电弧炉电极调节系统技术概述

电弧炉是短流程钢铁冶金的核心熔炼设备，其通过三相电极与炉料间产生的高温电弧来熔化废钢。电极调节系统作为电弧炉的“智能中枢”，其核心任务是动态调节电极位置，以维持电弧长度与电弧功率的稳定，从而保障冶炼过程高效、节能、平稳运行，并实现对关键设备的保护。

现代电极调节系统普遍采用基于可编程逻辑控制器（PLC）或专用控制器的闭环控制系统，通过液压或全电驱动机构执行。系统实时监测二次侧电压与电弧电流（即弧阻），并据此自动调节电极升降。目前，该系统正朝着智能化、高精度及与冶炼全过程协同优化的方向发展。

电弧炉电极调节系统详解

1.电炉电极调节系统的特点

现代EAF电极调节集成了自动检测与闭环控制功能，其核心特点在于能够实时监测并智能响应复杂的炉况变化。具体而言，系统具备炉料导电状态自动识别能力，即当电极下降至触及未熔化的不导电炉料（废钢）时，能依据检测信号迅速判定，并自动调整下降策略，以防止电极机械损伤或短路。

该系统主要硬件包括：

• 控制单元：

以可编程逻辑控制器（PLC）或专用控制器为核心，负责信号处理、逻辑判断及控制指令输出。

• 检测单元：

关键部件为压力传感器，其油压探头精确安装在比例阀或伺服阀的出口油路测压点上，用于实时监测驱动系统的油压变化；传感器的电信号输出端与PLC控制系统直接相连，构成反馈回路。

• 执行单元：

主要包括比例阀（或伺服阀）、液压缸、油管及电极升降机构。PLC输出的控制信号驱动比例阀，调节通往液压缸的液压油流量与方向，从而精确控制电极的升降速度与位置。电极通过机械连接件与液压缸活塞杆刚性连接。

2.系统核心目标与重要性

目标：

在炉料崩塌、熔化与搅拌等快速变化的炉况下，通过快速升降电极，将电弧电流或电弧电阻稳定在设定值附近。

重要性：

• 能效最大化：稳定的电弧意味着输入功率最优，可缩短熔化时间，显著降低吨钢电耗。

• 保障电网友好性：平抑电流波动，有效抑制电压闪烁（Flicker），减轻对公用电网的干扰。

• 设备保护：防止电极因机械碰撞或电流冲击而折断，减少电弧对炉衬的过度侵蚀，延长设备寿命。

• 提升生产效益：使熔炼过程更可控、均匀，从而提高生产节奏与钢水质量。[1]
  

3. 系统主要组成部分

一个典型的电炉电极调节系统由以下三个环节构成：

3.1 检测环节

• 电气量检测：实时检测三相的次级电压和次级电流。这是控制系统最关键的输入信号。

• 来源/原理：通过电流互感器和电压互感器采集。早期系统主要依赖这些电气信号。[2]

3.2 控制器（大脑）

• 功能：基于检测信号与设定值的偏差，运用特定的控制算法（如PID、自适应、模糊逻辑等）进行计算，输出电极升降的指令与速度信号。

• 技术演变：已从早期的模拟放大器、磁放大器，发展为以PLC、专用微处理器为核心，并逐步融入智能控制算法的现代数字化控制器。[2]

3.3 执行机构（手脚）

• 液压系统：目前的主流方式。控制器输出电信号驱动电液伺服阀或比例阀，调节液压油缸的流量与压力，从而高推力、快响应地推动电极升降。

• 全电驱动系统：新兴的解决方案。采用大功率伺服电机与高精度滚珠丝杠/齿轮齿条直接驱动电极。其优势在于免维护、无液压油泄漏风险、定位精度更高，更符合绿色工厂要求 。

4. 核心控制策略与算法演变

控制算法是系统性能的决定性因素，其发展历程如下：

4.1 经典PID控制

• 原理：根据电弧电流（或阻抗）偏差，进行比例（P）、积分（I）、微分（D）的线性运算。因其结构简单、可靠性高，至今仍是许多系统的控制基础。

• 局限性：电弧炉是一个强非线性、时变且三相耦合的复杂对象，固定参数的PID难以在起弧、穿井、熔清等全工艺周期内均保持最佳控制效果。[3]

4.2 自适应控制

• 原理：控制系统能够在线实时辨识电弧电阻等关键过程参数的变化，并自动调整控制器自身的参数或结构，以适应不同的冶炼工况，提升全程控制品质。

（B.R. Copeland 和 T.R. Jenkins 等在20世纪80-90年代的论文中详细讨论了自适应控制在改善炼钢电炉稳定性方面的应用。）

4.3 现代综合优化策略

• 多目标协调优化：现代先进系统不仅追求电弧稳定，还将功率因数优化、闪变抑制、三相功率平衡及电极消耗最小化等多目标纳入统一优化框架。

• 与高级过程控制（APC）集成：电极调节作为关键执行子模块，被集成到全炉APC系统中，根据智能模型和全局优化算法，动态设定最优功率曲线，实现整个冶炼过程的经济性最优。

• 电弧炉电极调节系统是一个深度融合了检测技术、先进控制理论与高动态执行机构的复杂工业系统。其发展脉络已从最初的恒电流调节，演进为以智能控制算法为核心、以高可靠性执行机构为保障、以全流程多目标协同优化为方向的关键核心技术。该系统性能的优劣，直接决定了EAF电炉冶炼的效率、成本、质量及对电网的影响，是现代电弧炉实现智能化与绿色化升级不可或缺的核心环节。

参考文献:

[1] 王兆敏， 刘小河. 《电弧炉炼钢设备及其自动化》[M]. 冶金工业出版社， 2010. 

[2] 于勇， 唐海燕， 李晶. 现代电弧炉炼钢技术进展[J]. 钢铁， 2019, 54(1): 1-10.

[3] 李崇坚， 李耀华. 大功率电弧炉智能控制技术[J]. 中国冶金， 2008, 18(12): 1-5.