)的長(zhǎng)短相當(dāng)于調(diào)節(jié)弧壓的高低,。當(dāng)弧流恒定不變時(shí),，調(diào)節(jié)弧長(zhǎng)也相當(dāng)于調(diào)節(jié)電弧功率的大小。因電弧功率Pa=IaVa,。所以,，電極升降控制系統(tǒng)性能的好壞直接影響電功率的輸入和電爐的運(yùn)行狀態(tài)。

2存在的主要問(wèn)題和原因分析

甘肅華藏冶金集團(tuán)特殊鋼廠兩臺(tái)標(biāo)稱容量為5噸的直流煉鋼電弧爐于1997年開(kāi)始投入試運(yùn)行,，投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)電極升降控制系統(tǒng)工作不正常,，存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)為：

（1）運(yùn)行不穩(wěn)定，電極竄動(dòng)頻繁,、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),，電爐不能連續(xù)穩(wěn)定地獲得有效的電弧功率輸入；

（2）弧壓低,，在交流電壓最高的第五檔,，弧壓（直流）值也只能達(dá)到250V左右，嚴(yán)重地限制了電弧功率的提高，變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)也相對(duì)較低,；

（3）弧壓調(diào)節(jié)范圍小,，實(shí)際弧壓值不是跟隨給定弧壓值線性地變化?？刂菩阅懿荒軡M足冶煉工藝的要求,不能準(zhǔn)確地將弧壓穩(wěn)定在給定的值上,；

圖1原調(diào)節(jié)器基本原理圖

圖2弧壓和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器基本原理圖

（4）電路故障率高，經(jīng)常停電檢修,，調(diào)整或更換元器件,，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

根據(jù)試運(yùn)行過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題,，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)觀察和對(duì)控制電路系統(tǒng)的認(rèn)真分析,，認(rèn)為發(fā)生以上問(wèn)題的主要原因有以下幾個(gè)方面：

（1）仍沿襲交流電弧爐的控制概念，存在概念不清的問(wèn)題,。以弧壓給定和弧壓反饋信號(hào)之差值作速度調(diào)節(jié)器之給定,，未設(shè)差值放大環(huán)節(jié)。原調(diào)節(jié)器電路圖如圖1所示,，是原有的電極升降調(diào)節(jié)器的基本電路原理圖。由圖可見(jiàn),，該電路中沒(méi)有設(shè)電弧電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),，反饋的弧壓信號(hào)Uf經(jīng)4N2組成的比例放大器進(jìn)行比例系數(shù)變換之后直接與給定電位器輸出的弧壓給定信號(hào)Ug進(jìn)行串聯(lián)比較，比較的結(jié)果產(chǎn)生的差值信號(hào)直接作為速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器的給定,。比較差值信號(hào)沒(méi)有進(jìn)行放大,，二者之間的靜差太大，使得反饋與給定之間不可能有很好的跟隨性能,。從而導(dǎo)致弧壓調(diào)節(jié)范圍小,，不能準(zhǔn)確地將弧壓穩(wěn)定在所給定的值上，而且限制了弧壓的提高,。即使在最高電壓檔（AC250V）,，弧壓（直流）也只能在250V左右來(lái)回?cái)[動(dòng)。同時(shí),，也導(dǎo)致變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)偏低,。

（2）電路設(shè)計(jì)方面存在的問(wèn)題較多?？刂瓢迳峡刂齐娫床捎脝蜗嗾麟娐?，穩(wěn)壓器輸入端沒(méi)有足夠容量的電容器進(jìn)行濾波。導(dǎo)致控制電源,，尤其是主電源上的紋波成分相當(dāng)嚴(yán)重,，直接干擾電路正常工作。

輸入調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)和給定信號(hào)電路,，都沒(méi)有設(shè)置必要的濾波環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,。信號(hào)上疊加的瞬態(tài)干擾信號(hào)容易導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定,。

從調(diào)節(jié)器上引出到操作臺(tái)去的來(lái)回連接線太多，這些外引線在傳輸信號(hào)的同時(shí)也會(huì)將環(huán)境中的電磁干擾信號(hào)引入控制電路,。作為長(zhǎng)距離弱信號(hào)傳輸線,，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采取一些必要的隔離，濾波和保護(hù)措施,，原電路設(shè)計(jì)中都沒(méi)有予以足夠的重視,。速度調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)沒(méi)有設(shè)限幅電路，導(dǎo)致觸發(fā)器移相范圍的上,、下限不固定,，容易漂移，致使送到力矩電機(jī)的電壓不對(duì)稱,。

主電路采用半控式晶閘管和二極管模塊,，雖可以降低部分成本和減少部分觸發(fā)單元，但不容易保證交流調(diào)壓電路輸出的電壓波形完全對(duì)稱,。電壓波形不對(duì)稱對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能影響是不可忽視的。

控制電路中元器件參數(shù)選擇不盡合理,，各參數(shù)之間不匹配。由于參數(shù)不匹配,，導(dǎo)致電路的性能無(wú)法得到保證,，甚至使其工作性質(zhì)都發(fā)生了變化，致使元器件損壞現(xiàn)象嚴(yán)重,。

（3）元器件和制作方面的質(zhì)量問(wèn)題也比較突出,，故障隱患多?？刂瓢迳系牟糠衷骷?shù)經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)整定和頻繁的更換,，使得電路板上存在很多的脫焊、虛焊,、隱性短接和插接點(diǎn)接觸不良等現(xiàn)象,，影響電路板可靠、穩(wěn)定的工作,。

3技術(shù)改進(jìn)措施和運(yùn)行效果

針對(duì)上述存在的問(wèn)題和原因分析,，在原有基礎(chǔ)上,，根據(jù)現(xiàn)有條件對(duì)電極升降控制系統(tǒng)作了部分改進(jìn),，具體改進(jìn)措施和運(yùn)行效果如下：

（1）調(diào)節(jié)器的改進(jìn)

原有系統(tǒng)中只有一個(gè)速度調(diào)節(jié)器,，是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)，電弧電壓反饋信號(hào)僅僅作為一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)在系統(tǒng)中起作用,。考慮到電極升降控制系統(tǒng)的最終控制目標(biāo)是穩(wěn)定弧壓,，應(yīng)該對(duì)弧壓進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制,。設(shè)置一個(gè)自動(dòng)閉環(huán)的弧壓調(diào)節(jié)器作外環(huán)，將速度調(diào)節(jié)器作內(nèi)環(huán),。改進(jìn)后的內(nèi)、外環(huán)調(diào)節(jié)器基本原理圖如圖2所示,。由圖2可見(jiàn),，改進(jìn)后的調(diào)節(jié)器是一個(gè)由弧壓調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的典型的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器系統(tǒng),。將弧壓給定和弧壓反饋信號(hào)由串聯(lián)比較改為并聯(lián)比較，將兩組公共點(diǎn)沒(méi)有連通的＋15V、－15V電源的公共點(diǎn)連通,。

（2）更換,、調(diào)整部分元器件及其參數(shù)

為了適應(yīng)控制電路的整體要求,，除調(diào)整控制電路的電路結(jié)構(gòu)之外,，對(duì)電路中部分元器件進(jìn)行了更換，或調(diào)整其參數(shù),，以滿足系統(tǒng)的基本要求,。

弧壓調(diào)節(jié)器按大慣性調(diào)節(jié)器設(shè)定元器件參數(shù)，其靜態(tài)放大倍數(shù)設(shè)定在3～6倍之間,，以提高實(shí)際弧壓與給定弧壓之間的跟蹤性能,，同時(shí)減少二者之間的靜態(tài)差值。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按小慣性調(diào)節(jié)器選配元器件參數(shù),，以提高力矩電機(jī)動(dòng)作的靈敏度,。其靜態(tài)放大倍數(shù)控制在3～5倍范圍內(nèi)。

在現(xiàn)有條件下對(duì)電路板進(jìn)行重新修復(fù),，盡量減少因制作質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的故障隱患,。

（3）運(yùn)行效果

電極升降控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)方面的改進(jìn)和重新修復(fù)后，于1998年10月份投入系統(tǒng)使用,。從使用情況看，改造的基本目的完全達(dá)到了,，這主要表現(xiàn)在:

①電極竄動(dòng)現(xiàn)象明顯減少。除因個(gè)別輕薄爐料在熔化中引起一些竄動(dòng)之外，一般情況下不會(huì)發(fā)生明顯的竄動(dòng)現(xiàn)象,，能夠保持連續(xù)穩(wěn)定地供電,，對(duì)加快熔化速度產(chǎn)生了明顯的效果,。

②最高電壓檔的弧壓電壓（直流）有明顯的提高，由原來(lái)的250V左右提高到300V左右,，并且能夠?qū)⒒罕容^準(zhǔn)確地穩(wěn)定在給定值上,，這樣就可以連續(xù)穩(wěn)定地將電弧功率由3500kW提高到4200kW，提高約20％,，電弧功率的提高對(duì)加快冶煉速度,、縮短冶煉時(shí)間具有明顯的作用。

③電弧電壓能夠比較好地跟隨給定弧壓,。其有效調(diào)節(jié)范圍和線性性都能滿足冶煉工藝的要求,，為獲得最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)創(chuàng)造了條件。力矩電動(dòng)機(jī)損壞次數(shù)明顯減少,。

盡管取得了以上三個(gè)方面的效果,，但由于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作存在先天不足，電路工作的穩(wěn)定性仍不十分理想,，元器件損壞的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生,。

4結(jié)語(yǔ)

直流電弧爐電極升降控制方法有別于交流電弧爐電極控制方法，應(yīng)該設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán),、弧壓調(diào)節(jié)為外環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng),。電路中元器件參數(shù)的選取極為重要，必要的保護(hù)措施也必不可少,。制作質(zhì)量的好壞直接影響設(shè)備的可靠性和正常運(yùn)行,。作為成套供應(yīng)商應(yīng)選擇專業(yè)廠家定制此類關(guān)鍵設(shè)備。