D0I:10.13374/j.issn1001053x.1999.06.020 第21卷第6期 北京科技大学学报 Vol,21 No.6 1999年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee,1999 直流电弧炉电弧位置控制 魏剑平李华德 余达太 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要在分析直流电弧炉三维导体布置的基础上，建立了直流电弧的偏弧模型，并以此作 为电弧位置控制的依据，针对水冷钢棒式底电极型的直流电弧炉，阐述了其电弧位置控制的 原理和系统组成，并进行了仿真研究.结果表明控制系统可以有效地纠正电弧的偏向问题并 可按设定点自由控制电弧位置. 关键词直流电弧炉：偏弧模型：电弧位置控制 分类号TP273 直流电弧炉的偏弧现象是由电弧炉内电磁 离.电弧的电流密度J的轴向分量，对电弧柱 场的分布情况决定的.在电弧炉运行过程中，布 所受的电磁力有较大影响，而电流密度J的径 置于炉体周围的母线导体流过的直流电流达 向分量J,则是电弧柱产生旋转的主要因素，轴 10~100多kA,在电弧炉内形成一个电磁场，受 向电流密度J,远大于径向电流密度J.轴向电 炉体周围环境状况和炉内复杂气氛变化的影 流密度J,为抛物线分布： 响，炉内电磁场在不断发生变化，直流电弧区的 4) (2) 电磁场对电弧本身产生的电磁力使电弧的位置 式中：I为电弧电流，”为径向坐标. 出现偏移，而且偏移的位置随着受到的电磁力 的大小发生改变.针对偏弧现象，一般采取的措 阴极电压降 石墨电极棒 施是合理布置炉子下面的汇流排和在炉底安装 电子流 特殊设计的抑制偏弧的线圈，但这些措施只能 阴极斑点 在电弧炉的建造阶段实施，电弧炉投运后，导体 电 电气轮题 (6000堡 电弧等离子体 布置是不可更改的.要从根本上来解决问题，必 (电弧等子体射流) 电弧焰 须能够在电弧炉运行过程中自由控制电弧的位 位 (电弧射流) 置4.针对底电极为4根水冷钢棒的直流电孤 钢水液面 电流方向 炉，本文提出了电弧位置闭环自动控制的方法. 阳极电压降 图1稳定电弧的形状 1直流电弧偏弧模型的建立 建立如图2所示的坐标系.图中z轴与炉体 直流电弧是1个易变形、自由度高的导体， 它的形状和电流密度分布情况对偏弧有很大的 影响.在三维的导体布置下建立偏弧模型是电 弧位置控制的基础， 稳定电弧的形状如图1所示，它的电气轮 廓半径R可以如下表示： R R-√是) 61 (1) 式中：R为阴极斑点半径，Z为至石墨阴极的距 P 图1载流导体在电弧区产生的磁场力 1999-05-2】收稿魏剑平男，30岁，博士生 的中轴线重合，炉底中心点定为坐标系原点0 *国家“八五n“九五"攻关重点课题(No.85-311-02-11-05) 圆平面S为电弧柱与钢液面C的交面.根据毕第 21 卷 第 6 期 1 9 9 9 年 1 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s i yt o f S e i e n e e a n d eT e h n o l o g y B e ij i n g Vb l . 2 1 N 0 . 6 D e C . 19 99 直流 电弧炉 电弧位置控制 魏剑 平 李华德 余达太 北京科技大 学信 息工程 学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 在 分析 直流 电弧 炉三 维 导体 布置 的基 础 上 , 建立 了直流 电弧 的偏弧模型 , 并 以此作 为 电弧位置 控制 的 依据 . 针对 水冷 钢 棒式 底 电极 型 的直 流 电弧炉 , 阐述 了其 电弧位置控制的 原 理和 系统 组成 , 并进 行 了仿 真研 究 . 结 果表 明控制系统 可 以有 效地纠 正电弧的偏 向问题并 可 按设 定点 自由控制 电弧位 置 . 关键 词 直 流 电弧 炉 ; 偏 弧 模型 ; 电弧位 置 控制 分类 号 T P 2 73 直流 电弧炉 的偏 弧现象 是 由 电弧炉 内电磁 场的分布情 况决定 的 . 在 电弧炉 运行过程 中 , 布 置 于 炉体 周 围的母 线 导 体 流过 的直 流 电流 达 10 一 1 0 0 多 kA , 在 电弧炉 内形成一 个 电磁场 , 受 炉体 周 围环 境 状 况和 炉 内复 杂气 氛 变 化 的影 响 , 炉 内 电磁场在不 断发生变化 , 直流 电弧区 的 电磁 场对 电弧 本身产生 的电磁 力使 电弧 的位置 出现偏移 , 而 且偏移 的 位 置随着受 到的 电磁力 的大 小发 生改变 . 针对偏弧现象 , 一 般采取 的措 施是合 理布置 炉 子下 面 的汇流排和 在炉底安装 特 殊设计 的抑制 偏弧 的 线 圈 . 但这 些措施只 能 在 电弧炉 的建 造阶段实施 , 电弧炉投运后 , 导体 布置 是不 可更改 的 . 要 从根本上来解决 问题 , 必 须能够在 电弧 炉运 行过程中 自由控 制电弧的位 置 〔, , ” . 针 对底 电极 为 4 根 水冷 钢 棒 的直流 电弧 炉 , 本文 提 出 了 电 弧位 置 闭环 自动 控制 的方法 . 离 . 电弧的 电流密度 J 的轴 向分量 zJ 对 电弧 柱 所 受的电磁力有较 大影 响 , 而 电流密度 J 的径 向分量 诱 则是电弧柱产生 旋转 的主要因 素 , 轴 向电流密度 大远大于径 向电流密度 沂 . 轴 向 电 流密度 丈 为抛物线分布 : 21 ` . 尸 、 J , = - , 孟丁! 1 一一共 犷 . 兀才《万、 八牙, ( 2 ) 式 中 : I 为 电弧 电流 , ; 为径 向坐标 . 人 卜 「 1 直流 电弧偏弧模型 的建立 直流 电弧 是 1 个 易变 形 、 自由度高的导体 , 它 的形 状和 电流密 度分布情况对偏弧有很大 的 影 响 . 在 三维 的导 体布 置 下 建立偏 弧模型 是 电 弧位置 控 制的 基础 . 稳定 电弧 的形 状如 图 1 所示 {3] , 它 的 电气 轮 廓半径 尺 : 可 以如下 表 示 : 图 1 稳 定 电弧 的形状 建立如图 2 所示 的坐标 系 . 图中: 轴与炉体 * : 一 * 。 ! 卜福) ( ` , 式 中 : R 。 为阴 极斑点 半径 , Z 为至 石 墨 阴极 的 距 19 9 9 一 05 一 21 收稿 魏剑 平 男 , 30 岁 , 博 士生 * 国家 “ 八五 ” “ 九 五 ” 攻 关 重点课 题 (N o 名 5 一 3 1 1 一 0 2 一 1 1 一 0 5 ) 图 1 载流导 体在 电弧区产生的磁场 力 的 中轴线 重合 , 炉底 中心 点 定为坐标系 原点 0 . 圆平面 S 为 电弧 柱与钢液 面 C 的交面 . 根据 毕 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1999. 06. 020