（钢铁冶金专业论文）现代炼钢电弧炉短网的设计与优化.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 现代炼钢电弧炉短网的设计与优化 摘要 短网是电弧炉的重要组成部分，如果短网的设计不合理，会造成较为严重的 功率损失，功率转移现象。电弧炉的功率输入，三相功率的平衡，炉衬的寿命等 等很大程度上依赖于电弧炉短网的设计。本文针对电弧炉短网的设计优化，对短 网的参数计算的几个方面，如平行导体间的互感计算，铜钢覆合导电横臂的电抗 计算，圆柱实心和圆管空心导体的集肤效应计算，邻近效应计算，进行了探讨， 并对实际短网的参数进行了计算，计算结果与电弧炉短网试验的结果比较接近。 对计算得出的短网参数进行分析，可以判断短网设计是否满足电弧炉三相功率平 衡，如果超出了规定的要求范围，可以对短网结构进行调整，得到满足三相功率 平衡的短网参数。通过对短网的设计与优化得到如下结论： ( 1 ) 将圆柱实心和圆管空心导体集肤效应计算应用到短网导体的计算中，根 据由此得出的解析计算公式其计算误差比查表求集肤效应系数方法误差小。 ( 2 ) 根据逐次逼近计算方法，对三相圆柱实心和圆管空心导体临近效应系数 计算进行探讨，得出相应的临近效应系数计算公式。 ( 3 ) 根据电流在铜钢覆合导电横臂的分布情况对其截面进行近似简化，得出 电抗近似计算公式。 ( 4 ) 利用以上的短网计算公式和其它有关的短网计算公式，形成一套短网电 参数的整体计算方法，对实例进行计算，取得了与试验结果比较相符的计算结果。 ( 5 ) 利用计算结果对短网结构进行调整使其满足三相功率平衡的要求。 关键词电弧炉炼钢短网阻抗导电横臂集肤效应邻近效应 - 东北大学硕士论文 a b s t r a c t t h e d e s i g na n do p t i m i z a t i o no fm o d e m e l e c t r i ca r cf u m a c es h o r tn e t a b s t r a c t s h o r tn e ti sa i li m p o r t a n tp a r to fe l e c t r i ca r cf l a t n a c e i ft h ed e s i g no fe l e c t r i ca r c f u r n a c es h o r tn e ti sn o tw e l le n o u g h , t h e r ew i l lb ep o w e rl o s sa n dp o w e re x c u r s i o n ， t h ei n p u tp o w e r , t h ep o w e rb a l a n c eo ft h r e e - p h a s eo fe l e c t r i ca f u r n a c ea n dt h e s e r v i c et i m eo ff u r n a c el i n i n gr e l yv e r ym u c ho nt h ed e s i g no fe l e c t r i ca r cf u r n a c es h o r t n e t i nt h i st h e s i s ，i no r d e rt oi m p r o v ea n do p t i m i z et h ee l e c t r i ca r cf u r r l a c es h o r tn e t d e s i g n ，s e v e r a lp a r to f i tw a ss t u d i e d , s u c ha s ：c a l c u l a t i n gf o ri m p e d a n c eo f c o p p e rs t e e l c u r r e n tc o n d u c t i o na r m ，c a l c u l a t i n gf o rs k i ne f f e c ta n dp r o x i m i t ye f f e c to fc o n d u c t o r so f s h o r tn e t b ym e a l l so f c o r r e s p o n d i n gf o r m u l a sf o r m e df r o ma b o v e ，e l e h - i cp a r a m e t e r s o fa na c t u a le x a m p l eo fe l e c t r i ca r cf u r n a c es h o r tn e tw a sc a l c u l a t e da n dt h ec o n c l u s i o n a r ev e r yc l o s et ot h ec o n c l u s i o no fs h o r tc i r c u i tt e s t b yt h ea n a l y s i so f t h o s ep a r a m e t e r s o fe l e c t r i ca r cf u r r l a c es h o r tn e t ，w ec a l ld e d u c ew h e t h e rt h ed e s i g ni sf i tf o r t h ec r i t e r i o n o fi n p u tp o w e rb a l a n c eo ft h r e ep h a s e t h em a i nc o n c l u s i o n sf r o ma b o v ew o r kc a l lb e d r a w n ： ( 1 ) a p p l yt h em e t h o do ft h ec a t c u t a t i o no fs k i ne f f e c ti nt u b u l a ra n dc o l u m n c o n d u c t o r si n t ot h ec a l c u l a t i o no fe l e c t r i ca r ef u r n a c es h o r tn e tt h ec a l c u l m i o ne r r o ri s v e r ys m a l l ( 2 ) b ym e a n so fg r a d u a l l ya p p r o a c h i n gw a y , is t u d i e dt h em e t h o dt oc a l c u l a t et h e t h r e e - p h a s ep r o x i m i t ye f f e c t i v ec o e f f i c i e n to ft u b u l a ra n dc o l u m nc o n d u c t o r s ，a n d c o n c l u d e dt h ec o r r e s p o n d i n gf o r m u l a s ( 3 ) b a s eo nt h ee l e t r i cc u e 瞰d i s t r i b u t i n gs i t u a t i o n ，t h es e c t i o no fc o p p e rs t e e l c u r r e n tc o n d u c t i o na r mc a nb es i m p l i f i e d ，a n dt h e nt h ec o r r e s p o n d i n gr e a c t a n c ef o r m u l a c a l lb ec o n c l u d e d ( 4 ) b a s eo nt h ef o r m u l a sc o n c l u d e da b o v ea n do t h e rr e l a t e df o r m u l a s ，am e t h o dt o c a l c u l a t et h ee l e t r i cp e r a m e t e r so fe l e c t r i ca r cf u r n a c es h o r tn e tw a sf o r m e d a na c t u a l i 东北大学硕士论文a b s t r a c t e x a m p l ew a sc a l c u l a t e db yt h i sm e t h o d ，a n dt h i sc o n c l u s i o ni sc l o s et ot h ec o n c l u s i o no f s h o r tc i r c u i tt e s t ( 5 ) t h es t r u c t u r eo fs h o r tn e tc a nb ea n a l y s e da n da d j u s t e db yt h ec o n c l u s i o n c a l c u l a t e da b o v et om i n i m i z et h ep o w e ri m b a l a n c eo f t h r e e p h a s e k e y w o r d s e l e c t r i ca r cf u r n a c e ，s t e e l s m e l t i n g ，s h o r tn e t ，i m p e d a n c e ，c u r r e n t c o n d u c t i o na h n ，s k i ne f f e c t ，p r o x i m i t ye f f e c t i v 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谓 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：弘疡难 日期：细e 5 并予r 们 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：舻绎 签字日期：盈蛹商郴 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电弧炉炼钢概述 第一章绪论 1 1 1 电弧炉炼钢的特点 电弧炉是利用石墨电极与炉料间的电弧发出的热量来炼钢。电能具有清洁、 高效、方便等优越特性，是工业化发展的优选能源。1 9 世纪中叶以后，各种大规 模实现电热转换的冶炼装置陆续出现，1 9 0 0 年法国人p l t h e r o u l t 设计的第 一台炼钢电弧炉投入生产，从此，电弧炉炼钢在近一百年来得到了长足的发展， 成为最重要的炼钢方法之一【l “。从电弧炉的发展历史来看五十年代以前电炉钢所 占比例很低，是一种特殊的炼钢方法。上世纪九十年代以后，电炉钢迅速发展， 1 9 5 0 1 9 9 0 年间世界电炉钢总产量增长近1 7 倍。电炉钢所占的比例也由6 5 增至 2 7 5 。九十年代以来，世界电炉钢持续高速发展，1 9 9 0 1 9 9 8 年间世界电炉钢 量增加5 1 2 3 万吨。电炉钢占百分比增至3 3 9 。文献【5 】预测到2 0 1 0 年电炉钢 占总钢量的比重将上升到4 0 。电弧炉炼钢的优点为 6 1 ： ( 1 ) 以电能为热源，避免燃料对钢液的沾污，热效率高，可达6 5 以上： ( 2 ) 冶炼温度高且容易控制，满足冶炼不同钢种的要求； ( 3 ) 炉内气氛能够灵活控制，有利于去除钢中有害杂质和非金属夹杂物，回 收合金元素，钢的成分也容易控制； ( 4 ) 炉子输入功率容易调节，因而容易实现炉子加热自动化； ( 5 ) 合金元素烧损少，钢液的化学成分容易控制，且操作方便； ( 6 ) 设备简单，占地少，投资省，建厂快，生产灵活，易控制污染。 1 1 2 现代电弧炉炼钢先进技术简介 从各种资料7 d 5 1 中总结出的现代电弧炉炼钢先进节能技术主要有： ( 1 ) 强化供氧技术 近代电炉炼钢大量使用氧气，有的甚至达到4 5 m 3 一”1 。加上冶炼周期缩短至 4 0 一6 0 m i n ，故有“电炉炼钢转炉化”之说。其中，吹氧使熔池中各元素氧化放热， 一般占总能量供应的2 5 一3 0 。在炉门氧枪方面，国内大部分为消耗式氧枪，有 几家钢铁公司引进了水冷氧枪，收到了较好的效果l l7 1 。 ( 2 ) 泡沫渣技术 泡沫渣技术是在电炉冶炼过程中，在吹氧的同时向熔池内喷碳粉或碳化硅粉， 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电弧炉炼钢概述 第一章绪论 1 1 1 电弧炉炼钢的特点 电弧炉是利用石墨电极与炉料间的电弧发出的热量来炼钢。电能具有清洁、 高效、方便等优越特性，是工业化发展的优选能源。1 9 世纪中叶以后，各种大规 模实现电热转换的冶炼装置陆续出现，1 9 0 0 年法国人r lt h e r o u l t 设计的第 一台炼钢电弧炉投入生产，从此，电弧炉炼钢在近一百年来得到了长足的发展， 成为最重要的炼钢方法之一【1 - 4 。从电弧炉的发展历史来看五十年代以前电炉钢所 占比例很低，是一种特殊的炼钢方法。上世纪九十年代以后，电炉钢迅速发展， 1 9 5 0 1 9 9 0 年间世界电炉钢总产量增长近1 7 倍。电炉钢所占的比例也由6 5 增至 2 75 。九十年代以来，世界电炉钢持续高速发展，1 9 9 0 1 9 9 8 年问世界电炉钢 量增加5 1 2 3 万吨。电炉钢占百分比增至3 3 9 。文献# j 预测，到2 0 1 0 年电炉钢 占总钢量的比重将上升到4 0 。电弧炉炼钢的优点为1 6 l ： ( 1 ) 以电能为热源，避免燃料对钢液的沾污，热效率高，可达6 5 以上； ( 2 ) 冶炼温度高且容易控制，满足冶炼不同钢种的要求； ( 3 ) 炉内气氛能够灵活控制，有利于去除钢中有害杂质和非金属夹杂物，回 收合金元素，钢的成分也容易控制： ( 4 ) 炉子输入功率容易调节，因而容易实现炉子加热自动化； ( 5 ) 合金元素烧损少，钢液的化学成分容易控制，且操作方便； ( 6 ) 设备简单，占地少，投资省，建厂快，生产灵活，易控制污染。 1 1 2 现代电弧炉炼钢先进技术简介 从各种资料1 7 4 5 1 中总结出的现代电弧炉炼钢先进节能技术主要有： ( 1 ) 强化供氧技术 近代电炉炼钢大量使用氧气，有的甚至达到4 5 甜t t ”】。加上冶炼周期缩短至 4 0 6 0 m m ，故有“电炉炼钢转炉化”之说。其中，吹氧使熔池中各元素氧化放热， 一般占总能量供应的2 5 一3 0 。在炉门氧枪方面，国内大部分为消耗式氧枪，有 几家钢铁公司引进了水冷氧枪，收到了较好的效果【1 1 。 ( 2 ) 泡沫渣技术 泡沫渣技术是在电炉冶炼过程中，在吹氧的同时向熔泡内喷碳粉或碳化硅粉， 泡沫渣技术是在电炉冶炼过程中，在吹氧的同时向熔池内喷碳粉或碳化硅粉， 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 形成强烈的碳氧反应，在渣层内形成大量的c o 气体泡沫，使渣的厚度达到电弧长 度的2 , 5 3 0 倍，能将电弧完全屏蔽在内，减少电弧辐射，延长电弧辐射，延长电 炉寿命，并提高电炉的热效率。 ( 3 ) 电弧炉氧燃烧嘴技术 电弧炉氧燃烧嘴技术是向熔池强化供热的一项技术，提高生产率1 5 ，降低 冶炼电耗1 0 ，采用氧燃烧嘴提供辅助能源，更重要的是加热冷区，从而达到节 能增效的结果。西欧、日本，北关几乎所有的电弧炉都采用氧燃烧嘴进行强化冶 炼1 8 】，国内氧煤烧嘴技术较为成熟，已用于小电炉( 3 0 t 以下) ，而大型电弧炉采 用氧燃烧嘴技术较少f 1 ”。 ( 4 ) 电弧炉电极智能控制技术 电弧炉人工智能电极调节系统的控制原理是模拟人的大脑神经系统，通过记 忆、对比、映射等方式，从被控制系统的输入和输出数据去学习被控对象，记忆 各种运行状态，周期性优化内部控制参数，不断完善其控制；是一种自学习、自 适应、不断优化的控制系统。 ( 5 ) 电炉炼钢余热利用技术 这项技术中主要是废气的余热再利用。其中包括：化学余热再利用，二次燃 烧；物理余热再利用，废钢余热。废钢余热技术主要有：料罐预热法，双壳电炉， 炉料连续预热电炉等口0 1 。 ( 6 ) 改善电弧炉炼钢炉料结构 在生铁价格合适，质量可靠的前提下，适当增加生铁配量，同时加大炉内供 氧强度，可明显得节能增效。有条件的配用热铁水，可提高电弧炉炼钢生产率， 降低电耗。 ( 7 ) 电弧炉炼钢合理供电技术 现代电弧炉炼钢的基本方向是高生产率，低生产成本，产品质量优异而稳定。 在生产过程控制中，合理的电气运行制度，不仅对操作顺行很有必要，而且也有 助于降低电耗，电极损耗和耐火材料侵蚀，缩短冶炼周期。 2 0 世纪7 0 年代中后期，电炉炼钢采用高功率、大电流、短电弧操作方式。因 而功率因数较低，特别是在最大电弧功率处工作，功率因数仅为o 7 2 左右i 2 ”。因 为短而粗的电弧，对炉衬热辐射减少，减轻了因提高功率对炉衬耐火材料的强烈 腐蚀，也提高了热效率；同时由于电弧电流的加大，对钢渣的搅拌加强，强化了 熔池的传热；此外，大电流短电弧稳定性高，对电网的冲击小。 但上述低功率因数的运行方式不利于变压器能力的充分利用，且电极消耗很 大。大电流使电损失功率增加；低电压大电流，使电抗百分比x 增加，功率因数 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 降低，使三相电弧功率不平衡严重。 随着水冷炉壁、水冷炉盖，尤其是泡沫渣技术的出现和成功，使“高电压、 低电流、细长电弧、泡沫渣”操作有了可能。这是8 0 年代中期超高功率电弧炉采 用的先进技术，带来了以下优点：( 1 ) 电损失功率降低，电耗减少；( 2 ) 电极消 耗减少；( 3 ) 三相电弧功率平衡改善；( 4 ) 功率因数提高。在这个时期，电炉容 量进一步加大，电炉变压器的容量达到了1 0 0 m v a 左右，功率水平已经超过了 8 0 0 k v a 2 2 t 。在电炉电气运行特点方面出现了高阻抗和变阻抗技术；由于神经网络 技术的成功应用，使电弧炉的电气运行采用“更高电压、更小电流、更长电弧” 的操作制度。原料条件的改善，薄板坯连铸连轧技术的出现使得电炉钢向管材、 板带等纯净钢领域进展 2 3 , 2 4 1 。 1 2 电弧炉短网简介 在电弧炉炼钢过程中，必须往炉中输送数千安直至数万安的强大电流，电流 是靠短网输送的。短网也成大电流线路，系指从电炉变压器低压出线端到电极( 包 括电极) 之间的各种形式导体的总和，电流经短网送入炉内，产生电弧，将电能 转变成热能，把炉料熔化。 早期短网主要包括矩形铜母线排，挠性电缆，水冷铜管，石墨电极等部件。 而现代电弧炉短网主要包括的部件有：水冷铜管，大截面水冷电缆，导电横臂， 石墨电极。图1 1 所示的是现代电弧炉短网的结构布置。 图1 1 电弧炉短阿结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo f e l e c w i ca r cf u r n a r l c cs h o r tn e t 电弧炉短网的特点是： ( 1 ) 电流大。强大的电流在短网导体中产生较大的集肤效应，邻近效应，在 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 导体周围形成强大的电磁场，而且在熔化期，有频繁的运行短路电流产生，导体 之间产生很大的电动力。 ( 2 ) 长度短。由于流经短网导体的电流非常大，因而短网的损耗也很大，因 此必须尽量缩短短网的长度，降低短网损耗。 ( 3 ) 结构复杂。短网的各段的布置和结构较为复杂，具有多种形式，应该针 对具体情况，选择合理的结构形式，降低电阻和电抗。 ( 4 ) 工作环境恶劣。短网周围温度很高，导电尘埃很多，电炉系统振动很大， 这就要求短网系统具有较高的工作可靠性。 1 3 本课题研究的目的和内容 由于现代超高功率电弧炉的发展以及供电技术和操作方式的发展变化，短网 结构更加复杂，三相电弧功率平衡要求更高，导体相互之间电磁感应作用强烈， 导体受集肤效应和邻近效应影响很大。如果短网的设计不合理，会造成较为严重 的功率损失，功率转移现象，造成炉内温度不均衡，使钢液局部过热，炉衬出现 热区，降低炉衬寿命，影响炼钢生产。短网合理的设计与优化能帮助我们分析和 比较不同的短网结构，在其中选择最佳的结构，使其满足三相电弧功率平擞的要 求，还能帮助我们预先了解和估计所设计电炉设备的电气参数。 在以往的短网设计和短网电参数计算中，关于导体集肤效应和邻近效应系数 计算通常是对应不同的情况取经验值，或者是查表得出，表中只给出非常有限的 查找范围，因此得出的结果误差较大。另外对于现代电弧炉普遍采用的铜钢覆合 导电横臂结构具有铜覆合层与矩形钢结构组成的复杂截面，阻抗计算较为困难。 根据上面的情况，结合短网的整体设计计算，本文力图对以下几个问题进行 探讨： ( 1 ) 短网导体导体截面的计算选择， ( 2 ) 短网导体间的相互感应计算， ( 3 ) 短网实心圆导体的集肤效应与临近效应计算， ( 4 ) 短网空心圆管导体的集肤效应与临近效应计算， ( 5 ) 铜钢覆合导电横臂的阻抗计算等等， 本课题拟采用具体解析计算公式计算来代替查表法计算导体的集肤和邻近效 应系数，鉴于铜钢覆合导电横臂中电流大部分流经铜覆合层，本课题将只考虑铜 覆合层的电参数计算，忽略钢结构部分，得到近似解析计算公式。通过对以上问 题的探讨并结合其它有关的计算公式，最终形成对短网的参数的整体计算方法， 能够利用它对短网工程实例进行计算，对其参数进行分析，利用分析结果对短网 结构进行调整，使其尽量满足三相电弧功率平衡的要求。 4 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 第二章文献综述 短网结构复杂，形式多样，包括不同的连接线路方式和空间布置方式，因而 具有不同的电参数，三相电弧功率不平衡度也有差异，直接表现在电弧炉功率转 移现象上。由于早期和现代电弧炉工艺条件等因索的不同，短网的结构设计也发 生一系列变化。下面就分别对短网的几个方面加以阐述。 2 1 短网的连接线路的形式 电炉变压器的低压线圈皆采用三角形连接。采用该种连接的原因是：当两相 电极同炉料发生短路时，短路电流将分配在所有的三相线圈上。同星形接线相比， 可以减少线圈所承受的机械力，可以降低它的发热程度。另外还可以减少铜的消 耗量。 广 i i l l l - 圈2 1 短网连接线路图 f i g 2 1t h ec u r r e n tc o n n e c t i n gs c h e m a t i ci l l u s t r a t i o nf o rs h o r tn e t a ) 在变压器低压出线端接成三角形b ) 在铜排末端接成三角形 c ) 在挠性电缆末端接成三角形d ) 在电极夹头上接成三角形 1 一电炉变压器2 一硬铜母线排3 、5 嗤头4 _ 挠性电缆6 _ 水冷铜管7 _ 电极 一般电炉变压器低压线圈在变压器低压出线端接成三角形，如图2 1 a ) 。但是 早期u h p 电炉采用“低电压、大电流”的供电方法，使功率因数降低，电抗百分 比增加，为了有效地降低电抗，通常电炉变压器的低压线圈在箱内没有封死，而 是每相线圈的头和尾部接至出线端，根据电炉需要，在短网适当的地方将变压器 低压线圈封口，即接成三角形的顶点汇合点。电炉变压器低压线圈在短网上的封 5 东北大学硕士学位论文第二辛文献综述 口点一般有一下三种方案： ( 1 ) 在铜排母线末端接成三角形，如图2 i b ) ； ( 2 ) 在可挠性电缆末端接成三角形，如图2l c ) ； ( 3 ) 在电极上接成三角形，如图2 1 d ) 。 以上几种接法除了a ) 之外，在其余连接线路的变压器相电路中，不仅包括变 压器的低压线圈，而且还不同程度地接有硬铜捧、挠性电缆和水冷铜管。这种连 接线路可使流过相反方向相电流的短网导体互相靠近，组成所谓“双线制”短网 接线，实现磁通补偿，结果可使短网导体的感抗减少很多。因此，在选择短网联 接线路时，应考虑下面几条原则： ( 1 ) 变压器低压线圈连接点越往电极方向移动，即越往后移动，载有相反方 向相电流的短网导体越长，磁通补偿效果越好，可使每相的有效电感越小。有利 于减少短网导体的电抗。 ( 2 ) 三角形连接点越往后移，导体根数越多，铜的消耗量越多，短网占据空 间的位置也越大，电极横臂的重量也相应增加，这不仅给短网的结构设计和制造 工艺带来困难，还给炉子的维修保养增添了麻烦。 由于短网设计已不再尽量减少短网系统的电抗值。有一定的电抗值能使整个 电炉回路保证电弧的稳定连续燃烧，保证电炉装置具有满意的功率因数，能将短 路电流限制在允许的范围之内，以保护主电路中的各类电气设备，还能保证电炉 在有利的电力规范下运行，以充分发挥变压器的能力。因此电炉变压器低压线圈 还是应该在变压器低压出线端接成三角形f 2 ”。 6 东j b 大学硕士学位论文第二章文献综述 2 2 短网的空间布置形式 短网电参数不仅取决于连接线路的选择，而且还与短网导体的空间布置方式 及其几何尺寸有很大关系。电炉设备的配置应尽量缩短电炉变压器与所连接电炉 的距离，减少短网长度，以降低电能损耗。在三角形连接点之后，流过线电流的 短网导体空间配置形式如图2 2 。 瞬2 2 短网导体空闻结构示意图 f i g 2 2s c h e m = ：i ci l l u s t r a t i o no f s t r u c t u r es e t t l e m e mo fs h o r t n e t a ) 普通平面布置b ) 修正平面布置c )正三角形布置d ) 修正三角形布置 s a 、s ”s c 一自几何均距d a b 、d b c 、d a c _ 互几何均距 ( 1 ) 普通平面布置 两侧边相导体相对于中相导体来说为对称布置，各相导体的数量及布置形式 完全相同。( 见图2 2 一a ) s a = s b = s c ：d a b = d b c = d a c 2 各相导体的惯量中心在空间位于同一平面。结构简单，设计容易。但三相阻 抗严重不平衡，因而导致各相负荷分布不均匀。 ( 2 ) 修正平面布置 由于普通平面布置的三相电抗差别太大，必然导致炉内三相电弧功率分配的 严重不平衡，因此应当设法使三相导体的电抗趋于一致。如果我们将中间相导体 的直径取得比外侧相导体的直径小一些，将中间相各并联导体的距离加以缩小， 而外侧相各并联导体之间的距离加以扩大，则构成了“修正平面布置”方式。 其布置特征是：边相导体相对于中相导体为对称布置，各相导体的惯性中心 在空间上位于同一水平面内。中相导体的数量及间距减少：边相导体的数量及问 距增大。( 见图2 2 - b ) s a = s c s b ；p a b = d b c = d a c 2 , d 2 = d 1 4 其结构简单，可实现三相电抗平衡。 7 辔鑫 东北大学硕士学位论丈 第二章文献综述 ( 3 ) 正三角形布置 三相导体在空间位于等边三角形的三个顶点上，布置完全对称，各相导体的 数量及间距、几何位置完全相同，因而三相导体的电抗完全相等。( 见图22 一c ) s a = s b = s c ：d a b = i ) b c = d a c 其缺点是：提高中相导体高度会受到厂房高度的限制。另外，为了便于安装 挠性电缆，需要加大变压器到电炉之间的距离，当车间作业面积受到限制时，该 方案也不易实现。但只要中相导体位于等边三角形中垂线的中点以上，三角形布 布置就有平衡化作用【2 6 】。 ( 4 ) 修正三角形布置 其特点是：三相导体的惯量中心在空间位于一个两锐角三角形的三个顶点上， 各相导体的数量相同，中相导体的间距缩小，边相导体的间距加大。( 见图2 2 - d ) s a = s c s b ；d a b = d b c d a c 其结构紧凑，能实现三相电抗平衡。 2 3 短网与电弧炉的功率转移现象的关系 在三相电弧炉中，电极的工作条件是不相同的。边相的鼹根电极工作也不一 致，其中有一根电极所形成的电弧很快地在炉料中熔成井，而另一根电极的电弧 却缓慢地在炉料中熔成井，在炉内发生严重的温度不均衡现象，使得一根电极下 部的钢液在精炼时期过热，并损坏炉顶和炉墙。尽管电源电压和电流大小在所有 三相中相等，但上述现象仍然发生。这表明，在同样的负荷电流下，每相的相阻 抗是不相同的。 感抗数值不同是由于短网导体的结构和配置造成的。如果三相的配置不是对 称于一条中心轴线，而是在同一水平面内，则中间相距两个边缘相有相同的距离d 。 而两个边缘相相互距离则是2 d 。这样配置的短网母线就引起各相之间具有不同的 电感。 自磁通在本相短网母线中感应出电动势，与此同时，此磁通还在邻近的相内 感应出电动势。每一感应电动势均落后于本身电流9 0 。当中间b 相同其他两相 距离相同时，中间相的合成电动势低于由自磁通感生的电动势，并且在相位上落 后于自磁通感生的电动势。 a 相中的固有磁通感应出落后于该相电流9 0 。的电动势。其他两相也在a 相 中感生电动势；由于a 相与b 相和a 相与c 相之间的距离不相等，b 相对a 相的 影响较大，并且在a 相中感应出合成电动势，其方向使a 相电流减小。这就是增 大该相母线电阻的原因。由于a 相母线电阻增大了，在负载电流相同的条件下， a 相功率比其他两相功率就小了。相反，在c 相中，由a 相和b 相作用而产生的 合成电动势使母线电阻减小，因为它与电流同相，因此c 相的功率增加了。该相 8 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 称为“增强相”，而a 相称为“减弱相”。这样一来，a 相功率的减低，使得c 相 获得增加同样大小的功率。 功率从一相转移到另一相的现象，在大容量的炉子上，特别是当炉子工作在 最大电流时表现得最严重，因为功率的转移正比例与电流的平方。 虽然“减弱相”的现象在理论上并没有减少三相电弧发生的总能量，但对电 弧炉炼钢有很大影响 2 7 】。 ( 1 ) 事实上在电弧炉中从“减弱相”熔炼出的金属量的减少比从“增强相” 熔炼出的金属量的增加要多些，所以其结果还是使炉子的生产率降低。 ( 2 ) 增强相增加的功率，加快附近炉衬的磨损，结果造成增加工作的停歇时 间和修理时间。 因此，防止“减弱相”和“增强相”的方法有： ( 1 ) 将三相导体布置在等边三角形的三个顶点上，或采用三相导体双线法。 ( 2 ) 分别调节变压器各相的二次电压，使加到各相的电压分别为不同的数值， 这样就可以提高“减弱相”的电压，并相应地降低“增强相”的电压。 ( 3 ) 按不同的电弧阻抗，各相以不同的电流和电压操作。 2 4 早期u h p 电弧炉短网发展状况 u h p 电炉投入初期，由于输入功率成倍提高，r b 达到8 0 0 1 0 0 0m w v m 2 以上，炉衬热点区损坏严重，炉衬寿命大幅度降低。为此，首先在供电上采用低 电压、大电流的粗短弧供电口8 1 。粗短弧供电的优点：减少电弧对炉衬辐射，保证 炉衬寿命：增加熔池的搅拌与传热；稳定电弧，提高电效率。当时把这种粗短弧 供电叫作“超高功率供电”、“合理供电”。 但这种早期超高功率供电低电压、大电流。存在诸多不足：超高功率、 大电流、电极消耗大力增加，w 极。c 1 2 ；大电流、使电损失功率增加，p r = 3 1 2 r ； 低电压、大电流，使x 增加，c o s 巾降低；低电压、大电流，使三相电弧功率不 平衡严重。 围绕上述不足，许多研究者开展了降低电极消耗与短网改造的研究，并为此 做了大量的工作。 针对早期超高功率供电的不足，对短网进行了大量研究与改造，主要围绕三 个方面： ( 1 ) 降低电阻，减少损失功率，提高输入功率，如增加导体截面，减少长度， 改善接触； ( 2 ) 降低电抗，增加功率因数，提高功率输入，如增加导体截面，减少长度， 合理布线： ( 3 ) 改进短网布线，平衡三相电弧功率，如三相导体采取空间三角形布置或 9 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 h 型布置( 修整平面法) 。 2 5 现代电弧炉短网发展状况 当电炉泡沫渣技术的出现，其炉渣发泡厚度可达3 0 0 5 0 0 m m ，是电弧长度的 2 3 倍以上，电炉可以实现埋弧操作。电炉埋弧操作，可解决两个方面问题：一 方面，埋弧操作真正发挥了水冷炉壁的作用，提高炉体寿命：另一重要方面，埋 弧操作使长弧供电成为可能，即大电压、低电流。它的优越性在于弥补了早期“超 高功率供电”的不足，这带来了以下优点： ( 1 ) 电损失功率降低，电耗减少；( 2 ) 电极消耗减少：( 3 ) 三相电弧功率平 衡改善；( 4 ) 功率因数提高。 大面积水冷炉壁的采用及泡沫渣埋弧操作，使得长弧供电成为可能，长弧供 电有许多优点，但高电压将使短路冲击电流大为增加，也将导致电弧不稳定，输 入功率降低。 为了改善此种状况，采取提高电炉装置的电抗。既便是对于大于2 0 吨的电炉 也要加电抗。提高电炉装置的电抗，即在变压器的一次侧串联一电抗器，使回路 的电抗值提高到原来的两倍左右( 为7 9 m r 2 ) ，使之成为高电抗或高阻抗电弧炉， 这种高阻抗电弧炉更适合长弧供电。 综上，现在电弧炉短网改造的重点是，应设法降低短网电阻以及平衡三相电 抗，而不需要降低( 或刻意降低) 电抗。变压器的二次出线三角型封口在变压器 内实施。 电炉回路的电阻包括变压器电阻与短网电阻，其中短网电阻占9 0 以上，它 对电损失影响很大，如一座7 5 t 6 5 m v a 电炉，工作电流为5 0 k a ，回路的电阻为 0 7 m r 2 ，通电时间4 0 r a i n ，年产钢4 5 万r ，计算电损失能量矿为2 1 0 0 万度电。 当改造使回路的电阻降低5 时，则年节约电能超过1 0 0 万度【2 9 1 。 电炉回路的电阻主要包括短网导体自身电阻与接触电阻。自身电阻与导体长 度，导体截面面积、形状及材质有关。 ( 1 ) 导体长度应越短越好如变压器低压段出线应采取直接出线，即采取 变压器侧出线或抬高变压器，并尽量缩短变压器与变压器室墙的距离；水冷电缆 考虑炉体的倾动、炉盖的旋转，在保证其曲率半径及扭曲的要求情况下应尽量短； 石墨电极的电阻占整个短网4 0 5 0 ，电炉运行时应使电极夹头下的电极尽量 短，即不但设计时要考虑，而且在炼钢节奏允许的情况下，应当每炉或每两炉调 节一次电极。 如3 0 t 2 5 m v a 电炉，4 5 0 m m 电极，工作电流为3 0 趔，每炉通电时间5 5 m i n ， 消耗电极4 k g ( 约1 6 0 r a m ) 。电极夹头下的工作长度每增加1 6 0 m m ，相当于增加电 阻o 0 t 2 玎国，贝增加电耗t k w h t ，年增加1 8 万度i ”】。 】o 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 ( 2 ) 导体截面面积应适当大些为好，应采用经济电流密度，郎较低的电 流密度，虽然设备一次投资增加，但运行成本降低。考虑集肤效应的影响及水冷 却，铜材质的导体其电流密度采用4 5 a m m 2 以下。石墨电极直径选大些，对降低 短网电阻及降低电极消耗均有利。铜一钢导电横臂，尤其是铝合金导电横臂，因其 导电面积大，降低电阻明显p “。 ( 3 ) 导体截面形状因交流电集肤效应的影响，使空心水冷导体的截面利 用率提高，使得导体截面相同时，空心截面导体的电阻低。 电炉短网导体的接触电阻正常时占整个短网1 0 左右，其中石墨电极与电极 夹头的接触电阻占整个接触电阻的9 5 以上，其它部位接触电阻还不到5 。短 网的接触电阻严重时可达到整个短网的2 0 。 对于三相平衡方面，因短网的电阻与电抗比较很小，三相电抗平衡能够反映 电弧功率的平衡，可以通过采取短网的合理布置，使三相电抗平衡，从而实现三 相电弧平衡。短网的合理布置的方法有三角型法、h 型法( 修正平面法) 及中相 补偿器法等。其中三角型法或h 型法无论在短网的某一部分实旌均有效果，且实 施的越多效果越佳，如整个短网均采用三角型法时，可使三相电抗不平衡达到5 以下。 由于早期小型电弧炉采用的短网平面布置会造成严重的功率转移现象，现 在短网大都采用空间三角形布置。导电横臂水冷铜管的形式逐渐被铜钢覆合臂代 替，可以更加适应高温、电磁力振动及感应加热的苛刻环境。近几年在日本又逐 渐普及铝导电横臂，其重量减轻，控制响应性提高，固有振动频率提高，振动减 轻，电弧稳定性增强，通电截面积增大，减少电阻，增大有效输入功率 2 6 短网电参数的确定 短网的电参数包括短网导体的电阻、电抗以及电抗不平衡系数。为了保证短 网设计中，电参数合乎要求，除了计算得出结果，一般还需要物理模拟和短路试 验来验证。 物理模拟法是制作短网的物理模拟模型，要求模型和实物之间对应变量之比 保持不变。根据模型测得的数据，可以推算得到短网的电参数。 短路试验法是将三个电极的端部插入金属液中，此时得到的正弦波形电流完 全取决于电炉设备的电阻和电抗值。根据已知的网络电压，相电流及设备消耗的 功率值，就可以利用计算方法确定设备的电气参数。 短路试验通常在熔化末期进行，因为已熔化了的金属能保证同电极可靠的接 触。试验应该在熔炼增碳为o 0 1 - - 0 0 2 而没有危险的钢种条件下进行。一般来说， 在炼钢电弧炉中，电极的电阻为电抗器切除时每相总电阻的3 0 - - 4 0 ：电极的电 抗则为电抗器切除时每相总电抗的2 5 3 5 。所以，在进行试验时应注意使各相 1 】 查些垄堂堑主鲎堡垒查 苎三主查鳖竺堡 电极夹持器以下的电极长度基本相等，而且该长度应当是这台电炉所常用的p “。 试验以前，应该按图23 所示的测量线路接线，电路中接有测量高压边电压的 三块电压表，测量高压边每相电流的三块电流表及测量每相有功功率的三块有功 功率表。测量时，使用准确度为0 5 级的实验室用仪表，使用精密度更高的仪表没 有意义。因为被测回路中的母线接触电阻及电极长度经常发生变化，所以欲求的 设备参数波动值可以和上述仪表误差比拟，甚至更高。 一 y h q - 、。k 2 一，= _ - 、 二兆二 u 二 、一 狐 弋 、 0 眨 vv 弋二，一 ：一 厂、 _ 、 = 二， 厂、 i = f、二、 q 。 j 雄甄u 丫 1 i】 1l l l b 图2 3 短网短路试验测量接线图 f i g 2 3 t h e w i r i n g d i a g r a mo f s h o r t c i r c u i t t e s t o f s h o r t n e t 试验的目的是为了求得大电流线路即短网的电阻、电抗和不平衡系数值。测 量是在电炉变压器的高压边进行，然后折算到低压边，以求得所需数值。实验步 骤是在短路电流估算值算好以后，根据接线图接入测量仪表，该项工作是在前一 炉出钢以后，在补炉和装料期间进行。装料完毕以后，通电进行熔化，在开始送 电时，应将电流表及功率表的电流回路短接，以便使仪表的机械系统在炉内发生 短路时，不致受到强力作用。在熔化末期，当炉料熔化完毕约十分钟以后，开始 升起电极到切断电弧为止，然后断开高压断路器，开始进行短路试验。 1 2 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 首先将运行短路保护继电器的操作回路断开，并断开电流表及功率表电流回 路中的分流开关k l ，合上电压表及功率表电压回路中的开关k 2 。将变压器电压 换接到最低一级电压，接入电抗器，接通高压断路器并查明各相的正常负荷电流， 然后将电极由自动控制转换到手动控制。手动控制一次次下放电极，直至电流不 再增加为止。为确信电极同金属液体可靠地接触，再将三根电极都下放1 0 2 0 m m 。 通常电极浸入钢液深度约为电极直径一半，并加以固定。在仪表指针停止摆 动以后进行读数，应在一声口令之下同时记录个测量仪表的读数。读数记录好以 后，将三根电极自金属液中提起，以切断电弧，断开高压断路器，将变压器电压 转换到熔炼所需要的电压等级上，恢复过电流继电器保护回路及关合电流表及功 率表电流回路的分流开关k 1 ，断开试验用电压表及功率表电压回路的开关k 2 。之 后，按正常的工艺曲线进行熔炼。三相短路试验至少要做两次以上。所有上述操 作都应该做得快而且准确，最后得到用来计算短网参数的原始数据：短路实验时 的有功功率、网络电压、相电流，有这些数据可以确定短网的电阻和电抗。比如， 当电炉变压器的高压边和低压边均为三角形连接，而且线圈绕向及同名端均相同 时，电炉变压器的高压倒和低压侧电路中各对应相的电压、电流相位相同，因此 在高压边进行测量，即可求低压边各对应相的电参数。 1 3 东北大学硕士学位论文第三章短网参敷计算基础分析 第三章短网参数计算基础分析 电弧炉短网由几部分不同导体组成，各段导体截面、长度不同，结构较为复 杂。根据截面可分为实心圆柱、圆管、矩形等。下面就短网导体的截面尺寸选择， 互感计算，集肤与邻近效应系数计算，导电横臂电抗计算等问题进行分析。 3 1 短网导体截面尺寸的选择 为了保证导体的长期安全运行，导体在已知的环境温度t 。和导体允许温度 o ，w 下的允许电流i m ，。，应大于或等于流过导体的最大持续电流k g c ，即 k 。i m ，g c 。母线导体的允许电流，决定于单位长度导体通过该电流时所产生 的功率损耗与该单位长度导体的抉热量q 。的平衡关系，即= q 。由于 = 瑶。嘞，为单位长度导体在允许温度k 。时的交流电阻，所以， b = 悟，式中的单龊黼，的单位是q 砌 根据有关发热和换热公式，可归纳出如下的计算： 导体的功率