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1、普通电弧炉的一般设计与电极升降控制摘要：为了提高所熔炼速度和钢水的质量、减少电能及电极的消耗 量、保证维持规定的电气工作条件，使设备获得较高的生产率。 从电弧炉的一般设计概况，到电弧炉电极的升降控制。系统了解 电弧炉中存在的缺点与不足。通过分析，更好的提高电气控制的 稳定性，提高电网提高熔炼速度。关键词：电弧炉、短网电流、电极升降。坡二、成 f ZM 篆镒晝z 爲|曲9 m-RKH面希Ln m-Rg炭曲冒盟寸 去怒豔帛M 去矍feCN uss. slgfes ZM u豐屏z、电弧炉的简介及特点1.电弧炉简介电弧炉是利用电极间电弧产生的热能冶炼金属的种设备。 电弧炉炼钢就是靠电极与炉料之间放电产
2、生的电弧，使电能在弧 光中转变为热能，并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属 和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金。现代化炼钢电弧炉均为直接加热、炉底不导电式电炉。该电 炉按直接加热金属的原理工作，电弧发生在每一电极与炉料之间， 己熔化的金属则形成负荷的中心点。2.电弧炉的特点电弧炉进行冶炼，电弧炉是一个多变量、非线性、大滞后、 强藕合、时变、随机干扰较强的系统，使得系统电极位置、电弧 长度、电弧电流以及系统功率很难保持最佳工作状态。电极升降 调节系统是电弧炉的重要组成部分，其工作性能的好坏直接影响 钢的产量、质量和能源消耗。在电弧炉冶炼过程中，三相交流电 弧炉的电力负载是不稳定的、不对称的；
3、无功冲击及闪变； 产 生谐波电流。电弧炉的整个炼钢过程一般分为熔化期、氧化期、还原期三 个时期，由于各个时期所完成的任务不同，因而相应地对冶炼温 度和功率的要求也不同。（熔化期）开始熔化阶段，固体炉料熔化，能量需求最大。（氧化期）初精炼及加热阶段。（还原期）精炼期，此阶段输入能量只需平衡热损耗。在废钢冶炼时电弧炉的工作特性为：在开始熔化时电弧频繁出现截断和重新燃弧。全熔化期出现电弧波动，并导致电流急剧变化。发生塌料导致短路。电弧炉在熔化期出现的电弧截断及短路现象，只有通过统计 学方法进行评价。需注意的是各相不平衡电流、各相断续电流和 半波不平衡电流，会导致电网在不同时间和不同相位产生的有功 功
4、率和无功功率值发生变化。调制电流使电网电压出现闪变效应， 同时产生谐波电流注入电网，使电网电压发生畸变。电弧炉通过短网、电压变压器、电抗器、断路器和隔离开关 接到高压供电网上，短网是指从电弧炉的电极夹持器到电炉变压 器的一段三相电路，它是电弧炉电气回路中重要的组成部分之一， 短网由很多种不同形状的导线组成，主要包括铜排、软电缆、铜 管三部分。短网中通过数千至万安的大电流，因此短网的合理设 计对减小电炉设备的功率损失。提高功率因数以及平衡三相功率 都起着重要的作用。电炉变压器是专门用于电炉冶炼的特种变压器。它具有过载能力大、机械强度高等特点。一般具有20%30%的过载能力（1999年8月6日国家
5、机械工业局发布的JBT 9640-1999电弧炉 变压器行业标准中有详细说明）。它的二次侧输出大电流和低电 压，并且由过流保护装置。低压侧配有电压调节装置，以供在不 同的熔炼阶段调节电弧炉的输入功率只用。电炉变压器的原边接成星型、负载接成三角形。负载边接为 三角形可以保证当一相电极处于断流状态时，另外两相电极的电 流能形成电流回路，提高炼钢的工作效率。现代化的电弧炉都配 有高功率的变压器。使用高功率的变压器可以加快固体炉料的熔 化时间。电抗器是同电弧炉变压器串联的电感线圈，以便在发生短路 时用来限制短路电流，缓和电弧电流的剧烈变动和保证电弧稳定 燃烧。在选择电抗器的感抗值时应使短路电流数值不超
6、过变压器 额定电流的2.53.5倍，使冲击电流对电弧炉电气设备无危害。电抗器一般在熔化期和氧化期间投入。在还原期，电弧比较 稳定，可通过电抗器短路开关将电抗器切除。20t以下的电弧炉均附有电抗器（小吨位炉子，一般变压器内部连有电抗器），对于 大容量的电弧炉（电炉变压器容量大于9MVA时），由于其短网 电抗值较大，一般不再接入电抗器。高压断路器主要用来频繁的接通和断开电弧炉变压器，另外 断路器还能起到保护作用，当电流过大时，断路器会自动与供电 电源切断。般电炉变压器二次侧均为低电压（几十至几百伏），大电 流（几千至几万安）。为保证各个熔炼阶段对电功率的不同需要， 变压器二次电压要能在50%70%
7、的范围内调整，因此都设计成 多级可调形式。调整方法有变换、有载调压分接开关等。变压器 容量小于10MVA者，可进行无载切换；容量在10MVA以上者， 般应是有载调压方式。也有三相分别设置分接头装置，各相分 别进行调整，可以保障炉内三相热能平衡。与普通电力变压器相比，电炉专用变压器有以下特点：a.有较 大的过负荷能力；b.有较高的机械强度。除此之外，水冷循环体系是电弧炉不可缺少的一部分。随着 电弧炉的发展，水冷循环体系日益庞大，存在的安全隐患也随之 增加。抛开水冷循环体系，电弧炉变压器与电极升降调节系统是电 弧炉最为重要两个部分。二、电弧炉的一般设计1电弧炉总体由下列几个部分组成：倾炉机构及其锁
8、紧装置炉体炉盖及其提升和旋转机构电极升降及其传动、导向和配重装置短网铜排及集束电缆液压系统、水冷装置成套电气设备（包括特种变压器）在这里对炉体、变压器容量、短路电流、电极升降距离及电 气控制的设计进行简要说明。2电弧炉炉体电弧炉炉体设计一般从熔炼吨位开始，先由熔炼吨位计算出 炉体大小，以下常用公式是：1熔池容积V池。根据定义：V池=液+V渣V液二T/P液式中T出钢液量；P液一钢液的密度，取7.0t/m3。V渣二G渣/p液式中 G渣一按氧化期最大渣量计算，钢液量的3%（碱性）;P渣一34t/m3，取 3t/m3。2熔池直径D （渣面直径）和深度H之比D/H。在计算熔池直径D和深度H之前，首先要确
9、定一个合适的D/H值。在熔池容积一定的条件下，D/H越大，则熔池越浅。熔池容积一定，熔池越浅，熔池表面积越大，即钢、渣界面积越大，有利于钢渣之间的冶金反应，因此，希望D/H大一些。但是D/H 太大，则熔池直径和熔炼室直径都增大，于是路壳直径增大，导 致D壳太大，炉壳散热面积增大，电耗也增大，所以D/H又不能 太大。如果D/H太小，熔池太深，钢液加热困难，温度分布不均匀 性大。在氧化期应对金属进行良好的加热，并对熔池中的金属进 行强烈沸腾搅拌，以使金属成分和温度均匀。当炉坡倾角45。时，D/H 般趣=5左右教合适。由截锥体和球冠体的体积计算公式可知，熔池的计算公式为:V 池二h2(D2+dD+d
10、2)+ h1(3x + h12)式中hi球冠部分高度，一般取叫二H/5;h2锥部分咼度，h2=H-h1=4/5H ；D熔池液面直径，通常采取D/H = 5;d球冠直径，因 d = D-2h2=5H-8/5H = 17/5H。3变压器容量计算出电弧炉熔池尺寸后，在计算变压器容量；其大小是根 据熔炼吨位、时间计算出变压器容量，以公式计算出变压器容量；P =qG/（tmcos的N）式中P电弧炉用变压器的额定容量，KVA ；q熔化每吨废钢料及相应的渣料并升温所需的电量，KWh /t, q 410KWh/t （现国内江苏地区电弧炉吨耗已将至400 以下）；G电弧炉装入量，t ；tm预期熔化时间，h （般
11、取0.75）；cos申熔化期平均功率因数，一般功率电弧炉取0.82-0.85，超高功率电弧炉取0.7 （般取0.85 ）；n变压器有功功率利用率，n =0.75-0.80 ；N熔化期变压器功率平均利用系数，N = 1.0-1.2。1、所有参数均取下限计算；P= qG/ （tm1cos1n1N1）n =075 N = 1.02、所有参数均取上限计算;P2= qG/ (tm2cos2n2N2)n=08 N = 12般用公式二进行计算。4短网电流计算小吨位变压器中有电抗器，无需设计在外端；大吨位电弧炉 的电抗器一般独立设定；电抗器的作用是限制短网电流和对电网 的冲击。电抗计算，可查用变压器容量乘以系
12、数得出。短网电流一般用公式Sd = Sjz/X*I得出,容量除以总电抗得出 (变压器容量小于100MVA的，可用100MVA)，也可用以下公 式得出：1000P、1=贡视;式中U最高二次电压；5电极直径计算电极直径可按以下公式得出：d040612 p电极=3 k式中 p石墨500时电极系数，q m； p =100Qmm2、/mHL rz 申石墨K系数，对石墨电极K=2.1W/cm2I电极上的电流强度，A;6电极升降计算如下：最大上升速度（米/分）/（电机的额定转速（转/分）*齿距（米） 二变速箱变比数调节器的主要参数列表如下：电弧炉额定容量51020304050最大上升速度（米/分）3.544
13、5.566最大下降速度（米/ 分）22.5334.54.5非灵敏区（%）熔化期30精练期S10响应时间（秒）0.2电流调节范围（%）5-125二相电流不平衡度（%）熔化期8精练期47其他相关参数:水冷系统:工作压力02-03Mpa ;进水温度5-35C ;回水温 度55C ;冷却水流量85m3/h （ 5吨炉参考量；根据实际散热 量计算）。水冷系统的各部件和管路应进行05-06Mpa泵压实验， 15min不允许有泄漏现象，被时间不许有变形。液压系统一 15倍工作压力进行泵压实验，15min不得有泄 漏现象。绝缘电阻测试：测量导电横臂对电极升降机构中的起落架之间的绝缘电阻应05MQ以及耐压实验（
14、1000V丄min内不击穿）水冷电缆：在05Mpa （ 5Kg/cm2 ）压力水下，保压30min 不得有泄漏现象。三、电极升降自动控制近年来，电弧炉的冶炼能力已经有了很大程度的提高，为了 获得最大的经济效益，同时又必须保证电弧炉设备不超出负载能 力范围，这就需要有高性能的控制设备做保证，其中最主要的控 制设备就是电极升降自动调节装置DIP （简称调节器）。以前调节器均采用分立元件构成，由于元件的工作点不稳定，维护的工作 量大；可编程控制器（PLC ）具有高抗干扰性、高可靠性因此故障 率高，维护简单、可随意更改程序以满足不同的冶炼工艺，非常 适合用来作为调节器使用。1调节器的组成及工作原理调节
15、器的组成：调节器是有信号采集、模数转换、PLC、数模 转换、功率放大、低压电器元件组成。信号采集：由三块电流变送器（由电流互感器转换为相应的 电流信号）三块电压信号变送器、档位到位信号、PLC :采用 SIEMEN S7-200 系列，或 SIEMEN S7-300 系列 数模转换：由两个数模转换模块中的三个通道提供电极控制2调节器的结构原理取三根电极的三相弧压信号送至电压变送器，产生三个正比于电弧电流变化的0-5V的电压信号，接到模数转换块，用自复位 旋钮把代表灵密度设定信号接入到输入模块。三相电弧电流经电流互感器转换后，产生三个正比于电弧电流变化的0-5A的电流信 号，由电流变送器隔离转换后，产生三个正比于电弧电流变化的 0-5V的电压信号，接入到另一个模数转换块，用旋钮把代表电压 电流设定信号接入输入模块上。并把以上转换后的数字信号通过
