普通電弧爐設(shè)計(jì)與電極升降控制(共23頁(yè))

1、 普通電弧爐的一般設(shè)計(jì)與電極升降控制摘要：為了提高所熔煉速度和鋼水的質(zhì)量、減少電能及電極的消耗量、保證維持規(guī)定的電氣工作條件，使設(shè)備獲得較高的生產(chǎn)率。從電弧爐的一般設(shè)計(jì)概況，到電弧爐電極的升降控制。系統(tǒng)了解電弧爐中存在的缺點(diǎn)與不足。通過(guò)分析，更好的提高電氣控制的穩(wěn)定性，提高電網(wǎng)提高熔煉速度。關(guān)鍵詞：電弧爐、短網(wǎng)電流、電極升降。目 錄一、電弧爐的簡(jiǎn)介及特點(diǎn)1.電弧爐簡(jiǎn)介2.電弧爐特點(diǎn)二、電弧爐的一般設(shè)計(jì)1.電弧爐組成部分2.爐體設(shè)計(jì)3.變壓器設(shè)計(jì)4.短網(wǎng)電流的計(jì)算5.電極直徑計(jì)算6.電極升降計(jì)算7.其他相關(guān)參數(shù)三、電極升降自動(dòng)控制1.調(diào)節(jié)器的組成及工作原理2.調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理四、小結(jié)五、參考文獻(xiàn)

2、一、電弧爐的簡(jiǎn)介及特點(diǎn)1.電弧爐簡(jiǎn)介電弧爐是利用電極間電弧產(chǎn)生的熱能冶煉金屬的一種設(shè)備。電弧爐煉鋼就是靠電極與爐料之間放電產(chǎn)生的電弧，使電能在弧光中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并借助輻射和電弧的直接作用加熱并熔化金屬和爐渣，冶煉出各種成分的鋼和合金?，F(xiàn)代化煉鋼電弧爐均為直接加熱、爐底不導(dǎo)電式電爐。該電爐按直接加熱金屬的原理工作，電弧發(fā)生在每一電極與爐料之間，己熔化的金屬則形成負(fù)荷的中心點(diǎn)。2.電弧爐的特點(diǎn) 電弧爐進(jìn)行冶煉，電弧爐是一個(gè)多變量、非線性、大滯后、強(qiáng)藕合、時(shí)變、隨機(jī)干擾較強(qiáng)的系統(tǒng)，使得系統(tǒng)電極位置、電弧長(zhǎng)度、電弧電流以及系統(tǒng)功率很難保持最佳工作狀態(tài)。電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)是電弧爐的重要組成部分，其工作性能

3、的好壞直接影響鋼的產(chǎn)量、質(zhì)量和能源消耗。在電弧爐冶煉過(guò)程中，三相交流電弧爐的電力負(fù)載是不穩(wěn)定的、不對(duì)稱(chēng)的； 無(wú)功沖擊及閃變； 產(chǎn)生諧波電流。 電弧爐的整個(gè)煉鋼過(guò)程一般分為熔化期、氧化期、還原期三個(gè)時(shí)期，由于各個(gè)時(shí)期所完成的任務(wù)不同，因而相應(yīng)地對(duì)冶煉溫度和功率的要求也不同。 （熔化期）開(kāi)始熔化階段，固體爐料熔化，能量需求最大。 （氧化期）初精煉及加熱階段。 （還原期）精煉期，此階段輸入能量只需平衡熱損耗。在廢鋼冶煉時(shí)電弧爐的工作特性為： 在開(kāi)始熔化時(shí)電弧頻繁出現(xiàn)截?cái)嗪椭匦氯蓟　?全熔化期出現(xiàn)電弧波動(dòng)，并導(dǎo)致電流急劇變化。 發(fā)生塌料導(dǎo)致短路。 電弧爐在熔化期出現(xiàn)的電弧截?cái)嗉岸搪番F(xiàn)象，只有通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)

4、方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。需注意的是各相不平衡電流、各相斷續(xù)電流和半波不平衡電流，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)在不同時(shí)間和不同相位產(chǎn)生的有功功率和無(wú)功功率值發(fā)生變化。調(diào)制電流使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)閃變效應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生諧波電流注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變。電弧爐通過(guò)短網(wǎng)、電壓變壓器、電抗器、斷路器和隔離開(kāi)關(guān)接到高壓供電網(wǎng)上，短網(wǎng)是指從電弧爐的電極夾持器到電爐變壓器的一段三相電路，它是電弧爐電氣回路中重要的組成部分之一，短網(wǎng)由很多種不同形狀的導(dǎo)線組成，主要包括銅排、軟電纜、銅管三部分。短網(wǎng)中通過(guò)數(shù)千至萬(wàn)安的大電流，因此短網(wǎng)的合理設(shè)計(jì)對(duì)減小電爐設(shè)備的功率損失。提高功率因數(shù)以及平衡三相功率都起著重要的作用。電爐變壓器是專(zhuān)門(mén)用于電爐冶煉的特種

5、變壓器。它具有過(guò)載能力大、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)。一般具有20%30%的過(guò)載能力（1999年8月6日國(guó)家機(jī)械工業(yè)局發(fā)布的JBT 9640-1999 電弧爐變壓器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)說(shuō)明）。它的二次側(cè)輸出大電流和低電壓，并且由過(guò)流保護(hù)裝置。低壓側(cè)配有電壓調(diào)節(jié)裝置，以供在不同的熔煉階段調(diào)節(jié)電弧爐的輸入功率只用。電爐變壓器的原邊接成星型、負(fù)載接成三角形。負(fù)載邊接為三角形可以保證當(dāng)一相電極處于斷流狀態(tài)時(shí)，另外兩相電極的電流能形成電流回路，提高煉鋼的工作效率。現(xiàn)代化的電弧爐都配有高功率的變壓器。使用高功率的變壓器可以加快固體爐料的熔化時(shí)間。電抗器是同電弧爐變壓器串聯(lián)的電感線圈，以便在發(fā)生短路時(shí)用來(lái)限制短路電流，緩

6、和電弧電流的劇烈變動(dòng)和保證電弧穩(wěn)定燃燒。在選擇電抗器的感抗值時(shí)應(yīng)使短路電流數(shù)值不超過(guò)變壓器額定電流的2.53.5倍，使沖擊電流對(duì)電弧爐電氣設(shè)備無(wú)危害。電抗器一般在熔化期和氧化期間投入。在還原期，電弧比較穩(wěn)定，可通過(guò)電抗器短路開(kāi)關(guān)將電抗器切除。20t以下的電弧爐均附有電抗器（小噸位爐子，一般變壓器內(nèi)部連有電抗器），對(duì)于大容量的電弧爐（電爐變壓器容量大于9MVA時(shí)），由于其短網(wǎng)電抗值較大，一般不再接入電抗器。高壓斷路器主要用來(lái)頻繁的接通和斷開(kāi)電弧爐變壓器，另外斷路器還能起到保護(hù)作用，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，斷路器會(huì)自動(dòng)與供電電源切斷。 一般電爐變壓器二次側(cè)均為低電壓（幾十至幾百伏），大電流（幾千至幾萬(wàn)安）。

7、為保證各個(gè)熔煉階段對(duì)電功率的不同需要，變壓器二次電壓要能在50%70%的范圍內(nèi)調(diào)整，因此都設(shè)計(jì)成多級(jí)可調(diào)形式。調(diào)整方法有變換、有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)等。變壓器容量小于10MVA者，可進(jìn)行無(wú)載切換；容量在10MVA以上者，一般應(yīng)是有載調(diào)壓方式。也有三相分別設(shè)置分接頭裝置，各相分別進(jìn)行調(diào)整，可以保障爐內(nèi)三相熱能平衡。 與普通電力變壓器相比，電爐專(zhuān)用變壓器有以下特點(diǎn)：a.有較大的過(guò)負(fù)荷能力；b.有較高的機(jī)械強(qiáng)度 。除此之外，水冷循環(huán)體系是電弧爐不可缺少的一部分。隨著電弧爐的發(fā)展，水冷循環(huán)體系日益龐大，存在的安全隱患也隨之增加。拋開(kāi)水冷循環(huán)體系，電弧爐變壓器與電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)是電弧爐最為重要兩個(gè)部分。二、電

8、弧爐的一般設(shè)計(jì)1.電弧爐總體由下列幾個(gè)部分組成：傾爐機(jī)構(gòu)及其鎖緊裝置爐體爐蓋及其提升和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電極升降及其傳動(dòng)、導(dǎo)向和配重裝置短網(wǎng)銅排及集束電纜液壓系統(tǒng)、水冷裝置成套電氣設(shè)備（包括特種變壓器）在這里對(duì)爐體、變壓器容量、短路電流、電極升降距離及電氣控制的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。2.電弧爐爐體電弧爐爐體設(shè)計(jì)一般從熔煉噸位開(kāi)始，先由熔煉噸位計(jì)算出爐體大小，以下常用公式是：熔池容積V池。根據(jù)定義：V池=V液+V渣V液=T/液式中T出鋼液量；液鋼液的密度，取7.0t/m³。V渣=G渣/液式中G渣按氧化期最大渣量計(jì)算，鋼液量的3%（堿性）；渣34t/m³，取3t/m³。熔池直徑D（

9、渣面直徑）和深度H之比D/H。在計(jì)算熔池直徑D和深度H之前，首先要確定一個(gè)合適的D/H值。在熔池容積一定的條件下，D/H越大，則熔池越淺。熔池容積一定，熔池越淺，熔池表面積越大，即鋼、渣界面積越大，有利于鋼渣之間的冶金反應(yīng)，因此，希望D/H大一些。但是D/H太大，則熔池直徑和熔煉室直徑都增大，于是路殼直徑增大，導(dǎo)致D殼太大，爐殼散熱面積增大，電耗也增大，所以D/H又不能太大。如果D/H太小，熔池太深，鋼液加熱困難，溫度分布不均勻性大。在氧化期應(yīng)對(duì)金屬進(jìn)行良好的加熱，并對(duì)熔池中的金屬進(jìn)行強(qiáng)烈沸騰攪拌，以使金屬成分和溫度均勻。當(dāng)爐坡傾角45°時(shí)，D/H一般趣=5左右教合適。由截錐體和球冠

10、體的體積計(jì)算公式可知，熔池的計(jì)算公式為：V池=h2(D2+dD+d2)+h1(3×+h12)式中 h1球冠部分高度，一般取h1=H/5; h2截錐部分高度，h2=H-h1=4/5H ; D熔池液面直徑，通常采取D/H=5; d球冠直徑，因d=D-2h2=5H-8/5H=17/5H。3.變壓器容量計(jì)算出電弧爐熔池尺寸后，在計(jì)算變壓器容量；其大小是根據(jù)熔煉噸位、時(shí)間計(jì)算出變壓器容量，以公式計(jì)算出變壓器容量；P =qG/（tmcosjhN） 式中 P電弧爐用變壓器的額定容量， KVA；q熔化每噸廢鋼料及相應(yīng)的渣料并升溫所需的電量， KWh /t, q» 410KWh/t（現(xiàn)國(guó)內(nèi)江

11、蘇地區(qū)電弧爐噸耗已將至400以下） ；G電弧爐裝入量，t；tm預(yù)期熔化時(shí)間，h（一般取0.75）；cosj 熔化期平均功率因數(shù)，一般功率電弧爐取 0.82-0.85，超高功率電弧爐取 0.7（一般取0.85）； 變壓器有功功率利用率，=0.75-0.80； N熔化期變壓器功率平均利用系數(shù)，N=1.0-1.2。1、所有參數(shù)均取下限計(jì)算；P1= qG/（tm1cosj1h1N1） =0.75 N=1.02、所有參數(shù)均取上限計(jì)算；P2= qG/（tm2cosj2h2N2） =0.8 N=1.2一般用公式二進(jìn)行計(jì)算。4.短網(wǎng)電流計(jì)算小噸位變壓器中有電抗器，無(wú)需設(shè)計(jì)在外端；大噸位電弧爐的電抗器一般獨(dú)立設(shè)

12、定；電抗器的作用是限制短網(wǎng)電流和對(duì)電網(wǎng)的沖擊。電抗計(jì)算，可查用變壓器容量乘以系數(shù)得出。短網(wǎng)電流一般用公式Sd=Sjz/X*得出，容量除以總電抗得出（變壓器容量小于100MVA的，可用100MVA），也可用以下公式得出：I=；式中 U最高二次電壓；5.電極直徑計(jì)算電極直徑可按以下公式得出：d電極= 式中 石墨500時(shí)電極系數(shù)，·m；=100mm2、/mK系數(shù)，對(duì)石墨電極K=2.1W/cm2I電極上的電流強(qiáng)度，A；6.電極升降計(jì)算如下：最大上升速度（米/分）/（電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）*齒距（米）=變速箱變比數(shù)調(diào)節(jié)器的主要參數(shù)列表如下：電弧爐額定容量51020304050最大上升速度（米

13、/分）3.5445.566最大下降速度（米/分）22.5334.54.5非靈敏區(qū)（%）熔化期30 精練期10響應(yīng)時(shí)間（秒）<0.2電流調(diào)節(jié)范圍（%）5-125三相電流不平衡度（%）熔化期8 精練期47.其他相關(guān)參數(shù)：水冷系統(tǒng):工作壓力0.2-0.3Mpa；進(jìn)水溫度5-35；回水溫度>55；冷卻水流量>85m3/h（5噸爐參考量；根據(jù)實(shí)際散熱量計(jì)算）。水冷系統(tǒng)的各部件和管路應(yīng)進(jìn)行0.5-0.6Mpa泵壓實(shí)驗(yàn)，15min不允許有泄漏現(xiàn)象，被時(shí)間不許有變形。液壓系統(tǒng)一1.5倍工作壓力進(jìn)行泵壓實(shí)驗(yàn)，15min不得有泄漏現(xiàn)象。絕緣電阻測(cè)試：測(cè)量導(dǎo)電橫臂對(duì)電極升降機(jī)構(gòu)中的起落架之間的絕緣

14、電阻應(yīng)0.5M以及耐壓實(shí)驗(yàn)（1000V，1min內(nèi)不擊穿）水冷電纜：在0.5Mpa（5Kg/cm2）壓力水下，保壓30min不得有泄漏現(xiàn)象。三、電極升降自動(dòng)控制近年來(lái)，電弧爐的冶煉能力已經(jīng)有了很大程度的提高，為了獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又必須保證電弧爐設(shè)備不超出負(fù)載能力范圍，這就需要有高性能的控制設(shè)備做保證，其中最主要的控制設(shè)備就是電極升降自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置DIP（簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)節(jié)器）。以前調(diào)節(jié)器均采用分立元件構(gòu)成，由于元件的工作點(diǎn)不穩(wěn)定，維護(hù)的工作量大；可編程控制器（PLC）具有高抗干擾性、高可靠性因此故障率高，維護(hù)簡(jiǎn)單、可隨意更改程序以滿足不同的冶煉工藝，非常適合用來(lái)作為調(diào)節(jié)器使用。1.調(diào)節(jié)器的組成及工

15、作原理調(diào)節(jié)器的組成：調(diào)節(jié)器是有信號(hào)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換、功率放大、低壓電器元件組成。信號(hào)采集：由三塊電流變送器（由電流互感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號(hào)）、三塊電壓信號(hào)變送器、檔位到位信號(hào)、PLC：采用SIEMEN S7-200系列，或SIEMEN S7-300系列數(shù)模轉(zhuǎn)換：由兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊中的三個(gè)通道提供電極控制信號(hào)。2.調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理取三根電極的三相弧壓信號(hào)送至電壓變送器，產(chǎn)生三個(gè)正比于電弧電流變化的0-5V的電壓信號(hào)，接到模數(shù)轉(zhuǎn)換塊，用自復(fù)位旋鈕把代表靈密度設(shè)定信號(hào)接入到輸入模塊。三相電弧電流經(jīng)電流互感器轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生三個(gè)正比于電弧電流變化的0-5A的電流信號(hào)，由電流變送器隔離轉(zhuǎn)換

16、后，產(chǎn)生三個(gè)正比于電弧電流變化的0-5V的電壓信號(hào)，接入到另一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換塊，用旋鈕把代表電壓電流設(shè)定信號(hào)接入輸入模塊上。并把以上轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)PLC的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線傳送給CPU模塊進(jìn)行處理。在PLC模塊內(nèi)部的儲(chǔ)存器上存儲(chǔ)有編好的應(yīng)用程序，依靠這個(gè)應(yīng)用程序?qū)ι鲜鲂盘?hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理、比較判斷處理、代數(shù)運(yùn)算處理、PI運(yùn)算處理、最后給出一個(gè)綜合控制信號(hào)，再通過(guò)PLC的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊再把這個(gè)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)±10V的電壓信號(hào)送入變頻器，由變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)電弧電流和電極升降速度的目的。電流自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程：根據(jù)冶煉工藝的要求，手動(dòng)調(diào)節(jié)電流設(shè)定旋鈕，當(dāng)

17、電流設(shè)定值大于電流實(shí)際值時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊送入CPU，并在PLC內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)電流正差值信號(hào)，該差值信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出負(fù)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)變頻器運(yùn)行，使電極下降，以增大電弧電流。當(dāng)電流設(shè)定值小于電流實(shí)際值時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊送入CPU，并在PLC內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)電流負(fù)差值信號(hào)，該差值信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出負(fù)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)變頻器運(yùn)行，使電極上升，以減少電弧電流。電極升降速度自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程：當(dāng)發(fā)生短路現(xiàn)象時(shí)，電弧電流的實(shí)際值大于電弧電流的設(shè)定值，此時(shí)通過(guò)PLC送出的負(fù)差值信號(hào)最大，在這個(gè)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下驅(qū)動(dòng)下電極上升的速度將以程序中設(shè)定的最大自動(dòng)上升速度提升電極，該上升速度的征訂要已在5-6

18、秒內(nèi)快速消除短路現(xiàn)象為準(zhǔn)。電極上升的過(guò)程中，電弧電流逐步減小，則PLC送出的負(fù)差值信號(hào)也逐步減小，電極上升的速度也逐步減慢；當(dāng)電弧電流的實(shí)際值等于電弧電流的設(shè)定值時(shí)，此時(shí)的PLC輸出達(dá)到零值，電極停止上升。當(dāng)電弧電流的實(shí)際值小于電弧電流的設(shè)定值，此時(shí)通過(guò)PLC送出一個(gè)正差值信號(hào)，在這個(gè)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下電極下降;實(shí)際值小于設(shè)定值越多，差值信號(hào)越大，電極下降的速度也越快。電極在下降的過(guò)程中，電弧電流逐步增大，則PLC送出的正差值信號(hào)也將逐步減小，電極下降的速度與逐步減慢；當(dāng)電弧電流的實(shí)際值等于電弧電流的設(shè)定值時(shí)，此時(shí)PLC的輸出達(dá)到零值，電極停止下降。PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)(最小量a-最大量A)、電信號(hào)(最小

19、量b-最大量B)、物理量(最小量c-最大量C)、及實(shí)際數(shù)字量（X）之間的關(guān)系。電信號(hào)=（B-b）*（X-c）/（C-c）+bPLC內(nèi)部數(shù)據(jù)=（A-a）*（X-c）/（C-c）+a如電流范圍在0-8000A，實(shí)際電流為5000A，電信號(hào)范圍（0-5V），PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)（0-32767）由上述公式可知電信號(hào)=（5-0）*（5000-0）/（8000-0）+0=3.125V；PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)=（32767-0）*（5000-0）/（8000-0）+0=20479.37 由于PLC中最大數(shù)據(jù)為32767，輸入的變量存在變比差異，為避免PLC出現(xiàn)過(guò)溢現(xiàn)象，將輸入的PLC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成外部的物理量數(shù)據(jù)后，再經(jīng)運(yùn)算。（A-a）*（X-c）/（C-c）+a（8000-0）*（20479.37-0）/（32767-0）+0=4999.9A轉(zhuǎn)換成物理量進(jìn)行PI（積分運(yùn)算）運(yùn)算、處理得出運(yùn)算數(shù)據(jù)。再經(jīng)相應(yīng)公式轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸出。由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊驅(qū)動(dòng)變頻器動(dòng)作。根據(jù)電弧爐的特點(diǎn)，設(shè)定幾個(gè)不同情況下的運(yùn)算程序，經(jīng)比較指令區(qū)分去對(duì)應(yīng)的運(yùn)算程序，運(yùn)算結(jié)