高钛高炉渣热装碳化电炉电系统设计

韩星

（西安电炉研究所有限公司 陕西西安710061）

1 前言

高钛型高炉热渣是冶炼钒钛磁铁矿所产生的高炉渣，这种热渣是一种碱性渣，在1200℃～1400℃基本上全部结晶（其中一半以上的矿物质约在1300℃以上完全结晶），是一种熔化温度高的短渣。

高炉热渣中主要的化学成分是：SiO2、Al2O3、CaO、MgO、MnO、FeO、TiO2、V2O5等。各种氧化物成份的组成详见表1。

表1 高钛型高炉热渣主要成份（w t%）

高钛型高炉热渣分离或提取金属钛，采用高温碳化和低温选择性氯化手段，在高温下用碳质还原高炉热渣，使渣中的TiO2转变TiC，相应的电炉渣称为碳化渣。这种碳化渣在700℃以下进行低温选择性氯化，将电炉碳化渣中的钛以TiCl4的形式提取出来。

2 反应原理

高钛型高炉热渣碳化是以大功率埋弧电炉为主体设备，通过对热态高炉渣的高温还原碳化冶炼，生产出符合低温沸腾氯化工艺要求的合格碳化渣。

碳化还原反应的过程温度控制在1600℃～1650℃左右，根据炉内工况不断调整变压器输出功率，反应时间约100min～150min。

碳化还原反应的基本方程式如下：

高炉热渣中的其他元素也能参与碳化还原反应，但通过对碳化还原反应温度的控制，可实现选择性碳化，反应方程式如下：

X表示Si、Ca、Mg、Fe、V、Mn、Al等元素。

3 总体设备组成

碳化电炉采用炉体固定式圆形全密闭三相交流埋弧炉结构，工作电极为石墨电极［1］。

高炉热渣热装由碳化炉炉盖兑渣口热兑入炉，入炉温度≥1300℃，采用碳质焦粉煤作为还原剂，还原剂采用炉壁喷吹为主、炉顶加料为辅的配加方式，碳化炉炉壁配置水冷挂壁，炉壳外配置一个出渣口和一个出铁口。

高炉热渣热装电炉在碳化还原反应过程中，炉内电弧剧烈多变，动态获取电炉冶炼参数的有效值，经平衡运算并建立数学模型后，采用恒阻抗的供电方式，改善碳化电炉还原过程的动态特性目标值。

以30000kVA的高炉热渣热装电炉为例，其主要电器技术参数见表2、炉体参数见表3。

表2 电器技术参数

表3 炉体参数

4 碳化电炉主输变电系统的组成及功能

碳化电炉的主输变电系统由35kV高压开关站、动态无功补偿系统、电炉变压器、大电流线路及电极系统组成。主输变电系统的示意图见图1。

图1 主输变电系统示意图

35kV高压开关站采用永磁机构的VTK高寿命断路器，适合热渣碳化电炉的频繁投切操作，输变电系统设计有综合自动化保护装置、后台监控系统、暂态过电压在线监测装置。综合保护后台计算机和主控制系统计算机之间采用OPC通讯。

高炉热渣碳化电炉在生产过程中，碳化钛炉渣的电导率实时变化，当TiC粒度相同时，随着TiC含量的增加，其表观活化能增大，电阻值增大；当含量相同时，粒度越细，表观电导率逐渐减小，通过测定在1380℃～1480℃的炉渣电阻值，高温下炉渣的电阻值会升高。

碳化冶炼中会产生大量的无功功率和谐波闪变冲击，对电网造成污染，电炉的自然功率因数在0.65～0.75之间，通过在35kV高压侧设置H2，H3，H4，H5补偿支路，使电网功率因数补偿到0.95以上，无功补偿装置投入运行时电网不产生并联谐振或过补偿。35kV高压侧的谐波治理需符合国家电力电能质量的考核标准，主要为以下四项：

1）GB／T14549－1993《电能质量 公用电网谐波》

2）GB 12326－2008《电能质量 电压波动和闪变》

3）GB／T 15543－2008《电能质量 三相电压不平衡》

4）GB／T 12325－2008《电能质量 供电电压偏差》

高炉热渣碳化电炉采用三个单相变压器供电，变压器到石墨电极之间采用水冷大电流母线系统供电［2］。

碳化电炉变压器的技术参数见表4。

表4 变压器参数

二次出线方式：侧出线，每相10个出头，交错布置。

变压器大电流母线系统的示意图见图2。

图2 变压器大电流母线系统示意图

5 碳化电炉低压配电系统的组成和功能

碳化电炉的低压供配电系统采用双电源（备自投）单母线运行方式。用电负荷100%互备供电，正常运行时备用电源不投入使用，在断电时通过互投装置自动切换到400V备用电源。

低压母线接受工厂变电所干式变压器馈电，母线电压为400V三相四线制。在进线母线上设置SIEMENS SENTRON 3WL总电源断路器，采用电动合分闸操作方式，设备的防护等级为IP54。

碳化电炉低压负荷主要包括热渣入炉系统、喷吹还原剂系统、预配还原剂系统、炉变大电流线路系统、烟气净化换热系统、炉体和炉衬及冷却系统、出铁出渣系统、冷却水循环系统、液压驱动系统、炉顶单轨电动葫芦吊、炉顶单梁吊车和氮氧介质系统等。

6 碳化电炉自动化系统的硬件组成和功能

自动化系统选用德国西门子公司高可靠性的SIMATIC S7－1500系列PLC作主机，工业控制机选用西门子机架式工控机IPC847D主机。自动化系统的示意图见图3。

图3 自动化系统示意图

S7－1500系统的主要硬件配置为：

现在，网络上的骗子太多，相信我们的作者有足够的智慧去辨别，如果你们不幸被骗、或者怀疑被骗，请及时与我们联系核实，从而减少损失。为此，特别声明，请读者、作者按照正确的投稿渠道投稿，否则，我们不承担由此带来的任何法律责任。

主处理器模块：CPU 1517－3 PN／DP；电源模块：PS 7507－0RA00；

通讯处理器模块：CP 7543－1AX00；DP通信模块：CP 7542－5DX00；

DI输入模块：SM 7521－1BL10； DO输出模块：SM 7522－1BH00；

AI输入模块：SM 7531－7KF00； AO输出模块：SM 7532－5HD00；

高速计数模块：FM 7550－1AA00；

工业以太网交换机SCALANCE X414－3E等；

工业控制机的主要配置：I7 3.3GHZ；8GB；

500G；RW DVD；CP1613；LCD23″；WINDOWS 10；TIA／WINCC V15；TIA／STEP7 V15；

PLC1＃：电炉炉体及介质系统； PLC2＃：电极和高压供电系统；

PLC3＃：出渣出铁开堵口系统； PLC4＃：预配和喷吹还原系统；

HMI1＃／2＃：操作员站； HMI3＃：后台监控站； HMI4＃：工程师站；

工业通讯网络：控制网络结构采用两层网络结构，即上层的工业以太网（ETHERNET）和下层的光纤环网（PROFIBUS DP），并配置接口供生产二级管理使用。

自动化系统主要对碳化电炉的还原剂预配料、炉壁喷吹操作、电极升降、炉压气氛控制；热装渣料、炉盖密封、冷却系统、液压系统、烟气净化等系统的运行状态进行监视操控，建立工艺数学模型，并存储和打印生产报表及其它信息。

7 碳化电炉电气控制系统的功能

为了准确获取碳化还原反应的过程数据，必须对碳化电炉运行参数进行全面监控，这些参数主要包括碳化炉的炉体参数、电流、电压、功率、冷却状态、电极参数、操作方式等多种变量［3］。

碳化电炉主要三电控制系统示意图见图4。

图4 碳化电炉主要三电控制系统示意图

（1）主要的电气控制系统组成如下：

电极工作检测控制子系统；

预配热装热送控制子系统；

烟道炉膛炉压控制子系统；

烟气回收净化控制子系统；

生产参数监测与故障预警子系统；

电能质量在线检测与分析子系统；

（2）各个子系统的功能

1）电极工作检测控制子系统

在线检测电极的升降量，采用合理的算法来计算电极长度及其位置，通过电极自动升降，控制电极处于最优位置区域内，提高三相有功功率，确保三相熔池冶炼的功率平衡［4］。

电极工作检测控制系统包括：电极位置检测监控、电极升降控制。

a）电极位置检测监控

PLC将实时检测的升降量等数据传递给计算机，系统根据模型进行电极位置的计算，并实时显示电极在碳化熔炼工艺流程中的位置状态。

电极位置的计算模型如下：

电极长度的计算模型如下：

式中：ΔL0—电极的初始位置；

ΔLSC—电极的实测升降量；

ΔLSH—电极的正常损耗量；

LCS—电极的初始长度值；

LXF—电极的下放量。

b）电极升降控制

主要根据采集到的功率、电流、电压、炉压、变压器档位等信号，按照恒阻抗的控制原理对电极升降进行控制，通过对输入炉内的三相功率大小的调节，保障碳化电炉冶炼还原温度及其分布状况。

当碳化炉控制系统出现故障时，系统给出相关故障信息并报警，提示操作人员切换到手动控制模式，以保证碳化炉的正常生产。

2）预配热装热送控制子系统

主要检测热渣流入接口与炉盖预留口的定位，防止熔渣外漏到炉盖表面导致设备烧毁。为提高电炉整体密封性，在热装插口外部采用机械密封和氮气密封的方式，热兑渣完成后，利用可升降塞头密封兑渣口。

操作员也可以手动操作需要加入炉内的热渣质量、加料速率、预配还原剂等，确认了这些信息后，开始热装热渣，并且对进入炉内的热渣进行统计、显示。

3）烟道炉膛炉压控制子系统

根据碳化电炉安全生产的要求，调节烟道电液蝶阀的开度和炉气风机的工作频率，在不同的冶炼阶段将炉内压力保持在一个稳定的微差压状态，使炉膛压力控制在规定的工作范围［Pmin，Pmax］内。从而最大限度地利用炉内热量来完成碳化电炉的还原反应。

4）烟气回收净化控制子系统

烟道上设有CO、O2、H2、N2在线浓度分析仪，检测碳化电炉产生的高温烟气中CO、O2、H2、N2含量，高温烟气进入烟气净化及煤气回收系统的水冷烟道后，温度从1200℃降至550℃，再通过水冷重力除尘器去除大颗粒的粉尘，然后进入除尘器，除尘后的煤气含尘量≤10mg／Nm3。

净化煤气通过引风机输送，可以通过切换阀送至放散管排往烟囱，自动点火放散，达到国家标准安全排放，确保碳化炉内安全运行。

5）生产参数监测与故障预警子系统

主要包括：炉体状态监测与预警、冷却系统监测与预警、电炉变压器监测与调节。

a）炉体状态监测与预警

①炉体状态监测的参数包括炉盖温度、炉体温度和烟道烟气压力、气氛成份等，当炉盖温度超过上限值发出报警信号；

②当炉体温度过高或炉底三相熔池温度严重不平衡时发出报警信号。

b）冷却系统监测与预警

冷却水主要用来给碳化炉导电横臂、水冷电缆、热装塞头、热装槽、取样装置、烟道等进行热交换降温，使其热量及时散失。通过对冷却水进水水压，回水水温监测，发出相关报警信号。

c）电炉变压器监测与调节

为保证电炉变压器安全运行，计算机对变压器动作及保护信号进行监视。

①监视变压器油位高、油温高、重瓦斯、轻瓦斯、变压器油泵启停、变压器油压低等状况，当变压器出现异常情况时发出报警；

②变压器的二次侧电压等级调节

根据炉况调节输入炉内总功率的大小，确保还原冶炼温度能满足工艺，变压器二次电压等级是在有载的情况下进行调节的。

6）电能质量在线监测与综合分析子系统

通过对碳化炉电能质量的在线检测，分析电炉的谐波、无功损耗、功率因数、电耗及线路暂态过电压等数据对冶炼的影响。

①记录碳化电炉各分相电压和电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、暂态过电压、电压相序、电流相序，总有功电能、总无功电能等参数；

②监测1～25次分相电压谐波、分相电流谐波的发生率；

③统计谐波电压畸变率、谐波电流畸变率、三相电压平衡度、三相电流平衡度、三相有功功率平衡度、谐波分量大小、三相电极的有功功率等。

治理后的35kV电能质量应满足以下指标：

电压波动：＜3%；

电压闪变：Pst≤0.8，Plt≤0.6；

平均功率因数：大于0.95；

总电压畸变率：＜3.0%；

正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%；

单台高钛渣电炉引起35kV母线正常电压不平衡度允许值应小于1.3%。

8 结语

高炉热渣碳化电炉采用大电流线路和输变电技术，通过高效的电极调节方式，对炉内功率平衡和阻抗平衡操控，并依据炉况反应变化进行动态优化，解决了碳化还原电炉运行时动态性能波动大，功率输入不稳定的现象，达到了热装熔炼的节能降耗目的，并提高了碳化渣的质量。

高炉热渣碳化电炉冶炼的不断实践、操作技术的不断成熟，对高炉热渣的还原冶炼逐步实现工业化生产起到了推进作用。