冶金行業(yè)電爐設(shè)備

冶金學(xué)—煉鋼篇

電爐煉鋼及爐外精煉閻立懿東北大學(xué)鋼鐵冶金研究所2008年10月29～11月24日沈陽(yáng)（No3）2/3/20231東北大學(xué)/閻立懿主要內(nèi)容電爐煉鋼及其發(fā)展電爐煉鋼設(shè)備及其電熱特性電爐煉鋼冶煉工藝電爐新技術(shù)、新工藝爐外處理中國(guó)鋼鐵與大型電爐現(xiàn)狀2/3/20232東北大學(xué)/閻立懿電爐大小與分類；電爐大型化及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；電爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)：機(jī)械設(shè)備的組成及各部件名稱；電爐排煙與除塵：排煙方法與除塵設(shè)備種類，及其環(huán)境保護(hù)上次介紹第二章的部分內(nèi)容如下：2/3/20233東北大學(xué)/閻立懿第二章電爐煉鋼設(shè)備～主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備兩部分：電爐大小與分類電爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)電爐排煙與除塵電爐的電氣設(shè)備電爐電氣特性與供電制度2/3/20234東北大學(xué)/閻立懿2.4電爐電氣設(shè)備

電氣設(shè)備包括“主電路”設(shè)備和電控設(shè)備。一般電爐煉鋼車間的供電系統(tǒng)有兩個(gè)：一個(gè)系統(tǒng)由高壓線（高壓供電系統(tǒng)）直接供給電爐變壓器，然后送到電爐上，這段線路稱電爐的“主電路”或叫“主回路”；一個(gè)系統(tǒng)由高壓線供給工廠變電所，或直接通過(guò)變壓器送到需要用電的其它低壓設(shè)備上，這也包括電爐的電控設(shè)備，如低壓配電柜、低壓控制柜（臺(tái)）及電極升降調(diào)節(jié)器等。2/3/20235東北大學(xué)/閻立懿

2.4.1電爐的主電路

～或叫主回路，電爐主電路的作用是實(shí)現(xiàn)電-熱轉(zhuǎn)換，完成冶煉過(guò)程。主電路見(jiàn)圖2-12。2/3/20236東北大學(xué)/閻立懿1—高壓電纜2—隔離開(kāi)關(guān)3—高壓斷路器4—電抗器5—電抗器開(kāi)關(guān)6—電壓轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)7—變壓器8—短網(wǎng)9—電弧10—鋼水圖2-12主電路示意圖2/3/20237東北大學(xué)/閻立懿主電路電器(元件)的組成及其作用：

1）隔離開(kāi)關(guān)用以檢修設(shè)備時(shí)斷開(kāi)高壓電源（進(jìn)線），為一無(wú)載刀形開(kāi)關(guān)。

2）高壓斷路器（開(kāi)關(guān)）為電爐的操作開(kāi)關(guān)。當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，斷路器會(huì)自動(dòng)跳閘切斷電源，以保護(hù)電源和電器，為一有載開(kāi)關(guān)。高壓斷路器的種類有油、空氣、磁吹、SF6及真空斷路器（開(kāi)關(guān)），后者使用廣泛。2/3/20238東北大學(xué)/閻立懿

3）電抗器純電阻R電路電壓與電流相位相同，合閘后當(dāng)電源電壓由零增加到起弧電壓后，氣體導(dǎo)電、電弧產(chǎn)生、才有電流通過(guò)；當(dāng)電源電壓減少至低于起弧電壓后，電流為零、電弧熄滅；然后在負(fù)半周重復(fù)。因此，純電阻電路，電弧不能連續(xù)燃燒，更談不到穩(wěn)定2/3/20239東北大學(xué)/閻立懿

R-L（X）電路當(dāng)回路中串有一定的電抗時(shí)，電源電壓與電流有一相位角（電流滯后），合閘后電源電壓就超過(guò)起弧電壓，產(chǎn)生電弧、有電流通過(guò)；當(dāng)電源電壓減少至低于起弧電壓后，與電抗壓降合成的電壓仍然超過(guò)起弧電壓，電流不為零、電弧繼續(xù)燃燒；隨著電流的降低至過(guò)零時(shí)的瞬間，在負(fù)半周電源電壓又超過(guò)起弧電壓電弧繼續(xù)燃燒，從而形成連續(xù)穩(wěn)定電弧。2/3/202310東北大學(xué)/閻立懿

電抗器及其作用：串聯(lián)在變壓器一次側(cè)，用來(lái)增加電路電抗值，以穩(wěn)定電弧燃燒及限制短路電流。2/3/202311東北大學(xué)/閻立懿

4）電爐變壓器電爐變壓器是一特種變壓器，與一般電力變壓器相比，具有以下特點(diǎn)：變壓比大，變壓級(jí)別多，如100t/90MVA超高功率電爐，K＝U1／U2＝35kV/950～500V＝37～70，計(jì)19級(jí)；二次電流大，數(shù)以萬(wàn)計(jì)，如100t/90MVA電爐的二次電流為65kA，130t直流電弧爐的二次電流為120kA；過(guò)載能力大，可長(zhǎng)時(shí)間超載20%；機(jī)械強(qiáng)度大，冷卻條件好。2/3/202312東北大學(xué)/閻立懿

5）電爐短網(wǎng)

短網(wǎng)是指從電爐變壓器低壓側(cè)出線到石墨電極末端為止的二次導(dǎo)體，它包括石墨電極、橫臂上的導(dǎo)電銅管（或?qū)щ姍M臂），撓性電纜及硬母線。短網(wǎng)結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2-1。由于這段導(dǎo)線流過(guò)的電流特別大，又稱大電流導(dǎo)體（大電流線路），而長(zhǎng)度與輸電電網(wǎng)相比又特別短10～25m，故常稱為短網(wǎng)或短線路。短網(wǎng)中因流過(guò)的電流很大，故要求水冷。三相短網(wǎng)的布線方式影響三相功率的平衡；短網(wǎng)的阻抗，影響輸入功率的大小。2/3/202313東北大學(xué)/閻立懿2/3/202314東北大學(xué)/閻立懿

6）電極

電爐煉鋼用電極要求強(qiáng)度大、電阻低及熱膨脹系數(shù)小，故常用石墨電極。因制造石墨電極的原料—石油焦價(jià)格及加工成本不斷上漲，使得電極消耗占煉鋼成本提高，一般2～3kg/t(高達(dá)40～80元/t鋼)，因而降低電極消耗十分重要。采取涂層電極、浸漬電極及水冷電極技術(shù)等，均可使電極消耗降低5%～10%。2/3/202315東北大學(xué)/閻立懿

7）電弧

電爐是利用電弧產(chǎn)生的高溫（其溫度高達(dá)3000～8000℃）進(jìn)行熔煉金屬的。電弧是氣體放電（導(dǎo)電）現(xiàn)象的一種形態(tài)。氣體放電的形式：按氣體放電時(shí)產(chǎn)生的光輝亮度不同可分為：無(wú)聲放電—弱，輝光放電—明亮，電弧放電—炫目三種。電弧產(chǎn)生過(guò)程：按直流討論交流的瞬間。從電爐操作的表面現(xiàn)象看，合閘后，首先使電極與鋼鐵料做瞬間接觸，而后拉開(kāi)一定距離，電弧便開(kāi)始燃燒——起弧。2/3/202316東北大學(xué)/閻立懿圖2-12電弧產(chǎn)生過(guò)程示意圖2/3/202317東北大學(xué)/閻立懿2/3/202318東北大學(xué)/閻立懿

電弧產(chǎn)生過(guò)程：

實(shí)質(zhì)上（微觀），當(dāng)兩極接觸時(shí)，產(chǎn)生非常大的短路電流，在接觸處，由于焦耳熱而產(chǎn)生赤熱點(diǎn)，于是在陰極將有電子逸出。當(dāng)兩極拉開(kāi)一定距離后（形成氣隙），極間就是一個(gè)電場(chǎng)。在電場(chǎng)作用下，電子向陽(yáng)極加速運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與氣體分子、原子碰撞，使氣體發(fā)生電離。這些電子與新產(chǎn)生的離子、電子在電場(chǎng)中做定向加速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，又使另外的氣體電離。這樣電極間隙中的帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)目會(huì)突然增加，并快速向兩極移動(dòng)，氣體導(dǎo)電形成電弧。電流方向由陽(yáng)極向陰極。2/3/202319東北大學(xué)/閻立懿

由此可見(jiàn)，電弧產(chǎn)生過(guò)程大致分四步：短路熱電子放出；兩極分開(kāi)形成氣隙；電子加速運(yùn)動(dòng)氣體電離；帶電質(zhì)點(diǎn)定向運(yùn)動(dòng)，氣體導(dǎo)電，形成電弧。這一過(guò)程是在一瞬間完成的，電極與鋼料交換極性，電流方向以50次／s改變方向。

502/3/202320東北大學(xué)/閻立懿2.4.2電爐電控設(shè)備

電爐電控設(shè)備包括高、低壓控制設(shè)備及其相應(yīng)的臺(tái)柜以及電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器等。

（1）高壓控制設(shè)備高壓控制設(shè)備主要是對(duì)高壓供電系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控及計(jì)量。在組成高壓供電系統(tǒng)的高壓柜上裝有隔離開(kāi)關(guān)手柄，真空斷路器、電抗器及變壓器的開(kāi)關(guān)，高壓儀表和信號(hào)裝置等。所計(jì)量的主要技術(shù)參數(shù)有：高壓側(cè)電壓，高壓側(cè)電流，功率因數(shù)，有功功率，有功電度及無(wú)功電度。2/3/202321東北大學(xué)/閻立懿

（2）低壓控制系統(tǒng)及其臺(tái)柜電爐的低壓控制系統(tǒng)由低壓開(kāi)關(guān)柜、基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)（含電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）、人機(jī)接口相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)組成。低壓開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)主要由低壓電源柜、PLC柜及電爐操作臺(tái)等組成。電爐操作臺(tái)上安裝有控制電極升降的手動(dòng)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)，爐蓋提升旋轉(zhuǎn)、電爐傾動(dòng)及爐門、出鋼口等爐體操作開(kāi)關(guān)，低壓儀表和信號(hào)裝置等。

2/3/202322東北大學(xué)/閻立懿

（3）電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器

電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括電極升降機(jī)構(gòu)與電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器，重點(diǎn)后者。電爐對(duì)調(diào)節(jié)器的基本要求：

1）靈敏度高；2）慣性小；3）調(diào)整精度高。按電極升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式的不同，電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器可以分為機(jī)電式調(diào)節(jié)器和液壓式調(diào)節(jié)器兩種。后者常用于30~40t以上的中大型電爐。液壓式調(diào)節(jié)器按控制部分的不同有：模擬調(diào)節(jié)器；微機(jī)調(diào)節(jié)器；

PLC調(diào)節(jié)器。新上的電爐基本都是采用PLC控制。2/3/202323東北大學(xué)/閻立懿2.5電爐電氣特性及供電制度電爐的電氣特性主要研究某一電壓下，電爐的各個(gè)電氣量值隨電弧電流變化的規(guī)律性。電氣特性是制定供電制度的基礎(chǔ)。

2.5.1電爐等值電路為了便于問(wèn)題分析，將電爐主電路圖中的電抗器、變壓器與短網(wǎng)等用一定的電阻和電抗來(lái)表示。而把每相電弧看成一可變電阻，三個(gè)電弧對(duì)變壓器構(gòu)成Y形接法的三相負(fù)載，中點(diǎn)是金屬。經(jīng)過(guò)一定方法處理（折算），可得到電爐三相等值（效）電路圖（圖2-13a）。假設(shè)電壓、電流為正弦波形，變壓器空載電流等于零；當(dāng)三相等值電路中三相為對(duì)稱負(fù)載時(shí)，即三相電壓、電流及電弧電阻相等，可以用單相等值電路（圖2-13b）來(lái)表示三相等值電路。2/3/202324東北大學(xué)/閻立懿圖2-13電爐等值電路2/3/202325東北大學(xué)/閻立懿圖2-14阻抗、電壓和功率三角形

由單相等值電路，根據(jù)交流電路定律可以作出阻抗、電壓和功率三角形如下圖2-14。2/3/202326東北大學(xué)/閻立懿2.5.2電爐的電氣特性

2.5.2.1電爐理論電氣特性曲線根據(jù)交流電路定律及阻抗、電壓和功率三角形可寫(xiě)出表示電路各有關(guān)電氣量值表達(dá)式，見(jiàn)表2-3。由表2-3中（5）～（14）式看出，上述各電氣量值，在某一電壓下（x、r一定）均為E＝f（Ｉ）。故可將它們表示在同一個(gè)坐標(biāo)系中，橫坐標(biāo)為電流，縱坐標(biāo)為各電氣量值，這樣便得到電爐理論電氣特性曲線，如圖2-15。2/3/202327東北大學(xué)/閻立懿2/3/202328東北大學(xué)/閻立懿圖2-16電爐理論電氣特性曲線圖2-15電爐理論電氣特性曲線252/3/202329東北大學(xué)/閻立懿

2.5.2.2特性曲線上幾個(gè)特殊點(diǎn)的討論

為了加深對(duì)電氣特性曲線的認(rèn)識(shí)及為確定供電制度打基礎(chǔ)(判斷工作電流選擇范圍)，下面對(duì)特性曲線上幾個(gè)特殊點(diǎn)（或叫用電規(guī)范）進(jìn)行分析、討論。由圖2-15可以看出幾個(gè)特殊點(diǎn)（從左至右）如下：

1）空載（I=I0=0）這相當(dāng)電極抬起成“開(kāi)路”狀態(tài)，沒(méi)有電弧產(chǎn)生，此時(shí):

Rarc→∞，I0

＝0，P0＝0

討論：雖然Uarc=U

，cosφ＝η＝１，但因無(wú)任何熱量放出，故此規(guī)范無(wú)任何意義。2/3/202330東北大學(xué)/閻立懿

2）電弧功率最大

（I=I1

）

電弧功率是進(jìn)入爐內(nèi)的熱源，研究此點(diǎn)規(guī)范很有意義。由電弧功率與電弧電流表達(dá)式（表2-3中的9、4式），有如下函數(shù)關(guān)系：

Parc=f（I）=f[ψ（Rarc）]

對(duì)復(fù)合函數(shù)求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)等于零，解得：當(dāng)電弧電阻Rarc=（r2+x2)1/2=z時(shí)，電弧功率有最大值，此時(shí)電弧電流與對(duì)應(yīng)最大電弧功率分別為：

2/3/202331東北大學(xué)/閻立懿

討論：①I1對(duì)應(yīng)的電弧功率最大，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的cosφ、η比較理想（＞0.88、0.78）；②當(dāng)Ｉ工作＞Ｉ1

，Parc減小，同時(shí)cosφ、η值降低，因此，工作電流的選擇一般Ｉ工作

≤Ｉ1，即Ｉ1

的左側(cè)；③為了提高Parc，可提高Ｉ1

，這可以通過(guò)提高變壓器的二次電壓U2或降低回路的電抗x與電阻r，從而可以使所選工作電流提高。2/3/202332東北大學(xué)/閻立懿

3）有功功率最大（I=I2

）

用以上類似的方法求出，即由有功功率與電弧電流表達(dá)式（表2-3中的7、4式），有如下函數(shù)關(guān)系：

Pa=f（I）=f[ψ（Rarc）]

對(duì)復(fù)合函數(shù)求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)等于零，解得：當(dāng)Rarc=ｘ-ｒ時(shí)，有功功率有最大值，此時(shí)電弧電流及對(duì)應(yīng)的最大有功功率分別為：2/3/202333東北大學(xué)/閻立懿討論：

①只有滿足Ｒarc=ｘ-ｒ＞０時(shí)，即ｘ＞ｒ時(shí)，才能出現(xiàn)有功功率最大值；

②有功功率最大時(shí)，恰好與無(wú)功功率相等；U與I相位差為φ=45°，cosφ=0.707，為一常數(shù)；

③比較I2/I1

＞1，即I2＞I1

，I2

總是在I1的右邊，而選擇I工作時(shí)主要考慮I1

。

2/3/202334東北大學(xué)/閻立懿

4）短路（I=Id）

這相當(dāng)石墨電極與金屬料接觸或插入鋼水中，即發(fā)生短路，此時(shí)，Rarc=０，短路電流為：

討論：①因?yàn)镻arc=０，所以Pa=Pr=3I2r，即有功功率全部消耗在裝置電阻上，爐內(nèi)無(wú)熱量輸入；②Parc、η=０，但cosφ≠0；③

Rarc=０，使短路電流很大，Id/In≥2～4，極易損壞電器，故要求短路電流要小、短路時(shí)間要短。短路分為送電起弧短路與過(guò)程操作短路：

起弧短路短路的目的是要起弧，這要求時(shí)間短，即做瞬間短路；

過(guò)程操作短路應(yīng)加以限制，通過(guò)提高電路電抗可以限制短路電流，同時(shí)使