（控制理论与控制工程专业论文）高阻抗电弧炉电抗选择的研究.pdf

东北大学硕士论文 摘要 高阻抗电弧炉电抗选择的研究 摘要 本文以大连钢厂 1 0 #电弧炉改造项日为背景。在查阅了大量相关文献的基础 上，概述了电弧炉炼钢的历史、工艺和设备以及控制系统发展;以大连钢厂 1 0 # 电弧炉为例介绍了电弧炉计算机控制系统的结构、功能及软硬件配置。 在了解电极调节控制器发展的情况下，分析了电极调节装置的选型及控制策 略对电极调节控制器性能的影响;针对电弧炉炼钢的特点，综合考虑了恒电流控 制和恒阻抗控制的优缺点，设计了一种带电流补偿的恒阻抗控制器，具有恒电流 控制和恒阻抗控制的优 ! ,i 在详细分析电弧炉电气特性的基础上，介绍了制定电弧炉合理工作点的基本 方法;分析了高阻抗电弧炉的运行特性、选择电抗器的必要性以及电抗选择与制 定合理工作点的密切关系，建立了电抗选择优化模型，并以大连钢厂 1 0 #电弧炉 的实际数据为例，详细介绍了优化模型的求解过程，制定了最佳供电策略。最佳 供电策略与根据经验选择的供电策略相比，耗电最低，电弧稳定性好。总的来说， 最佳供电策略要远远优于根据经验选择的供电策略。 关键词:电弧炉电流补偿恒阻抗电抗器优化模型供电策略 东 北大学硕士学位论文ab s t r a c t re a c t a n c e s e l e c t i o n re s e a r c h o f h i g h - i m p e d a n c e e l e c t r i c a r c f u rna c e ab s t r a c t t h i s p a p e r i s b a s e d o n t h e r e c o n s t r u c t e d p r o j e c t o f d a l i a n s t e e l c o m p a n y 1 0 # e l e c t r i c a r c f u ma c e ( e a f ) . t h e h i s t o r y , t e c h n i c s , e q u i p m e n t a n d c o n t r o l s y s t e m d e v e l o p m e n t o f e a f a r e s u m m a r i z e d a c c o r d i n g t o a g r e a t d e a l o f d o c u m e n t a t i o n . t a k in g 1 0 # e a f a s e x a m p l e , t h e s t r u c t u r e , f u n c t i o n , h a r d w a r e a n d s o f t w a r e c o n fi g u r a t i o n o f e a f c o m p u t e r c o n t r o l s y s t e m a r e i n t r o d u c e d . i n t h e c a s e o f u n d e r s t a n d i n g p o l e c o n t r o l l e r d e v e l o p m e n t , a n a l y z e t h e i n fl u e n c e o f p o l e a d j u s t e q u i p m e n t a n d c o n t r o l s t r a t e g y o n p o l e c o n tr o l l e r p e r f o r m a n c e . a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r o f e a f , a ft e r t h i n k in g t h e a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e o f c o n s t a n t - c u r r e n t c o n t r o l a n d c o n s t a n t - i m p e d a n c e c o n t r o l , d e s i g n a c u r r e n t - c o m p e n s a t i o n c o n t r o l l e r h a v in g t h e a d v a n t a g e o f c o n s t a n t - c u r r e n t c o n t r o l a n d c o n s t a n t - im p e d a n c e c o n t r o l . a ft e r a n a l y z i n g t h e e l e c t r i c r u n n in g c h a r a c t e r o f e a f , i n t r o d u c e t h e b a s i c m e t h o d h o w t o s e t r a t i o n a l w o r k c u r r e n t o f e a f , a n a l y z e t h e i m p o rt a n c e o f s e l e c t i n g r e a c t o r a n d t h e r e l a t i o n b e t w e e n r e a c t a n c e s e l e c t i n g a n d w o r k c u r r e n t s e t t i n g , e s t a b l i s h t h e o p t i m a l mo d e l a b o u t r e a c t a n c e s e l e c t i n g . a t l a s t o n t h e b a s i s o f p r a c t i c e d a t a o b t a i n e d fr o m t h e d a l i a n s t e e l f a c t o r y 1 0 # e a f , s h o w t h e w h o l e p r o c e s s h o w t o o b t a i n t h e r e s u l t o f o p t i m a l m o d e l i n d e t a i l , e s t a b li s h t h e o p t i m a l p o w e r s u p p l y s t r a t e g y . c o m p a r i n g w i t h t h e e x p e r i e n t i a l p o w e r s u p p l y s t r a t e g y , t h e o p t i m a l p o w e r s u p p l y s t r a t e g i e s h a v e m a n y a d v a n t a g e s s u c h a s l o w p o w e r c o n s u m p t i o n a n d h i g h a r c s t a b i l i t y . k e y w o r d s : e a f , c u r r e n t - c o m p e n s a t i o n , c o n s t a n t - i m p e d a n c e , r e a c t a n c e , r e a c t a n c e o p t i m a l m o d e l , p o w e r s u p p l y s t r a t e g y m 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，不包含其他人己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 _ 作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 魏罄 戒 ? 栩 工“ 、 2 , 学位论文版权使用授权书 本学位沦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，请在下力 一 签名;否则视为不同意。 ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 蕊建 减 竿 字 日 期 :wt i ， 、 7 导师签名 签字日期 桃晓 匀 乞 :2 5 l 2 ， 2 3 东北大学硕士学位论文 第一章 概述 第一章 概述 1 . 1电弧炉炼钢的历史和发展 1 . 1 . 1电弧炉炼钢的历史 目前，世界上电炉钢产量的 9 5 %以上都是由电弧炉生产的，因此电炉炼钢主 要指电弧炉炼钢。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料冶炼出各种成分 的钢和合金的一种炼钢方法。 电弧炉炼钢至今已有 1 0 0多年的历史。 1 9 0 0 年，山 法国的 海劳尔 特( h e r o u l t ) 在l a p r a z 研制成功 炼钢用三相交 流电 弧 炉成为现代炼钢电弧炉的雏形。二十世纪初发电成本下降高压输电技术的发展为 三相交流电弧炉的推广应用奠定了基础。 1 9 0 9 - 1 9 1 0 年德国和美国 分别首次建成6 吨和 5吨炼钢三相交流电 弧炉并投产并首次把继电 器与接触式调节器用于电 弧炉 的电极升降系统. 1 9 2 0 年杠杆平衡式调节器用于电弧炉提高了电极升降速度. 1 9 2 6 年德国制造了两台炉盖开出 式电弧炉炉料从炉顶加入。1 9 2 7年美国蒂姆肯公司一 台 1 0 0吨电弧炉投产。1 9 3 1 3 年出 现炉体开出式电弧炉。1 9 3 6 年德国制作了1 8 吨 炉盖旋转式电弧炉进一步缩短加料时间提高了热效率。至此普通三相交流电弧炉 己 基木成形。之后电弧炉的结构、工艺逐渐完善炉子容量进一步扩大炼钢生产率 逐渐提高炼钢成本逐渐降低。1 9 6 4年在美国矿冶石油工程师协会的电炉会议上首 次提出电弧炉超高功率概念并在两台 1 3 5吨电弧炉上进行深入的试验并取得很好 的效果。此后的工作主要集中在如何超高功率化以后出 现的设备、工艺、冶炼消 耗等方面的问题继续提高变压器的最大功率利用率和时间利用率提高电弧炉炼钢 生产率、降低能耗和冶炼成本。 新中国成立前我国钢铁t业十分薄弱。直到2 0世纪3 0年代才有几台容量为 0 .51 . 5 吨的电弧炉电弧炉钢产量为 1 .4 万吨。 2 0 世纪6 0 年代以 前我国只仿造了 0 . 5 吨、1 .5 吨、 3 吨和5 吨4 个规格的炼钢电 弧炉， 都是炉体开出式或炉盖开出 式 电 弧炉。1 9 6 6年西安电 炉研究所设计并试制了 我国 第一合 全液压、炉盖旋转式、 顶装料3 0 吨电弧炉。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着改革开放的逐步深入电弧炉炼钢 发展加快。 2 0 世 纪9 0 年代以 后我国电 弧炉装备进入大发展阶段。 目 前我国设计制 造7 5 吨以下的普通功率电弧炉1 5 0 吨以下的超高功率电弧炉和1 5 0 吨以下的钢包 东北大学硕士学位论文 第一章 概述 第一章 概述 1 . 1电弧炉炼钢的历史和发展 1 . 1 . 1电弧炉炼钢的历史 目前，世界上电炉钢产量的 9 5 %以上都是由电弧炉生产的，因此电炉炼钢主 要指电弧炉炼钢。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料冶炼出各种成分 的钢和合金的一种炼钢方法。 电弧炉炼钢至今已有 1 0 0多年的历史。 1 9 0 0 年，山 法国的 海劳尔 特( h e r o u l t ) 在l a p r a z 研制成功 炼钢用三相交 流电 弧 炉成为现代炼钢电弧炉的雏形。二十世纪初发电成本下降高压输电技术的发展为 三相交流电弧炉的推广应用奠定了基础。 1 9 0 9 - 1 9 1 0 年德国和美国 分别首次建成6 吨和 5吨炼钢三相交流电 弧炉并投产并首次把继电 器与接触式调节器用于电 弧炉 的电极升降系统. 1 9 2 0 年杠杆平衡式调节器用于电弧炉提高了电极升降速度. 1 9 2 6 年德国制造了两台炉盖开出 式电弧炉炉料从炉顶加入。1 9 2 7年美国蒂姆肯公司一 台 1 0 0吨电弧炉投产。1 9 3 1 3 年出 现炉体开出式电弧炉。1 9 3 6 年德国制作了1 8 吨 炉盖旋转式电弧炉进一步缩短加料时间提高了热效率。至此普通三相交流电弧炉 己 基木成形。之后电弧炉的结构、工艺逐渐完善炉子容量进一步扩大炼钢生产率 逐渐提高炼钢成本逐渐降低。1 9 6 4年在美国矿冶石油工程师协会的电炉会议上首 次提出电弧炉超高功率概念并在两台 1 3 5吨电弧炉上进行深入的试验并取得很好 的效果。此后的工作主要集中在如何超高功率化以后出 现的设备、工艺、冶炼消 耗等方面的问题继续提高变压器的最大功率利用率和时间利用率提高电弧炉炼钢 生产率、降低能耗和冶炼成本。 新中国成立前我国钢铁t业十分薄弱。直到2 0世纪3 0年代才有几台容量为 0 .51 . 5 吨的电弧炉电弧炉钢产量为 1 .4 万吨。 2 0 世纪6 0 年代以 前我国只仿造了 0 . 5 吨、1 .5 吨、 3 吨和5 吨4 个规格的炼钢电 弧炉， 都是炉体开出式或炉盖开出 式 电 弧炉。1 9 6 6年西安电 炉研究所设计并试制了 我国 第一合 全液压、炉盖旋转式、 顶装料3 0 吨电弧炉。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着改革开放的逐步深入电弧炉炼钢 发展加快。 2 0 世 纪9 0 年代以 后我国电 弧炉装备进入大发展阶段。 目 前我国设计制 造7 5 吨以下的普通功率电弧炉1 5 0 吨以下的超高功率电弧炉和1 5 0 吨以下的钢包 全ib 些些途/c -it -t 一一-第 一 章概 述 精炼炉的 技术己 经成熟并具备制造1 0 01 3 0 吨电 弧 炉的 能 力d 1 1 0 0 年来， 随着科技的进步，电弧炉钢产量及其比 例始终在稳步增长。 在这百 年中，电弧炉的设备工艺技术在不断发展，产量不断地提高。尤其 2 0世纪 7 0年 代以来，电力工业的进步，科技对钢质量和数量的要求提高，大型超高功率电炉 技术的发展以及炉外精炼技术的采用，使电炉炼钢技术有了很大的进步。在钢产 量上， 尽管全球粗钢总量自2 0 世纪7 0 年代中期以 来一直徘徊在7 . 07 . 8 亿吨之间， 但电炉钢产量比例一直在稳步上升。近年来，电弧炉炼钢的钢产量增长迅速，超 过了钢总产量的增长速度。2 0 0 0年全世界钢总产量为 8 4 1 1 5 .4万吨，其中电炉钢 产量为2 8 3 5 2 万吨， 占钢总产量的3 3 .7 %， 与1 9 9 5 年相比， 电炉钢产量增长了1 6 .8 %, 钢总产量增长 1 3 .2 %。而在 2 0 0 1 年，全世界钢总产量为8 4 3 7 9 .7万吨，其中电炉 钢产量为2 9 5 8 7 .9 万吨，占 钢总产量的3 5 .0 7 %。由于一些发达国家废钢资源丰富， 电价低廉，电弧炉炼钢发展迅速。如美国和日 本，2 0 0 0年电炉钢分别占全国钢总 产量的4 6 . 8 %和2 8 . 8 %。 而我国由于废钢资源短缺，电价较高， 2 0 0 0 年电炉钢产量 为2 0 2 0 万吨，占全国总产量的1 5 .9 %0 2 0 0 1 年，我国的钢总产量为1 5 1 6 3 万吨， 其中电炉钢产量为 2 4 0 0 . 5 万吨，占全国总产量的 1 5 . 8 3 %0 2 0世纪 9 0 年代，大容 量、 超高功率电 弧炉在我国仍获得了 较快发展2 1 。 多年来， 我国电 弧炉以 冶炼合金 钢为主，多集中于特殊钢厂，一般容量小于5 0 吨。从2 0 世纪9 0 年代起，我国相 继建设了多座大容量超高功率电弧炉。 据统计， 1 9 9 0 年至1 9 9 9 年我国共建设6 0 - 1 5 0 t 高功率、超高功率电弧炉 1 9 座，总容量为 1 6 4 5 吨，2 0 0 0 年以后，也有新建 5 0吨以上电弧炉投产3 1 。目 前，我国投入运行的5 0 吨以上电弧炉有3 9 座，其中 单炉出钢量 1 0 0 吨以 l 的电弧炉有 1 0 座。 1 9 9 2 年我国平均炉容量为4 .6 吨/ 台， 到 2 0 0 0 年全国电弧炉总数 1 7 9台，有容量为5 01 5 0 吨的大电炉3 6台，大于1 0 0 吨 的1 8 台，而且大多数电炉配加了超高功率变压器。如:宝钢的1 5 0 吨超高功率电 弧炉、 天津钢管公司的 1 5 0 吨超高功率电弧炉、 抚顺特钢的5 0 吨超高功率电弧炉、 南京钢铁公司的 7 0 吨高阻抗电弧炉等。 1 . 1 .2电弧炉炼钢的发展 电弧炉炼钢的发展前景一片光明炼钢装备不断改进炼钢技术不断进步。在电 弧炉炼钢生产中主要采用的技术有: ( 1 )节约电能技术。 包括超高功率电弧炉技术、电 弧炉合理供电技术、 导电 横壁节 电技术、电极调节智能控制技术。 ( 2 ) 强化冶炼技术。 包括强化供氧技术、 心底出钢技术、电弧炉底吹搅拌技术 泡沫渣技术、电弧炉氧燃烧烧嘴技术、偏 全ib 些些途/c -it -t 一一-第 一 章概 述 精炼炉的 技术己 经成熟并具备制造1 0 01 3 0 吨电 弧 炉的 能 力d 1 1 0 0 年来， 随着科技的进步，电弧炉钢产量及其比 例始终在稳步增长。 在这百 年中，电弧炉的设备工艺技术在不断发展，产量不断地提高。尤其 2 0世纪 7 0年 代以来，电力工业的进步，科技对钢质量和数量的要求提高，大型超高功率电炉 技术的发展以及炉外精炼技术的采用，使电炉炼钢技术有了很大的进步。在钢产 量上， 尽管全球粗钢总量自2 0 世纪7 0 年代中期以 来一直徘徊在7 . 07 . 8 亿吨之间， 但电炉钢产量比例一直在稳步上升。近年来，电弧炉炼钢的钢产量增长迅速，超 过了钢总产量的增长速度。2 0 0 0年全世界钢总产量为 8 4 1 1 5 .4万吨，其中电炉钢 产量为2 8 3 5 2 万吨， 占钢总产量的3 3 .7 %， 与1 9 9 5 年相比， 电炉钢产量增长了1 6 .8 %, 钢总产量增长 1 3 .2 %。而在 2 0 0 1 年，全世界钢总产量为8 4 3 7 9 .7万吨，其中电炉 钢产量为2 9 5 8 7 .9 万吨，占 钢总产量的3 5 .0 7 %。由于一些发达国家废钢资源丰富， 电价低廉，电弧炉炼钢发展迅速。如美国和日 本，2 0 0 0年电炉钢分别占全国钢总 产量的4 6 . 8 %和2 8 . 8 %。 而我国由于废钢资源短缺，电价较高， 2 0 0 0 年电炉钢产量 为2 0 2 0 万吨，占全国总产量的1 5 .9 %0 2 0 0 1 年，我国的钢总产量为1 5 1 6 3 万吨， 其中电炉钢产量为 2 4 0 0 . 5 万吨，占全国总产量的 1 5 . 8 3 %0 2 0世纪 9 0 年代，大容 量、 超高功率电 弧炉在我国仍获得了 较快发展2 1 。 多年来， 我国电 弧炉以 冶炼合金 钢为主，多集中于特殊钢厂，一般容量小于5 0 吨。从2 0 世纪9 0 年代起，我国相 继建设了多座大容量超高功率电弧炉。 据统计， 1 9 9 0 年至1 9 9 9 年我国共建设6 0 - 1 5 0 t 高功率、超高功率电弧炉 1 9 座，总容量为 1 6 4 5 吨，2 0 0 0 年以后，也有新建 5 0吨以上电弧炉投产3 1 。目 前，我国投入运行的5 0 吨以上电弧炉有3 9 座，其中 单炉出钢量 1 0 0 吨以 l 的电弧炉有 1 0 座。 1 9 9 2 年我国平均炉容量为4 .6 吨/ 台， 到 2 0 0 0 年全国电弧炉总数 1 7 9台，有容量为5 01 5 0 吨的大电炉3 6台，大于1 0 0 吨 的1 8 台，而且大多数电炉配加了超高功率变压器。如:宝钢的1 5 0 吨超高功率电 弧炉、 天津钢管公司的 1 5 0 吨超高功率电弧炉、 抚顺特钢的5 0 吨超高功率电弧炉、 南京钢铁公司的 7 0 吨高阻抗电弧炉等。 1 . 1 .2电弧炉炼钢的发展 电弧炉炼钢的发展前景一片光明炼钢装备不断改进炼钢技术不断进步。在电 弧炉炼钢生产中主要采用的技术有: ( 1 )节约电能技术。 包括超高功率电弧炉技术、电 弧炉合理供电技术、 导电 横壁节 电技术、电极调节智能控制技术。 ( 2 ) 强化冶炼技术。 包括强化供氧技术、 心底出钢技术、电弧炉底吹搅拌技术 泡沫渣技术、电弧炉氧燃烧烧嘴技术、偏 东北大学 硕士学位论文第一章 概述 ( 3 ) 余热利用技术。 包括二次燃烧技术、废钢预热技术。 ( 4 ) 优化炉料结构技术。 包括改善固态炉料结构、 铁水热装技术。 前不久国际钢铁协会的组织者通过对本行业各方面的专家进行问卷调查，对 将来电弧炉发展方向 进行了 预测， 得出了 很多有意义的结论 。 电弧炉炼钢还是钢 铁工业很有吸引力的工艺， 在未来的1 0 年内，不会受到其它新工艺的挑战。电炉 钢的市场份额将进一步扩大，特别是在扁平材方面。 在一定程度上，北美和大洋 州的电 炉生产者与欧洲和亚洲人有不同的观点， 他们认为， 在2 0 1 0 年前， 生产合 格的镀锌板还要用传统的工艺进行。到 2 0 1 0年，典型的电弧炉电能消耗为 360v1，供电时间为4 5 m i n o生产工艺要与用二次燃烧技术加热到3 0 0 的废钢 相匹配。废钢还是主要的炉料，其它为辅助炉料。最有创新性的观点是:电 弧炉 能适应铁料( 铁水、 生铁块) 及带入炉内的能量的 变化、 全封闭 设计、 高温预热废钢 以及连续加料工艺。废钢资源不会短缺，低残余元素的废钢可以以现在的价格甚 至更低的价格买到。生铁是广受欢迎的，预计上市的生铁会越来越多。碳铁是很 好的炉料，但在 2 0 1 0年前数量不会太多。专家们认为，到2 0 1 0年，废钢的纯洁 度不会明显提高、废钢预处理的新工艺不会出现、废钢的价格还是很稳定。 各发达国家电弧炉技术发展方向。美国认为，将来电弧炉炼钢的研究领域主 要围绕原料和能源两个方面进行。在原料方面，主要是对废钢的处理， 包括物理 分离法 ( 振动、磁化) 、化学分离法;为了规范废钢的尺寸，可以采用低温冷冻技 术破碎废钢，这还需要进一步进行研究。在能源方面，要充分利用废气的余热， 如:兴建竖炉;开发 “ 超导”式电极;采用人工智能技术以 提高操作水平，降低 能耗。 欧洲的电弧炉发展计划为如下三个方面: 1 ) 废钢。 要开发先进的破碎和废钢 处理技术， 获得稳定的高 质量炉料， 如: 新的 破碎、 分级和分类技术。 2 ) 提高生产 率，降低能耗，充分利用化学能和废气物理热，如:氧碳喷射、二次燃烧技术、 废钢预热技术;开发新型e a f技术， 如新型竖炉、中心竖炉、 双炉壳等。 3 ) 在工 艺 及操作控制、 检测及诊断方面，提高t t专家系统软件的应用水平。相对美国 和 欧洲，日本制定的计划更为具体，他们甚至提出了完成的具体时间表，他们将把 工作重点放在以 下三个方面上。 1 ) 研究开发直流电弧炉， 虽然直流电 弧炉问 世己 有 二十年，但直流电弧炉炼钢的理论 解释还有很多未弄清的问题，在作业履历方面 有待于进一步增加; 另外还需提高直流电 弧炉的 性能。 2 ) 利用余热使废钢返回 料预 热，虽然大家都在开发 c o n s t e e l 工艺、双罩式炉、立式炉等的余热新方式使废钢 返回料预热，但均未能获得满意的结果。研究者要考虑可操作性， 还要兼顾环境。 3 ) 高效利用电能。 一方面要 研制低压高电 流型高功率变压器， 实现现有电 弧炉的高 效率化， 具体指标为: 功率8 5 %，电 弧热功率? 8 5 % ， 投入电力) 8 0 0 k w h f t ; 另 一方面要集中精力研制下一代电弧炉，用强电磁场控制等离子电弧方向，要研制 东 北大学 硕士学 位论文第一 章 概述 超导线圈高输出 变压器及全密封、 连续投料并可进行废钢预热的电 弧炉(5 1 国内电弧炉技术发展方向。我国的电弧炉技术水平与国际先进国家还有较大 差距。应按我国的实际情况制定计划在短期内，应做好以下几点工作: ( 1 ) 进一步推广使用己 有的成熟技术， 如电 弧炉合理供电、 氧燃烧嘴等技术， 使国内电弧炉的整体水平得到提高。 ( 2 ) 进一步强化冶炼，充分利用化学能，降 低电 耗。国 外的一些先进企业电 弧 炉吨 钢电 耗已降 低到3 0 0 k w h 以 下( 有的 采用废钢预热技术) ， 而我国远未达到这一 水平。 ( 3 )提高我国电弧炉的自 动化操作水平及计算机控制管理水平。 各企业应和各 高校、科研院所加强合作，努力提升我国电弧炉的操作水平。 我国电弧炉的中长期目标为以下几点: ( 1 )系统地消化从国外引 进的 废钢预热技术及设备， 并开发出 适合我国实际 情 况的新的炉型和技术。 进一步研究高阻抗交流电弧炉，使其发挥最佳的作用。 强化对废钢的分类管理，加快废钢破碎设备的研制。 、.，1 zrj f、f 1 . 2 1 . 2 . 1 电弧炉炼钢的工艺和设备 电弧炉炼钢的工艺过程 电弧炉炼钢工艺的最基本的方法是氧化法。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。在炉内既要完成熔化、脱 磷、脱碳、升温又要进行脱氧、脱硫、去气、去除夹杂物、合金化以及温度、成 分的调整因而冶炼周期长。这既难以保证对钢材越加严格的质量要求又限制了电 弧炉生产率的提高。现代工艺保留了熔化、升温和必要的精炼如脱磷、脱碳而把 其余的精炼过程转移到二次精炼工序中进行工艺上的这种简化提高了电弧炉的设 备能力使其能以最大功率进行熔化、升温而把只需较低功率的操作转移到钢包精 炼炉内进行。 超高功率电弧炉冶炼工艺过程主要包括以下四步:冶炼前的工艺准备、熔化 期、 氧化期和出 钢(6 1 ( 1 ) 冶炼前的工艺准备包括配料、 装料以 及补炉。 配料:炼钢的基本炉料是废钢、生铁、返回料以及部分合金料。根据现有原 材料的实际情况按照所炼钢种的技术标准及_ l 艺要求、出钢量等约束条件以缩短 冶炼时间、降低冶炼成本为日 标按 一 定优化算法计算出各种炉料的添加量。科学 东 北大学 硕士学 位论文第一 章 概述 超导线圈高输出 变压器及全密封、 连续投料并可进行废钢预热的电 弧炉(5 1 国内电弧炉技术发展方向。我国的电弧炉技术水平与国际先进国家还有较大 差距。应按我国的实际情况制定计划在短期内，应做好以下几点工作: ( 1 ) 进一步推广使用己 有的成熟技术， 如电 弧炉合理供电、 氧燃烧嘴等技术， 使国内电弧炉的整体水平得到提高。 ( 2 ) 进一步强化冶炼，充分利用化学能，降 低电 耗。国 外的一些先进企业电 弧 炉吨 钢电 耗已降 低到3 0 0 k w h 以 下( 有的 采用废钢预热技术) ， 而我国远未达到这一 水平。 ( 3 )提高我国电弧炉的自 动化操作水平及计算机控制管理水平。 各企业应和各 高校、科研院所加强合作，努力提升我国电弧炉的操作水平。 我国电弧炉的中长期目标为以下几点: ( 1 )系统地消化从国外引 进的 废钢预热技术及设备， 并开发出 适合我国实际 情 况的新的炉型和技术。 进一步研究高阻抗交流电弧炉，使其发挥最佳的作用。 强化对废钢的分类管理，加快废钢破碎设备的研制。 、.，1 zrj f、f 1 . 2 1 . 2 . 1 电弧炉炼钢的工艺和设备 电弧炉炼钢的工艺过程 电弧炉炼钢工艺的最基本的方法是氧化法。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。在炉内既要完成熔化、脱 磷、脱碳、升温又要进行脱氧、脱硫、去气、去除夹杂物、合金化以及温度、成 分的调整因而冶炼周期长。这既难以保证对钢材越加严格的质量要求又限制了电 弧炉生产率的提高。现代工艺保留了熔化、升温和必要的精炼如脱磷、脱碳而把 其余的精炼过程转移到二次精炼工序中进行工艺上的这种简化提高了电弧炉的设 备能力使其能以最大功率进行熔化、升温而把只需较低功率的操作转移到钢包精 炼炉内进行。 超高功率电弧炉冶炼工艺过程主要包括以下四步:冶炼前的工艺准备、熔化 期、 氧化期和出 钢(6 1 ( 1 ) 冶炼前的工艺准备包括配料、 装料以 及补炉。 配料:炼钢的基本炉料是废钢、生铁、返回料以及部分合金料。根据现有原 材料的实际情况按照所炼钢种的技术标准及_ l 艺要求、出钢量等约束条件以缩短 冶炼时间、降低冶炼成本为日 标按 一 定优化算法计算出各种炉料的添加量。科学 东 北大学 硕士学 位论文第一 章 概述 超导线圈高输出 变压器及全密封、 连续投料并可进行废钢预热的电 弧炉(5 1 国内电弧炉技术发展方向。我国的电弧炉技术水平与国际先进国家还有较大 差距。应按我国的实际情况制定计划在短期内，应做好以下几点工作: ( 1 ) 进一步推广使用己 有的成熟技术， 如电 弧炉合理供电、 氧燃烧嘴等技术， 使国内电弧炉的整体水平得到提高。 ( 2 ) 进一步强化冶炼，充分利用化学能，降 低电 耗。国 外的一些先进企业电 弧 炉吨 钢电 耗已降 低到3 0 0 k w h 以 下( 有的 采用废钢预热技术) ， 而我国远未达到这一 水平。 ( 3 )提高我国电弧炉的自 动化操作水平及计算机控制管理水平。 各企业应和各 高校、科研院所加强合作，努力提升我国电弧炉的操作水平。 我国电弧炉的中长期目标为以下几点: ( 1 )系统地消化从国外引 进的 废钢预热技术及设备， 并开发出 适合我国实际 情 况的新的炉型和技术。 进一步研究高阻抗交流电弧炉，使其发挥最佳的作用。 强化对废钢的分类管理，加快废钢破碎设备的研制。 、.，1 zrj f、f 1 . 2 1 . 2 . 1 电弧炉炼钢的工艺和设备 电弧炉炼钢的工艺过程 电弧炉炼钢工艺的最基本的方法是氧化法。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。在炉内既要完成熔化、脱 磷、脱碳、升温又要进行脱氧、脱硫、去气、去除夹杂物、合金化以及温度、成 分的调整因而冶炼周期长。这既难以保证对钢材越加严格的质量要求又限制了电 弧炉生产率的提高。现代工艺保留了熔化、升温和必要的精炼如脱磷、脱碳而把 其余的精炼过程转移到二次精炼工序中进行工艺上的这种简化提高了电弧炉的设 备能力使其能以最大功率进行熔化、升温而把只需较低功率的操作转移到钢包精 炼炉内进行。 超高功率电弧炉冶炼工艺过程主要包括以下四步:冶炼前的工艺准备、熔化 期、 氧化期和出 钢(6 1 ( 1 ) 冶炼前的工艺准备包括配料、 装料以 及补炉。 配料:炼钢的基本炉料是废钢、生铁、返回料以及部分合金料。根据现有原 材料的实际情况按照所炼钢种的技术标准及_ l 艺要求、出钢量等约束条件以缩短 冶炼时间、降低冶炼成本为日 标按 一 定优化算法计算出各种炉料的添加量。科学 东 北大学硕士学 位论文第一章 概述 合理的配料能明显提高电弧炉的各项经济技术指标。 装料:主要是指将废钢装入炉膛。目 前多数电弧炉采用炉盖上升炉体开出或 者炉盖升起旋开用吊车吊起事先装在料罐里炉料加入炉膛内。装料次数主要与废 钢密度、炉子容量有关炼一炉钢一般需要加装料 2 - 3次。为缓和装料时对炉底强 烈的冲击在第一次装料前要先在炉底铺占料重巧 % 左右的石灰。 补炉:补炉是指对炉体损坏的部位进行维修以保证下一炉钢的正常冶炼。 在 炼钢过程中由于电弧辐射和高温钢水化学作用的侵蚀炉衬必然要有不同程度的损 坏。为了保证炼钢的正常进行及延长炉衬的使用寿命在每一炉开始炼钢之前应进 行补炉，补炉材料通常为石灰和萤石。 ( 2 )熔化期: 是指从通电开始到炉料全部熔清这段时间。 包括起弧阶段、 穿井阶段、 电极上升阶段和熔化末了阶段。 起弧阶段:是指炉膛内装满炉料电弧炉通电炼钢的初始阶段。这段时间比较 短一般不超过 3分钟。电弧距离炉顶很近如果输入功率过大炉顶易被烧坏一般输 入变压器的额定功率的2 / 3 左右供电。 如果在炉料的上部装有相当数量的轻废钢也 可以一开始就采用最大功率送电。这段时间由于炉温较低、大多为轻薄料电弧燃 烧不稳定噪声很大。 穿井阶段:是指电弧稳定后电极开始下降直到炉底的这段时间。由于电弧四 周的炉料迅速熔化在电极自 动调节器的作用下电极始终要和炉料保持一定的距离 电极随着炉料的熔化不断下降在炉料中打出3 个洞类似生活中的打井所以称为“ 穿 井” 。这一阶段电弧完全被炉料包围热量几乎全部被吸收不会烧坏炉衬通常采用最 大功率供电。 电极上升阶段:穿井到底后炉底形成熔池炉底石灰及部分元素氧化使得在钢 水液面上形成一层熔渣。炉料在高温下逐渐熔化电极随着钢水液面的上升缓慢上 升。此时电弧在熔池面上平稳燃烧周围仍然有部分未熔化的炉料对炉衬的损坏很 小仍然采用最大功率供电。 熔化末了阶段:此时炉内大部分炉料已经熔化只有远离电极的零星炉料还未 熔化。炉料己经不能完全包围电弧长时间最大功率供电会损坏炉盖及炉衬此时应 适当减小功率供电并且进行吹氧助熔加速炉料熔化增加钢水稳温度。 ( 3 )氧化期: 指熔化期到出 钢之前的熔炼过程。 氧化期主要任务是最大限 度的降 低 钢液中的磷含量去除钢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 0 c 。为了加速熔化和节约电能在氧化期一般采用吹氧助熔。 ( 4 )出 钢: 是指把化学成分和温度符合要求的钢水倒入钢包的过程。 出 钢钢水要求 无渣无渣出钢必然使炉内留有一部分钢水和儿乎全部炉渣炉渣过多时必须进行出 渣操作。留钢量约为 6 - 8吨这样既可使炉底的耐火材料免受电弧和炉渣侵蚀还可 东北大学硕士学 位论文 为下一炉炼钢创造条件。 第一章 概述 1 .2 . 2电 弧炉炼钢的设备 电弧炉的炼钢设备主要由炼钢工艺决定并且与电弧炉的容量大小、装料方式、 传动方式等有关。现在的电弧炉大多采用炉体倾动出钢方式、炉盖旋开装料方式、 液压驱动活动立杜电极升降方式。电弧炉的炼钢设备主要有机械设备和电气设备 两部分构成。 ( 1 ) 电弧炉的 机械设备。 电弧炉的主要机械设备包括炉体、电极夹持器、电极升降装置、炉体倾动装 置、炉盖提升、旋转装置和炉顶装料装置等，以及液压系统、水冷系统等辅助系 统的设备。 炉体是电弧炉的主要装置是用来熔化炉料和进行各种化学反应的容器。电弧 炉的炉体由金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成。电弧炉的金属构件包 括炉壳、炉门、出钢槽、炉盖圈和电极密封圈。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是用耐火砖砌成的。 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以把 电流传送到电极上。在熔炼过程中由于炉料不断熔化不同的熔炼阶段要求给出不 同的电能，同时电极自身的长度也会存在自 消耗，因此需要随时升降电极以调整 电弧的长度。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。导电横臂由铜钢复合板制成作为支持用的机械结构 部分用来固定电极夹头。立柱和导电横臂连接成 “ r”形支架一起在固定的框架 内升降框架固定在炉体的摇架上框架内装有滚轮立柱沿滚轮升降。电极夹头、导 电横臂都是内部通水冷却。传动方式为液压传动。电极升降机构包括电极升降液 压缸、电极升降立柱、电极喷林环、夹头喷吹等部分。 炉体倾动装置为底倾机构，传动形式为液压传动。炉子装在专门的摇架上， 摇架两侧的扇形板支撑在底座上，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 卜 分别加工上导钉孔和导钉。倾炉机构包括倾动摇架、倾动轨道、倾动液 压缸、水平支撑机构与炉盖旋转轴承和旋转锁定等。倾动摇架下部为弧形结构， 在轨道平面上进行滚动，定位准确、可靠。两个活塞式倾动液压缸的下支座固定 东北大学硕士学 位论文 为下一炉炼钢创造条件。 第一章 概述 1 .2 . 2电 弧炉炼钢的设备 电弧炉的炼钢设备主要由炼钢工艺决定并且与电弧炉的容量大小、装料方式、 传动方式等有关。现在的电弧炉大多采用炉体倾动出钢方式、炉盖旋开装料方式、 液压驱动活动立杜电极升降方式。电弧炉的炼钢设备主要有机械设备和电气设备 两部分构成。 ( 1 ) 电弧炉的 机械设备。 电弧炉的主要机械设备包括炉体、电极夹持器、电极升降装置、炉体倾动装 置、炉盖提升、旋转装置和炉顶装料装置等，以及液压系统、水冷系统等辅助系 统的设备。 炉体是电弧炉的主要装置是用来熔化炉料和进行各种化学反应的容器。电弧 炉的炉体由金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成。电弧炉的金属构件包 括炉壳、炉门、出钢槽、炉盖圈和电极密封圈。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是用耐火砖砌成的。 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以把 电流传送到电极上。在熔炼过程中由于炉料不断熔化不同的熔炼阶段要求给出不 同的电能，同时电极自身的长度也会存在自 消耗，因此需要随时升降电极以调整 电弧的长度。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。导电横臂由铜钢复合板制成作为支持用的机械结构 部分用来固定电极夹头。立柱和导电横臂连接成 “ r”形支架一起在固定的框架 内升降框架固定在炉体的摇架上框架内装有滚轮立柱沿滚轮升降。电极夹头、导 电横臂都是内部通水冷却。传动方式为液压传动。电极升降机构包括电极升降液 压缸、电极升降立柱、电极喷林环、夹头喷吹等部分。 炉体倾动装置为底倾机构，传动形式为液压传动。炉子装在专门的摇架上， 摇架两侧的扇形板支撑在底座上，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 卜 分别加工上导钉孔和导钉。倾炉机构包括倾动摇架、倾动轨道、倾动液 压缸、水平支撑机构与炉盖旋转轴承和旋转锁定等。倾动摇架下部为弧形结构， 在轨道平面上进行滚动，定位准确、可靠。两个活塞式倾动液压缸的下支座固定 东 北大学硕士学位论文第一章 概述 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。 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。旋转架伸出臂下部通水冷却以防止高温变形。 液压系统。液压系统包括液压泵、液压阀组、蓄液箱、蓄能器、加热器、冷 却器等。液压站有三台恒压变量泵并配备一定数量的蓄能器来保证事故状态的应 急操作。电极升降采用比例阀来保证电极调节的灵敏度以及在不同情况下对电极 速度的不同要求。炉体倾动采用比例阀，使倾动速度可调，以满足出钢和快速回 倾的要求。炉盖旋转采用比例阀控制以保证在旋转过程平稳、快速。采用比例阀 可以减小液压管路震动、延长设备使用寿命。 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，如炉盖、炉壳等。水冷系统主要包括: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。电炉主体的水冷系统供给水冷炉壁、水冷 炉盖、炉门、炉门框、导电 横臂电极夹头、电极喷林、水冷电缆和铜管等。 ( 2 ) 电弧炉的电 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、 辣网、 低压供电 系统 等阴 。 高压系统: 一般由3 5 k v 电经高压隔离开关、 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证变压器正常运行。高压测二次计量回路设有 高压侧电压、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 车问低压配电室进线电压3 8 0 / 2 2 0 v三相四线制。主 东 北大学 硕士学位论文第 一章 概述 要是给液压站、高压配电柜、加热器、分合闸整流电 源、电炉变压器调振控制器、 油水冷却器、仪表电源、控制电源、稳压屯源等供电。 1 .3电弧炉炼钢控制系统的发展 电弧炉炼钢e有 1 0 0多年的历史。在这期阅国内 外许多学者和工程技术人员 对电 弧炉进行了大童研究冶炼t艺不断改进新材料、新技术、新装备不断在电 弧 炉炼钢系统中应用a 2 0 世纪7 4 年代以后电弧炉炼钢控制系统进入了大发展时a p, 国 外一些学者就对电极控制进行了 大量研究，提出了 一些控制算法但多数都仅限于 理论分析和仿真研究， 在实际工程中得到应用的很少。 2 0 世纪8 1 年代以 来国内 外