冶金行业电炉设备

冶金学—炼钢篇

电炉炼钢及炉外精炼阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2008年10月29～11月24日沈阳（No3）2/3/20231东北大学/阎立懿主要内容电炉炼钢及其发展电炉炼钢设备及其电热特性电炉炼钢冶炼工艺电炉新技术、新工艺炉外处理中国钢铁与大型电炉现状2/3/20232东北大学/阎立懿电炉大小与分类；电炉大型化及其技术经济指标；电炉的机械结构：机械设备的组成及各部件名称；电炉排烟与除尘：排烟方法与除尘设备种类，及其环境保护上次介绍第二章的部分内容如下：2/3/20233东北大学/阎立懿第二章电炉炼钢设备～主要包括机械结构和电气设备两部分：电炉大小与分类电炉的机械结构电炉排烟与除尘电炉的电气设备电炉电气特性与供电制度2/3/20234东北大学/阎立懿2.4电炉电气设备

电气设备包括“主电路”设备和电控设备。一般电炉炼钢车间的供电系统有两个：一个系统由高压线（高压供电系统）直接供给电炉变压器，然后送到电炉上，这段线路称电炉的“主电路”或叫“主回路”；一个系统由高压线供给工厂变电所，或直接通过变压器送到需要用电的其它低压设备上，这也包括电炉的电控设备，如低压配电柜、低压控制柜（台）及电极升降调节器等。2/3/20235东北大学/阎立懿

2.4.1电炉的主电路

～或叫主回路，电炉主电路的作用是实现电-热转换，完成冶炼过程。主电路见图2-12。2/3/20236东北大学/阎立懿1—高压电缆2—隔离开关3—高压断路器4—电抗器5—电抗器开关6—电压转换开关7—变压器8—短网9—电弧10—钢水图2-12主电路示意图2/3/20237东北大学/阎立懿主电路电器(元件)的组成及其作用：

1）隔离开关用以检修设备时断开高压电源（进线），为一无载刀形开关。

2）高压断路器（开关）为电炉的操作开关。当电流过大时，断路器会自动跳闸切断电源，以保护电源和电器，为一有载开关。高压断路器的种类有油、空气、磁吹、SF6及真空断路器（开关），后者使用广泛。2/3/20238东北大学/阎立懿

3）电抗器纯电阻R电路电压与电流相位相同，合闸后当电源电压由零增加到起弧电压后，气体导电、电弧产生、才有电流通过；当电源电压减少至低于起弧电压后，电流为零、电弧熄灭；然后在负半周重复。因此，纯电阻电路，电弧不能连续燃烧，更谈不到稳定2/3/20239东北大学/阎立懿

R-L（X）电路当回路中串有一定的电抗时，电源电压与电流有一相位角（电流滞后），合闸后电源电压就超过起弧电压，产生电弧、有电流通过；当电源电压减少至低于起弧电压后，与电抗压降合成的电压仍然超过起弧电压，电流不为零、电弧继续燃烧；随着电流的降低至过零时的瞬间，在负半周电源电压又超过起弧电压电弧继续燃烧，从而形成连续稳定电弧。2/3/202310东北大学/阎立懿

电抗器及其作用：串联在变压器一次侧，用来增加电路电抗值，以稳定电弧燃烧及限制短路电流。2/3/202311东北大学/阎立懿

4）电炉变压器电炉变压器是一特种变压器，与一般电力变压器相比，具有以下特点：变压比大，变压级别多，如100t/90MVA超高功率电炉，K＝U1／U2＝35kV/950～500V＝37～70，计19级；二次电流大，数以万计，如100t/90MVA电炉的二次电流为65kA，130t直流电弧炉的二次电流为120kA；过载能力大，可长时间超载20%；机械强度大，冷却条件好。2/3/202312东北大学/阎立懿

5）电炉短网

短网是指从电炉变压器低压侧出线到石墨电极末端为止的二次导体，它包括石墨电极、横臂上的导电铜管（或导电横臂），挠性电缆及硬母线。短网结构参见图2-1。由于这段导线流过的电流特别大，又称大电流导体（大电流线路），而长度与输电电网相比又特别短10～25m，故常称为短网或短线路。短网中因流过的电流很大，故要求水冷。三相短网的布线方式影响三相功率的平衡；短网的阻抗，影响输入功率的大小。2/3/202313东北大学/阎立懿2/3/202314东北大学/阎立懿

6）电极

电炉炼钢用电极要求强度大、电阻低及热膨胀系数小，故常用石墨电极。因制造石墨电极的原料—石油焦价格及加工成本不断上涨，使得电极消耗占炼钢成本提高，一般2～3kg/t(高达40～80元/t钢)，因而降低电极消耗十分重要。采取涂层电极、浸渍电极及水冷电极技术等，均可使电极消耗降低5%～10%。2/3/202315东北大学/阎立懿

7）电弧

电炉是利用电弧产生的高温（其温度高达3000～8000℃）进行熔炼金属的。电弧是气体放电（导电）现象的一种形态。气体放电的形式：按气体放电时产生的光辉亮度不同可分为：无声放电—弱，辉光放电—明亮，电弧放电—炫目三种。电弧产生过程：按直流讨论交流的瞬间。从电炉操作的表面现象看，合闸后，首先使电极与钢铁料做瞬间接触，而后拉开一定距离，电弧便开始燃烧——起弧。2/3/202316东北大学/阎立懿图2-12电弧产生过程示意图2/3/202317东北大学/阎立懿2/3/202318东北大学/阎立懿

电弧产生过程：

实质上（微观），当两极接触时，产生非常大的短路电流，在接触处，由于焦耳热而产生赤热点，于是在阴极将有电子逸出。当两极拉开一定距离后（形成气隙），极间就是一个电场。在电场作用下，电子向阳极加速运动，在运动过程中与气体分子、原子碰撞，使气体发生电离。这些电子与新产生的离子、电子在电场中做定向加速运动的过程，又使另外的气体电离。这样电极间隙中的带电质点数目会突然增加，并快速向两极移动，气体导电形成电弧。电流方向由阳极向阴极。2/3/202319东北大学/阎立懿

由此可见，电弧产生过程大致分四步：短路热电子放出；两极分开形成气隙；电子加速运动气体电离；带电质点定向运动，气体导电，形成电弧。这一过程是在一瞬间完成的，电极与钢料交换极性，电流方向以50次／s改变方向。

502/3/202320东北大学/阎立懿2.4.2电炉电控设备

电炉电控设备包括高、低压控制设备及其相应的台柜以及电极自动调节器等。

（1）高压控制设备高压控制设备主要是对高压供电系统实施监控及计量。在组成高压供电系统的高压柜上装有隔离开关手柄，真空断路器、电抗器及变压器的开关，高压仪表和信号装置等。所计量的主要技术参数有：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。2/3/202321东北大学/阎立懿

（2）低压控制系统及其台柜电炉的低压控制系统由低压开关柜、基础自动化控制系统（含电极自动调节系统）、人机接口相应网络组成。低压开关柜系统主要由低压电源柜、PLC柜及电炉操作台等组成。电炉操作台上安装有控制电极升降的手动、自动开关，炉盖提升旋转、电炉倾动及炉门、出钢口等炉体操作开关，低压仪表和信号装置等。

2/3/202322东北大学/阎立懿

（3）电极自动调节器

电极自动调节系统包括电极升降机构与电极自动调节器，重点后者。电炉对调节器的基本要求：

1）灵敏度高；2）惯性小；3）调整精度高。按电极升降机构驱动方式的不同，电极自动调节器可以分为机电式调节器和液压式调节器两种。后者常用于30~40t以上的中大型电炉。液压式调节器按控制部分的不同有：模拟调节器；微机调节器；

PLC调节器。新上的电炉基本都是采用PLC控制。2/3/202323东北大学/阎立懿2.5电炉电气特性及供电制度电炉的电气特性主要研究某一电压下，电炉的各个电气量值随电弧电流变化的规律性。电气特性是制定供电制度的基础。

2.5.1电炉等值电路为了便于问题分析，将电炉主电路图中的电抗器、变压器与短网等用一定的电阻和电抗来表示。而把每相电弧看成一可变电阻，三个电弧对变压器构成Y形接法的三相负载，中点是金属。经过一定方法处理（折算），可得到电炉三相等值（效）电路图（图2-13a）。假设电压、电流为正弦波形，变压器空载电流等于零；当三相等值电路中三相为对称负载时，即三相电压、电流及电弧电阻相等，可以用单相等值电路（图2-13b）来表示三相等值电路。2/3/202324东北大学/阎立懿图2-13电炉等值电路2/3/202325东北大学/阎立懿图2-14阻抗、电压和功率三角形

由单相等值电路，根据交流电路定律可以作出阻抗、电压和功率三角形如下图2-14。2/3/202326东北大学/阎立懿2.5.2电炉的电气特性

2.5.2.1电炉理论电气特性曲线根据交流电路定律及阻抗、电压和功率三角形可写出表示电路各有关电气量值表达式，见表2-3。由表2-3中（5）～（14）式看出，上述各电气量值，在某一电压下（x、r一定）均为E＝f（Ｉ）。故可将它们表示在同一个坐标系中，横坐标为电流，纵坐标为各电气量值，这样便得到电炉理论电气特性曲线，如图2-15。2/3/202327东北大学/阎立懿2/3/202328东北大学/阎立懿图2-16电炉理论电气特性曲线图2-15电炉理论电气特性曲线252/3/202329东北大学/阎立懿

2.5.2.2特性曲线上几个特殊点的讨论

为了加深对电气特性曲线的认识及为确定供电制度打基础(判断工作电流选择范围)，下面对特性曲线上几个特殊点（或叫用电规范）进行分析、讨论。由图2-15可以看出几个特殊点（从左至右）如下：

1）空载（I=I0=0）这相当电极抬起成“开路”状态，没有电弧产生，此时:

Rarc→∞，I0

＝0，P0＝0

讨论：虽然Uarc=U

，cosφ＝η＝１，但因无任何热量放出，故此规范无任何意义。2/3/202330东北大学/阎立懿

2）电弧功率最大

（I=I1

）

电弧功率是进入炉内的热源，研究此点规范很有意义。由电弧功率与电弧电流表达式（表2-3中的9、4式），有如下函数关系：

Parc=f（I）=f[ψ（Rarc）]

对复合函数求导，并令导数等于零，解得：当电弧电阻Rarc=（r2+x2)1/2=z时，电弧功率有最大值，此时电弧电流与对应最大电弧功率分别为：

2/3/202331东北大学/阎立懿

讨论：①I1对应的电弧功率最大，此点对应的cosφ、η比较理想（＞0.88、0.78）；②当Ｉ工作＞Ｉ1

，Parc减小，同时cosφ、η值降低，因此，工作电流的选择一般Ｉ工作

≤Ｉ1，即Ｉ1

的左侧；③为了提高Parc，可提高Ｉ1

，这可以通过提高变压器的二次电压U2或降低回路的电抗x与电阻r，从而可以使所选工作电流提高。2/3/202332东北大学/阎立懿

3）有功功率最大（I=I2

）

用以上类似的方法求出，即由有功功率与电弧电流表达式（表2-3中的7、4式），有如下函数关系：

Pa=f（I）=f[ψ（Rarc）]

对复合函数求导，并令导数等于零，解得：当Rarc=ｘ-ｒ时，有功功率有最大值，此时电弧电流及对应的最大有功功率分别为：2/3/202333东北大学/阎立懿讨论：

①只有满足Ｒarc=ｘ-ｒ＞０时，即ｘ＞ｒ时，才能出现有功功率最大值；

②有功功率最大时，恰好与无功功率相等；U与I相位差为φ=45°，cosφ=0.707，为一常数；

③比较I2/I1

＞1，即I2＞I1

，I2

总是在I1的右边，而选择I工作时主要考虑I1

。

2/3/202334东北大学/阎立懿

4）短路（I=Id）

这相当石墨电极与金属料接触或插入钢水中，即发生短路，此时，Rarc=０，短路电流为：

讨论：①因为Parc=０，所以Pa=Pr=3I2r，即有功功率全部消耗在装置电阻上，炉内无热量输入；②Parc、η=０，但cosφ≠0；③

Rarc=０，使短路电流很大，Id/In≥2～4，极易损坏电器，故要求短路电流要小、短路时间要短。短路分为送电起弧短路与过程操作短路：

起弧短路短路的目的是要起弧，这要求时间短，即做瞬间短路；

过程操作短路应加以限制，通过提高电路电抗可以限制短路电流，同时使