电弧炉电极夹持器优化设计

1、电弧炉电极夹持器优化设计1996年第l期沪昌科技55一cf文电弧炉电极夹持器优化设计,一Tf=7f一一'【摘要】通过对电孤炉电极夹持器调研,夹持力,接触电阻,表面状态,工作温度,接触面压力,夹头结构和实际操作碰到现象的分析,达到化化设计新型,高教夹持器的目的,从而适应短流程,高效率,快节奏电炉生产的需要.一一态接掏锻前言近20年来,国内外电炉炼钢产量逐年595亿吨增加1990年的77亿吨,其中,电炉钢占75%.但电炉容量过小不仅生产效率低,技术经济指标差,而且后遭配备为适应发展生产的要求,电炉将向大型化,高功率,超高功率方向发展,从而使台炼时功率电弧炉特点是冶炼功率比普通电炉高12倍,

2、达到700一1000KvAt,并配置相应的先进技术,生产工艺趋于短流程,电弧炉功能转为单纯的废钢熔化炉(一炉钢仅50,80min),还原精炼转至精炼炉进行.这样快节奏的生产,缕电弧炉一真处在负荷饱满的工作状况,这也就意味着电极夹持器的工作级4不断提高,因此必须要有更新型更高教的电搬夹持器方能适应这种要求.1夹持器的使用要求在超高功率,短流程,节奏的电弧炉条畦.冶炼需要和受频繁快速升降和大电流冲击引起的振动,不致折断电极和设备损坏.2)超高功率电炉夹持器要通过几万安培电流,这样大的电流必然会在石墨电极和夹持器二种不同材料的接触处形成接触电阻,并产生功率损耗(该处功率损耗约占整个短网功率消耗的2O

3、%一50%),转变成热量,从而进一步增加电阻值,使之进入恶性循环,加速损坏,所以必须尽可能降低接触电阻值.3)夹持器工作在炉子高温区,受着强烈的热幅射.且流过很大电流,热幅射将严重导致接触电阻的增加和支持器快速氧化.困此,必须有高效率的水冷系统和良好夹持性能.2夹持器的几种结构形式1)按夹紧电极的方式可分为抱紧和顶紧二种.顶紧由弹簧直推或弹簧拉杆式.精炼炉,在上述两种结构的基础上有所改进.它是蝶形弹簧直接抱紧,液压松开式.蝶形弹簧和液压缸安装在横臂尾部,温度较低,相对来说维修调整方便,蝶形弹簧张?561996年第1期中型容量以上的电炉比较合适,对于超高功率电弧炉由于输入炉膛内功率高,导电钢管输

4、送的电流很大,铁梯导体能受到的电磁感应增大,对电极夹头的要求更高.因此对超高功率电弧炉电极夹头都采用水冷式结构,对于大容量超高功率电弧炉电极夹头则用非磁性钢制造.2)国外80年代中期开始由德国FUCHS公司研制新型全导电式电极横臂,该横臂采用铅或铜和钢复合,由横臂直接向炉内送电,既增加输送功率又简化了结构.电极夹头均采用抱紧式结构,后部的材料采用导电率高,机械强度大和抗氧化性强的材料,导电座与横臂体采用可折部有水冷却,不锈钢抱圈为空腔结构,另外为了缩小极心圆直径采用将电极夹头及横装在横臂体内部,采用蝶形弹簧,依靠其张力拉回抱圈而抱紧电极.3电极夹持器的设计保证电极升降时,电极夹头内不能有任何相

5、对滑动,所以必需满足下式:×zINIG1式中:三JNJ夹头作用于电极上正压力的绝对值之和.G引起电极滑动的力,包括电极重量及加速时的惯性力.电极与夹头间的静摩擦系数,一0.15.在电极上升时:G=(G电÷g)×十G电2式中:a提升电极时最大加速度m/d.G电极重量N.广重力加速度m/s.有效夹持力T及夹持力倍率e:T:'INI3e=T/G4对普通功率电炉一般取e=23.目前,夹持器二种形式:一种是抱紧式,一种是顶紧式.见图1和图2.r-图1抱紧式夹持器电极受力图/舞"嚣图2顶紧式夹持器电极受力图由式(2)(3)(4)可求得夹持力JNJ,代入下式(

6、5)可求出作用在抱紧式夹持器沪昌科技的外力:P:墨s1+2seca|+2sec+5seca3再代入式(6),同理可得顶紧式夹持器外力:P:61+seca表1列出部分电炉的电极夹持力.表1国内主要钢厂部分电弧炉电极夹持力"有效夹持力倍率"概念的提出便于不同类型炉座的夹持器夹持力性能进行比较,以便确定其能否正常工作另外,应当括接触电阻等全部影响夹持器工作的因素.导体之间的联接均存在着接触电阻,所以在设计电极夹持器时,必须要考虑夹头与电极间的接触电阻,其接触电阻的大小取决于夹头体的比电阻,表面状态,夹头体和电极之间的接触匿力及接触温度.接触电阻的计算公式:【L】Rjc孟7式中:r

7、_接触电阻值n.e与材料表面状态和温度有关的系数n?N.F.接触表面的压力Pa.m与接触点数和接触方式有关的系数.面接触为1,线接触为0.7,点接触为05(如电极夹持器与电极接触)我们来分析影响c的各种因素,表21996年第1期列出了表面清除了氧化物的各种接触对的e值:从该表中可知青铜夹持器的e值只有钢夹持器的1/4,另外接触电阻和夹头体的电阻有关,表3为常用几种材料的比电阻,导热系数,电阻率,电阻温度系数及强度极限.表2各种接触对的e值×N)铜铜铜锕青铜一石墨钢石墨丧3各种材料物理性能从表中可知普通铁磁性能村料比电阻大,所制成的夹头体感应涡流大,电效率低,所以常用电极夹头都是用青铜

8、或黄铜便宜,但功率损耗上升造成运行费用增加,寿命降低,结果是得不偿失.不论用何种材料,夹头与电极接触表面均需进行良好的加工,否则由于表面不平或有凹坑将会与电极接触面上产生微电上,尽管仔细加工接触面,电流不是经整个面积流过,而是经过许多点流过,这些点的存在与表面的粗糙度有关.试验证明,不同的加工方法其接触电阻值差别极大.一般来说,夹持器导电接触面加工的表面光洁度达到"为好,但更主要的是夹头体铸造质量,固铸造质量差造成凹坑(铸造时的缩孔或夹杂),以及使用过程中不注意维护保养(如要定期吹灰,或用钢丝刷清除夹持器接触面氧化皮)都将会造成夹头寿命降低.对接触表面的基本要求是防止过热,因为温度增

9、高会加速氧化物的形成,当接触表面遭到氧化时接触电阻急剧增高,随着发热和氧化程度进一步扩大,这一恶性循环能够发展到使接触表面烧损.所以我们在设计时应充分考虑到以下几点O000X×××l700O028沪昌科技59可能使接触面充分地加大,夹头和电弧接触联接是在高温下运行的,则必须通水冷却,也有在电极夹头下面设置挡焰板,以减少炉气对夹头的烘烤.2)应当选择接触电阻小的导电材料.3)应在运行过程中保持接触部分上足够的压力.另外有公式:P2=1+a(t2一tJ)8式中:m温度t时的电阻率C*/m-.pl温度t时的电阻率C*/m-m.a电阻温度系数1/(各种材料a不同,如钢为5

10、×10C*/m-nl青铜为×100/m?rilrrl).可知金属本身随着温度升高,电阻值也随着增加.为了使接触面工作正常,要求在接触面上有足够的压力,因为随着接触面上压力的增加,不仅接触面上接触点的数量增加,而且电流从一导体流入另一导体的路触点单位压力.从而使接触电阻值下降.夹持器的接触点单位压力按下列公式计算:Fa=N/S>Fa9S=l×h10式中:Fa接触点单位压力N/.N导电接触面上压力N.s_该接触面面积nl.l接触面弧长rll.h接触面高度rll.Fa许用值.电弧炉接触点压力推荐值为051MPa.目前国内部分电弧炉夹持器接触点单位压力举例如

11、表4.常用电极与电极夹头之间接触电阻见表5.综上所述,接触电阻决定于下列因素:1)接触面上的电阻率.2)接触面上的压力,它随着压力的增加而减少.在着氧化物时接触电阻将增加许多倍.4)接触面的温度,随着导体温度升高而增加.电极对电极夹持器夹头之间的接触电阻不得超过表5所列数值.夹头的结构影响其工作性能,特别是电极接触情况不同于两个导体平面接触,(电极)和内弧(夹持器)接触,造成这种现象主要是由于夹持器加工的内弧尺寸不变(对具体一只使用中的夹持器来说),而被范围为D(电极英制尺寸)×25.4(23)mill,所以一般夹缝夹持器内弧R略大于电极半径,如12电极其夹持内弧为R=153.上述原

12、因造成电极和夹持器在A区域接触不良现象,另外易造成电炉烟尘落入契形缝隙,以至产生微电弧而烧坏夹头.差,所以在实际操作中更避免夹头夹在两考虑电极公差会造成接触不良外,还要考虑以下几个方面:60?1996年第1期注:电流密度按额定电流计算.表5电极与电极夹头之间接触电阻导体图3两平而导体的接触图4电极和夹持器的接触紧式一般不大于120.,抱紧式不大于90,这样既保持电极与夹持器的良好接触,同时拆卸电概方便.沪昌科技61?2)包角水平中心处有一不接触区,如图4A处,形成契形结构,有利于夹紧电极和改善接触情况.3)对提高接触性能来说,增加夹持器高度h要比增加接触包角更合适,有效.叉影响加工精度,所以一

13、般取电极直径112倍,但抱紧式接触块不受上述原因限制,往往取较大值.国外的金属复合电极可使夹头和电极二者间因尺寸公差造成的影响,减小到最小,可使式7e值大大减少,从而达到良好良,显然夹持力越大,接触情况越好.夹持器接触面积是根据流过电流大小性材料夹头与石墨电极接触面间的电流密度取1×石墨电极接触面间电流取6×10'安培/米.4提高夹持力的综合意义41提高夹持器性能适当提高夹持力,即设计时取较高e值,对于提高夹持器的工作性能带来很大好处.增加夹持力有以下优点:接触点数的增加有利于接触面散热,使接触面温度降低.有利于克服电极本身公差带来不良因素.单位接触压力的提高,有利

14、于接触电阻下降.夹持力提高还能使接触电阻下降从而达到减少夹持器的电功损失,节约能源目的.根据公式(7),提高后,R1c下降,功例,如果将值从1.79提高到3.O8的话,Fa由7.27N/上升为15.96N/,则C下降1/3,如工作电流12000A不变,代入式(7),电功率损耗下降了1/3(约34千瓦)"5结束语当今世界电弧炉炼钢仍然向着大型化由于实行改革开放政策,国民经济的建设速度加快,但在这方面还较落后.当前,国内电炉钢厂面临着二个问题,一是改造,小容量电炉因能耗高面l临逐渐淘汰局面,而较大容量电炉则有由普通功率逐渐改造成大吨位高功率交流或直流电炉,我们应如极夹持器在设计时应注意到

15、电炉功率扩大,输送电流随之增大,电炉工作性能变化,夹持器工作环境更趋恶劣等邀些因素,同时意味着设备的工作级另咔提高,对夹持器要求更高.综上所述,电弧炉电极夹持器设计时特别要考虑到下列问题:1)普通功率电炉夹持器在过去设计70,但从表1可知普通功率电炉在实际使用改进后,e值有所上升,达到203.0,在高功率,超高功率电炉中e值达到30以上.2)在普通功率电炉电极夹持器设计时,考虑到电极制造误差及夹持器表面状态等一系列不利因素,在计算接触电阻Rjc时参数m值接点接触0.5计算,接触面单位压力按5001000kN/,电流密度按1×1OA/m2计算,但高功率电炉电极夹持器大大超过上述值,从表

16、4可知达到许用值的2倍以上,单位压力提高大大改善了接触面抱合情况,公式(7)中m值趋于上升,而c值下降,这些参数变化有利于提高夹持器效率,但接触面积相应减?621996年第1期少,一定程度上会造成冷却性能下降,但由于单位压力的提高,抱合有效面积相应有所增加,这正是体现了夹持器的高效,同时在超高功率电炉中都采取了电极喷淋冷却,这样既减少了电极的氧化又降低接触面温度.起到了弥补作用.3)顶紧式夹持器结构形式,随着导电横臂出现和电炉趋于大型化,逐渐被抱紧式替代.抱紧式导电块体积小,重量轻,加工方便,高度不受限制(表5中序11的150t电炉的导电块高度h达到1,lOOm).抱合包角40×2,中问不接触面2().,接触面积达0.6216m2,公式(10)中的h值的提高既达到一定接触面积,又容易和电极抱合.另外夹持器重量轻,使在工况下对减少横臂震动带来好处,这一点对大容量电炉尤为重要.4)随着电炉容量的加大,超高功率供电技术的应用使传输的电流愈来愈大,所以对于大,中型电炉的夹头都应用非磁性关键之一,材料选择不当,不但增加电极夹从普通功率改为高功率后,夹头体材料改进后夹头寿命不但没下降,反而有所提高,由此可见夹头材料的重要性.参考文献1花皑,粱正敏.炼钢电弧炉的电气设备北京:机械工业出敝社,19872东工学院.炼钢机械(5册),1980智能型非调质钢的开发由于非调质钢不经热处理就可