冶炼电流、 电压的调节对高效冶炼硅锰的影响

冶炼电流、 电压的调节对高效冶炼硅锰的影响

张传仕

中信大锰钦州新材料有限公司

摘要 本文论述了调节电流、电压对提高电炉产量、节能的可行性和必要性，介绍了硅锰冶炼中电流电压的调整原理及计算确定方法，

关键词 电流；最佳控制；电压；调节；硅锰；熔炼

1. 硅锰合金组成结构和冶炼方式简介

硅锰合金的冶炼有别于一般高炉和中频炉等的冶炼，高炉是热风炉，通过热风热对矿石进行熔炼高温还原。中频炉通过电磁加热进行冶炼。而铁合金硅锰合金的冶炼是通过，三个导电电极【内充满烧成结晶状态的自培电极糊（由固体碳素材料和粘结剂组成)】深插于由锰矿石、焦炭、硅石、莹石等原料中加热。通过电炉特种变压器—短网—电极通电产生电弧，电流热进行熔炼，矿石经过高温充分熔解，生成硅酸盐后通过碳C还原成硅锰合金产品。入炉冶炼电功率方式是大电流、低电压。6300KVA~12500KVA电炉，二次电压165V以下。12500KVA以上，冶炼二次电压在165~250V之间。而冶炼的二次电流则几万到十几万、甚至几十万安培不等，不同的电炉参数不同。功率越大的电炉则冶炼二次电压越高，冶炼二次电压取决于硅锰电炉的三个电极生成的圆周直径，以及电炉对产弧弧光的要求。电炉功率越大极心圆直径越大，那么电压就会越高，但一般不高于280V，主要是考虑电炉的绝缘条件承受能力。生产过程根据炉况不断的调节电压电流，以达到最大和最佳的冶炼功率，减少损耗、热量流失，提高产能。而怎样把电炉冶炼电流、电压做到最合理的匹配，是我们要探讨的目的。

2. 治炼电流的控制

那么硅锰生产冶过程中，是不是电流越大来冶炼、效率就越高、产量就越高、效果越好呢，答案是否定的。每个电弧炉都有其固定设计的参数，电炉在设计好之后，某些参数就会定死（多大容量的电炉以KVA为准，那么参数就有一个标准，比如短网尺寸，极圆心、电极筒直径等已然确定）。所以我们要讨论的是一定容量下电炉的最佳冶炼效果。

因为铁合金电炉变基本都需要超负载运行，所以从电效率的角度出发的，冶炼电流是由短网的参数和特性决定的，也就是说冶炼电流的大小由短网（一般为紫铜材料做成）来决定，必须在短网的承受能力之内，找到最佳的电流进行冶炼。通常刚开始时，电炉的功率随着电流的增加而增加（电炉内生料变熟料的过程），然当电流增加到某个值的时候，短网的损耗增加速率高于电炉的入炉功率，冶炼功率反而减少。原因是短网感抗_L= ，感抗消耗功率跟电流的平方成正比。因此这时盲目提高电流则会增加损耗、降低（冶炼功率）电效率。所以冶炼功率达到最大值时的电流就是“最佳工作电流值”

怎样获得“最佳工作电流值”，根据生产现场来举例：比如变压器一次侧额定电压为U₁=35KV，二次侧冶炼电压为 ，如果忽略电炉变压器变损，则变压器的变比为：K=35KV/100V=350。取一个常用的冶炼电流（或额定电流），如取一次电流 A，测出该电流在一个稳定冶炼时区（15分钟为例）的功率因数 ， ，由此可求出短网系统的参数：

计算感抗： （1）

计算感抗： （2）

是由短网系统的电阻 和电弧等效电阻 组成，即 。

随炉况的变化而变，而 是一常数，可用测量短网电压降的方法求出

P—功率 用“千瓦” U—电压 单位“千伏” 功率因素，以电炉的实际平均值计算

R—短网的电阻 —导体的电导率 T1紫铜管0.0168 L是导体的长度，单位米

当一次电流为180 A（二次电流是63000A）时，按上公式计算 U_短= 7.4V，那么短网电阻是 1.17 ,由此可见

根据上面的基础计算公式，则在任意的电流冶炼时，下面的等式成立都可进行计算：

电网提供的有功功率：

（KW） （3）

短网系统损失的有功功率：

（KW） （4）

电弧有效有冶炼功率为：

（KW） （5）

从上面的公式得知，Pm是 的函数，当我们得到Pm最大值时的入炉电流值 就是“最佳工作电流值”的值。

例如当上例中的电炉的有效感抗 ， V时，经计算可得二次电流 A，折算成一次电流 A。再检查电炉变压器的负载情况和短网允许通过的电流情况，当其可以承受的这个值，就是该档电压下的“最佳工作电流值”。在冶炼中，电流小于最佳工作电流值以前，冶炼功率随电流的增加而增大。当电流大于最佳工作电流值后，冶炼功率随电流的增大反而减小，进入了高电耗低效率区域。本例中当电流当电流降到 时， 时，冶炼功率最大, ， ；；当电流升到 时， 。所以在手动控制或自动控制中，电流定值区间一定要在“最佳工作电流值”附近不可超越过多，否则会形成高电耗的浪费。如果进一步计算出变压器的变损，并对“最佳工作电流值”再作较细的调整，就可找出最好的高效工作点,这样对我们的冶炼生产节能降耗、增加产量、设备运行安全起到较好的指导作用，意义很大。

三、电炉变一次电压偏低调节

冶炼时由于原料结构、导电性随着炉温的变化不停发生变化，很多时候要调整输入到电极端的电压，以便于冶炼。分以下这些情形进行。

若由于外界的原因造成一次电炉变电压偏低，如一次额定电压由35kV变成33kV，则相应的二次电压也随之降低。低电压使炉温不易提高，电炉的坩锅缩小，产量降低。这种情况若是短时且不经常发生的，则应调整电炉压器档位提高二次电压以提高产弧能力提高炉温。若是长期性的，则应从工厂变电所提高一次电压，决不能误认为提高二次电压就可以增加电能输入功率。硅锰冶炼功率的控制一般是以一次电流为基准，且尽量采用大功率大负荷。因为一次电压低冶炼功率低。如电流为180A时，电网电压为35kV，视在功率：S= x35x180=10911KW；当电网电压由35kV降至33kV时，则S= x33x180=10288KW，容量减少622kW，折算到二次电流，减少6229A。由此可见电炉变高压侧电压偏低时。是牺牲了二次电流来提高二次电压，降低了电功率，所以提高输入电效率的根本方法是提高电网系统的一次电压。这样减小因电流增加带来的损耗，提高功率的供给。而“电佳工作电流”必需以合适电压档位为前提来进行具体的计算，才能起到良好的效果，也比较接近实现的运行参数。

三、关于二次电压的调节方法

从电气计算上看，尽量选用高档的二次电压，有利于增大输入功率，提高电效率。例如2.55MVA硅锰炉，一次额定电压35kV，一次电流300A时，若二次电压选用100V，则二次电流为 A，这时变比 ，可计算出冶炼功率为18186kW。若二次电压选用96V，则 A，K=365，可计算出冶炼功率是17856kW，比前者低330kW，可见二次电压低，电效率就低。

从冶炼的实际情况看，二次电压高，电弧长而强，温炉高，炉料熔化快，有利于加快化学反应的进行，消除了电压低时电弧粗而短、炉温低，炉料熔化慢和化学反应速度慢的缺点。但是二次电压过高电极上浮严重，高温区上移，易形成高料面冶炼，炉口温度升高，热损失加大，不仅热效率降低，有碍于铜瓦、水圈等降温，而且易发生刺火，炉况不易控制。其有效的调整办法是使电极实现深插，出渣时使渣排尽，冶炼中控制炉底上涨。电极插人料中的深度是电极直径的1.6~1.8倍为宜，并要实行低料面冶炼，即保持料面距铜瓦下端的距离不小于200mm，料面馍头锥体高度不小于300mm。在冶炼过程中不断加料，穿孔，透气，以充分利用高温炉气预热炉料，缩小炉内温度梯度，改善电流分布状况，减少刺火现象，保障电极深插，坩锅区不缩小，从而实现电效率高热效率也高的目的。

二次电压的取值可根据炉子容量的大小计算出一个范围，其经验公式是 。式中U为二次电压（V）；P为硅锰电炉额定容量（MVA）；K为经验系数（一般取6~7.5）。

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