电弧畸变和电抗对高硅锰硅合金矿热炉生产影响的分析
随着近年来高硅锰硅合金产品市场的竞争加剧，降低生产运行成本的经济效益驱动了大功率矿热炉数量的快速增长，小容量的矿热炉则逐渐被淘汰。随着电炉容量的增大，电炉的电抗在增加，降低了电炉有功功率的输人，功率因数较低，使电炉变压器出力率下降。高硅锰硅合金矿热炉中硅的还原反应所需要的热能主要来自于电弧热，由于配料及炉膛料层分布不均匀引起电弧畸变，导致操作电抗增加，不恰当的控制和操作造成矿热炉相间电抗增加和不平衡，引发了大型矿热炉中常见的“死相”、“活相”及电极不敏感等问题。不正确的生产控制和操作方式及内反应区条件的改变，导致电弧畸变量增加和高频谐波讯号量波动增加，使熔池电抗增加，电抗的增加和不平衡对电炉的运行和控制产生的影响使电炉的运行陷入炉况恶化的状态，许多矿热炉生产和操作人员并没有意识到这些问题的原因，因而影响了炉况的调整。
大型矿热炉的许多重要冶金特性如温度分布、能量传递、电极消耗、电炉特性等与电弧性质相关。这主要是与矿热炉内输入的电功率中主要部分是电弧转化为热能的过程紧密相关，见图1。
图1 硅铁电炉的电弧功率所占电炉功率的分量
在高硅锰硅合金工业生产中常把电阻和电抗并联电路来表示电弧。在电弧生成过程中，电弧阻抗变化范围达到若干个数量级。在高硅锰硅合金生产过程中，电弧位置、电弧长度和电弧直径始终处于变化中，高硅锰硅合金埋弧电炉中的电弧可用方形波来逼近，其相位与电流相同，振幅等于电弧电压。交流电弧的电压波形图如图2所示。
图2 交流电弧波形图
生产作业条件下电弧的特性与电气制度、炉料的特性和炉况有关。得到稳定电弧的前提条件是维持电弧电阻不变，为了在调整电炉功率时保持电弧的稳定性，电压和电流必须同步调整。
2.1电弧畸变引发谐波
高硅锰硅合金生产中，硅的还原反应所需要的能量主要部分是由电弧热提供的。在正常生产运行期间，稳定的交流电弧占绝大部分，当电炉内反应区条件发生改变时，不稳定的电弧占据一定的份额。
稳定的交流电弧电压波形为正弦波，不稳定的电弧为方波，其中含有许多高频分量。方波电压只能传递90%的电弧能量。分析研究电弧的基波和高次谐波可以发现：气体的导电能力和反应区条件变化均可能改变电弧电压和电弧点燃过程。
电弧是非线性电阻，电弧电阻的瞬时值受到炉膛温度、压力、炉料组成、冶金过程所产生的气体成分以及电弧区的几何形状等条件的影响。当这些条件发生改变时，电极电流偏离电源电流的波形，电弧电压波形发生畸变，产生相当于正弦交变电压频率的高次谐波。
2.2电弧畸变引起的电抗变化
在矿热炉正常生产过程中，电弧的电压波形与电源电压波形都呈正弦波。在电炉生产运行条件发生改变时，电弧发生畸变引起电炉电抗的改变，见图3。分析电弧波形时注意到电弧基本频率、电压波形和电流波形有相位转移，这表明，并非是谐波使电抗增加，而是电弧的非线性特性使电抗增加。
图3 冶炼过程电弧电压、谐波和电抗的变化状况示意图
电弧的畸变和高次谐波的研究可用于分析和处理炉况、调整输入功率。分析电弧畸变可以判断炉膛内部发生的变化，如电弧区温度降低或电弧位置变化、还原剂过剩或碳化硅积累、还原剂不足、电极消耗过快等。
高硅锰硅合金矿热炉的操作电抗是电炉短路电抗与谐波分量之和。通常也将电弧和电弧畸变引起的谐波分量而增加的电抗称为熔池电抗。熔池电抗与下列因素有关j：
(1)熔池电压
出炉过程中，随着铁水的流出，熔池内金属液面下降，熔池电压增大，电极电流降低，电弧增强，电抗有较大的增长。
(2)电流分布
坩埚区和料层结构发生变化，炉料分布不均匀或炉料密实度不均匀都会使电流路径改变，同时使矿热炉的熔池电抗发生改变。
(3)内反应区炉料结构及组成
正常生产过程中内反应区中的气相组分SiO、CO和SiC、Si固相组分呈平衡状态。当生产过程出现异常时，内反应区中的物质比例和结构发生改变，平衡状态就会受到破坏，气相导电和电极端部放电均会受到抑制。内反应区缩小使电极位置升高、电抗增加，使电弧的稳定性变坏，从而引起电弧畸变。
大型矿热炉中短网所产生的电抗约占电炉操作电抗的70%左右，矿热炉短网是指从电炉变压器低出线端到电极之间各种形式的低电压、大电流导体的统称。虽然矿热炉短网长度不大，但因其结构复杂且流过的电流高达几十万安培，所以短网电阻和电抗对矿热炉装置有很大的影响。又因短网电抗值一般为电阻的3～6倍，所以短网电抗在很大程度上决定了矿热炉的效率、功率因数及能耗水平。
矿热炉短网是低电压、大电流系统，短网优化设计的首要目的就是减少有功损耗，降低无功损耗，在电耗较低的情况下，获得较高的功率因数，提高矿热炉的产能。由于矿热炉短网导体中流过的电流非常大，该电流在导体周围建立起强大的交变磁场，交变磁通必然在短网导体中产生自感电动势及互感电动势。感应电动势一方面降低电极电压，使有功功率降低，无功功率增加;另一方面，由于短网导体不可避免和不对称性，使得电流因各个导体分布不均匀，各导体之间以及相与相之间产生功率转移等现象，使三相功率不平衡，造成炉内三相电极吃料不均匀，使电炉生产率降低，影响电炉的生产和运行指标。
短网导体内无功电压分量是电流和电抗的乘积。电抗稍有变化，无功电压分量及矿热炉功率因数将产生很大的变化，无功越大，用电越多，而产量越低。电抗在交流电路中不消耗有功功率，但与电源进行能量交换，消耗无功功率。
高硅锰硅合金生产中的电抗问题通常是与大型矿热炉紧密相关，可以从矿热炉的熔池电阻R和操作电抗检测值的变化发现。在恒定的熔池电阻条件下，电阻R与电极直径D反比例变化;对于一个确定的电极直径与电极间距的比率，电抗X正比例于电极位置高度L(如果电弧的影响可以忽略的话)，它与电极的直径相关，如下式所示：
很明显，随着电极位置高度和直径的增加，当其达到某一个值时，电抗就变得异常显著，因此，随着电炉功率的增大、电极直径和电极位置高度的增加，电抗变得越来越明显。
4.1死相与活相
引起矿热炉变压器零点和熔池零点形成电位差，这种零点的位移造成三相熔池电压和功率不平衡。死相与活相通常是由电抗的不平衡引起的极端的案例，如果将变压器环绕电炉按等边三角形布置，也就是使母线的长度相等，这样可以在很大程度上削弱电抗不对称现象，但这样会使得短网结构变得复杂。
当一台矿热炉在电极电流相等的条件下运行时，为了补偿不相等的电抗_5J，必然造成电阻不平衡。如果相序为1—2—3，电极1比其他二相电极具有较高的电抗，那么电极2(死相)的功率比电极1低，电极3(活相)将拥有较高的功率。这种现象可以从图4所示的相位图看出，这是一个基于简化的星形等效电路。
图4 死相与活相示意图
图4a所示为一个完全平衡的电路，电抗相等，电阻相等，结果是每相的电流也是相等的。在同一时间，如果相1的电抗增加，则其他二相的电抗降低，电抗就会变的不对称。相2和相3的电阻进行调节而使电流保持相等。如图4(b)所示，图中的中点由N转移到N'，并使电阻不平衡，导致：
由于电流相等，则R'3>R'1>R'2，依次每相的功率则为P'3>P'1>P'2。在矿热炉内，通常死相和活相会引起原料消耗的不平衡，直接的原因是每相消耗的功率不同造成的结果。另一个电阻不平衡的结果是一相电极持续处于比其他二根电极高的位置。一个极端的情况是，一根电极离开即将凝结的金属熔池，并引起出炉困难。如果这种现象出现时，电极在低电阻下运行。死相与活相的危害是它能轻易的引起大型矿热炉全面的不平衡，并且这也是在生产过程中最不希望发生的情况。
4.2电极移动缺少敏感性
由高电抗引起的电极移动缺少敏感性可以从图5和三电极矿热炉等效方程(4)看出：
当Imax=V/X时，公式(4)的示意图见图6。当R/X变小时，曲线的斜率也随之降低。这意味着，相对缺少敏感性的电极可用于调节电炉电抗值较大的电阻。同样，在电流控制下的电炉，可通过电极的位置调整以改善电极电流。
图5 三电极矿热炉一相电路示意图
与这种电极敏感性相关的最严重的问题发生在严重不平衡的矿热炉内。在这种不平衡发生的期间，可能发生电极电流不能保持稳定，即使电极下插到使电阻降低为零也不足够改善。这是因为该相的电抗限制了电流。图6中，下列案例可以通过比较：在R/X在1.0左右(I/Imax=0.7)，R/X在2.0左右I/Imax=0.45)。
图6 电阻与电抗比率下的电流敏感性
在不平衡条件下，电炉在电流控制状态下，低的电阻/电抗比率会导致电流出现微小的不平衡，将会引起每相电极电阻(和功率)较大改变，导致更加严重的不平衡。
4.3矿热炉电抗对电弧的影响
矿热炉电抗主要是由电炉短网所决定的，矿热炉电抗随电炉容量增大而增加，这是因为随电极直径和短网截面积加大，电极之间的距离增大，短网的单相部分长度增加而引起的。因此，大型电炉的电抗值更大一些。
矿热炉在运行中电抗是经常发生变化的，熔池电抗的波动与电弧畸变引起的谐波有关。电弧是非线性电阻，电弧电阻的瞬时值受到炉膛温度、压力、炉料组成、冶炼过程所产生的气体成分以及电弧区的几何形状等条件的影响。二次电压和电极电流决定了操作电抗的大小，操作电抗随电极电流增大而减小，随电弧长度增加而增大，当电流达到一定值时，功率因数达到最大值。电流低于临界电流值时，会大幅度降低电炉有效功率。过高的电压和过低的短路电抗会引起电弧的畸变。
5.1电气操作点选择不同引起的电抗改变
二次电压和电极电流决定了操作电抗的大小，操作电抗随电极电流增大而减小，随电弧长度增加而增大，当电流达到一定值时，功率因数达到最大值。电流低于临界电流值时，会大幅度降低电炉有效功率。过高的电压和过低的短路电抗均会引起电弧的不稳定。
5.2出炉方式的不同引起的电抗变化
在高硅锰硅合金生产的出炉过程中，随着铁水的排出，熔池液面下降，电弧增强，电抗有较大的增长，是电弧的非线性特性使电炉电抗发生改变。这是由于液态金属趋于流向离电极最近的炉眼，使得面对的电极构成的电流回路比其他二相电极的要长，从而产生了一个附加电抗，导致电抗不对称现象的不平衡。如果在稳定的出炉过程中保持了炉膛底部液态金属液位的恒定，在生产过程中基本保持了电极位置的稳定，是使电炉三相电抗基本保持平衡的条件之一。
5.3捣炉方式的不同引起的电抗变化
高硅锰硅合金生产中，大型矿热炉捣炉操作的目的是：①消除因炉料混合不均匀而引起的电极周围的刺火;②保持炉膛料面的高度和基本形状;③保持炉料均匀的透气性。
在不正常捣炉过程中，由于在炉料某一部位出现不均匀、炉料松散度不均匀时，在出炉过程中会出现：随着铁水的排出，电极电流上升，而不得不降低电炉运行功率或提升电极，造成某相电极或三相电极电抗上升，引起三相电极电抗不平衡。
5.4电流控制为主要方式引起的电抗变化
大功率高硅锰硅合金电炉通常配置有电极控制系统，通常以恒电流、恒功率和恒电阻控制方式运行。在日常生产过程中，一般通过电极的升降调控电极电流和功率，但在试图控制电极电流稳定的同时，引起电极位置较大范围的移动，参见图7。
图7 恒电流控制下电极位置的变化
在基本实现了电极电流稳定的同时，电极位置出现了大幅度的改变，引起了三相电极电抗的不平衡。根据一项控制功能来校正电炉的不平衡，可能会造成电炉更加不平衡的状态。这正是目前在大型矿热炉控制中经常发生的现象。
(1)在高硅锰硅合金生产中，当矿热炉内反应区条件发生改变时，交流电弧发生畸变，引起高次谐波量和电抗上升，通过对谐波讯号波动来分析判断炉况，及时作出调整处理。
(2)死相和活相是大型矿热炉三相电抗不平衡的结果，使每相的功率、电流、电阻严重不平衡。
(3)电极移动的不敏感性，或者说电流的改变引起电阻改变的不敏感，会随着电抗的增大而使炉况更加恶化。
(4)改进捣炉和出炉方式，是防止相间电抗不平衡的措施之一。
(5)在生产过程中，操作人员应关注电极电压、电阻、功率和电极位置的平衡状况，而不能仅单独依赖于矿热炉的电极电流控制。
王力平（蓝星硅材料有限公司）