矿热电炉最佳运行参数的探讨

尽管矿热炉运行是一个复杂的电－热化学过程，但是，如果我们针对一台电炉，只取电耗和产量两种 参数研究，在电炉熔炼的各自不同阶段都是有以最低电单耗获取最高产量的目标可循的。从电能输 入、原料适量搭配入炉，到产品入库，由于都有高精度的计量器具计量，因此，只要生产管理者将 入库产品与所对应的时间的电耗量严格把关，再排除人为以及设备故障等意外因素的干扰，这样，本文研究对象(产品电单耗和日产量 )就会有明确的最佳值。 　　我们将运行中的电炉应如何选择电压级和用多大的电极电流 (或一次电流 )作为遵循原则和依据方式给定操作，称作运行方式。在阐述理想的最佳运行方式之前，将当前绝大多数矿热炉的运行方式作如下分析。 1矿热电炉当前习用的运行方式 1. 1以电炉变压器铭牌规定的最大允许一次电流 I1N为遵循依据的运行方式 　　按 I1N方式运行的电炉，如果电炉的电压级恰选为“中档双恒级”——既恒视在功率，又恒二次最大电流时的电压级，假如电网电压也恰为额定值，那么 I1N运行方式也同时是恒视在功率 SN。此时，电极电流恒为变压器最大允许电流。这种设计的电炉，一般只有一次电流表，而无二次 电流表。因此，当电网波动长期偏离定值时，如果操作者仍保持原一次电流不变，则由于电网电压的波动或长期偏高偏低，炉内电极电流已无形中失调了，这一点并不为人们所注意。　　人们往往不注意随电网电压偏高时降低给定电流， 随电网电压偏低时调高电压级适应炉况，有的仍保持原电流甚至加大电流，片面追求表面上可能的高产，电能浪费十分惊人，成本居高不下。 　　这类电炉是最适宜考虑选择按最佳运行方式优化运行的。 1. 2以电炉变压器二次侧最大允许电流 IN为遵循依据的运行方式 　　按电极电流 IN值运行的电炉，一般设计安装有测量电极电流的电流表。 IN方式与 I1N方式相比， I1N方式受电网电压波动影响较小，只需按变压器铭牌规定的最大二次电流给定即可。 　　按 IN方式运行的电炉，也要看电压级选择得如何，如果选择为中档双恒级，可同样达到额定视在功率 SN运行，此时，变压器设备利用率最高。但如选择的电压级低于中档级，则受 IN限制，视在功率 S　　这类电炉，当产量、电单耗明显不良时，也应考虑选择按最佳运行方式优化电炉运行。 1. 3按恒阻抗 Z运行的方式 　　对于一般大电炉 (SN≥ 20 MVA)，它的功率特性曲线较软，有的甚至不能按额定电极电流 IN给定运行。当电极电流给定值小于额定值时的运行效果反而好。此时获得的有功功率、熔池功率 (对应功率因数及产量 )比按额定电流给定运行还高。 　　对于这类电炉，则适合按使有功功率最大的方式运行，亦即以恒阻抗 Z的运行方式运行。 　　这种电炉，如果选择的电压级比较高，在额定视在功率 SN范围内，电极电流还可能按达到或接近额定值给定运行，电压级选择得越低，电极电流越要减少 (恒阻抗 Z)。 　　产生这种现象的内在机理是设备阻抗偏大即设备阻抗为主的隐性约束作用的结果。 1. 4使熔池功率最大（ Pc(max)）的运行方式 　　这是恒阻抗运行方式中的一种最优方式，对于适合恒阻抗 Z运行方式的大电炉，可进一步考虑按 Pc(max)方式运行。宜在 Z方式运行并已取得了电炉功率特性测试数据后实施。 　　Pc(max)方式又是可以体现使设备损失功率Σ P(俗称“线损” )最小，从而可使 (入炉的 )熔池功率最大，同时产品电单耗也可达到相应条件下的最低的一种电气参数最佳运行方式。 　　文献 <1>中详细推导出了 Pc(max)方式的电极电流 IPc(max)计算公式，并给出了此时的熔池电阻在“数值上”恰好等于设备阻抗的结论。 　　Pc(max)方式虽然也是本文推荐的一种 (属电气参数 )最佳运行方式，但实际 Pc(max)方式只限于设备阻抗相对偏大的大电炉，并且必须以 IPc(max)≤ IN为限。 1. 5优化班耗电量作业法 　　本法尚未形成运行方式，只是一种探索最佳有功功率的方法。它是电炉冶炼作业班组之间自发实 行的一种优化班日耗电量累计值即如何调控适宜的有功功率的一种操作法。此法实际是将原料、操作、电网电压波动、设备性能等诸因素综合考虑后，确定出最佳耗电量(有功功率 )及最适宜的给定电极电流供各班 (动态 )遵循，以取得电单耗最低相对产量最高的实效。为稳妥起见，本文旨在从理论上入手，通过搜集资料测试数据找出存在问题的真正原因，考虑实施最佳方式运行，以获取最终解决问题的办法。　　综上所述几种习用的运行方式，由于未与电炉的广义短网 (包括电炉变压器、软补偿段、主短网铜排或铜管、裸式或水冷软电缆、炉内导电铜管、铜瓦、电极等在内的全部大电流回路 )设备的电阻、电抗 (r＋ jX，亦即设备阻抗 )相关联或匹配；或是未与炉内产品特性常数 Kt以及炉型尺寸相关联匹配，因此还不是最佳运行方式。 2设备阻抗与产品特性常数相匹配的最佳运行方式　　文献 <1>中的表 2和文献 <2>中的表 1汇总并分析了国内外学者的这一部分资料 (注：文献 <2>中表 1中序号 7CI应为 0. 10796；表后注③应为 Kc=· Kd,Kd=1 000 a)。 　　在文献 <2>中，推出了以电极电流 I为自变量的以下计算公式：　　每相熔池电阻： (1)　　每相电极电压 (2) 三相熔池功率 (3)　　式 (1)、 (3)的形式，还可以从文献 <3>见到最早的译文报道。各式中系数，由本文作者命作 Kt并将其称之谓产品特性常数。 　　威氏和斯氏公式通过具体量化常数把冶金条件与电气条件严密地关联起来，因此使后人在着手进行电炉设计或运行参数的选择计算时，可以在既定产品，同种原料前提条件下，只须从熔池电阻RC、熔池功率 PC、电极电流 I和每相电极电压 UC等“炉内电气四参数”中确定其中之一即可，其余按电工公式如 UC=IRC， PC=3IUC=3I2RC计算求得。如此运行， Kt即已内定为常数，此时可体现电效率与炉内热效率二者之乘积即综合效率最高。这是本文讨论电炉最佳 (设计 )运行的重要理论基础。 　　对于即定产品品种、同种原料，笔者认为，威氏通过对 2～ 50 MVA的近百台电炉进行测算获得的数据，及斯氏同样给出的数据 <2>时，矿热电炉产品相应十大品种的原料配比是典型的，至今仍然适用。至于十大品种以外的派生或细化品种的 Kt值，可以通过利用主导产品 (如锰硅合金 )在冶炼生产实践中测算获取该品种 (如高硅锰硅合金 )的数据。 2. 1求取炉内电气四参数的计算公式 　　如前所述，炉内电气四参数，只确定其一即可：由产品产量 G，引入折纯电单耗 AC,计算三相熔池功率 PC，是途径之一，参见文献 <1>；若能知道熔池电阻 RC或电极电流 I或每相电极电压 UC，也要求必须在同品种、同产量的条件下方可采用。 　　对于设备阻抗 (r＋ jX)与炉内产品特性常数 Kt相匹配的最佳运行方式的电气四参数，这里优选电极电流 I的计算，但须在已经确定了产品品种查出 Kt值并已知或确定了设备阻抗后进行。 　　按同时满足以下二式并联立方程组： 可求得以电极电流为自变量的表达式： （ 5）　　令 x=，式 (5)可化为一组四次方程，求解即可。 　　应注意的是：电压级电压要在计算电网电压波动偏离系数后代入，设备阻抗用该电压级下的值。 一般来讲，设备阻抗是常数，但受变压器各档影响有微小变化应尽量计入。另外，如果电炉只有一次电流表，无电极电流表监控操作时，则应先改过来。2. 2求取 RC值的逐次逼近法 2. 2. 1选取电压级电压 U(同样计及电网电压波动系数 )。 2. 2. 2首选一个可能达到的有功功率 P着手计算。 2. 2. 3代入下式计算功率因数： （ 6） 2. 2. 4计算视在功率： （ 7） 2. 2. 5计算电极电流： （ 8） 2. 2. 6计算阻抗： （ 9）或 (10)2. 2. 7计算电阻： R=Zcosφ（ 11）或 (12)2. 2. 8计算熔池电阻： RC=R－ r（ 13)　　将式 (13)计算结果与式 (1)的计算结果比较，若相差较大，则取二者平均值代入式 (14)求新一轮电阻和阻抗 R=RC＋ r(14) (15)　　按式 (10)求得新一轮电极电流： （ 16） 　　如此计算，直至计算出的新一轮或几轮的熔池电阻与由式 (1)新求出的 RC值相等或接近的满意程度为止。 3炉型四尺寸与产品特性常数相匹配的工艺双最佳运行方式 　　文献 <1>中表 2详细列出了电极直径 d，电极中心距 L1，边心距 L2. 1和炉膛深度 H2等炉内四尺寸 (L1与极心圆直径 D1， L2． 1与炉膛直径 D2等可直接互算 )，以及相应系数 a1， b1、 b2， c1、 c2， d1、 d2等；应用文献 <2>中表 1时也请注意 Kt的酌情选择可使计算结果吻合度提高。 3. 1求炉内电气四参数的计算公式 　　通过炉型参数反求适宜的炉内电气四参数的其中之一、两项，适合于运行中的电炉最佳运行计算。其计算公式如下： 3. 1. 1由电极直径 d及其系数 a1等求： 电极电流： (17) 三相熔池功率： (18)3. 1. 2由电极中心距 L1及其系数 b1、 b2求：　　电极电流： (19) 三相熔池功率： (20)3. 1. 3由边心距 L2. 1及其系数 c1、 c2求： 电极电流： (21) 三相熔池功率： (22)3. 1. 4由炉膛深度 H2及其系数 d1、 d2求： 每相电极电压： (23) 三相熔池功率： (24) 或，电极电流： (25)　　式（ 17）～（ 18）以外的电气参数由前所述公式计算。 　　电极电流按满足