高鈦高爐渣熱裝碳化電爐電系統設計

韓星

（西安電爐研究所有限公司 陜西西安710061）

1 前言

高鈦型高爐熱渣是冶煉釩鈦磁鐵礦所產生的高爐渣，這種熱渣是一種堿性渣，在1200℃～1400℃基本上全部結晶（其中一半以上的礦物質約在1300℃以上完全結晶），是一種熔化溫度高的短渣。

高爐熱渣中主要的化學成分是：SiO2、Al2O3、CaO、MgO、MnO、FeO、TiO2、V2O5等。各種氧化物成份的組成詳見表1。

表1 高鈦型高爐熱渣主要成份（w t%）

高鈦型高爐熱渣分離或提取金屬鈦，采用高溫碳化和低溫選擇性氯化手段，在高溫下用碳質還原高爐熱渣，使渣中的TiO2轉變TiC，相應的電爐渣稱為碳化渣。這種碳化渣在700℃以下進行低溫選擇性氯化，將電爐碳化渣中的鈦以TiCl4的形式提取出來。

2 反應原理

高鈦型高爐熱渣碳化是以大功率埋弧電爐為主體設備，通過對熱態高爐渣的高溫還原碳化冶煉，生產出符合低溫沸騰氯化工藝要求的合格碳化渣。

碳化還原反應的過程溫度控制在1600℃～1650℃左右，根據爐內工況不斷調整變壓器輸出功率，反應時間約100min～150min。

碳化還原反應的基本方程式如下：

高爐熱渣中的其他元素也能參與碳化還原反應，但通過對碳化還原反應溫度的控制，可實現選擇性碳化，反應方程式如下：

X表示Si、Ca、Mg、Fe、V、Mn、Al等元素。

3 總體設備組成

碳化電爐采用爐體固定式圓形全密閉三相交流埋弧爐結構，工作電極為石墨電極［1］。

高爐熱渣熱裝由碳化爐爐蓋兌渣口熱兌入爐，入爐溫度≥1300℃，采用碳質焦粉煤作為還原劑，還原劑采用爐壁噴吹為主、爐頂加料為輔的配加方式，碳化爐爐壁配置水冷掛壁，爐殼外配置一個出渣口和一個出鐵口。

高爐熱渣熱裝電爐在碳化還原反應過程中，爐內電弧劇烈多變，動態獲取電爐冶煉參數的有效值，經平衡運算并建立數學模型后，采用恒阻抗的供電方式，改善碳化電爐還原過程的動態特性目標值。

以30000kVA的高爐熱渣熱裝電爐為例，其主要電器技術參數見表2、爐體參數見表3。

表2 電器技術參數

表3 爐體參數

4 碳化電爐主輸變電系統的組成及功能

碳化電爐的主輸變電系統由35kV高壓開關站、動態無功補償系統、電爐變壓器、大電流線路及電極系統組成。主輸變電系統的示意圖見圖1。

圖1 主輸變電系統示意圖

35kV高壓開關站采用永磁機構的VTK高壽命斷路器，適合熱渣碳化電爐的頻繁投切操作，輸變電系統設計有綜合自動化保護裝置、后臺監控系統、暫態過電壓在線監測裝置。綜合保護后臺計算機和主控制系統計算機之間采用OPC通訊。

高爐熱渣碳化電爐在生產過程中，碳化鈦爐渣的電導率實時變化，當TiC粒度相同時，隨著TiC含量的增加，其表觀活化能增大，電阻值增大；當含量相同時，粒度越細，表觀電導率逐漸減小，通過測定在1380℃～1480℃的爐渣電阻值，高溫下爐渣的電阻值會升高。

碳化冶煉中會產生大量的無功功率和諧波閃變沖擊，對電網造成污染，電爐的自然功率因數在0.65～0.75之間，通過在35kV高壓側設置H2，H3，H4，H5補償支路，使電網功率因數補償到0.95以上，無功補償裝置投入運行時電網不產生并聯諧振或過補償。35kV高壓側的諧波治理需符合國家電力電能質量的考核標準，主要為以下四項：

1）GB／T14549－1993《電能質量 公用電網諧波》

2）GB 12326－2008《電能質量 電壓波動和閃變》

3）GB／T 15543－2008《電能質量 三相電壓不平衡》

4）GB／T 12325－2008《電能質量 供電電壓偏差》

高爐熱渣碳化電爐采用三個單相變壓器供電，變壓器到石墨電極之間采用水冷大電流母線系統供電［2］。

碳化電爐變壓器的技術參數見表4。

表4 變壓器參數

二次出線方式：側出線，每相10個出頭，交錯布置。

變壓器大電流母線系統的示意圖見圖2。

圖2 變壓器大電流母線系統示意圖

5 碳化電爐低壓配電系統的組成和功能

碳化電爐的低壓供配電系統采用雙電源（備自投）單母線運行方式。用電負荷100%互備供電，正常運行時備用電源不投入使用，在斷電時通過互投裝置自動切換到400V備用電源。

低壓母線接受工廠變電所干式變壓器饋電，母線電壓為400V三相四線制。在進線母線上設置SIEMENS SENTRON 3WL總電源斷路器，采用電動合分閘操作方式，設備的防護等級為IP54。

碳化電爐低壓負荷主要包括熱渣入爐系統、噴吹還原劑系統、預配還原劑系統、爐變大電流線路系統、煙氣凈化換熱系統、爐體和爐襯及冷卻系統、出鐵出渣系統、冷卻水循環系統、液壓驅動系統、爐頂單軌電動葫蘆吊、爐頂單梁吊車和氮氧介質系統等。

6 碳化電爐自動化系統的硬件組成和功能

自動化系統選用德國西門子公司高可靠性的SIMATIC S7－1500系列PLC作主機，工業控制機選用西門子機架式工控機IPC847D主機。自動化系統的示意圖見圖3。

圖3 自動化系統示意圖

S7－1500系統的主要硬件配置為：

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主處理器模塊：CPU 1517－3 PN／DP；電源模塊：PS 7507－0RA00；

通訊處理器模塊：CP 7543－1AX00；DP通信模塊：CP 7542－5DX00；

DI輸入模塊：SM 7521－1BL10； DO輸出模塊：SM 7522－1BH00；

AI輸入模塊：SM 7531－7KF00； AO輸出模塊：SM 7532－5HD00；

高速計數模塊：FM 7550－1AA00；

工業以太網交換機SCALANCE X414－3E等；

工業控制機的主要配置：I7 3.3GHZ；8GB；

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

PLC1＃：電爐爐體及介質系統； PLC2＃：電極和高壓供電系統；

PLC3＃：出渣出鐵開堵口系統； PLC4＃：預配和噴吹還原系統；

HMI1＃／2＃：操作員站； HMI3＃：后臺監控站； HMI4＃：工程師站；

工業通訊網絡：控制網絡結構采用兩層網絡結構，即上層的工業以太網（ETHERNET）和下層的光纖環網（PROFIBUS DP），并配置接口供生產二級管理使用。

自動化系統主要對碳化電爐的還原劑預配料、爐壁噴吹操作、電極升降、爐壓氣氛控制；熱裝渣料、爐蓋密封、冷卻系統、液壓系統、煙氣凈化等系統的運行狀態進行監視操控，建立工藝數學模型，并存儲和打印生產報表及其它信息。

7 碳化電爐電氣控制系統的功能

為了準確獲取碳化還原反應的過程數據，必須對碳化電爐運行參數進行全面監控，這些參數主要包括碳化爐的爐體參數、電流、電壓、功率、冷卻狀態、電極參數、操作方式等多種變量［3］。

碳化電爐主要三電控制系統示意圖見圖4。

圖4 碳化電爐主要三電控制系統示意圖

（1）主要的電氣控制系統組成如下：

電極工作檢測控制子系統；

預配熱裝熱送控制子系統；

煙道爐膛爐壓控制子系統；

煙氣回收凈化控制子系統；

生產參數監測與故障預警子系統；

電能質量在線檢測與分析子系統；

（2）各個子系統的功能

1）電極工作檢測控制子系統

在線檢測電極的升降量，采用合理的算法來計算電極長度及其位置，通過電極自動升降，控制電極處于最優位置區域內，提高三相有功功率，確保三相熔池冶煉的功率平衡［4］。

電極工作檢測控制系統包括：電極位置檢測監控、電極升降控制。

a）電極位置檢測監控

PLC將實時檢測的升降量等數據傳遞給計算機，系統根據模型進行電極位置的計算，并實時顯示電極在碳化熔煉工藝流程中的位置狀態。

電極位置的計算模型如下：

電極長度的計算模型如下：

式中：ΔL0—電極的初始位置；

ΔLSC—電極的實測升降量；

ΔLSH—電極的正常損耗量；

LCS—電極的初始長度值；

LXF—電極的下放量。

b）電極升降控制

主要根據采集到的功率、電流、電壓、爐壓、變壓器檔位等信號，按照恒阻抗的控制原理對電極升降進行控制，通過對輸入爐內的三相功率大小的調節，保障碳化電爐冶煉還原溫度及其分布狀況。

當碳化爐控制系統出現故障時，系統給出相關故障信息并報警，提示操作人員切換到手動控制模式，以保證碳化爐的正常生產。

2）預配熱裝熱送控制子系統

主要檢測熱渣流入接口與爐蓋預留口的定位，防止熔渣外漏到爐蓋表面導致設備燒毀。為提高電爐整體密封性，在熱裝插口外部采用機械密封和氮氣密封的方式，熱兌渣完成后，利用可升降塞頭密封兌渣口。

操作員也可以手動操作需要加入爐內的熱渣質量、加料速率、預配還原劑等，確認了這些信息后，開始熱裝熱渣，并且對進入爐內的熱渣進行統計、顯示。

3）煙道爐膛爐壓控制子系統

根據碳化電爐安全生產的要求，調節煙道電液蝶閥的開度和爐氣風機的工作頻率，在不同的冶煉階段將爐內壓力保持在一個穩定的微差壓狀態，使爐膛壓力控制在規定的工作范圍［Pmin，Pmax］內。從而最大限度地利用爐內熱量來完成碳化電爐的還原反應。

4）煙氣回收凈化控制子系統

煙道上設有CO、O2、H2、N2在線濃度分析儀，檢測碳化電爐產生的高溫煙氣中CO、O2、H2、N2含量，高溫煙氣進入煙氣凈化及煤氣回收系統的水冷煙道后，溫度從1200℃降至550℃，再通過水冷重力除塵器去除大顆粒的粉塵，然后進入除塵器，除塵后的煤氣含塵量≤10mg／Nm3。

凈化煤氣通過引風機輸送，可以通過切換閥送至放散管排往煙囪，自動點火放散，達到國家標準安全排放，確保碳化爐內安全運行。

5）生產參數監測與故障預警子系統

主要包括：爐體狀態監測與預警、冷卻系統監測與預警、電爐變壓器監測與調節。

a）爐體狀態監測與預警

①爐體狀態監測的參數包括爐蓋溫度、爐體溫度和煙道煙氣壓力、氣氛成份等，當爐蓋溫度超過上限值發出報警信號；

②當爐體溫度過高或爐底三相熔池溫度嚴重不平衡時發出報警信號。

b）冷卻系統監測與預警

冷卻水主要用來給碳化爐導電橫臂、水冷電纜、熱裝塞頭、熱裝槽、取樣裝置、煙道等進行熱交換降溫，使其熱量及時散失。通過對冷卻水進水水壓，回水水溫監測，發出相關報警信號。

c）電爐變壓器監測與調節

為保證電爐變壓器安全運行，計算機對變壓器動作及保護信號進行監視。

①監視變壓器油位高、油溫高、重瓦斯、輕瓦斯、變壓器油泵啟停、變壓器油壓低等狀況，當變壓器出現異常情況時發出報警；

②變壓器的二次側電壓等級調節

根據爐況調節輸入爐內總功率的大小，確保還原冶煉溫度能滿足工藝，變壓器二次電壓等級是在有載的情況下進行調節的。

6）電能質量在線監測與綜合分析子系統

通過對碳化爐電能質量的在線檢測，分析電爐的諧波、無功損耗、功率因數、電耗及線路暫態過電壓等數據對冶煉的影響。

①記錄碳化電爐各分相電壓和電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、暫態過電壓、電壓相序、電流相序，總有功電能、總無功電能等參數；

②監測1～25次分相電壓諧波、分相電流諧波的發生率；

③統計諧波電壓畸變率、諧波電流畸變率、三相電壓平衡度、三相電流平衡度、三相有功功率平衡度、諧波分量大小、三相電極的有功功率等。

治理后的35kV電能質量應滿足以下指標：

電壓波動：＜3%；

電壓閃變：Pst≤0.8，Plt≤0.6；

平均功率因數：大于0.95；

總電壓畸變率：＜3.0%；

正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%；

單臺高鈦渣電爐引起35kV母線正常電壓不平衡度允許值應小于1.3%。

8 結語

高爐熱渣碳化電爐采用大電流線路和輸變電技術，通過高效的電極調節方式，對爐內功率平衡和阻抗平衡操控，并依據爐況反應變化進行動態優化，解決了碳化還原電爐運行時動態性能波動大，功率輸入不穩定的現象，達到了熱裝熔煉的節能降耗目的，并提高了碳化渣的質量。

高爐熱渣碳化電爐冶煉的不斷實踐、操作技術的不斷成熟，對高爐熱渣的還原冶煉逐步實現工業化生產起到了推進作用。