炼钢电弧炉的圆图分析及应用.doc

河北冶金总第121 期Total 121HEBEI METALLURGY2001 年第1 期200 1 Number 1炼钢电弧炉的圆图分析及应用乔兴武石家庄钢铁公司 总经办 河北 石家庄 050031摘 要 从三相交流电弧炉的功率特性曲线的圆图分析出发 讨论实用圆图在电弧炉的使用运行及改造设计中的应用 从而实现炼钢电弧炉的经济有效运行关键词 电弧炉 功率特性曲线 圆图应用A中图分类号 TF741.5文献标识码文章编号 1006 5008 2001 01 0013 05ROUND DIAGRAM ANALYSIS OF ELECTRIC-ARC FURNACE AND ITSAPPLICATIONQIAO Xing-wu(Chief Economist Office, Shijiazhuang Iron and Steel Company, Hebei, Shijiazhuang, 050031)Abstract: From analysis of round diagram of power characteristic of three-phase AC electric-arc furnace, the application of practical round diagram in the operation and reform design of electric-arc furnace is discussed. On the base of that the economic and efficient operation of the furnace can be realized.Key Words: electric-arc furnace; power characteristic; round diagram三相交流炼钢电弧炉的工作点及运行区域即电弧炉二次电压 工作电流及工作电流在功率特性 曲线上的位置 直接关系到电弧特征 影响废钢的 熔化速度 冶炼时间 冶炼电耗 炉衬寿命等 为 使电弧炉有效而经济地运行 在电弧炉的设计 使 用 改造中需要特别注意电弧炉的工作点及运行区 域正确的选择电弧炉的工作点及运行区域首先 需要搞清楚电弧炉的电气特性回路功率特性 即电弧炉的各电气量二次电压相电抗工作电 流对电弧功率回路功率功率因数电效率 耐材摩损指数等的影响图1 电弧炉的等值电路交流电弧炉的功率特性曲线三相交流炼钢电弧炉的电弧行为总是在极不规 则激烈的变动中 为便于研究 将交流电弧炉电气 回路作为三相平衡的正弦波电路来处理 将电弧视 作线性可变电阻 同时 忽略电炉变压器的空载电 流 这样 无论普通功率电炉 超高功率电炉 还 是高阻抗电弧炉的电气回路都可按电学原理简化成 如图1的等值电路1图中U0相电压与线电压U2 的关系为U0 =U2 /3在一定的二次电压档级下为常数XrI相电抗相电阻 相电流为常数为常数 即回路工作电流或电弧电流上述等值电路中的r与X的数值可运用设计计收稿日期 2001 01 12算方法算出对投入运行的电炉可用短路试验求得r+JX值于是运用电学理论可以进行以下功率特性 计算I1I2 及短路时的cos为定值后面详述32REP =U 2 / ( Xa )F中U2X a为定值REP的大小仅决定于FF在一定的cos下出现2 2 21/2电弧电压三相电弧功率 三相损耗功率 三相无功功率 三相有功功率 视在功率 电效率 功率因数耐材摩损指数A =(U2 / 3 ) -I XPa = 3 IUA- Ir最大值一般cos =0.8660.9为最大值区间因而REP出现最大值点 采用以上公式逐点计算并绘制特性曲线的方法过于繁杂尤其电炉变压器二次侧电压档级很多2PL = 3 I rQ = 3 I 2X2 2 1/2Pc = PA+PL=(S -Q )需进行不同的U2值的计算为此采用作电弧炉的S = 3(U2 / 3 ) I = PA / Pc3 IU2电气圆图的方法应用圆图获取各个电热量值及研究相互关系作圆图方法如下cos= Pc / S32REP = (U 2 / Xa )Fa为电弧距炉衬距离料求得为已知F值由相关资根据以上关系式可求得对于一定U2r X及a下线不同I值所对应的各个电热量值如图2为9MVA电炉的特性曲线图进而作出曲图3 电弧炉圆图交流电弧炉等值电路的电压关系可表示如图3 a的电压三角形并且根据电学原理在图上即为直角(UA +Ur )+UX = U0即直(UA +Ur )径不变UX于是当 I 变化时电压三角形虽然发生变化但其直角顶点B的轨迹始终是在以U0为直径的半圆上即为直径的圆周角由于X是常数将电压三角形各边均除以X则U0并得到以UO / X为直径的半圆而I X/ X=I和 I 的方向均比电压三角形中滞后90o 即 U0 方图2 电弧炉功率特性曲线一般把这种曲线称作电弧炉的功率特性曲线或 电气特性曲线由功率特性曲线图可以得到电弧功向在Y轴上I 方向比U0 滞后由以上原理,当已知U2角如图3bXr时,以U2 / ( 3X)=U0 / X为直径划圆, 则可得到任一电流I下的cos率PA达到最大值时的电流值I1回路功率即有功功2 2 1/2其中短路电流IS = U0 / (r +X )率Pc达到最大时的电流值I2 电弧短路时PA=OPc作出圆图后可从图上直接提到各电气量值及相互关系如图4中以交点E的电流 I 为例在图 上量取OE长度即代表I 的电流值并可得到=PL此时的电流值为短路电流IS同时有功功率Pc 与无功功 率Q的交点出现在有功功率最大值Pc max点上功率因数cos与电流I值有对应关系河北冶金2001年第1期 Pc=3U0Q =3U0S =3U0Pc=PA+PLIcos其中Icos 为图上EF长度其中Isin 为图上OF长度 其中I为图上OE长度而I1是一个定值同时由图中关系可知最大电弧功率出现条件IsinI2 2222 1/2为RA =r + X即RA = (r +X )= Z并由图中关系可计算最大电弧功率PAmax的工作电流I1为22 1/2PA为3U0乘以EG长度PL为3U0乘以GF长度OE与Y轴夹角为I1=U0 /(RA+r) +X22 1/2=U0 /(Z+r) +X1/2可求得cos=U0 /2Z (Z+r)可见圆图法大大简化了繁杂的计算与绘制由上二式最大电弧功率PAmax为1/2 22PAmax=3I 1RA=3 U0 /2Z(Z+r)ZU2 / (Z+r)=U2 /2 (Z+r)=(3/2)有功功率Pc最大022.2由图5可见有功功率Pc最大时有功功率Pc与无功功率Q相等即Pc=Q因此在图1 中Pc与Q相交在Pc最大点上同时由图中关系可知有功功率Pc达最大值的 条件是RA+r =X图4由圆图获取功率特性2功率特性曲线的特征由上述电弧炉功率特性曲线的最明显特征= 45o cos= 2 / 2=0.707最大有功功率Pc max为于是此时Pc max=I1有功功率Pc出现最大值2电弧功率PA出223U0= U0 / 2X3U0=3U / 2X =U / 2X02现最大值3耐材指数REP出现最大值掌握Pc最大有功功率电流值I2REP的相互关系与出现条件对电弧炉的设计PAoI2 = (U0 / 2X ) / cos45 = (U / (2X )20及控制电弧炉经济有效运行具有重要意义= U0 / ( 2 X ) = (U2 / 3 ) / ( 2 X )同时由功率特性曲线还可见1在空载点存在短路点及短由上可见最大有功功率Pcmax与最大有功功率I=0时全部量值均为零路电流IS2时的电流I2是仅仅与二次电压U2电抗x有关的一定值下面运用圆图对功率特性曲线的特征进行分I1与I2的关系由图5可见,OB =2.3析2.12I2/2)同时,I1=OB sin ( /2)电弧功率PA最大于是I1=I2 sin (I2 / I1 = 1 /2如图5作短路电流IS的平行线并与圆相切(2sin ( /2)1/2(1-cos )1/22此时的PA值为最大 其电流为I1由图可见PA最1/2= 1 /大时的=/2cos=cos( /2)= 1 / (1-cosI1= (1-cos1/2) I2因此由圆图分析及计算可知最大电弧功率PAmax的电流小于最大有功功率Pc max的电流,即I1cos 2耐材指数REP最大根据相关资料1 最大耐材指数R 出现条件cos2.4EPmax当 cos在为r/X=ctg2-1 / (3sin2)0.190.35时在cos =0.8660.9之间REP出现最大值REPmaxREPmax时的具体的cos值可由相关资料查表得到同时REPmax时的电流I小于PAmax时的电流I1即图5PA Pc最大时的特征及I1与I2的关系IZ由于cos=r/Z=r/ (r2+X2)1/2 对一台电炉来说Xr是一定值为一定值cos(/2)为定值因在圆图基础上进行改进和实用化得到实用圆图实用圆图不仅不需要繁杂的计算不必绘制功率特性曲线 而且一台电炉只要有一张实用圆图运行点就全部在上面了 运用实用圆图可以求 得任一电压档级下任一电流的运行工作点实用圆 图的获得如下3.1 作功率极坐标如图6纵坐标为有功功率P横坐标为无功 功率Q于是从坐标原点出发的射线的长度如图6中的OB等即表示视在功率S射线与YOB轴的夹角即为功率因数角图7 实用圆图实用圆图的应用电炉炼钢旨在以最快速度最短时间最低的4电耗及电极消耗理想的炉衬寿命完成废钢的熔化及钢液升温可应用实用圆图保证电弧炉在合理的 工作点及区域下运行操作以实现电弧炉的有效而34经济的运行4.1分析电炉运行情况有了电炉的实用圆图后当该电炉在一定的电 压和电流下工作时可以在实用圆图上找到对应的工作点如图7中的M点在实用圆图上可直接得到M点所对应的有功功率Pc无功功率Q视在功图6坐标图3.2 作工作电流坐标由于Q=3I 2 X于是可以将横坐标Q换算成I的坐标如图6换算后I坐标为非线性3.3 作二次电压坐标率S及功率因数cos在最大耐材指数R并由图可知此时电炉运行与最大电弧功率P之间EP maxA max在此电压档级下若减小工作电流I耐材指数REP将增大而有功功率Pc电弧功率PA将减小反之如前述径为U0 / X圆图直径在一定电压U0和电抗X下圆图的直若增加电流I耐材指数REP可降低有功功率Pc及其乘以3U0 即得到用无功功率Q表示的电弧功率PA还可以增加 但电流超过Pc max的电流I2时不仅电弧功率PA继续降低有功功率Pc也开始22Q = 3U0 (U0 / X ) = 3(U2 / 3 ) / X= U 2 / X降低可是在传统的UHP超高功率电炉操作中为获得短电弧大电流及减轻炉壁热点问题等原因此可以在图6坐标系上加进对应于各档级二次电压U2的不同直径的半圆并通过坐标原点O如图7这些圆均与Y轴相切因仍将工作电流选取在II2或I11.2I1使电炉在Pc max附近运行此时虽然电弧功率不再增作PA max REP max的功率因数cos短路功率因数cos固定不变3.4加但增大电流后电极的发热量仍在炉内起作用同时短电弧加热钢液的热效率较高可是如果再继电弧功率达最大值PA max时的cos=/2耐材指数达最大值REP max续增大电流损耗功率PL将急剧增加致使冶炼电时的cos值可由相关资料查图表求得一般cos耗增加这种操作是不能取的4.2 选择适应各种炉况的工作点及运行区域国内的电炉炼钢大多已实现 电弧炉一炉外精 炼 工艺 电炉还原期已大多移到炉外 电炉的主 要任务是熔化废钢及升温 因此 电炉操作的炉况 一般可分为点弧 穿井期 熔化中期 熔清升温 期点弧时由于电极周围废钢尚未被充分加热在0.8660.9之间如图7于是可作出PA max REP max的cos,o有功功率达最大 值PCmax 时的 cos0.707为常数因此无需在图上标注=cos45 =得到上述实用圆图就可以应用实用圆图直接对电炉的运行情况进行分析及选择工作点与运行区 域夫再 河北冶金2001年第1期 电弧很不稳定喷射损伤炉盖同时需要注意避免电弧辐射及气流为能使电极端部迅速插入到废钢表l各电弧形态的加热特点电弧行态工作点传热特点适用电极消耗内此时的工作点需要选在中档级电压U2工作电高电压较小电流 高功率因数 低电压 大电流 低功率因数主要向侧方加热废钢及炉衬长电弧熔化中期小流I要减小到使电弧不再在电极侧面来回跳跃 而只在电极端部下面跳跃的程度此阶段应至电极端 部插入废钢内深度约达到正常电极直径的1.5倍时 为止穿井期以点弧结束到电极端部下降到炉底时为 止穿井期电弧被废钢包围传热条件是很好的 但为了保护炉底避免电极到底时电弧损坏炉底 需要扩大穿井孔径以增大炉底液态熔潭为此应主要向下方加热钢液短电弧熔清升温期大需要指出的是熔清升温期应着力搞好泡沫渣操作 泡沫渣不仅可以减轻炉衬热负荷 并可有效提 高电炉热效率 减少电极消耗 高阻抗电弧炉的应 用正是基于稳定的泡沫渣操作及炉外精炼工艺等相 关条件4.3 设计与改造电炉时选定技术参数在设计与改造电弧炉时根据电炉运行相关条 件如电网容量炉料质量炉衬条件工艺操作特点等 应用实用圆图选定合理的系统电抗 电炉变压器及二次电压档级工作电流等 高阻抗UHP电弧炉就是通过增加系统电抗使电炉在高的二次电压和较低的工作电流下运行 并 能保持电弧稳定 进而实现高电压长电弧 较低电 流操作 达到进一步降低电耗 电极消耗 减少电网的干扰 减轻设备的机械振动等目的选用适当高档级电压U2及适当高的工作电流1获得电弧稳定及增大电磁力引起的电弧摇动以熔化中期电弧完全被废钢包围传热效率极佳同时此期间由于没有对炉衬的影响故应选用最高档级电压U2及合理的工作电流I以最高功率输入促进废钢迅速熔化在国内废钢处理较差块度不一轻重料混装条件下应考虑采用长电弧操作即工作电流I选择在耐材指数REP maxPA max之间偏下的区域运行为宜耐材指数在熔化中前期的实际含义是熔化指数在高电压长电弧REP接近最大的区域运行可有利于获得最大的穿井孔径及最大的熔化区域炉料状况不好采取工作电流I结论15I1I2的