矿热炉的电气特性
（一）电炉参数特性曲线简介
下面以某厂12500KVA矿热炉为例作出特性曲线见附图1。
根据电炉的电极电流与电炉的有功功率与其它电炉参数做出的特性有： 1、电炉有功功率（特性曲线2）； 2、入炉有效功率（特性曲线3）； 3、电炉功率因数（特性曲线5）； 4、设备损失功率（特性曲线4）； 1、电炉参数特性曲线简介 2、电炉的等效电路及其特性 （二）矿热炉等效电路及其特性
以上特性曲线可以在运行中予以在线测试而绘制，也可以通过计算机的人机界面打印曲线图分析出。 1、电炉的视在功率特性曲线1：它是随着负荷电流的增加而成直线上升。
2、电炉有功功率特性曲线2：电炉有功功率的消耗包括：变压器绕组电阻与电抗、短网阻抗、电极以及电炉炉内各参数阻抗的总和，见图一.
3、电炉入炉有效功率特性曲线3：它仅包括除变压器、短网和电极以 外的炉体内部的电阻，即图一b）中的Rf（因为炉内炉料电阻随着炉温的升高而不同程度的降低，所以它实际上是一个可变电阻负载）。这部分的电阻的功率转换才是矿热炉炉内需要的有效功率。
3、电炉参数的合理选取
4、电炉的功率因数曲线5：它随着电炉负荷的增加亦是呈下降的趋势，而且负载电流越大（尤其是负荷超出变压器及其短网设备的允许值），功率因数越低。
5、设备损耗功率曲线4：它是随着负荷电流增大而增大，这部分功率损耗应保证尽可能小。 在矿热炉运行中，对电炉生产指标影响最为不利的是短网及电极感抗参数，所以采用什么样的电气参数以及如何运用它将是我们必须注意的问题（1）视在功率特性曲线1
变压器视在功率：S= 由此计算出的12500KVA电炉变压器技术参数见表1
（2）电网输入电炉系统有功功率特性曲线2
它是矿热炉总的吸收有功功率，包括电炉变压器、短网、电极、电炉炉内所有功率消耗： P有功= COSφ
（3）电炉炉内做功有效功率特性曲线3： P有效=P有功-P损耗。
（4）设备损失功率P损特性曲线4： P损=I2 Z=I2 (Z1+Z2)
从图一中可以看出，变压器、短网以及电极的阻抗越小，负荷电流越合理，设备损失功率就越小，随着负荷电流越不合理（单一超负荷运行），设备损失功率就越大。
（5）电炉功率因数COSφ特性曲线5：
COSφ它更是随着负荷电流的增加而下降,因为COSφ=P有功/S,负荷电流越大，变压器视在功率S呈直线上升，而电网输入给电炉系统的有功功率P有功却在超负荷运行中呈下降趋势。
（三）电炉特性参数的合理选取
我们认为：要想矿热炉取得好的技术经济指标，必须从以下方面入手： 1、正确使用负荷电流。
负荷电流仍然是许多使用矿热炉生产厂家用以控制的主要技术参数，但全国大多数企业一般以满负荷甚至超负荷运行来使用矿热炉，这就带来许多问题：
（1）、降低变压器使用寿命：当负荷电流超过变压器允许范围，其绕组会在变压器内部产生过度发热，线圈铜损急剧增大，油温升高，绕组绝缘老化甚至烧毁而发生事故。
（2）、严重的超负荷运行会造成烧坏短网中的铜母线（或水冷电缆）、电极硬断和铜瓦打弧等事故。 在冶炼周期整个过程，应根据“炉况”采用“三阶段”操作法，即“冶炼初期”（刚出完上一炉铁水又在本炉已加满炉料前提下）满负荷运行，以便达到炉内电热反应的还原过程的目的，这阶段运行时间大概要占整炉的65～80%时间；“冶炼后期”，主要指炉内还原反应（化料）基本完成，主要以保温为主，所以只能以额定负荷的75～85%左右运行，这段时间约占整炉的15～20%；“出炉”阶段，随着铁水的流出，负荷电流明显减少，为了铁水的顺利出炉，必须深插电极以促使产品顺利出炉，这段时间占整炉的10%。
2、合理选择二次电压
电极的合理插深，与电极极心圆电压有密切的关系。电压太高，电极之间的弧光半径过大，炉内弧光交叉，电极会上抬，热损失大，炉内温度低；电压太低，炉内弧光半径过小，三相电极之间难以沟通，电极又容易插深过度，于炉底不利。 所以要根据电网电压及炉况调整二次电压，保证电极合理插深。 即：矿热炉的控制必须选择正确的参数予以控制调节。
三、矿热炉的控制
矿热炉炉内等效电路可以从图一的负载支路Rf看出，它实际上构成\"星三角回路\"，见图二。
矿热炉炉况正常时，组成电炉主电路的是电极工作端至熔池的炉内参与反应的炉料电阻和电弧电阻，即图二中的Ran、Rbn、Rcn组成的“星形回路”，此部分电阻值是电极工作端下部高温熔化下的炉料电阻及电弧电阻组成的，其值是很小的。生产中应尽可能保证从操作上来满足星形回路的功率输入，而功率调节的控制参数就是以此主回路的负荷电流为参量的。参与电极之间功率转换的支路为由Rab、Rbc、Rca组成的三角形回路而构成。这部分的阻值很大，因为它是炉内熔化层上部生料层的炉料电阻，温度低，阻值大。只有少量靠近坩埚上层的炉料参与还原反应，因此，该部分的负荷电流数值很小，一般不考虑参与功率控制。
矿热炉控制方式很多，随着电炉容量主要有以下几种，简介如下：
1、早期小容量电炉的人工控制：是用继电器-接触器系统控制卷扬系统调节电极的升降，达到功率调节的目的；而电极压放更是采用人工松紧水套螺栓的原始方法。这种控制造成工人劳动强度大，工作效率低；而继电器-接触器控制系统又因控制参数单一，自动化程度低不能达到功率平衡调节的目的，将逐步淘汰。
2、PID功率调节器控制
图三是矿热炉电极功率调节控制系统框图
PID调节器由电弧电流及电压的测量回路、调节器、功率放大环节、速度反馈、电动机、减速机械等组成。
电流和电压信号经过测量回路后，分别转换成直流电流和直流电压信号与给定值进行比较。实际测量信号与标准信号的差值信号通过调节器进入功率放大环节进行功率放大，放大了的信号来控制电动机通过机械传动机构使电极上下移动，从而调节电弧长度，维持电弧电流和电压在设定值上，达到功率调节的目的。
当对电路分段线性化完成后，我们就对矿热炉电极调节系统这样的非线性系统的控制就转换成对分段线性化系统的控制。
3、矿热炉电极压放控制
矿热炉许多产品的电极是自焙烧电极，在冶炼中不断消耗，所以需要经常压放。电极是通过上下卡环及液压缸的顺序动作下放的，见图四。动作顺序是：松上环-升立缸（提上环）-紧上环-松下环-降立缸（压下电极）-紧下环。
电极压放应遵循\"勤压、少压\"的原则，以保证电极的正常焙烧速度和电极工作端长度。
压放时机的选择主要有\"定时压放\"和\"根据电流的平方定时累加\"，有时靠炉前操作工根据炉况来决定压放的时机。
实现压放的控制机构有\"人工控制按钮\"、\"顺序控制器\"和\"可编程序控制器\"几种方式。
人工控制很难做到及时准确，又往往难以掌握压放时间而造成压放长度过大，电极断裂的事故。所以建议少用。
\"顺序控制器\"是一种机电式继电器，按照已定的控制规律设定的\"继电器-接触器\"控制装置。 PLC开关量控制：是一种将压放过程按先后步骤编制程序（LAD）后对电极进行自动压放。只要提高压放量精度，这种控制方式是当今及以后控制方式的理想控制装置。
4、矿热炉的配料控制
矿热炉的配料控制包括\"上料\"和\"称量\"两个环节。
上料控制包括炉顶各个料仓的顺序控制，它根据各料仓的料位信号，过低时发出要料信号使相应的胶带机运转，向料仓装入所需炉料。
称量控制包括配料、称量、补正控制以及配料后的运输控制。 在微机配料秤里存储配料公式。
当操作者选定配方后，就发出信号给配料控制系统，控制系统将按照微机配料秤的控制信号对各料仓、振动给料机、斗式提升机和胶带机进行程序控制，配料秤对各称量斗进行设定，先以粗给料速度给料，当称量达到配方要求的95%时，自动变为细给料速度给料，直到料重达到设定值。在称量过程中，由于料斗中的粘料等因素，使设定值与实际值产生偏差，系统将把这一误差存储起来，在下一称量周期中补回这一误差重量。
此外，由于焦炭含有水分，必须折算为干焦量。焦炭水分可用中子水分计测定焦炭水分，并有微机补正这一数值，以保证配料准确，给料过程结束以后，将打印一份料批关于配料时间、炉料成分、实际重量、料仓编号、电炉编号等内容的报告。
5、过程计算机控制
现代铁合金厂全厂控制流行分层次控制。作为设备级控制的仪表及电控系统被称为基础自动化级，作为监控用的电子计算机则称为过程自动化级。
过程自动化的主要功能有： （1）配料计算及其数学模型。 （2）炉内碳平衡控制。
除了在配料中精确计算焦炭量外，还必须动态控制炉内焦炭状态，在线测量炭量，以作为控制炭量的依据。入炉炭量减去炉气带走的炭量就为在炉炭量。
（3）数据显示。主要显示工艺参数的设定值、实际值以及全厂（车间）的工序流程图、设备状态及事故报警、生产趋势和历史数据等。
（4）技术计算。计算各项生产指标，在炉铁合金量和渣量等。 （5）数据记录。打印班报、日报、月报以及事故记录等。
（6）技术通讯。与生产管理机相连，进行通讯，与总厂的管理机数据传输等。
前述的电极功率调节的系统控制，是矿热炉中常用的可编程序控制器来实现的。而现代大容量的矿热炉综合应用了工业计算机、可编程序控制器-工控机-工业以太网等相应的技术功能，利用控制参数\"电极电流\"、\"有效相电压\"、\"炉内阻抗\"等等综合计算，除了找出附图1的最佳有效运行区间达到电炉的设计效果外，还将整个工厂各环节的附属车间的诸如附属参数（冷却水的流量、压力、温度、液位；还有烟气净化
除尘后的各项环保参数等等）随机控制、显示打印出来。
某厂27000KVA矿热炉计算机应用系统框图见第9页中的附图2 附图1的A-B-C-D区间就是功率调节需要找出的最佳运行区间：
从\"电炉功率\"的角度来看，该区间是在额定功率的85%~115%范围内运行，从图中可以清楚的看出：此区间的入炉有效功率P有效最大，是矿热炉功率调节的理想运行区域。
四、矿热炉功率损耗及无功补偿浅谈 1、矿热炉的功率损耗
大家知道，要想取得理想的技术经济指标，则必须找出影响技术经济指标的不利因素并加以预防，对于矿热炉这样的耗能大户更是如此。
矿热炉因其短网的结构复杂、炉内还原反应牵涉的因数众多、负荷电流多达几万安培，所以由电抗(感抗）、电阻引起的功率损失可观，而感抗的存在又会引起用户的功率因数过低，不仅要付供电部门的罚款，又限制了供、配电设备的能力。某些电炉的\"超负荷\"运行方式更加深了上述弊病。
矿热炉功率损失主要由以下几个方面构成：
（1）变压器：变压器的功率损失主要是铜损P变=I2Rt,它随着负荷电流的增加而急剧增长，加大有功功率损耗，可见为了片面追求某些指标而忽视重要的方面是得不偿失的。
当然，变压器是一个电感性负载，由它引起的无功损失亦是不容忽视的。
（2）短网：自变压器低压出线到电极均算作短网（也有将变压器、电极亦计为短网范畴），短网的这部分由于处于大电流引起的强磁场中，因而感抗大引起的无功消耗大，是引起电炉功率因数降低的主要原因，这部分包括水冷补偿器、矩形或管型硬母线、软电缆或水冷电缆等。因之，要求母线段有足够的横截面积（合理的电流密度）和电流向量正负交错以达到感应磁场相互抵消作用的规范布局。
（3）软电缆：这部分是由电流向量正负互相交错转为到各相电极的线路，单位磁场大。现在一般采用水冷电缆来降低温度引起的热效应。
（4）电极：由于通过电极的是电炉电路的\"线电流\"，其值是硬母线、软电缆段的1.732倍，所以尽管由它引起不小的感抗，但它的电阻却占了整个短网更大的比例，引起的功率损耗一般占整个短网的一半
以上。
矿热炉短网各个部位的相关参数见表二（以12500KVA电炉为例）。
从表二的数据看出，有功功率损耗占比例最大的是\"电极\"和\"变压器\"，而感抗占比例最大的是\"电极\"、\"变压器\"和\"载流铜管\"。
2、矿热炉的无功补偿
电力部门规定，高压（10KV及以上）用户功率因数必须达到0.9.随着电炉容量的增大，电炉的自然功率因数会越来越低。
12500KVA自然功率因数为0.87，而同等容量的电炉的超负荷运行会造成功率因数更低，当超负荷运行大于20~30%以上时，功率因数甚至只有0.75左右。因之要对电炉采取无功补偿措施，以提高电炉的功率因数。
在矿热炉设备上采用电容器无功补偿一般有三种接线方式：高压侧；中压侧；低压侧。电容补偿装置的连接地点见图五。
从补偿效果来讲，将电容补偿装置接在矿热炉短网与电极之间是理想的接入点。因为这种方式不仅能补偿电炉高压系统以上的配电网络，还能补偿电炉本身系统（变压器、短网等），从短网参数表二看出，节电效果更明显。
矿热炉实际功率因数因为超负荷运行致使功率因数降为0.8，每月就得上缴电力部门的罚款达总电费的5%。
关于补偿装置的投切方式，可以采用手动或自动方式。
矿热炉一旦建成投产后，其设备（硬件）是否符合设计要求，除了各项硬指标外，使用者还要在生产实践中逐步摸索出影响技术指标的因素，以求利用上述的各项控制方式，达到矿热炉理想的技术经济指标，为节能降耗打好基础。
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