摘要：本文分析了高壓變頻器在某煉鋼廠電弧爐煉鋼除塵風機中的應用。實踐證明，高壓變頻器對降低除塵風機的用電率、減少起動電流、提高功率因數、改進電弧爐煉鋼工藝水平、提高自動化水平有很好的應用前景。
關鍵詞：高壓變頻技術；除塵風機；節能
一、概述
    電弧爐煉鋼是一些鋼鐵廠造成煙塵污染的主要來源之一。在冶煉過程中，爐口會排出大量棕紅色的煙氣，煙氣溫度高、含有易燃氣體和金屬顆粒，按照我國1996年頒布的《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297一1996），對煙氣必須冷卻、凈化，由引風機將其排至煙囪放散或輸送到煤氣回收系統中備用。因此，每座電弧爐需配有一套除塵系統。
    冶煉過程是通過石墨電極向電弧煉鋼爐內輸入電能，以電極端部和爐料之間發生的電弧為熱源進行煉鋼的方法。電弧爐以電能為熱源，可調整爐內氣氛，對熔煉含有易氧化元素較多的鋼種極為有利。電爐鋼以廢鋼為主要原料，熔制出碳鋼或不銹鋼鋼水供煉鑄用。電弧爐煉鋼時產生的有害物污染主要體現在電爐加料、冶煉、出鋼三個階段。電爐冶煉一般分為熔化期、氧化期和還原期，其中氧化期強化脫炭，由于吹氧或加礦石而產生大量赤褐色濃煙。在上述三個冶煉期中，氧化期產生的煙氣量最大，含塵濃度和煙氣溫度最高。因此，電爐除塵系統按照氧化期的最大煙塵排量進行設計。在系統最大風量需求的基礎上增加1.1~1.3倍的安全裕度進行除塵風機選型設計。整個煉鋼過程中吹氧時30~35%，此時風機處于較高負荷運行，而其余時間則處于較低運行工況。很顯然，除塵系統的利用率很低且系統效率差。電弧爐煉鋼主要分為以下階段：
裝料  補爐完畢后，移開爐蓋，用料筐從爐子頂部把爐料裝入爐內。不易氧化和難熔的合金料如鎳等可與廢鋼同時裝入。
爐料的熔化  裝好爐料，合上爐蓋后，即降下電極到爐料面近處，按通主電路開關，將電極調節系統的轉換開關放到自動控制位置，以次高級電壓通電起弧。
吹氧助熔  電弧暴露在熔池面上并降低輸入功率后，可即向熔池吹入氧氣，以加速廢鋼的熔化。
精煉  精煉就是把對鋼質有害的一些元素和化合物，盡可能地從鋼液中排除掉。
出鋼  就是將成分和溫度符合要求的鋼水倒出，以便鑄造之用。
補爐  上一爐的鋼水和鋼渣出凈以后，立即把被侵蝕的爐襯補好。補爐動作要快，以便用爐內的殘余高溫，將補爐料和原爐襯燒結在一起，并可減少熱損失，節約電能。
    長期以來，不論電爐處于哪一個運行階段，產生的粉塵大小均使除塵風機全速運行，采用入口擋板開度調節，效率低、功率大、造成大量的電能浪費。隨著市場競爭的不斷加劇，節能降耗、提高生產效率成為企業發展提高競爭力的有效手段之一。
　　 在九十年代后期，隨著電力電子技術、微電子技術、光電子技術的不斷發展和矢量控制技術的不斷完善，其中各種拓撲結構的高壓變頻器相繼在應用市場上出現，尤其在最近幾年，在技術和應用領域上得到不斷的進步和拓展，其中，多重化完美無諧波矢量控制高壓變頻器以其功率因數高、無諧波（輸入諧波小，對供電電網無污染；輸出諧波小，電機附加發熱和轉矩脈動小）可*性高而受到越來越多的用戶歡迎，現已廣泛應用于電力、冶金、化工、建材等領域。
　　湘鋼某煉鋼廠正是在這種狀況下，對電弧爐除塵系統進行高壓變頻技術改造研究的。該電弧爐除塵系統結構如下圖一所示。電弧爐在冶煉過程中的粉塵主要通過爐頂煙道經沉降室沉積，水冷壁冷卻后經除塵系統過濾排放；同時利用集塵罩將現場生產車間的粉塵和廢氣及時排走，以免危及電弧爐周邊工作人員的安全、污染環境。除塵風機是將煙氣吸收排放的主要設備。

圖 1   電弧爐除塵系統結構

二、系統技術方案設計
　　湘鋼某煉鋼廠70t交流電弧爐。除塵器系統采用布袋式除塵器，最大除塵風量160000 m³／h。
　　電爐的煉鋼周期為70~85分鐘，其中裝料5~8分鐘，送電熔化20~25分鐘，吹氧25~28分鐘，還原期12~16分鐘，沖渣出鋼5~7分鐘。在不同的生產工藝階段，電弧爐產生的煙氣量和煙氣溫度不同，且差異較大。加料過程中，主要是裝料時廢鋼及渣料產生的揚塵，需要的除塵風量不大，要求粉塵不擴散，不污染電爐周邊工作環境為標準。送電過程中是原料送電拉弧加熱，引發可燃廢棄物燃燒產生廢氣。此時，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態，要求煙塵能夠及時排出，又不能過多的帶走爐體熱量以保證煉鋼周期。而在吹氧期間，不僅要求除塵系統能夠及時迅速地將爐口大量棕紅色的煙氣和粉塵排走，又必須保證爐體有合適的吹煉溫度，確保終點溫度。因此，對除塵系統要求較高。進入還原期，吹氧告一段落，粉塵度再一次降低。在沖渣出鋼時，主要排放物是沖渣產生的水蒸汽和少量廢氣。
　　通過對冶煉工藝的分析：電弧爐在煉鋼過程的不同階段對除塵風量的大小有明顯的不同，以吹氧冶煉為最大，加料除塵為最低。通過對電弧爐除塵系統中除塵風機的運行方式和過程的分析，對除塵風機的控制設計于下方案。
2．1 設備參數：

風機參數

風機型號：AY-FR2760
流量：160000m³/h
風壓：3500Pa
軸轉速：730r/min

軸功率：1470Kw

電機參數

電動機型號：YKS650-8

額定電壓：：6000V

額定電流：189A

額定轉速：736r/min

變頻器技術指標

型號：SH-HVF-Y6K/1600

額定容量：2000kVA

輸入電壓：6000V

輸出電壓：0~6000V
額定電流：200A

輸出頻率：0~50Hz

2．2 系統電氣構成
　　根據現場生產工藝情況，選用湖北三環發展股份有限公司研究開發生產的高壓變頻器作為主件，該變頻調速系統具有諧波含量小，功率因數高、模塊化結構、可*性高等特點。除塵風機電氣系統的主接線結構圖如圖2所示。6kV電源通過母線段網側高壓開關DL接入系統，采用多重化移相干式隔離變壓器進行電源側電氣隔離，以減小對電網的諧波污染；變壓器輸出經功率柜逆變輸出后直接驅動三相異步電動機，實現除塵風量的控制。為保證整個除塵風機系統可*性，系統設計中我們還采用工頻旁路。當系統變頻運行時，斷開隔離開關K3，合隔離開關K1、K2。K2與K3之間還設計了機械互鎖，在變頻器運行時絕對保證K3不可以誤合閘。在變頻運行時，由遠程PLC起停變頻器；轉速由微機控制系統給定，實現除塵風機的轉速和風量控制。當變頻器出現故障時，系統切換至原工頻運行方式；斷開隔離開關K1、K2；合隔離開關K3。由原除塵系統啟動風機，入口擋板控制風量。

                        圖2  系統結構圖

2．3 系統控制方案

由于不同工藝階段的煙氣溫度有明顯差異，因此溫度的高低直接反映了電爐的運行工況。系統并沒有采用檢測電爐工作中粉塵濃度的方式來直接控制除塵風量，而是采集煙道溫度作為系統調節的基本參量，通過計算機進行計算和綜合輸出4~20mA電流作為高壓變頻器的頻率給定信號系統控制。同時，以吹氧量和冷風門開度作為除塵風量的修整參量，從而提高系統響應速度、改善控制品質、達到良好的除塵效果、實現除塵風量自動控制、降低運行人員勞動強度、提高系統效率，達到最佳的節電效果。具體的控制邏輯見圖3所示。為了保證系統的可*性，另外增加了除塵風量手動控制回路，對除塵風量的控制采用分段調速的方式由爐前操作臺控制變頻運行的頻率點，從而實現不同運行工況下的風量調節�？刂七壿媹D如圖四所示。

圖3     手動控制示意

實踐證明：系統在設計了兩套控制方案后大大提高了系統的實用性和可操作性，很好的滿足了現場生產要求。同時，在改善現場工作環境，提高產品質量，降低噸鋼能耗方面起到了積極作用。
三、系統特點
   變頻調速技術在電爐除塵系統中應用后，主要體現了以下幾個特點：
1、提高了功率因數，大大降低了起動電流（起動電流從1200A左右降到不足30A），實現了最佳的軟起動。
2、除塵設備功耗隨電爐煉鋼生產工藝變負荷運行，提高了系統效率；取得顯著的節能效果。
3、降低了除塵系統用電負荷，減少了直接起動對電網的電流沖擊，同時也減少了對電機、除塵風機的沖擊，延長了除塵器、除塵布袋、除塵風機、除塵電機、煙道等設備的使用壽命。
4、對降低爐內熱量損失，合理控制過程溫度，做到爐溫控制的最優化。
5、對除塵系統進行變頻改造，縮短煉鋼時間，提高鋼的品質。
四、節能分析
　　為了對除塵系統變頻改造后的效果進行評價, ，在系統投入正常運行1個月后對設備實際使用和節電情況進行了測定和數據分析。
　　對變頻改造后的節能情況進行統計分析,將除塵風機切到工頻連續運行72小時，統計這段時間的耗電量和煉鋼量;再將除塵風機切到變頻工況下連續運行，按同樣的方法統計這段時間的耗電量和煉鋼量。

變頻運行參數

表1

   變頻運行和工頻運行對比

                表2

通過對統計數據的分析處理，我們可以得出于下結論：

1、         除塵系統在變頻改造后，功率因數從0.83左右提高到0.973;

2、         噸鋼除塵電耗降低了16.4kW/h，設備節電率高達59.3%，節能效果顯著；

3、         年節電量高達593萬度，年節電收益高達225萬元；

4、         項目總體投資額為178萬元，15個月即可收回投資，設備使用壽命長達10年，項目總體收益高達1800萬元以上。

參考文獻:
[1] 沈才芳等編著．電弧爐煉鋼工藝與設備（第2版）．北京：冶金工業出版社，2001
[2] 湖北三環發展股份有限公司  SH-HVF系列高壓變頻器手冊