（控制理论与控制工程专业论文）考虑电极消耗情况下电弧炉供电曲线的制定与优化.pdf

r ， 0 。，、三 y 1 8 4 3 5 2 1 a t h e s i sf o rt h ed e g l l e e 。fm a s t e ri nc 。n t l l 二lt h e 。qa n d 。n t r o l “ e n g i n e e r i n g t h ee s t a b l i s h m e n ta n d o p t i m i z a t i o no ft h ep o w e rc u r v e o fe l e c t r i ca r cf u r n a c e c o n s i d e r i n gt h e e l e c t r o d ec o n s u m p t i o n b yy a n gx u e l i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rm a oz h i z h o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名 签字日期：彬- 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名 ：球撕导师签名 ： 拙 签字日期：签字日期： r-屯虬f正1，o了 ， -l_j、fi 东北大学硕士学位论文摘要 考虑电极消耗情况下电弧炉供电曲线的制定与优化 摘要 论文在查阅了大量国内外相关文献的基础上，介绍了电弧炉炼钢的设备、工艺及其 发展历史、着重介绍了电弧炉供电策略研究的现状和今后的发展趋势。 论文以电弧炉供电系统为研究对象，在电弧炉等效工作电路基础上，对电弧炉的电 气特性作了详细分析，确定了电弧炉电气运行区域，总结了高阻抗电弧炉的突出优点。 论文通过相关的电气参数推导出非线性运行电抗模型，以某钢厂4 0 吨高阻抗电弧 炉为研究背景，根据该电弧炉运行过程中的实测数据，对所得运行电抗模型进行了拟合 检验，得到了令人满意的结果。 制定合理的供电曲线是解决电弧炉高能耗这一主要缺点的关键，论文在指出传统供 电方法确定工作电流存在不足的基础上，建立了考虑冶炼时间、吨钢电耗、电极消耗的 供电优化模型，以损蚀指数作为区分不同冶炼阶段的主要条件，采用遗传算法实现了供 电电压，电抗器档位以及工作电流的优化选取；论文以供电优化模型的优化结果为基础， 根据某钢厂4 0 吨电弧炉的实际情况制定了供电曲线。 关键词：电弧炉；供电曲线；运行电抗；优化模型；电极消耗 、- 0 q 1li， 1 、 0 ，、，；，f 、l飞l 110毒 、。r 东北大学硕士学位论文 a b a s t r a c t t h ee s t a b l i s h m e n ta n do p t i m i z a t i o no f t h ep o w e rc u r v e o fe l e c t r i ca r cf u r n a c ec o n s i d e r i n gt h e e l e c t r o d ec o n s u m p t i o n a b s t r a c t e l e c t r i ca r cf u r n a c e ( e g oh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t s t e e l - m a k i n g e q u i p m e n t si n t h ef i e l do fm e t a l l u r g y b e g i n n i n gw i t l lt h e e q u i p m e n t s ，t h ec r a f t sa n dt h e h i s t o r yo fd e v e l o p m e n to f 眦t h ep a p e rm a k e se m p h a s e so ni n t r o d u c i n gt h ep r e s e n ts t a t e a n d p e r s p e c t i v eo fe a fp o w e r - s u p p l ys t r a t e g yb a s e do nc o n s u l t i n gag r e a td e a lo fd o c u m e n t s t h ep a p e rd e a l sw j t ht h e s t u d yo fp o w e r - s u p p l ys y s t e mo fe a et h ee l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c so fe a fa r ea n a l y s e di nd e t a i l ，t h ee l e c t r i cw o r k i n gs c o p eo fe a fi si d e n t i f i e d a n dt h eo u t s t a n d i n gv i r t u e so fh i g h - i m p e d a n c ee a fa r es u m m a r i z e db a s e do nt h ee q u i v a l e n t c i r c u i to fe a e an o n l i n e a rw o r kr e a c t a n c em o d e l i se s t a b l i s h e db ys o m ei n t e r r e l a t e de l e c t r i cp a r a m e t e r s a n dt h ew o r kr e a c t a n c em o d e li sv e r i f i e da c c o r d i n gt ot h ef i e l de l e c t r i cp a r a m e t e r so ft h e 4 0 - t o nh i g h i m p e d a n c ee a fw h i c hi st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h ep a p e r , a n dt h er e s u l ti s s a t i s f i e d h i g he n e r g yc o n s u m p t i o ni st h em a i ns h o r t c o m i n gi ne a fs t e e l - m a k i n g , ar e a s o n a b l e p o w e r - s u p p l ys t r a t e g yp l a y sak e yr o l e i n s o l v i n gt h ep r o b l e m b a s e do nt h ew o r kt h a t p o i n t i n go u tt h es h o r t c o m i n go fc o n v e n t i o n a lp o w e r - s u p p l ym e t h o d so ne s t a b l i s h i n ge l e c t r o d e c u r r e n t ，an o n l i n e a ro p t i m i z a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n gt h es m e rt i m e ，e l e c t r i c p o w e rc o n s u m p t i o na n de l e c t r o d ec o n s u m p t i o n ，a n dt h ec o r r o s i o n - e x p o n e n ti sc o n s i d e r e da sa m a i nc o n d i t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts t a g e so ft h es m e l t i n g a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n i n go f g e n e t i c a l g o r i t h m s ( g a ) ，t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa l ew o r k e do u tw h i c hc o n t a i nt h eo p t i m i z e dw o r k v o l t a g e ，w o r kr e a c t a n c ea n dw o r kc u r r e n t f i n a l l y , t h ep o w e rc u r v ei sd e s i g n e do nt h eb a s i so f t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa n dt h ea c t u a lc o n d i t i o n so ft h e4 0 - t o nh i g l l i m p e d a n c e 脚： k e yw o r d s ：e l e c t r i ca r cf u r n a c e ；p o w e rc u r v e ；w o r kr e a c t a n c e ；o p t i m i z a t i o nm o d e l ； e l e c t r o d ec o n s u m p t i o n l 1 0 。；q 1，t， ，“； ，；jf 1毛一19 、也ilfi薅、el 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明。l 摘要i i a b s t r a c r 。i l i 第一章绪论1 ，1 1 电弧炉炼钢历史及发展1 1 2 电弧炉炼钢工艺与设备4 1 2 1 电弧炉炼钢工艺4 1 2 2 电弧炉炼钢机械设备6 1 2 3 电弧炉炼钢电气设备8 1 3 高阻抗电弧炉9 1 4 课题研究的意义及主要工作1 1 1 4 1 课题研究的意义1 1 1 4 2 本文的主要工作1 2 第二章电弧炉电气系统研究。1 3 2 1 电弧炉电气运行特性分析1 3 2 1 1 电弧炉供电电路特性。1 3 2 1 2 电弧炉电气运行区域的确定：。1 6 2 2 高阻抗电弧炉电气运行分析1 9 2 2 1 高阻抗电弧炉电抗器的作用1 9 2 2 2 高阻抗电弧炉电抗器的选择2 3 2 2 3 高阻抗电弧炉电气运行特性2 4 2 3 本章小结2 6 第三章电弧炉运行电抗模型研究2 7 3 1 运行电抗与运行电气特性- 2 7 3 1 1 运行电抗与短路电抗2 7 3 1 2 影响运行电抗大小的因素2 8 3 2 运行电抗模型建立3 0 3 2 1 运行电抗模型推导3 0 3 2 2 运行电抗模型校验3 3 一l v 一 ，o；寸1多 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 本章小结。3 6 第四章电弧炉供电曲线研究。3 7 4 1 传统供电方法3 7 4 1 1 最大有功功率电流法3 7 4 1 2 最大弧功率电流法3 8 4 1 3 经济电流法3 8 4 1 4 考虑热工特性电流法。3 9 4 2 考虑电极消耗的供电优化模型建立及约束条件确定4 1 4 2 1 供电优化模型考虑的因素4 1 4 2 2 供电优化模型的建立4 4 4 2 3 供电约束条件的确定4 6 4 3 优化算法研究4 7 4 3 1 优化算法的选取4 7 4 3 2 遗传算法优化设计。4 8 4 4 供电优化结果对比及分析。5 2 4 4 1 供电优化结果与传统供电方法对比5 2 4 4 2 供电优化结果分析。5 4 4 5 供电曲线的制定5 8 4 6 本章小结6 0 第五章结论6 1 参考文献：6 3 1 改谢6 7 一v 一 j | l 矿 3 1l，p气li；rf 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 近百年的炼钢发展史中，炼钢工业主要经历了平炉炼钢，转炉炼钢和电弧炉炼钢三 个发展阶段。目前，平炉炼钢已经被淘汰了，而在世界钢产量的增长中，电弧炉的增长 比例远远高于其他炉子的增长比例，每年增长4 6 ，预期到2 0 1 0 年，其占全世界钢产 量中比例将超过5 0 。电弧炉炼钢在国民经济中起着越来越重要的作用。 1 1 电弧炉炼钢历史及发展 电弧炉是实现炉内初炼、生产粗钢的重要冶炼设备。电弧炉炼钢是靠电极和炉料间 放电产生的电弧，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，炼出各种成分的钢和合金的一种炼钢方法。1 8 7 9 年w i u i a ns i e m e n s 研 究制造了利用碳极电弧的直接电弧和间接电弧的炉子，并取得了专利。但由于当时电力 价格昂贵，还有碳素电极等问题，所以其发展受到了限制，没能发展起来。1 8 8 5 年世界 上最初的d c 炉设计出来并有间接加热和直接加热方式。1 8 9 9 年，赫劳特研制成三相交 流电弧炉，成为现代炼钢电弧炉的雏形。1 9 0 0 年，法国的海劳尔特( h c r o u l t ) 在l a p l a z 发明了电弧炉。它发展于阿尔卑斯山( a l p s ) 的峡谷中，原因是在距它不远处有一个火 力发电厂。在h e r o u l t 的专利中写到“用单相及多相电流，在钢液和电极之间发生电弧 的电气炉”，是最早的广义的电弧炉，然而这就拉开将为主流的炼钢用的三相交流电弧 炉的序幕。1 9 0 6 年，德国人林登堡( r l i n d e n b e r g ) 进行了第一炉钢水的铸锭，开创了 电弧炉炼钢的先河。电弧炉的出现，开发了煤的替代能源，使得废钢开始了经济回收， 这最终使得钢铁成为世界上最易于回收的材料。1 9 2 6 年，德国德马格公司制造了炉盖开 出式电弧炉，首次实现炉顶加料。以后电弧炉的发展就向着高效、节能、低消耗的方向 发展，如水冷炉底、炉盖、底吹搅拌、长弧泡沫渣熔炼、无钢出渣、废钢预热和氧燃烧 嘴等技术的应用。随着电弧炉炼钢技术的不断成熟和发展，其在冶金工业中的地位越来 越重要【1 1 。 近些年来，全世界电弧炉炼钢取得了突飞猛进的发展。8 0 年代中期，美国、日本、 韩国、马来西亚等国家纷纷建设了超高功率的电弧炉，提出超高功率电弧炉概念主要是 为了解决炼钢周期太长，能耗太高等问题。超高功率电弧炉与普通电弧炉相比，在单位 时间内输入到电弧炉内的能量要大2 - 3 倍，电弧炉炼钢周期由原先的几个小时缩短到 几十分钟i 引。随着超高功率技术的发展，电弧炉的大型化及相关技术也得到了相应的发 一1 一 l1、，；9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 展。其中值得称颂的项目有：水冷炉壁和水冷盖、留钢操作、泡沫渣、氧燃烧嘴、炉 底吹气搅拌、通过电极中心孔吹入气体、偏心底出钢、导电横臂、采用可编程控制器和 计算机实现自动化控制，以及废钢预热等。以上这些新技术也是被迅速发展的炉外精炼 技术( 主要是钢包精炼炉) 所促进、所推动。结果，电弧炉只起熔化炉料和氧化的作用。 特殊钢厂在生产成本、生产率和产品质量方面占绝对优越灵活地位。今天的高效连铸工 艺也要求电弧炉向更大容量方向发展。主要依靠交流电弧炉来生产特殊钢，甚至普碳钢 的小型特钢厂之所以能够存在和迅速发展，是由于出现了新概念的电弧炉超高功率 高阻抗电弧炉。它是一种高效率的新型炼钢工具，具有一系列的突出优点它能大幅度地 降低电极、电能和耐火材料的消耗，能显著地减少对供电电网的冲击效应( 电压闪变) ， 提高生产率1 3 l f 4 1 。 进入2 1 世纪，电弧炉炼钢工艺的基本指导思想是高效，节能，低消耗，环保。为 了达到这一目标，现代电弧炉发展了很多先进技术，如超高功率电弧炉，直流电弧炉， 强化用氧，废钢预热，人工智能化供电，高阻抗电弧炉等技术，同时炉型也发生了改变， 竖式电弧炉，底吹电弧炉等相继投入生产。每一次技术的革新都大大提高了电弧炉的生 产率，降低了电耗和电极消耗，节省了能源，降低了生产成本，改善了熔池的搅拌性能 和冶金性能。自从2 0 世纪8 0 年代后期d c 炉的出现，新的电弧炉技术日新月异，双级 炉、预热竖井和连续炉随之诞生。不仅在节能方面有所突破，高电弧电压和泡沫渣技术 的使用使电极材料的消耗明显降低。随环保要求的日趋严格，对电弧炉烟气和烟尘的高 效低耗综合治理提出了新的课题【5 j 。 我国的能源紧缺，尤其是电能，而电弧炉是一个巨大的耗能用户，许多电炉钢厂， 因电费所占的高成本而缺少市场竞争力，降低电耗提高功率成为电弧炉钢厂提高经济活 力的重要问题。然而电弧炉是一个很复杂的系统，要想使每一个参数都运行在最佳状态 下是很困难的【6 】【7 1 。所以工作人员和科研工作者一直在不懈努力地研究更好的控制办法 来降低能耗，提高功率，同时考虑到环保。 近些年来电弧炉炼钢生产发展显著，随着社会的不断进步，工业的飞速发展，大量 需要耐高温，耐高压和耐高速的机械设备，尤其是原子能，喷气技术及电子学等新技术 的发展，更需要特殊耐高温，耐腐蚀和抗拉强度特高的材料，如喷气式飞机的耐热部件， 大炮的炮身，坦克的装甲板及军舰上的不锈钢板等材料除了电炉外，没有其他方法可以 冶炼。还有很多地方，如工业上用的轴承钢，高级变压器硅钢，高电阻合金，磁性合金， 高速工业钢等，近年来在汽车制造行业中，对于形状复杂的铸钢件的精密度等方面的要 一2 一 鼍 ? f 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 求在不断提高，为了满足这一要求，必须使金属熔液充分的注满于铸模中，这就要求金 属熔液具有良好的流动性，也就是要求有足够的温度，这个问题也只有在电弧炉中才能 得到解决。而在电弧炉炼钢中，围绕如何提高炉子的生产效率，降低电耗，提高劳动生 产率和产品质量等方面，各国都进行了大量的研究，取得了一些显著的成果，并应用于 实际。 随着电弧炉技术的不断发展变化，我国的电弧炉应用技术有了以下的较为广泛的改 进： 取消电弧炉还原期，使其功能主要成为废钢铁的熔化器，实现炉外合金化，还原期 的任务移植到钢包精炼炉中进行。 采用偏心底无渣出钢技术，进行留钢留渣操作，可使炉内液态钢水和高氧化性炉渣 为下一炉冶炼提前脱磷提供极好的条件。同时，它还改善了熔化期电弧的稳定性，使电 炉能以较大的功率输入。 泡沫渣技术，采用过大电流输入会引起电耗和电极消耗的增加，只能借助于提高电 压来保证高功率输入。高电压操作必然使电弧长度增加，长弧操作一方面可以提高功率 因数，促使废钢加速熔化，另一方面可以增加电弧辐射的热损失。所谓泡沫渣就是在不麓 断增加渣量的条件下，通过喷入大量碳粉和钢中的氧及渣中的氧化铁反应，产生大量的 c o 气体所引起。气体在熔池表面形成持续的泡沫渣，使电弧埋入渣层。泡沫渣有效的 屏蔽和吸收了电弧辐射能量，电弧热可以高效的通过熔渣传入钢液中，实现了高电压、 低电流的长弧操作，提高了向熔池的传热效率，使功率因数和电效率大大提高，从而减 低冶炼电耗，电极消耗以及炉壁耐火材料消耗，缩短冶炼时间。 水冷炉壁和水冷炉盖，为了解决电弧对炉壁热点和炉盖的严重辐射，7 0 年代初日本 首先研制成功并采用了水冷炉壁和水冷炉盖，近3 0 年来，该技术已经成熟，欧洲3 0 吨 以上的电弧炉均已配备了水冷挂渣炉壁和水冷炉盖，日本的电弧炉配备水冷炉壁的占7 0 以上，西欧和美国也相继采用水冷挂渣炉壁。我国也相继采用这种技术。使用水冷炉 壁技术，可使炉壁的使用寿命达到2 0 0 0 炉以上，降低耐火材料消耗6 0 以上，生产率 提高8 1 0 ，电极消耗降低0 5 k 卧，生产成本降低5 - - 1 0 ，而使用水冷炉盖可 使炉盖的寿命达到4 0 0 0 次。值得注意的是，冷却水带走5 1 0 的热量，若冶炼时间 长会增加电耗，因此在使用水冷技术时应注意冷却水流量的设计和缩短冶炼时间阴。 导电臂，具备有支持大电流导体的机能。以前的电极横臂电极支持机能和导体机能， 是完全分开的，普遍是将导体部分绝缘的支架在电极横臂上。为了满足对电极横臂高性 一气一 ，一；：叫qti0， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 能要求，导体部分的构造特别复杂，而且因为高温、含尘气体、电磁力等产生振动及感 应加热等使用环境极其苛刻，以前的导电铜管结构在可靠性和维修上存在很多问题。到 8 0 年代初，导电臂开发了包覆铜的钢板制品。电极横臂中直接流过大电流，使电极支持 和导体机能一体化。重要的是，导电横臂使大型电弧炉的电抗降低成为可能，这样在炉 子一次侧附加可变电抗器，炉子的电抗是可变的，为高阻抗电弧炉的实现奠定了基础1 9 j 。 1 9 9 1 年以来，我国超高功率电弧炉发展迅速，先后引进了多台现代化的超高功率直 流交流电弧炉【4 1 。进入九十年代以来，新建大型电炉3 7 座，总工程容量超过3 0 0 0 吨， 年生产能力大于2 0 0 0 万吨。超高功率电弧炉作为电弧炉发展的基本方向，为实现其高 产、低耗、优质的目标，须具备快速而准备的生产控制。单凭经验或依据普通电弧炉的 控制手段已不适应超高功率电弧炉生产的工艺要求，在实际生产过程中电弧炉电气运行 已成为极为重要的技术。 电弧炉电气运行直接关系着电弧炉操作指标的好坏。好的供电制度在于充分发挥变 压器的能力、提高生产率、降低电耗，这是超高功率电弧炉炼钢技术的核心。在8 0 年 代后期，我国技术人员对超高功率电弧炉的电气运行进行过积极的研究，主要集中在小 电弧炉的改造、短网的改造和电极调节器的改造等方面。 我国大部分电弧炉运行状况偏差，只有少数电弧炉生产指标好。因此，改善我国大 多数电弧炉的电气运行状况最主要的是合理现有的供电制度。天津钢管公司1 5 0 t 超高功 率电弧炉应用优化后的供电制度，取得了吨钢电耗降低3 3 4 7 l 【w h 的效果【4 】。抚顺钢厂 5 0 t 超高功率电弧炉应用合理供电技术后，与引进的工作曲线相比，吨钢节电3 1 2 6 k w h t ， 冶炼周期缩短3 4 9 r a i n ，按年产2 0 万吨钢计，年效益达3 7 7 万元。合理供电制度的研究 还需作以下工作：超高功率电弧炉电炉电气特性研究，最佳工作点的选择研究，合理供 电曲线研究及最终的智能化供电制度研究等。 国内有关交流电弧炉炼钢电气运行的研究已开始多年，但对超高功率电弧炉尤其是 大型超高功率交流炼钢电弧炉的认识和研究都不多。因此，对大型交流电弧炉最基本的 问题电气运行进行合理化研究，不仅具有实用价值，还具有广泛的指导意义，有助 于迅速提高我国炼钢技术水平。 1 2 电弧炉炼钢工艺与设备 1 2 1 电弧炉炼钢工艺 电弧炉炼钢是以废钢饮料为主要原料，以各种微量合金和造渣料为辅料。炉料在电 一4 一 、 ， 一 ，i r 乒 t ，l j ： ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 弧炉内加热熔化后，经一系列的物理化学反应，最后形成成分和温度合格的钢产品。电 弧炉炼钢的工艺方法归纳起来有三种，即氧化法、不氧化法和返回吹氧法。氧化法是电 弧炉炼钢工艺的最基本的方法，不氧化法和返回吹氧法都是在氧化法的基础上发展起来 的。 传统的氧化法冶炼工艺由补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢六个阶段组 成，见图1 1 。在炉内既要完成熔化、脱磷、脱碳、升温，又要进行脱氧、脱硫、去除 夹杂物、合金化以及温度、成分的调整，因而冶炼周期很长。这既难保证对钢材越来越 严格的质量要求，又限制了电弧炉生产率的提高 t l i s 。 白云石和镁砂通电二次加料取样加矿石取样化验造渣剂 加料吹氧助燃 吹氧助燃加合金料 图1 1 电弧炉炼钢工艺过程 f i g1 1t h ec r a f t w o r kp r o c e s so fe a f 现代工艺只在电弧炉中保留了熔化、升温和必要的精炼，如脱磷、脱碳，而把其余 的精炼过程均移到钢包二次精炼炉中进行。工艺上的这种改进大大提高了电弧炉设备的 能力，使其能够以尽可能大的功率进行熔化、升温操作，而把那些只需要较低功率的操 作转移到钢包精炼炉内进行。并且越来越完善的电弧技术能进一步满足钢液纯度和严格 的成分、温度控制的要求。同时，在现代电弧炉炼钢工艺中，在熔化初期就是对炉内进 行吹氧，因此熔化期和氧化期已无明显的区分，所以现代电弧炉炼钢工艺包括补炉、装 料、熔化期和出钢四个阶段【9 1 。 补炉：补炉是指当上炉出钢完后，需要迅速将炉体损坏的部位进行修补，以保证下 炉钢的正常冶炼。新炉子在冶炼前几炉一般不需要补炉。 装料：装料是指将固体炉料装入炉膛内。目前多数电炉采用炉盖上升，炉体开出， 或者炉盖升起悬开，用吊车吊起料罐将炉料一次加入炉膛内。小于3 吨的电炉多数是用 手工从炉门装料。 熔化期：从通电开始到出钢阶段称为熔化期。熔化期的主要任务是迅速熔化全部炉 料，去除钢液中的磷、钢液中的气体和夹杂物，将钢液温度加热到高于出钢温度1 0 2 0 c 。为t j j h 速熔化和节约电能，在熔化期一般是采用吹氧助熔，有条件的也可以采用 一s 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 煤氧助熔。 出钢：钢液脱碳、脱磷良好，化学成分符合要求，温度达到出钢要求，炉渣合乎出 钢要求，即可出钢。 由此可见，电弧炉炼钢通电阶段主要集中在熔化期，所谓电弧炉优化供电曲线也是 主要针对这个阶段而制定的，本文将着重研究电弧炉炼钢中熔化期优化供电。 1 2 2 电弧炉炼钢机械设备 电弧炉的整体机械图如图1 2 所示，主要包括以下几部分：炉体、炉盖、电极夹持 器及电极升降装置、炉体倾动装置、炉盖提升装置和旋转装置、液压系统及水冷系统等 等1 1 1 。下面对各部分分别做一介绍。 炉体：炉体是电弧炉的主要装置，用来熔化炉料和进行各种冶金反应。电弧炉炉体 由金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成。炉壳由钢板焊成，上部有加固圈。炉 门可以用来观测炉内情况及进行扒渣等操作，炉盖的上方有三个呈正三角形布置的电极 孔，在孔与电极之间设有电极密封圈。炉壳的上部、炉盖和电极密封圈都通水冷却，炉 壳内部、炉盖及出钢槽内部都用耐火砖砌成。炉衬是电弧炉的重要组成部分，在工作的 时候要承受电弧的高温辐射，固体炉料的撞击，液体金属和炉渣的冲刷，因此容易损坏， 而炉衬的寿命就成了电弧炉的一项技术经济指标之一。 炉盖：炉盖为水冷管式结构，由大炉盖和三电极孔小炉盖构成。大炉盖为整体式结 构，分5 路进出水，各路水量分别控制，大盖内表面有限挂渣钉。大盖上设有加料孔及 受料斗，三电极- 7 l 4 , 炉盖由水冷管及耐火材料浇铸件构成。小炉盖有进回水管，炉上安 装有截止阀并与带有快换接头的金属软管相联接。 电极夹持器及电极升降装置：电极夹持器可以用来夹紧和放松电极，还可把电流传 送到电极上。电极通过电极夹持器固定在电极升降装置上。电极升降装置由导电横臂、 立柱和传动装置组成。在电弧炉的工作过程中，电极升降受电极自动调节装置的控制。 炉体倾动装置：为底倾机构，传动形式为液压传动。炉子装载专门的摇架上，摇架 两侧的扇形板支承在底座上，倾动时摇架的扇形板沿底座摆动，出钢槽末端的运动轨迹 为摆线。倾动时工作液进入液压缸，使液压活塞杆推动摇架，摇架沿水平底座滚动，带 动炉体倾动，为防止摇架和水平底座发生相对滑动，在它们的整个接触面上，分别加工 成导钉孔和导钉。倾炉机构包括倾动摇架、倾动轨道、倾动液压缸、水平支承机构与炉 盖旋转轴承及旋转锁定等。倾动摇架下部为弧形结构，在轨道平面上进行滚动，定位准 一6 一 、 一 ， 、 ，| i 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 确、可靠。两个活塞式倾炉液压缸下支座固定在水泥基础上。上支座固定在摇架平台的 底部。倾动油路上安装有液压锁，以保证炉子在任何倾动位置失压时，停止不动。水平 支撑状态，不得向出渣侧倾动。 图1 2 机械系统炉体整体示意图 f i g1 2s k e t c hm a po fm e c h a n i s t i cs y s t e m 炉盖提升及旋转装置：该机构包括炉盖旋转架、炉盖提升缸、提升连杆机构、炉盖 旋转机构及锁定机构等。旋转架通过旋转轴承连接在倾动摇架平台上。当固定在平台上 鼙 的液压缸活塞杆伸出时，可使炉盖旋开。液压缸活塞杆缩回时，炉盖即可复位。旋转架 伸出臂上安装有炉盖提升机构。炉盖提升机构由轴、链轮、链条、拉杆等组成。伸出臂 下部通水冷却，以防止高温变形。 液压系统：系统包括液压源、控制阀门、蓄液箱、蓄能器等。液压源有三台恒压变 量泵并配备一定数量的蓄能器。以保证事故状态的应急操作。电极升降采用比例阀，以 保证在穿井塌料时电极能快速提升，防止电极碰断和提高灵敏度。炉体倾动采用比例阀， 炉盖旋转采用比例阀控制，以保证在旋转过程平稳和快速。 水冷系统：为了延长电弧炉的使用寿命以及改善炉前操作条件，电弧炉的许多部位 通水冷却，如前所述的炉盖、炉壳等。水冷系统主要包括三部分：水冷炉壁、水冷炉盖 和水冷导电横臂。炉体为双层结构，中间为水冷夹层，炉壁上有入水口和出水口，冷却 水不断从夹层中流过，使炉壁冷却。冷却水的进口压力要求一般在1 4 5 大气压以上。电 炉主体的水冷系统供给水冷炉臂、水冷炉盖、炉门、炉门框、导电横臂电极夹头、电极 一7 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 喷淋水冷电缆、铜管等。 1 2 - 3 电弧炉炼钢电气设备 电弧炉采用三相交流电供电，电气设备主要包括以下几个部分：高压配电系统、电 炉变压器、电抗器、短网和低压供电系统等f l o l 。 其中：交流电弧炉供电线路原理图如图1 3 所示。 1 进线隔离开关2 一高压断路器3 一外附电抗器 4 一电抗器分接开关5 一电炉变压器6 一电流互感器 7 一短网8 一调节器9 一电弧炉 图1 3 交流电弧炉供电线路原理图 f i g1 3t h ep o w e r - s u p p l yc i r c u i t r yo fa ce l e c t r i c a la r cf u r n a c e 高压系统：一般由3 5 k v 电压经高压隔离开关、高压真空断路器、电抗器送至电弧 炉变压器。在高压供电系统中设有氧化锌避雷器、阻容吸收器作为电压吸收装置，吸收 操作过电压和浪涌过电压以保汪变压器正常运行。高压侧二次计量回路设有高压侧电 一8 i 1 ： k 勺 t 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 压、高压侧电流、功率因数、有功功率、有功电度及无功电度的计量。二次保护回路设 有过电流保护、欠压保护、缺相保护、变压器温度保护、变压器瓦斯保护及冷却器保护 等完善的保护回路。 电炉变压器：采用电弧炉专用变压器，变压器采用有载电动调压低压，二次侧采用 铜管侧出线、内封口采用强迫油循环水冷却器进行冷却。变压器配套强迫油循环冷却器 及其电气控制台。 电抗器：电抗器为外附电抗器无载调节可连续过载2 0 ，配有隔离开关和接地开关。 短网：也称大电流线路，是指从电弧炉变压器低压出线到电极( 包括电极) 之间的各 种形式导体的总和。 低压供电系统：电源来自车间低压配电室，进线电压为3 8 0 2 2 0 v ( 三相四线制) 主 要是给液压站、高压配电柜、加热器、分合闸整流电源、电炉变压器调压控制器、油水 冷却器、仪表电源、控制电源、稳压电源等供电。 1 3 高阻抗电弧炉 6 0 年代前，电弧炉的电压值和变压器相对功率都在逐步增大。1 9 6 4 年提出的超高 功率电弧炉，它的突出优点是单位功率水平高，但由于受耐火炉衬材料的限制。而不能 采用较高电压，7 0 年代后期，出现了电弧炉水冷壁和炉顶以及泡沫渣操作技术，解决了 耐火材料烧损问题，为电弧炉采用高电压、长电弧、低电流操作提供了可靠保证，使超 高功率电弧炉能够继续向前发展。 此外，电弧炉变压器容量的增大同时受到电弧电流的限制，由于集肤效应，一般优 质石墨电极直径被限于6 0 0 r a m 左右，电弧电流被限于7 0 8 0 k a l l l 】。 但是，随着电弧炉炼钢技术的发展，为了能达到高效低耗的生产要求，而使电弧炉 成为一种极具竞争能力的炼钢手段，必将促使大型电弧炉变压器功率增大。变压器的增 大，既然受到电弧电流的限制，就需要提高二次电压，在按需要串入电抗器，这就构成 了超高功率高阻抗电弧炉【1 2 】。 超高功率高阻抗电弧炉包含了近2 5 年来出现的所有电弧炉炼钢新技术，再加上最 佳运行参数的新突破，使得一直发展缓慢的交流电弧炉冶炼工艺在效率和灵活性方面可 同直流电弧炉或等离子电弧炉相媲美1 1 3 1 。下面就以某1 0 0 吨电弧炉为例对超高功率高阻 抗电弧炉与普通超高功率电弧炉的各项指标进行对比。 表1 1 给出了普通超功率电弧炉( 1 0 0 t ) 的典型运行参数，从中可以看到：变压器 一9 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 容量和钢液的比功率为6 0 0 k v t ，功率因数非常低。此外，短路阻抗、弧长等数值均较 小，导致二次电流过大，因此必须采用大直径的石墨电极【1 4 1 。普通超高功率电弧炉的问 世，大大地提高了电炉钢在世界范围内总钢产量的市场份额。它也有助于以电炉钢包 精炼炉连铸机设备为主体的小型特钢厂的发展壮大。这模型得到了钢铁业的普遍接受。 但是，应强调指出：在那个时间段里，低的石油价格优势是推动普通超高功率电弧炉成 功的关键因素，因为在那时，石墨电极一直保持着较低的价格，它在很大程度上影响着 电炉炼钢的成本。 表1 1 运行参数对比 t a b l e1 1t h ec o n t r a s to fw b r kp a r a m e t e r s 表1 2 单耗指标对比 t a b l e1 2t h ec o n t r a s to fu n i tc o n s u m p t i o n 从表1 2 中可以看到，由于大电流操作，普通超高功率电弧炉的电极消耗过高；由 于缺少水冷炉壁和泡沫渣技术，耐火材料消耗过高【1 4 】。 表1 3 列出了1 0 0 t 普通超高功率电弧炉与超高功率高阻抗电弧炉各生产指标值【1 4 l 。 在普通超高功率电弧炉中，由于采用短电弧冶炼，使得电极同炉料频繁接触，所以电极 一1 0 一 f 勺 ， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 折断率非常高，经常接电极也影响生产率指标。短电弧的另一负面效应是在穿井期间， 损失功率及无功功率非常高，这也导致降低平均电弧功率，延长冶炼时间。 表1 3 生产指标对比 t a b l e1 3t h ec o n t r a s to fw o r ki n d e x 1 4 课题研究的意义及主要工作 1 4 1 课题研究的意义 电弧炉炼钢以其原料适应性强、生产流程短、投资少、见效快等优点，在百多年 中得到了长足的发展，现已成为一种十分流行的炼钢生产方法。 电弧炉经历了普通功率电弧炉一高功率电弧炉一超高功率电弧炉的发展过程，为了稳 定电弧燃烧、降低电极消耗、减少电网冲击等，出现了高阻抗电弧炉，高阻抗电弧炉并 非意味着在普通电弧炉上简单地加上一个电抗器，高阻抗电弧炉有其自身的一些特性。 高阻抗电弧炉电气参数的设计是个难点，因为设计的高阻抗电弧炉在实际运行中由于设 计条件和实际运行条件的偏差，并不能保证炉子在最优状态下运行。如何设计电弧炉电 气参数即如何给电弧炉供电目前在国际上还没有详细、公开的报道，国内在这方面的研 究也不多。研究高阻抗电弧炉的供电问题不但可以明确高阻抗电弧炉本身的供电技术， 这样还可以对国内大型电弧炉的发展提供指导，而且明了高阻抗电弧炉的供电特性还为 直流电弧炉的合理供电和电弧炉智能控制提供研究依据。 电弧炉供电技术直接影响到电弧炉经济指标的好坏，电弧炉炼钢主要经济指标有： 冶炼时间、电耗、电极消耗、炉衬寿命。目前，国内有关交流电弧炉炼钢供电系统的研 究及操作仍然存在很大的局限性，因为对高阻抗交流电弧炉的认识和研究还不够成熟， 比如对运行电抗的非线性变化认识不够，没有考虑变压器档、电抗器档等对运行电抗模 型的影响；对冶炼工艺因素考虑得也不够全面；甚至许多电弧炉是根据经验来设定工作 点：电抗器档位，变压器档位，炼钢电流。这样很难使电弧炉工作在较优的状态。 在高阻抗电弧炉越来越流行的今天，研究高阻抗电弧炉的供电技术，如何调整电气 一1 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 参数，如何选择合理工作点使其运行优化，是很有必要的。本文以某钢厂4 0 吨电弧炉 为研究背景，以电弧炉供电优化为目标，希望通过本研究，丰富高阻抗电弧炉炼钢优化 供电技术的内容。 1 4 2 本文的主要工作 本文以某钢厂4 0 吨电弧炉为研究背景，针对如何供电做了以下主要工作： ( 1 ) 在查阅大量国内外文献的基础上，综述了电弧炉炼钢的发展历程、研究现状 及电弧炉炼钢的一些基本知识。 ( 2 ) 以电弧炉供电系统为对象对电弧炉电气运行特性作了详细研究。 ( 3 ) 推导得到了运行电抗模型，以某钢厂4 0 吨电弧炉电气运行参数为基础，并根 据电弧炉运行过程中的实测数据，对所得运行电抗模型进行了拟合检验。 ( 4 ) 研究了当今流行的几种供电曲线制定的方法，分析了它们的不足，针对某钢 厂4 0 吨电弧炉的实际情况，建立了考虑冶炼时间、吨钢电耗、电极消耗的供电优化模 型，把损蚀指数作为约束条件，采用遗传算法得到供电优化结果，并对结果作了详细分 析，最后根据供电优化结果制定了供电曲线。 一1 2 一 j 东北大学硕士学位论文 第二章电弧炉电气系统研究 第二章电弧炉电气系统研究 电弧炉电气运行是电弧炉冶炼生产最基本的保障，它关系到冶炼工艺、原料、电气、 设备等诸多方面的问题，直接影响电弧炉炼钢生产的各项技术指标。高阻抗电弧炉炼钢 过程中合理的电气运行制度是其最基本的工艺制度之一，合理的电气运行制度，不仅有 助于保障操作的顺利进行，而且有助于降低电耗、电极消耗和耐材损蚀，缩短冶炼周期， 带来良好的经济效果。 2 1 电弧炉电气运行特性分析 2 1 1 电弧炉供电电路特性 现代化的炼钢电弧炉是电气、冶金和机械部分的结合体。电弧炉的发展和完善是伴 随着电气设备和机械设备可靠性的提高、新型电极调节系统的出现和高功率、超高功率 技术的发展而发展的，而这些技术的发展都离不开供电线路的研究。交流电弧炉主回路 ( 如图1 3 所示) 是指从电炉变电所的进线，经隔离开关、高压断路器、电抗器、电炉 变压器、水冷电缆、导电横臂到电极的一段电路。其主要特点是高压部分