特鋼鍛造行業(yè)節(jié)能改造模式與成效

解俊嶺

（鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)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(chǎn)鑄造機械用合金鋼錠、不銹鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、電渣熔鑄各種材質(zhì)的熱作模具鋼、冷作模具鋼、高速鋼、鍛造件等產(chǎn)品。公司主要生產(chǎn)用電設(shè)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(chǎn)線1套，8 t全機械化電液錘生產(chǎn)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(shè)備15臺。

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

2 3種改造措施

2.1 用雙電極串聯(lián)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(shè)備，生產(chǎn)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(chǎn)效率低。

雙自耗極串聯(lián)電渣熔鑄工藝和設(shè)備是近年來國外所開發(fā)的一種新型電渣熔鑄工藝和設(shè)備，因其高效、節(jié)能而被廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)已有廠家開始應(yīng)用。它在傳統(tǒng)的單相單極電渣熔鑄的基礎(chǔ)上，采用雙極串聯(lián)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(jié)晶器內(nèi)進(jìn)行電渣熔鑄。

雙自耗電極串聯(lián)電渣爐的技術(shù)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(chǎn)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(jié)晶器壁分流的電流在冶煉過程中非常?。ㄒ妶D1）。另外因2根電極是在同一橫臂下降，不能單獨調(diào)整電極改變當(dāng)量電阻的比例，為了擴大單相雙極串聯(lián)電渣爐的工作范圍，必須附加一個電源，當(dāng)電極的斷面發(fā)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(jié)晶器上通過“補償”導(dǎo)線連接在變壓器二次繞組的1/2電壓點上。

根據(jù)雙極串聯(lián)的技術(shù)特點，結(jié)合公司實際，本期對現(xiàn)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(jìn)行改造，重點改造電渣爐供電網(wǎng)路系統(tǒng)、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(wǎng)路系統(tǒng)為單相雙極串聯(lián)電渣爐。

采取在電極夾持器上多加一根自耗電極，將接在結(jié)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(wǎng)和供電系統(tǒng)，將原有的單相單極供電網(wǎng)路接線，改成單相橋式雙極串聯(lián)網(wǎng)路接線。

其中短網(wǎng)系統(tǒng)改成銅排A-X交叉并排布置，采用縮短網(wǎng)路，使電渣爐靠近變壓器（僅1.5m遠(yuǎn)），縮小二次回路空間，以實現(xiàn)最佳短網(wǎng)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(yīng)的上邊。補償導(dǎo)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(cè)中心點的補償線，改進(jìn)爐子的均衡布置，使整個短網(wǎng)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(wěn)定性。同時，在雙極串聯(lián)線路基礎(chǔ)上，在變壓器二次側(cè)中性點和結(jié)晶器底水箱間增加一根中性聯(lián)線，以防止當(dāng)兩極與金屬熔池間的渣阻不等時而產(chǎn)生兩電極熔化不均現(xiàn)象。

采用單相橋式雙極串聯(lián)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(wǎng)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(shù)一般達(dá)0.9以上，較單相單極法或雙極并聯(lián)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(lián)電渣爐變壓器。

單相橋式雙極串聯(lián)電渣爐中，當(dāng)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(dǎo)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(dāng)不平衡因素起作用時，平衡導(dǎo)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(lián)電渣爐變壓器型號為HZD1-630/10、HZD1-1250/10 和 HZD1-1500/10。調(diào)壓方式采用第三繞組調(diào)壓方式，27級有載調(diào)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(dǎo)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(diào)節(jié)2根電極的熔化速度，保證兩極熔化的均衡，保證鋼錠質(zhì)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(shù)也得到了改善。同時，變壓器工作在有補償電流I。的狀態(tài)時，分別繞在兩鐵心柱中的次級繞組中將有環(huán)流產(chǎn)生，但只要變壓器的一次側(cè)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(yīng)電渣產(chǎn)品多樣化的生產(chǎn)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(yán)重過熱現(xiàn)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(dǎo)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(dǎo)電銅板的背面開槽鑲嵌銅管進(jìn)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(lián)供電時冶煉工作電流超過25 kA，夾持器均無過熱和擊穿現(xiàn)象。

雙極串聯(lián)供電時，由于兩電極間的間距較小，在變壓器二次側(cè)增加一只DL-11/10過電流繼電器進(jìn)行保護(hù)，以防止因意外短路造成事故。為了監(jiān)測兩極工作不平衡時的工作狀態(tài)，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(jù)上述技術(shù)原理，雙自耗極串聯(lián)供電的電渣爐功率因數(shù)可高達(dá)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(dá)12 kg/min，可以使用各種組合形式的重熔電極進(jìn)行電渣重熔，生產(chǎn)能力顯著提高。

2.2 用串并聯(lián)混合電路數(shù)字化恒功率控制系統(tǒng)改造中頻爐

（1）中頻電源逆變電路的技術(shù)改造。

將以前中頻爐單純的并聯(lián)型逆變電路改為串并聯(lián)混聯(lián)型逆變電路，即在并聯(lián)補償?shù)呢?fù)載回路上串聯(lián)電容和電感。優(yōu)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(jié)構(gòu)簡單、易啟動、性能可靠、故障率低等優(yōu)點，可以充分利用電源設(shè)備和減小能源損失。

（2）采用數(shù)字化恒功率中頻控制板對中頻爐的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

恒功率晶閘管中頻電源控制板主要由電源、調(diào)節(jié)器、移相控制、保護(hù)電路、相序自適應(yīng)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(guī)模專用MPU集成電路，使其電路除調(diào)節(jié)器外，其余均實現(xiàn)數(shù)字化。整流觸發(fā)器部分不需要任何調(diào)整，具有可靠性高、脈沖對稱度高、抗干擾能力強、反應(yīng)速度快等特點，又由于有相序自適應(yīng)電路，無需同步變壓器，所以，現(xiàn)場調(diào)試僅需把KP晶閘管的門極線接入控制板相應(yīng)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(guī)模集成電路的內(nèi)部，亦是數(shù)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(diào)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(lián)諧振中頻電源。MPU-2控制板在設(shè)計中采取了有效措施，使得調(diào)試極為方便，大多數(shù)的參數(shù)都由電路內(nèi)部自動設(shè)定，需要用戶調(diào)整的只有6只電位器的參數(shù)設(shè)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(yōu)于普通的零壓軟啟動電路，并設(shè)有自動重復(fù)啟動電路，使啟動成功率達(dá)到100%；逆變電路中還加有逆變角調(diào)節(jié)電路，可以自動調(diào)節(jié)負(fù)載阻抗的匹配，達(dá)到恒功率輸出，可以制成“快速熔煉”的中頻電源，達(dá)到節(jié)時、節(jié)電、提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)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(jié)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(shù)進(jìn)行改造，每小時可以節(jié)約電量約70～80 kWh，整機效率提高了11%～16%，節(jié)約了電能消耗，降低了生產(chǎn)成本。

2.3 模糊PID控制硅酸鋁纖維臺車式電阻退火爐技術(shù)

重點改造爐體結(jié)構(gòu)、爐體密封機構(gòu)、控制系統(tǒng)、熱處理工藝，實現(xiàn)節(jié)電20%～30%。

（1）爐體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)：采用硅酸鋁陶瓷纖維做保溫材料，該材料比重輕，蓄熱損失?。ㄐ顭釗p失僅為傳統(tǒng)耐火粘土磚爐墻的3.8%），散熱損失?。閭鹘y(tǒng)耐火粘土磚爐墻的55.9%），節(jié)能效果好，全纖維爐墻與傳統(tǒng)的耐火粘土磚爐墻相比，其節(jié)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(jié)構(gòu)和爐體密封技術(shù)上采用了復(fù)合大模塊組合結(jié)構(gòu)和吊掛鉚固技術(shù)，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(shè)200或220mm厚高溫型硅酸鋁纖維模塊作為耐火層。這種復(fù)合大模塊組合結(jié)構(gòu)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(tài)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(jié)構(gòu)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(gòu)的改進(jìn)：在臺車兩側(cè)與爐體之間，采用了新型密封結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)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(shè)置軟密封塊，靠彈簧作用來實現(xiàn)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(tǒng)改造：電阻爐是一個特性參數(shù)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(tǒng)采用接觸器直接控制，即通過熱電偶進(jìn)行測溫，由溫度控制器控制接觸器進(jìn)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(shù)字PID控制器對電阻爐溫度進(jìn)行控制，通過實驗調(diào)節(jié)比例系數(shù)及積分系數(shù)來調(diào)節(jié)控制效果，同時針對不同溫度段所表現(xiàn)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(jìn)行模糊數(shù)字PID算法結(jié)合積分分離或積分削弱算法控制穩(wěn)定過程的方案，使電阻爐溫度控制達(dá)到超調(diào)量小、穩(wěn)定精度高的優(yōu)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(wǎng)的沖擊，實現(xiàn)了節(jié)能效果。

3 節(jié)能效果

（1）采用單相單雙極串聯(lián)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(jìn)行改造，采用改造后的雙自耗電極串聯(lián)電渣熔鑄工藝和設(shè)備生產(chǎn)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(jié)電率達(dá)25%～26.5%，且可提高熔化率1/3～2/3，最高熔化速度可達(dá)12 kg/min。經(jīng)改造后，該公司每天可增加產(chǎn)量30%～50%，年可增加產(chǎn)量3 000 t，電渣熔鑄模具鋼的生產(chǎn)能力由原設(shè)計的7 000 t/年，提高到10 000 t/年。

（2）用串并聯(lián)混合數(shù)字化恒功率控制系統(tǒng)對原所用的4臺并聯(lián)諧振控制系統(tǒng)中頻爐進(jìn)行改造，公司原生產(chǎn)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(jié)電率12.8%～17.9%，且可提高熔化率30%～35%。改造后，每年可增加產(chǎn)量3 000 t，使公司的機械用合金鋼錠的生產(chǎn)能力由原所設(shè)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(tǒng)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(jìn)行改造和調(diào)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(jié)電效果顯著。

以上3項技術(shù)改造年節(jié)約323萬元，項目投入534萬元，預(yù)計20個月可收回成本。