（控制理论与控制工程专业论文）电弧炉最佳供电曲线的制定与优化.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 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、着重介绍电弧炉供电策略研究的现状和今后的发展趋势。对比 普通功率电弧炉和超高功率电弧的特点，总结出超高功率电弧炉的各项突出优点， 指出超高功率电弧炉在炼钢工业生产中占有越来越重要的地位。以大连金牛特钢 集团4 0 吨超高功率电弧炉为背景，选用髓线拟合的方法，通过采集的电弧炉电气 参数数据的研究，拟合出运行电抗模型。在此基础上，针对大钢电弧炉的特点和 实际情况，根据炉料结构不同，制定出供电曲线。 在分析超高功率电弧炉的两项重要的经济指标：电耗和通电时间的基础上， 建立了以冶炼时间x 电耗最小为目标的混合整数非线性规划供电优化模型。代入运 行电抗模型，就实现了供电电压以及工作电流的优化选取。优化后的结果通过与 其它算法结果的比较，表明优化结果符合生产实际，降低电耗，提高生产效率， 并提高了生产的综合经济效益。 关键词：电弧炉高阻抗供电曲线供电优化运行电抗 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t o d a y , u l t r ah i g hp o w e r ( u h p ) e a ft e c h n o l o g yh a sb e c o m et h em o s ti m p o n a n t i m p r o v e m e n to fe l e c t r i ca r cf u r n a c e ( e a f ) t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec r a f t s ，e q u i p m e n t h i s t o r yo fe l e c t r i ca r cf u r n a c ea n de m p h a s i z e so nt h ep r e s e n ts t a t ea n dp e r s p e c t i v eo f c o n t r o lt e c h n i q u e so fe a fb 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 c o m p a r i n g t h ec o m m o ne a fa n du l t r ah i g hp o w e r ( u h p ) e a f , t h eo u t s t a n d i n gv i r t u e so fu h p e a fa r es h o w n g r o u n do i lt h e4 0 - t o nh i g h - i m p e d a n c eu h pe l e c t r i ca r cf u r n a c c ( e a f ) ( ) fd al i a nj i nn i us t e e ll tc o p ，u s i n gt h em e t h o do ff r a m i n gc u r v e ，t h ep a p e rs t u d i e s o u tt h ew o r kr e a c t a n c em o d e lb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ec o l l e c t e dd a t af r o mt h ee a f e l e c t r i cp a r a m e t e r s w i t ht h i s u n d e r s t a n d i n g ，c o n t r a p o s i n gt h ec h a r a c t e r a n dt h e p r a c t i c a ls i t u a t i o no fe a f , t h r e ed i f f e r e n tp o w e rc u r v e sa r e ：w o r k e do u ta c c o r d i n gt oc h c d i f r c r e n tm a t e r i a ls t r u c t u r e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft w o i m p o r t a n te c o n o m i c f a c t o ri nt h e p r o c e s s o f s t e e l m a k i n gb ye a f ：e l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o na n ds m e l tp e r i o d ，am i x e d i n t e g e r n o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ( m i n l p ) o 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 d ，a i m i n gt om i n i m u m t h ev a l u eo fs m e l tp e r i o dt i m e se l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o n t a k et h ew o r kr e a c t a n c e m o d e li n t ot h em o d e l u s i n gas e r i e sa r i t h m e t i c ，w eg e tt h eo p t i m i z e dw o r kv o l t a g ea n d t h ew o r kc u r r e n t ，c o m p a r i n gt h eo p t i m i z e dr e s u l t st ot h eo t h e rm e t h o d s r e s u l t s ，i t p r o v e st h a tt h eo p t i m i z e dr e s u l t sa l l yt o p r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，r e d u c e t h eu n i t c o n s u m p t i o ni np r a c t i c e ，r a i s et h ep r o d u c ee f f i c i e n c ya n dt h et o t a le c o n o m i cp r o d u c e b e n e f ic s k e y w o r d s ：e l e c t r i ca r cf u r n a c e p o w e r o p t i m i z a t i o n h j g hi m p e d a n c e p o w e rc u r v e w o r kr e a c t a n c e 东北大学硕士学位论文 毒锅 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是在导师的指导l i 完成的。论文巾取得的研究成 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粜，咀 不包括本人为软得其他学位而使剧过的材料。与我一同l 。作的同忐对本研究所做 的任何贞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 李渐 日 期：0 硝2 歼 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围家自关部fj 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文破禽阅和借阅。本人同意东北大学i u 以将学位沦文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意删上交流，请在下方签名：否则视为小i 刊意。) 学位论文作者签名： 签字n 期： 导师签名： 签字几期： i i i 东北大学硕士学位论文 摄进 1 概述 地壳中铁的资源较丰富，约占5 。铁矿石中的铁较容易被还原出来，生产成 本较低。同时，铁和碳与其它元素形成各种合金，能够满足当代机械、建筑、运 输等工业部门要求的性能，因此钢材直是国民经济各行业的重要原材料，钢铁 工业也就成为国民经济的基础工业之。钢铁冶炼方法的每一项改进和革新对国 民经济的增长有着举足轻重的影响作用。 1 1 电弧炉炼钢历史及发展 1 1 1 电弧炉炼钢 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 炉料问放电产生的电弧，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 l l i a i ls 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( i - i e r o u l t ) 在l a p r a z 发明了电弧炉。它发展于阿尔卑斯山 f 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 因人林登堡( 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，其在冶金工业中的地位越来 越重要。 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 东北大擘硕士学位凳文 l 概述 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，在单位时问内输入到电弧妒内的能量要大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。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、氧一燃烧嘴、炉底吹气搅拌、通过电极中心孔吹入气体、偏心 底出诵、导电横臂、采用可编程控翻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。特殊钢厂概念在生产成 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 型特钢厂之顼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( 电压闪交) ，提高生产率藕符合系数。 进入2 l 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迸技术，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，底欢龟弧炉等相继投入生产。每一次技术的革新 都大大提高了电甄炉的生产率，降低了电耗和电援消耗，节省了能源，降低了生 产成本，改善了熔浊韵搅拌性簏和冶金性能。自从2 0 世纪8 0 年代后期d c 炉的出 现，新韵电弧炉技术日新月异，双级妒、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t 7 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。 我国的能源紧缺，尤其是电能，丽电弧炉是一个巨大的耗能用户，许多电炉 钢厂，困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。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，坦克韵装甲板及军舰上的不锈钢板等材料除了 东北大学硕士学位论文 1 概述 电炉外，没有其他方法可以冶炼还有靛多地方，如工业上用的轴承钢，高级变 压器硅钢，高电阻合金，磁性台金，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摸中，这藏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。 电弧炉炼钢在国民经济中起着非常重要的作用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。2 0 多年来， 在世界钢产量的增长中，电弧炉豹增长垅倒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 。电弧炉是利 用电弧的能量来熔炼金属的一种电护，辟乎妒，转炉炼钢相比较具有很多优点： ( 1 ) 能灵活掌握温度。电弧炉中电刘噩温度商达4 0 0 0 以上，远远高于炼钢 所需的温度，因而可以熔化各种高熔点的合垒，通过电弧加热，钢液的温度可达 1 6 0 0 以上。在冶炼过程中通过对屯流和电压的控制，可以灵活掌握冶炼温度， 以满足不同钢种冶炼的需要。 ( 2 ) 热效率高。电弧炉炼钢段有大量高温妒气带走的热损失，因而热效率高， ，。般可达6 0 以上，比平炉炼钢和转炉缘镑前热效率高 ( 3 ) 炉内气氛可以控制。氧气转妒欢入太量氧气是熔炼得以进行的必要条件， 平炉熔炼过程中为了保证燃料( 煤气或重油) 完全燃烧，必须在熔炼室中保持一 定的过剩空气系数，因而在这些炉子中，熔炼自始至终是在不同程度的氧化性气 氛下进行的。在电弧炉中没有可爨气体，根据工艺要求，既可造成炉内的氧化性 气氛，也可造成还原性气氛，这是平炉和转妒无法达到的。因而在电弧炉炼钢过 程中能够大量地去除钢中的磷、蕊、氧和其他杂质，提高钢的质量，合金的回收 率高且稳定，钢的化学成份比较容易控钒冶炼韵钢种也较多。 ( 4 ) 设备简单，工艺流程短。电弧妒的主要设各为变压器和炉体两大部分， 因而基建费用低，投产快。电弧炉以疲铜为原料，不象转炉那样以铁水为原料， 所以不需要一套庞大的炼铁和炼焦系统，因而流程短。 目前，平炉炼钢已经被淘汰了，而在电甄炉炼钢中，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。下面介绍一下电弧炉的炼钢工艺。 1 1 2 电弧炉工艺发展概况 电弧炉炼钢技术的发展大约可以追朔到1 0 0 年前。1 8 9 9 年，赫劳特研制成三 东北走学硕士擘住论文! 撬琏 电炉外，没有其他方法可以冶炼还有报多地方，如工业上用的轴承钢，高级变 压器硅钢，高电阻合金，磁性合垒，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腑要求在不断提高，为了满足这一要求， 必须使金属熔液充分的注满于铸模中，这蔷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。 电弧炉炼钢在国民经济中起着菲常重要韵 # 甩。近百年的炼钢发展史中，炼 钢工业主要经历了平炉炼钢，转炉炼铺和忘弧炉炼钢三个发展阶段。2 0 多年米， 在世界钢产量的增长中，电弧炉豹增长垅倒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，其占垒世界翔产量中比例将超过5 0 。电弧炉是；f 1 j 用电弧的能量来熔炼金属的一种电炉，目平炉，转炉炼钢相比较具有很多优点： ( 1 ) 能灵活掌握温度。电弧炉巾电藕区温度高达4 0 0 0 0 以上，远远高于炼钢 所需的温度，因而可以熔化各种高熔点的合垒，通过电弧加热，钢液的温度可达 1 6 0 09 c 以上。在冶炼过程中通过对电琉和电压的控制，可以灵活掌握冶炼温度， 以满足不同钢种冶炼的需要。 ( 2 ) 热效率高。电弧炉炼钢授有大量高温炉气带走的热损失，因而热效率高， 一般可达6 0 以上，比平炉炼钢和转炉糊的燕效率嘉。 ( 3 ) 炉内气氛可以控制。氧气转妒吹八丈量氧气是熔炼得以进行的必要条件， 平炉熔炼过程中为了保证燃辩( 煤气或重浦) 完全燃烧，必须在熔炼室中保持一 定的过剩空气系数，因而在这些炉子中，熔炼自始至终是在不同程度的氧化性气 氛下进行的。在电弧炉中没有可嚣气体，稷据工艺要求，既可造成炉内的氧化性 气氛，也可造成还原性气氛，这是平炉相转护无法选到的。因而在电弧炉炼钢过 程中能够大量地去除钢中的磷、碱、氧和其他杂质，提高钢韵质量，合金的幽j 收 ：棼惠旦稳定，钢的化学成份比较容易控裱冶炼的铜种也较多。 ( 4 ) 设备简单，工艺流程短。电弧妒的主要设备为变压器和炉体两大部分， 因而基建费用低，投产快。电弧妒以废钢为原料。不象转炉那样以铁水为原料， 所以不需要一套庞大的炼铁和炼焦系统，因而流程短。 目前，平炉炼钢已经被淘汰了，而在电甄炉炼钢中，围绕如何提高炉子的生 产效率，降低电耗，提高劳动生产辜和产品质量等方面，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。下面介绍一下电弧炉的炼钢t 艺。 1 1 2 电弧妒工艺发展概况 电弧炉炼钢技术的发展大约可 ；c 追霸封i 街年前。1 8 9 9 年，赫劳特研制成三 电弧炉炼钢技术的发展大约可l ；l 追鞠到l 年前。1 8 9 9 年，赫劳特研制成三 东北大学硕士学位论文l 概述 相交流电弧炉，成为现代炼钢电弧炉的雏形。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。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。为提高电弧炉炼钢生产率，降低成 本，1 9 6 4 年，在美国冶炼石油工程师协会的电炉会议上，美国碳化物公司施瓦伯 ( w e s c h w a b e ) 和西北钢线材公司罗宾逊( c g r o b i n s o n ) 根据有关的实验结果， 共同提出电弧炉超高功率概念( u l t r ah i 出p o w e r ，简称u r p ) ，并在两台1 3 5 t 的 电弧炉上采用不同的功率水平进行进一步深入的运行试验。随后，瑞典、德国和 日本等国也相继采用了这项技术，并取得了良好的效果。不久就在世界各国推广 开来。超高功率电弧炉结合先进的控制技术，大大提高了电弧炉设备的生产效率， 使其能够以尽可能大的功率进行熔化、升温操作，进一步满足了熔液清洁度和严 格的成分、温度要求。为了克服交流超高功率电弧炉电弧不稳定、三相供电和熔 化不平衡等问题，开始了炼钢直流电弧炉的研究，并于8 0 年代中期投入使用。 9 0 年代初，为进一步完善超高功率电弧炉本身的设备和工艺，还相继出现了 煤氧喷吹工艺、高阻抗电弧炉、c o 二次燃烧技术、连续炼钢技术、竖炉交直流电 孤炉、双炉壳电弧炉。这些工艺主要集中在废钢预热和减轻电弧炉的熔化负担上。 电弧炉炼钢分酸性炉衬和碱性炉衬，由于酸性炉衬电弧炉不能有效的除去磷 和硫，使有害的杂质又回到钢液中，所以适合熔炼异形的铸件用钢，对硫和磷的 含量要求不严格。碱性炉衬电弧炉适宜熔炼高级合金钢。酸性炉与碱性炉相比之 下生产率较高，电能和电极的消耗也相对较低。 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、去气、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。 东北大学硕士学位论文 1 概述 废钢 一口 l i 、 i i r o 补炉 装科 焙化期 氧化翔 除遣还原期出铜 ff 。k j 图1 1 电弧炉炼钢工艺过程 f i g 1 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 电孤炉设备能力，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。 ( 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 保证下一炉钢的正常冶炼。新炉子在冶炼前几炉一般不需要补炉。 ( 2 ) 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j 二升，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。 ( 3 ) 熔化期：从通电开始到炉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 a n 速熔化和节约电能，在熔 化期一般采用吹氧助熔，有条件的也可以采用煤氧助熔。此外，如 。 果电极需要接长则在熔化期进行，更换渣罐、堵出钢口、准备冶炼 用的工具以及其他准备工作都在熔化期进行。 ( 4 ) 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给出的，本文将着重研究电弧炉炼钢中熔化期优化供 电。 一5 东北大学硕士学位论文，掘苎 1 1 3 电弧炉炼钢设各 电弧炉主要由炉体，炉盖，电极以及相应的倾炉机构和电极升降装置等几部分 构成，如图1 2 所示。炉体主要由炉壳，炉壁，炉衬，出钢槽，炉门等几部分组成， 炉壳是由钢板拼焊成的，其上部一般做成双层，中间通水冷却。出钢槽连在炉壳 上，内由耐火材料。炉门一般用水冷却， 上还有窗，窗口是用来观察炉内的情 况，加料和扒渣的。 图1 2 三船电鞭护构造图 f i g 1 2 s t r u c t u r ef i go fe a f 炉壳内砌有炉衬，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，液体金属寝炉渣韵冲刷，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。 电弧炉的炉盖有一个圆环形构架，是用钢板焊接成的，周围用水冷却。炉盖 的中央用耐火材料砌成圆拱形。炉盖上有三个里正三角形对称布置的电极孔，供 进入电弧炉的屯极之用。通入电弧炉豹电流非常大，所以电极应当耐很高的温度， 并且有一定的机械强度。当前炼钢电弧炉上用的是碳素电极或是石墨电极。其中 以石墨电极的性能比较好，所以应用比较广泛。 电弧炉的主要机械设备由炉体、电极夹持器及电极升降装置、炉体倾动装置、 炉盖提升和旋转装黄等组成。 电弧炉在炼钢过程中经常要调节电弧的长度，因此电极通过电极夹持器装在 电极升降装置上。在电弧炉的工作过程中，电授升降受电极自动调节装置的控制。 东北大学硕士学位论文 i 概述 1 1 4 优化炼钢工艺操作及技术 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 采用偏，t l , 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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 吨以上的电弧炉均己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 g t ，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”1 ，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冶炼时间的缩短。 ( 5 ) 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 抗是呵变的，为高阻抗电弧炉的实现奠定了基础。 东北大学硕士学位论文1 概述 1 2 高阻抗电弧炉 1 2 1 高阻抗电弧炉的出现 6 0 年代前，电弧妒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，主要是依靠加大电抗( 几乎成倍) ，而不能采用较高电压，其原因是受 耐火材料炉衬的限割。按当时提出的耐火材料烧损指数概念为： r ，= 只u o d 2( 1 1 ) 月。反映炉壁热点烧损的外加条件，它随电压增加而增加。在炉料基本熔清时，希 望将r 。限于5 0 0 1 椰v r e 2 以下，这就限制了超高功率电弧炉的发展。7 0 年代后期， 出现了电弧炉水冷壁和炉项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极电流的限制，由于集肤效应， 一般优质石墨屯极直径被限于6 0 0 r m 左右，电极电流被限于7 0 8 0 k a 。 但是，随着电甄炉炼钢技术的发展，必将促使大型电弧炉变压器功率增大， 因而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。 图1 3 为电弧炉变压器功率的增大情况。变压器的增大，既然受到电极电流的限 制，就需要提高二次电压，在按需要串入电抗器，这就构成了高阻抗电弧炉。 h l a 图1 3 电弧功率的增大情况 堍h i3 i n c r e a s eo f e a fp o w e r 东北大学硕士学位论丈1 概述 1 2 2 高阻抗电弧炉与普通电弧炉比较 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，再加卜最佳运 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。下面就以1 0 0 吨电弧炉为例对超高功率 高阻抗电弧炉与普通电弧炉的各项指标进行对比”1 。 电弧炉的功率决定了它的生产率。自从电弧炉诞生那天起，人们便开始研究 用什么办法能获得它的最大功率。众所周知，功率正比于电压和电流。开始是借 助于提高电压的方法来提高其功率，但是实际操作中受到了限制，这是由于较长 电弧弧光的辐射，导致炉墙耐火材料很快烧损，因为弧长与弧压成正比。后来一 直是借助加大电流来提高功率，但是其弊端是必须配置巨大截面的二次载流导体 和开发电流的要求。另外，这种技术方案导致增大电阻损耗，增加无功损耗。要 减少这些负面效应，必须研究设计出具有摄小的凰路电阻和电抗的二次载流导体。 与此同时，为了设计和制造效率更高的电弧炉，丽研究出来了影响炉衬耐材侵蚀 指数的数学模型。在7 0 年代，电弧炉的提出对屯炉炼钢做出了很大的贡献，其主 要原理是缩短冶炼时间，大幅度提高生产辜，在世界各地得到了广泛的推广应用。 表1 1 运行参数对比 t a b l e1 1 t h ec o n t r a s to f 粕r kp a r a m e t e r s 参数 普通电氮炉 高阻抗电弧炉 电极直径m m 6 1 f l5 0 8 电极分布圆直径m ml 枷 1 2 0 0 短路阻抗m d3 5 3 7 0 3 回路总阻抗mq5 1 91 4 4 0 变压器额定容量k v a 6 01 0 0 二次最高电压v5 5 8 1 2 0 0 二次额定电流k a6 2 i4 8 1 功率因数 0 诒0 ，8 4 有功功率 i w 蛇18 4 o 电弧功率唧3 6 ，27 89 电弧跃度1 5 0 5 0 0 电效率( )嬲9 4 电抗器容量m v a r 1 6 电抗器电抗值m o2 3 东北大学硕士学位论文，嘏：巷 表1 1 示出了普通超高功率电弧炉( 1 0 0 t ) 的典型运行参数，从中可以看到： 变压器容量和钢液的比功率为6 0 0 k v a t ，功率因数非常低。此外，短路阻抗、弧 睦等数值均较小，导致二次电流过大，因此必须采用大直径的石墨电极。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。 它也有助于以电炉一钢包精炼炉一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i 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 单耗指标普通电弧炉高阻抗电弧炉 电能消耗k w h t 25 2 03 0 0 石墨电极消耗k g 。t 25 0l2 耐火材料消耗k g t 2 耐火砖2 20 5 捣打料1 22 5 从表1 2 中可以看到，普通超高功率电弧炉的电极消耗过高( 由于大电流操作) 和耐火材料消耗过高( 由于缺少水冷炉壁和泡沫渣技术) 。 表1 3 示出1 0 0 t 普通电弧炉、高阻抗电弧炉生产指标对比。在普通电弧炉中， 由于采用短电弧冶炼，使得电极同炉料频繁接触，所以电极折断率非常高，经常 借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，运行电抗非常 高，这也导致降低平均功率，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 k i n d e x 参数普通电弧炉高阻抗电弧炉 熔化时间m i n7 42 8 冶炼时间m i n1 4 44 5 目冶炼炉次炉 1 03 2 目生产量万t0 10 3 2 月生产量万t2 89 2 年生产量万t3 01 0 0 生产率t h 24 21 3 3 。1 0 东北大学硕士学位论文 | 概述 1 3 课题研究的现实意义及内容 1 3 1 课题研究的现实：意义 高阻抗电弧炉采用高电压、低电流、长电弧操作，有着突出的优点，如电弧 燃烧更加稳定、降低电极消耗、减少电网冲击等。高阻抗电弧炉的这种优点已为 越来越多的生产厂家和研究人员所了解并接受，国内也有越来越多的设计荦位和 生产厂家对高阻抗电弧炉表现出浓厚的兴趣。但是对于大型高阻抗电弧炉电气参 数的设计，目前在国际上还没有详细、公开的报道，国内在这方面还是空白。在 高阻抗电弧炉越来越流行的今天，国内的设计单位很迫切地需要形成自己研究、 开发高阻抗电弧炉的能力，以满足生产厂家的需要。 高阻抗电弧炉是国际上九十年代出现的电弧炉供电的进展之，当时国内只 引进的两台，也未对其供电问题进行过系统研究；国际上也未见有关的详尽公开 报道。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模型。高阻抗电弧炉并非 意味着在普通超高功率电弧炉简单地加上一个电抗器，设计的高阻抗电弧炉在实 际运行中因为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，因此研究高阻抗电弧炉的供电技术，如何调整电气参数，如何选择台理工作 点使其运行优化，使很有必要的。本文以大连金牛股份公司4 0 吨电弧炉为研究对 象，以电弧炉供电优化为目标，希望通过本研究，丰富超高功率电弧炉炼钢优化 供电技术的内容。 1 3 2 论文的主要内容 有 本文以大连金牛钢铁有限公司4 0 吨高阻抗电弧炉项目为研究背景，主要工作 1 查阅大量国内外文献的基础上，综述了电弧炉控制技术的发展历程、研究 现状及发展趋势。 2 经过查阅资料、调研，了解了电弧炉的主电路、控制系统和电弧理论，在 电弧炉供电试验中测取数据，建立电抗模型。 3 针对大钢4 0 吨电弧炉的实际情况，提出供电曲线。建立混合整数非线性规 划的优化供电模型，通过计算机软件的编程计算，得出优化供电计算结果， 东北大学硕士学位论丈 l 概述 对已提出的供电曲线进行优化。通过与其它算法结果的比较，表明优化结果 符合生产实际，能够提高生产效率，削酗纠二 1 3 3 课题研究的难点 对高阻抗电弧炉进行供电研究理论难度主要来自高阻抗电弧炉供电系统的特 殊性，图1 4 是常规电弧炉和高阻抗电蔼妒供电系统原理图 p c c战 常规阻抗电弧炉 、= 7 翻暾电弧炉 图i 4 常规电弧炉和高阻抗电弧妒供电系统原理图 6 9 1 4 t h ep o w e rs y s t e ms t r u c t u r eo f c o m m o n f a fa n dh i g hi m p e d a n c ee a f 如上图所示，高阻抗电弧炉的技术特点是在释压变压器和炉前变压器之间串 入一个电抗器，从而改变了电炉电气运行特性，使炉子可以在较小的工作电流下 获得更高的电弧功率，并减轻对电网的冲击，嗣时二次短网的负荷减小、电极消 耗降低、线路损失减少、熔化速率提高，就是九十年代初期交流电弧炉的技术新 进展之一。但提高供电系统的感抗对电弧炉电气运行有较大影响。如何有效的利 用电抗器的优点而避免其缺点成为供电优纯研究工作的中心。 本研究遇到的技术难点主要有： f 1 ) 高阻抗电弧炉技术是最近发展起来的一f _ j 新技术，在国际上关于高阻抗电 弧炉电气运行参数设计的详细、公开的报道不多，对高阻抗电弧炉电气运行特性 研究的资料缺乏。 ( 2 ) 对高阻抗电弧炉实际电气运行参数进行蔫量非常困难，缺乏有关介绍测量 方法和手段的资料。 1 2 - 东北大学硕士学位论文i 勰苎 ( 3 ) 高阻抗电弧炉工作电抗模型没有一个明确的形式。大钢高阻抗电弧炉没自 进行过短炉试验，所以供电电路的短路参数要利用模型求出，这要求模型从短路 到断路电流范围内都有效，这样进一步增加了建立大钢超高功率高阻抗电弧炉电 抗模型的难度。 一1 3 东北大学硕士学位论文 2 咆抓妒电气彳巍分衍 2 电弧炉电气系统分析 2 1 电弧炉电气运行特性 2 1 1 电弧炉电气运行与电弧炉炼钢的关系 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、原粒 、 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，因此 对其进行最佳化的研究意义重大，不但可保障冶炼工艺的顺行、合理充分利于设 备资源，还能提高生产率、节能降耗。超高功率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，不仅操作顺行是必要 的，而且有助于降低屯耗、电极损耗和耐材侵蚀，缩短冶炼周期，带来良好的经 济效果。 5 0 年代，为了提高电弧炉生产率就出现了加大电弧炉变压器的去向。当时 采用提高电压的方法来增加输入功率，即采用“高电压、大功率”的运行制度。 这种在普遍功率电弧炉电气运行特性认识的基础上提出的适当提高工作电压、大 电流、高电弧功率的操作方案，一直持续到超高功率电弧炉的初期阶段，即6 0 年 代。实际上当时炉子容量还不很大，功率级别也不很高，约为4 0 0 k v a t 变压器总 容量在3 0 m v a 左右。这一时期，电弧炉主要生产特殊钢、合金钢，流程为电弧炉 出钢后模铸， 随着炉子供电功率的增大，电弧对炉衬的辐射将是大大增强。为了炼钢操作 顺行，在7 0 年代中后期，曾一度推出高功率、大电流、短电弧操作方式。相应的， 功率因数值较低，特别是在最大电弧功率处工作，功率因数仅为o 7 2 左右。因为 短而粗的电弧，对炉衬热辐射减少，减轻了囡提高功率对炉衬耐材的强烈侵蚀， 也提高了热效率：同时由于电弧电流加大，对钢渣的搅拌加强，强化了熔池| 1 勺传 热：此外，大电流短电弧稳定性高，对电网的冲击小。这一时期，典型的炉子变 压器容量大约在5 0 m v a 左右，功率级别约为5 0 0 k v a t ，典型的流程为：电弧炉一 钢包炉一炼铸一棒线材轧机。 “低电压”和“短电弧”都只是相对于相同的变压器容量而言。实际上，如 果把一台普通功率电弧炉改造成超高功率电弧炉，由于功率大大增加，变压器的 二：次电压和电弧长度都忧原来普通功率电弧炉的大。这种短弧操作法，在美国又 1 4 ， 东北走学硕士学位论文 2 咆须妒电气系巍分衍 称为“滑动功率因数法”。其要点是整个熔炼过程自始自终采用一档相当低的电压 而连续改变电流工作点。若用平衡的回路特性理论来描述工作点的“滑动”，那就 是功率因数先由电弧功率最大点( o 7 2 0 7 5 ) 逐渐平缓地过渡到有功功率最大点 ( 0 7 0 7 ) ，再减少到o 6 8 。这种情况适应于美国的条件：废钢行业发达，可保证入 炉废钢块度小且均匀。这种方法的难点是判断何时由相对长弧改为短弧。 然而，上述低功率因数的运行方式不利于变压器能力的充分作用，且电极消 耗大。随着水冷炉臂、水冷炉盖、泡沫渣技术的出现和成功，使“高电压、低电 流、长电弧”操作有了可能。在这个时期，炉子容量进一步大型化，功率级别又 有所提高，炉子变压器容量达到了7 0 m v a 左右，电弧炉钢进入扁平材、管材市场。 其运行特点是高功率因数操作，使变压器的能力较充分地发挥。 到了9 0 年代，随着对电弧炉认识的不断深刻以及电弧炉炉型和工艺流程出现 的新变化，电弧炉的容量进一步加大，炉子变难器容量达到了1 0 0 m v a 左右，功 率级别已超过8 0 0 k v a t 。在炉子电气运行特点方面出现了高阻抗和变阻抗技术； 另外由于神经网络技术的成功应用，使电弧炉韵屯气运行工作点的识别和控制有 了很大的改善。这一时期的电弧炉电气运行采用“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是的电弧炉钢向 管材、板带等纯净钢领域进展。因而有电弧炉钢将不断增长，并将超过转炉钢的 说法。 电弧炉炼钢技术进步与电弧炉电气运行是相辅相成的：一方面随着对超高功 率炼钢电弧炉电气运行特征、特点、本质等认识韵不断深入，开发了许多新技术、 漫备及相关操作工艺，如直流电弧炉、导电电极壁、高阻抗电弧炉、智能电弧炉、 水冷电缆、水冷中空，浸渍镀层电极等等；另一方面它也保障了超高功率电弧炉炼 钢其它配套技术开发和应用，如海绵铁等废钢代用品的使用、泡沫渣操作、替代 能源的利用等等。 以上主要综述电弧炉的电气运行特性与电弧炉炼钢工艺的关系。随着电弧炉 炼钢技术的不断发展，直流电弧炉及商阻抗电弧炉正发挥着重大的作用。可以既， 电弧炉炼钢技术发展过程中的每一项技术进步都使钢铁工业有一个质的飞跃。 2 1 2 电弧炉电气运行与电弧炉配套技术的关系 冶炼一炉钢首先要确定多少能量，以电能为主要能源的电弧炉炼钢首先要保 证安全、确定的提供电能。电弧炉是巨大的电能用户，一台三相电弧炉变压器的 容量可达几十兆伏安，且所需功率数值在炉子工作期间急剧地大幅度地波动。这 1 5 东北大学硕士学位论文2 雹韶( 妒咆气亲豌分衍 就有一个怎样提供电能的电气运行问题。在制定工艺制度时，要考虑变压器容量、 变压器的利用系数、对电