特鋼鍛造行業節能改造模式與成效

解俊嶺

（鎮江供電公司，江蘇 鎮江 212001）

1 項目實施簡介

江蘇新亞特鋼鍛造有限公司主要生產鑄造機械用合金鋼錠、不銹鋼、合金結構鋼、電渣熔鑄各種材質的熱作模具鋼、冷作模具鋼、高速鋼、鍛造件等產品。公司主要生產用電設備有：1 t中頻爐3臺，3 t中頻爐4臺，1 t電渣爐2臺，3 t電渣爐1臺，5 t電渣爐1臺，2 t空氣錘1臺，1 t空氣錘1臺，0.75 t空氣錘1臺，全機械化3 t電液錘生產線1套，8 t全機械化電液錘生產線1套，各種機械加工機床12臺，金屬鋸床12臺，臺車式電阻退火熱處理設備15臺。

公司原年用電量在1 763萬kWh以上，約占生產成本的10%以上。經分析，在原生產過程中所采用的單相單電極電渣熔鑄、并聯型電源異變電路中頻爐、臺車式電阻退火爐等生產工藝和設備所占耗能比重較大。為此該公司逐步采用了雙極串聯電渣熔鑄設備和工藝改造、數字化恒功率控制中頻爐技術、模糊PID控制全纖維臺車電阻爐技術等多種節電措施進一步降低生產成本，取得了明顯成效。

2 3種改造措施

2.1 用雙電極串聯電渣熔鑄替代單相單電極電渣熔鑄

單相單電極電渣熔鑄工藝和設備，生產模具鋼電耗為1 360～1 470 kWh/t左右，電耗較大，且電渣重熔時功率實際有效利用率僅為輸入功率的20%～30%，生產效率低。

雙自耗極串聯電渣熔鑄工藝和設備是近年來國外所開發的一種新型電渣熔鑄工藝和設備，因其高效、節能而被廣泛應用，在國內已有廠家開始應用。它在傳統的單相單極電渣熔鑄的基礎上，采用雙極串聯電路，將兩相電源直接連接在2個相互絕緣的電極上，將2個電極同時插入水冷結晶器內進行電渣熔鑄。

雙自耗電極串聯電渣爐的技術原理為：爐中電流基本是按2條平行的回路流動。第一個回路是電極1—渣池—電極2；第二個回路是電極1—渣池—金屬熔池—渣池—電極2。其中第一回路流過大部分電流，僅有小部分通過第二回路。生產實踐證明，70%～90%的電流通過第一回路，10%～30%的電流是按第二回路流動，由結晶器壁分流的電流在冶煉過程中非常小（見圖1）。另外因2根電極是在同一橫臂下降，不能單獨調整電極改變當量電阻的比例，為了擴大單相雙極串聯電渣爐的工作范圍，必須附加一個電源，當電極的斷面發生變化時，給渣池中較深的那根電極以一個附加功率。即：底水箱和結晶器上通過“補償”導線連接在變壓器二次繞組的1/2電壓點上。

根據雙極串聯的技術特點，結合公司實際，本期對現所使用的2臺1 t（1 000 kVA）的電渣爐、1臺3 t（1 500 kVA）的電渣爐和1臺5 t（1 800 kVA）的電渣爐進行改造，重點改造電渣爐供電網路系統、更換電渣爐變壓器、改造電渣爐電極支臂上的夾持器。

（1）改造電渣爐供電網路系統為單相雙極串聯電渣爐。

采取在電極夾持器上多加一根自耗電極，將接在結晶器底水箱下的一條回路上移與所加電極的夾持器連接；更換電渣爐短網和供電系統，將原有的單相單極供電網路接線，改成單相橋式雙極串聯網路接線。

其中短網系統改成銅排A-X交叉并排布置，采用縮短網路，使電渣爐靠近變壓器（僅1.5m遠），縮小二次回路空間，以實現最佳短網電路配置，使感抗損失大大減少；將a極原來的下引線改至與x極對應的上邊。補償導線從a-x引出線的夾縫中接出。通過加接底水箱銅板至變壓器二次側中心點的補償線，改進爐子的均衡布置，使整個短網中的補償電纜盡可能與主電纜并線布置，降低補償回路的電抗，提高假電極線熔化速度的穩定性。同時，在雙極串聯線路基礎上，在變壓器二次側中性點和結晶器底水箱間增加一根中性聯線，以防止當兩極與金屬熔池間的渣阻不等時而產生兩電極熔化不均現象。

采用單相橋式雙極串聯法，二次回路距離近，自感磁場相互抵消，二次回路感抗少，同樣輸入功率因工作電壓高，工作電流相對小，因此網路阻抗引起功率損失減少，電耗可降低到1 100 kWh/t以下，功率因數一般達0.9以上，較單相單極法或雙極并聯法接線具有更低的電能消耗。

（2）更換電渣爐變壓器，采用單相橋式雙極串聯電渣爐變壓器。

單相橋式雙極串聯電渣爐中，當兩電極浸入渣中的深度相等時，兩電極支路電阻相等，平衡導線中的電流為0，0點和1點為等電位，每一根電極上流過同樣的電流。當不平衡因素起作用時，平衡導線就將有電流流過，使兩電極的浸入深度相近，能夠消除不管任何原因引起的電極不平衡，能夠重熔熔化點不同或截面不同的金屬電極。

單相橋式雙極串聯電渣爐變壓器型號為HZD1-630/10、HZD1-1250/10 和 HZD1-1500/10。調壓方式采用第三繞組調壓方式，27級有載調壓，次級繞組由單柱單匝8字銅板組成，用水冷銅管作為變壓器低壓出線，在變壓器外短接。變壓器抽零線，采用3個端子輸出，其中2個端子直接連接在2根相互絕緣的自耗電極上，第三個零線端子接在底水箱上，通過“補償”導線連接在變壓器二次繞組的1/2電壓點上，形成等效電路，以在冶煉過程中自動調節2根電極的熔化速度，保證兩極熔化的均衡，保證鋼錠質量，降低電耗。該接線方式可使電路阻抗大大降低，從而電耗顯著下降，一般可降到1 100～1 200 kWh/t，功率因數也得到了改善。同時，變壓器工作在有補償電流I。的狀態時，分別繞在兩鐵心柱中的次級繞組中將有環流產生，但只要變壓器的一次側工作電流不超過額定電流，二次繞組中即使有不平衡電流，也不會造成變壓器的損壞。

（3）改造電渣爐電極支臂上的夾持器。

加裝過電流繼電器、電壓表、電流表。將電渣爐電極支臂上的夾持器改成既可單極供電，亦可雙極供電的形式，以適應電渣產品多樣化的生產要求。

原電渣爐采用電極夾持器單極供電時，冶煉電流超過30 kA，存在嚴重過熱現象。本項目改造中利用了原來夾持器的本體，采用靠電極自重楔形夾緊形式，兩極平行，間距為20mm，每極雙斜面導電，斜度為1∶6，增加了每極有效接觸面積，且與假電極相接觸部位導電銅板的背面開槽鑲嵌銅管進行水冷卻。另外，在空間排列上盡可能平行布置，有效地減少了熱損耗。通過冶煉證明，無論是單極供電時冶煉工作電流超過40 kA，還是雙極串聯供電時冶煉工作電流超過25 kA，夾持器均無過熱和擊穿現象。

雙極串聯供電時，由于兩電極間的間距較小，在變壓器二次側增加一只DL-11/10過電流繼電器進行保護，以防止因意外短路造成事故。為了監測兩極工作不平衡時的工作狀態，在兩極之間加裝了2塊46L1-V電壓表，在補償回路加裝了一只LM0.5-5000/5電流互感器及46L1-A電流表，以便于爐前工操作。

根據上述技術原理，雙自耗極串聯供電的電渣爐功率因數可高達0.85～0.90，電耗可降低20%～40%，可提高熔化率1/3～2/3，熔化速度可達12 kg/min，可以使用各種組合形式的重熔電極進行電渣重熔，生產能力顯著提高。

2.2 用串并聯混合電路數字化恒功率控制系統改造中頻爐

（1）中頻電源逆變電路的技術改造。

將以前中頻爐單純的并聯型逆變電路改為串并聯混聯型逆變電路，即在并聯補償的負載回路上串聯電容和電感。優點是：采用了定反壓時間控制（集成電路），提高啟動性能，不需要專用的啟動電路，并具有結構簡單、易啟動、性能可靠、故障率低等優點，可以充分利用電源設備和減小能源損失。

（2）采用數字化恒功率中頻控制板對中頻爐的控制系統進行改造。

恒功率晶閘管中頻電源控制板主要由電源、調節器、移相控制、保護電路、相序自適應電路、啟動演算電路、逆變頻率跟蹤、逆變脈沖形成、脈沖放大及脈沖變壓器組成。其核心部件采用高性能、高密度、大規模專用MPU集成電路，使其電路除調節器外，其余均實現數字化。整流觸發器部分不需要任何調整，具有可靠性高、脈沖對稱度高、抗干擾能力強、反應速度快等特點，又由于有相序自適應電路，無需同步變壓器，所以，現場調試僅需把KP晶閘管的門極線接入控制板相應的接線端上，整流部分便能投入運行。

逆變部分的主要電路均在MPU-2大規模集成電路的內部，亦是數字電路。MPU-2控制板全板僅有7只集成電路、6只晶體管、6只微調電位器、32個引出端子，安裝十分方便，適用于各種晶閘管并聯諧振中頻電源。MPU-2控制板在設計中采取了有效措施，使得調試極為方便，大多數的參數都由電路內部自動設定，需要用戶調整的只有6只電位器的參數設定，所以具有極強的通用性和互換性。如：逆變采用掃頻式零壓軟啟動方式，啟動性能優于普通的零壓軟啟動電路，并設有自動重復啟動電路，使啟動成功率達到100%；逆變電路中還加有逆變角調節電路，可以自動調節負載阻抗的匹配，達到恒功率輸出，可以制成“快速熔煉”的中頻電源，達到節時、節電、提高網側功率因數的目的。

（3）供電線路的改造。

理論計算與試驗表明，線圈的耗電功率與線圈的橫截面積成反比，增大橫截面積可以降低線圈的電阻，降低損耗功率。因此，公司在中頻爐的節能改造中通過增大線圈、水電纜的橫截面積，使電流密度大幅度降低，減少了供電線路銅耗，并有助于降低線圈、水電纜的工作溫度，減少水垢形成的機率，降低了故障率，并通過提高電壓或電流的方法提高熔煉速度，從而大大減小中頻熔煉爐供電線路損耗，提高整機效率。

通過綜合使用以上技術進行改造，每小時可以節約電量約70～80 kWh，整機效率提高了11%～16%，節約了電能消耗，降低了生產成本。

2.3 模糊PID控制硅酸鋁纖維臺車式電阻退火爐技術

重點改造爐體結構、爐體密封機構、控制系統、熱處理工藝，實現節電20%～30%。

（1）爐體結構的改進：采用硅酸鋁陶瓷纖維做保溫材料，該材料比重輕，蓄熱損失小（蓄熱損失僅為傳統耐火粘土磚爐墻的3.8%），散熱損失小（為傳統耐火粘土磚爐墻的55.9%），節能效果好，全纖維爐墻與傳統的耐火粘土磚爐墻相比，其節能率為20%～35%左右，加熱速度快，熱效率高，而且冷卻速度快（全纖維爐墻溫度從850～1 000℃冷卻至200～300℃只需0.5～1 h，而磚體爐墻需要8～12 h）。

在爐體結構和爐體密封技術上采用了復合大模塊組合結構和吊掛鉚固技術，即在爐襯低溫段平鋪50mm厚普通型硅酸鋁纖維作為保溫層，在爐襯高溫段鋪設200或220mm厚高溫型硅酸鋁纖維模塊作為耐火層。這種復合大模塊組合結構有利于提高爐襯的絕熱性和氣密性，減少熱短路，耐氣流沖刷，在爐溫狀態下可耐60m/s的高速沖刷，降低了施工周期，并能有效地保證纖維與鋼結構之間的連接強度，提高爐襯的使用壽命。因動力來自臺車，所以簡單、實用、可靠。

（2）爐體密封機構的改進：在臺車兩側與爐體之間，采用了新型密封結構，改變了傳統的砂封方式，提高了熱處理爐的密封性能。在臺車后端與爐體間，在爐子后端設置軟密封塊，靠彈簧作用來實現與爐子臺車后端的密封。因動力來自臺車，所以簡單、實用、可靠。

（3）控制系統改造：電阻爐是一個特性參數隨爐溫變化而變化的被控對象，爐溫控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后、時變性的特點。公司原臺車式電阻退火爐的控制系統采用接觸器直接控制，即通過熱電偶進行測溫，由溫度控制器控制接觸器進行直接啟動或切斷加熱電阻絲，造成啟動電流大，電能浪費大，溫度控制精度低。采用模糊數字PID控制器對電阻爐溫度進行控制，通過實驗調節比例系數及積分系數來調節控制效果，同時針對不同溫度段所表現出來的不同熱性能，采用全功率或比例控制加快升溫過程，再進行模糊數字PID算法結合積分分離或積分削弱算法控制穩定過程的方案，使電阻爐溫度控制達到超調量小、穩定精度高的優良控制效果，既很好地滿足了熱處理工藝的要求，又減少了因電阻絲加熱時直接啟動對電網的沖擊，實現了節能效果。

3 節能效果

（1）采用單相單雙極串聯電渣熔鑄工藝對公司原有的2臺1 t電渣爐、1臺3 t電渣爐和1臺5 t電渣爐進行改造，采用改造后的雙自耗電極串聯電渣熔鑄工藝和設備生產電渣熔鑄模具鋼鋼錠，電耗由 1 360～1 470 kWh/t，降低到1 020～1 085 kWh/t，噸鋼電耗平均降低340～385 kWh，節電率達25%～26.5%，且可提高熔化率1/3～2/3，最高熔化速度可達12 kg/min。經改造后，該公司每天可增加產量30%～50%，年可增加產量3 000 t，電渣熔鑄模具鋼的生產能力由原設計的7 000 t/年，提高到10 000 t/年。

（2）用串并聯混合數字化恒功率控制系統對原所用的4臺并聯諧振控制系統中頻爐進行改造，公司原生產機械用合金鋼錠，電耗平均為1 090～1 280 kWh/t，改造后電耗平均為955～1 050 kWh/t，噸鋼電耗平均降低140～230 kWh，節電率12.8%～17.9%，且可提高熔化率30%～35%。改造后，每年可增加產量3 000 t，使公司的機械用合金鋼錠的生產能力由原所設計的10 000 t/年，提高到13 000 t/年。

（3）采用具有模糊PID控制系統硅酸鋁纖維保溫材料，對原所用的9臺接觸器直接控制式耐火磚加珍珠巖做保溫材料的臺車式電阻退火爐進行改造和調整熱處理工藝，臺車式電阻爐退火爐的升溫時間由180min縮短為135min，減少了45min；熱處理爐電能消耗由改造前的310 kWh/t降低到205 kWh/t左右，單位能耗降低了33.8%，電能利用率提高了30%，節電效果顯著。

以上3項技術改造年節約323萬元，項目投入534萬元，預計20個月可收回成本。