高鈦高爐渣熱裝碳化電爐電系統(tǒng)設(shè)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(chǎn)生的高爐渣，這種熱渣是一種堿性渣，在1200℃～1400℃基本上全部結(jié)晶（其中一半以上的礦物質(zhì)約在1300℃以上完全結(jié)晶），是一種熔化溫度高的短渣。

高爐熱渣中主要的化學(xué)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(zhì)還原高爐熱渣，使渣中的TiO2轉(zhuǎn)變TiC，相應(yīng)的電爐渣稱為碳化渣。這種碳化渣在700℃以下進(jìn)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(yīng)原理

高鈦型高爐熱渣碳化是以大功率埋弧電爐為主體設(shè)備，通過對熱態(tài)高爐渣的高溫還原碳化冶煉，生產(chǎn)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(yīng)的過程溫度控制在1600℃～1650℃左右，根據(jù)爐內(nèi)工況不斷調(diào)整變壓器輸出功率，反應(yīng)時間約100min～150min。

碳化還原反應(yīng)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(yīng)，但通過對碳化還原反應(yīng)溫度的控制，可實現(xiàn)選擇性碳化，反應(yīng)方程式如下：

X表示Si、Ca、Mg、Fe、V、Mn、Al等元素。

3 總體設(shè)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(jié)構(gòu)，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(zhì)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(yīng)過程中，爐內(nèi)電弧劇烈多變，動態(tài)獲取電爐冶煉參數(shù)的有效值，經(jīng)平衡運(yùn)算并建立數(shù)學(xué)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(tài)特性目標(biāo)值。

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

表2 電器技術(shù)參數(shù)

表3 爐體參數(shù)

4 碳化電爐主輸變電系統(tǒng)的組成及功能

碳化電爐的主輸變電系統(tǒng)由35kV高壓開關(guān)站、動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)、電爐變壓器、大電流線路及電極系統(tǒng)組成。主輸變電系統(tǒng)的示意圖見圖1。

圖1 主輸變電系統(tǒng)示意圖

35kV高壓開關(guān)站采用永磁機(jī)構(gòu)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(tǒng)設(shè)計有綜合自動化保護(hù)裝置、后臺監(jiān)控系統(tǒng)、暫態(tài)過電壓在線監(jiān)測裝置。綜合保護(hù)后臺計算機(jī)和主控制系統(tǒng)計算機(jī)之間采用OPC通訊。

高爐熱渣碳化電爐在生產(chǎn)過程中，碳化鈦爐渣的電導(dǎo)率實時變化，當(dāng)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(dāng)含量相同時，粒度越細(xì)，表觀電導(dǎo)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(chǎn)生大量的無功功率和諧波閃變沖擊，對電網(wǎng)造成污染，電爐的自然功率因數(shù)在0.65～0.75之間，通過在35kV高壓側(cè)設(shè)置H2，H3，H4，H5補(bǔ)償支路，使電網(wǎng)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95以上，無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行時電網(wǎng)不產(chǎn)生并聯(lián)諧振或過補(bǔ)償。35kV高壓側(cè)的諧波治理需符合國家電力電能質(zhì)量的考核標(biāo)準(zhǔn)，主要為以下四項：

1）GB／T14549－1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》

2）GB 12326－2008《電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》

3）GB／T 15543－2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》

4）GB／T 12325－2008《電能質(zhì)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(tǒng)供電［2］。

碳化電爐變壓器的技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 變壓器參數(shù)

二次出線方式：側(cè)出線，每相10個出頭，交錯布置。

變壓器大電流母線系統(tǒng)的示意圖見圖2。

圖2 變壓器大電流母線系統(tǒng)示意圖

5 碳化電爐低壓配電系統(tǒng)的組成和功能

碳化電爐的低壓供配電系統(tǒng)采用雙電源（備自投）單母線運(yùn)行方式。用電負(fù)荷100%互備供電，正常運(yùn)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(jìn)線母線上設(shè)置SIEMENS SENTRON 3WL總電源斷路器，采用電動合分閘操作方式，設(shè)備的防護(hù)等級為IP54。

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

6 碳化電爐自動化系統(tǒng)的硬件組成和功能

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

圖3 自動化系統(tǒng)示意圖

S7－1500系統(tǒng)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(shù)模塊：FM 7550－1AA00；

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)SCALANCE X414－3E等；

工業(yè)控制機(jī)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(zhì)系統(tǒng)； PLC2＃：電極和高壓供電系統(tǒng)；

PLC3＃：出渣出鐵開堵口系統(tǒng)； PLC4＃：預(yù)配和噴吹還原系統(tǒng)；

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

工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)：控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即上層的工業(yè)以太網(wǎng)（ETHERNET）和下層的光纖環(huán)網(wǎng)（PROFIBUS DP），并配置接口供生產(chǎn)二級管理使用。

自動化系統(tǒng)主要對碳化電爐的還原劑預(yù)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(tǒng)、液壓系統(tǒng)、煙氣凈化等系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視操控，建立工藝數(shù)學(xué)模型，并存儲和打印生產(chǎn)報表及其它信息。

7 碳化電爐電氣控制系統(tǒng)的功能

為了準(zhǔn)確獲取碳化還原反應(yīng)的過程數(shù)據(jù)，必須對碳化電爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)控，這些參數(shù)主要包括碳化爐的爐體參數(shù)、電流、電壓、功率、冷卻狀態(tài)、電極參數(shù)、操作方式等多種變量［3］。

碳化電爐主要三電控制系統(tǒng)示意圖見圖4。

圖4 碳化電爐主要三電控制系統(tǒng)示意圖

（1）主要的電氣控制系統(tǒng)組成如下：

電極工作檢測控制子系統(tǒng)；

預(yù)配熱裝熱送控制子系統(tǒng)；

煙道爐膛爐壓控制子系統(tǒng)；

煙氣回收凈化控制子系統(tǒng)；

生產(chǎn)參數(shù)監(jiān)測與故障預(yù)警子系統(tǒng)；

電能質(zhì)量在線檢測與分析子系統(tǒng)；

（2）各個子系統(tǒng)的功能

1）電極工作檢測控制子系統(tǒng)

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(yōu)位置區(qū)域內(nèi)，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(tǒng)包括：電極位置檢測監(jiān)控、電極升降控制。

a）電極位置檢測監(jiān)控

PLC將實時檢測的升降量等數(shù)據(jù)傳遞給計算機(jī)，系統(tǒng)根據(jù)模型進(jìn)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(tài)。

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(jù)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(jìn)行控制，通過對輸入爐內(nèi)的三相功率大小的調(diào)節(jié)，保障碳化電爐冶煉還原溫度及其分布狀況。

當(dāng)碳化爐控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)給出相關(guān)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(chǎn)。

2）預(yù)配熱裝熱送控制子系統(tǒng)

主要檢測熱渣流入接口與爐蓋預(yù)留口的定位，防止熔渣外漏到爐蓋表面導(dǎo)致設(shè)備燒毀。為提高電爐整體密封性，在熱裝插口外部采用機(jī)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(nèi)的熱渣質(zhì)量、加料速率、預(yù)配還原劑等，確認(rèn)了這些信息后，開始熱裝熱渣，并且對進(jìn)入爐內(nèi)的熱渣進(jìn)行統(tǒng)計、顯示。

3）煙道爐膛爐壓控制子系統(tǒng)

根據(jù)碳化電爐安全生產(chǎn)的要求，調(diào)節(jié)煙道電液蝶閥的開度和爐氣風(fēng)機(jī)的工作頻率，在不同的冶煉階段將爐內(nèi)壓力保持在一個穩(wěn)定的微差壓狀態(tài)，使?fàn)t膛壓力控制在規(guī)定的工作范圍［Pmin，Pmax］內(nèi)。從而最大限度地利用爐內(nèi)熱量來完成碳化電爐的還原反應(yīng)。

4）煙氣回收凈化控制子系統(tǒng)

煙道上設(shè)有CO、O2、H2、N2在線濃度分析儀，檢測碳化電爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵蠧O、O2、H2、N2含量，高溫?zé)煔膺M(jìn)入煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)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(jìn)入除塵器，除塵后的煤氣含塵量≤10mg／Nm3。

凈化煤氣通過引風(fēng)機(jī)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(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)安全排放，確保碳化爐內(nèi)安全運(yùn)行。

5）生產(chǎn)參數(shù)監(jiān)測與故障預(yù)警子系統(tǒng)

主要包括：爐體狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警、冷卻系統(tǒng)監(jiān)測與預(yù)警、電爐變壓器監(jiān)測與調(diào)節(jié)。

a）爐體狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警

①爐體狀態(tài)監(jiān)測的參數(shù)包括爐蓋溫度、爐體溫度和煙道煙氣壓力、氣氛成份等，當(dāng)爐蓋溫度超過上限值發(fā)出報警信號；

②當(dāng)爐體溫度過高或爐底三相熔池溫度嚴(yán)重不平衡時發(fā)出報警信號。

b）冷卻系統(tǒng)監(jiān)測與預(yù)警

冷卻水主要用來給碳化爐導(dǎo)電橫臂、水冷電纜、熱裝塞頭、熱裝槽、取樣裝置、煙道等進(jìn)行熱交換降溫，使其熱量及時散失。通過對冷卻水進(jìn)水水壓，回水水溫監(jiān)測，發(fā)出相關(guān)報警信號。

c）電爐變壓器監(jiān)測與調(diào)節(jié)

為保證電爐變壓器安全運(yùn)行，計算機(jī)對變壓器動作及保護(hù)信號進(jìn)行監(jiān)視。

①監(jiān)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(dāng)變壓器出現(xiàn)異常情況時發(fā)出報警；

②變壓器的二次側(cè)電壓等級調(diào)節(jié)

根據(jù)爐況調(diào)節(jié)輸入爐內(nèi)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(jìn)行調(diào)節(jié)的。

6）電能質(zhì)量在線監(jiān)測與綜合分析子系統(tǒng)

通過對碳化爐電能質(zhì)量的在線檢測，分析電爐的諧波、無功損耗、功率因數(shù)、電耗及線路暫態(tài)過電壓等數(shù)據(jù)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(shù)、暫態(tài)過電壓、電壓相序、電流相序，總有功電能、總無功電能等參數(shù)；

②監(jiān)測1～25次分相電壓諧波、分相電流諧波的發(fā)生率；

③統(tǒng)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(zhì)量應(yīng)滿足以下指標(biāo)：

電壓波動：＜3%；

電壓閃變：Pst≤0.8，Plt≤0.6；

平均功率因數(shù)：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(yīng)小于1.3%。

8 結(jié)語

高爐熱渣碳化電爐采用大電流線路和輸變電技術(shù)，通過高效的電極調(diào)節(jié)方式，對爐內(nèi)功率平衡和阻抗平衡操控，并依據(jù)爐況反應(yīng)變化進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化，解決了碳化還原電爐運(yùn)行時動態(tài)性能波動大，功率輸入不穩(wěn)定的現(xiàn)象，達(dá)到了熱裝熔煉的節(jié)能降耗目的，并提高了碳化渣的質(zhì)量。

高爐熱渣碳化電爐冶煉的不斷實踐、操作技術(shù)的不斷成熟，對高爐熱渣的還原冶煉逐步實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)起到了推進(jìn)作用。