12-电炉电气设备及特性-3.

冶金学之炼钢篇阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2011年5月3日～6月30日/1#教学楼301（No12-）2020/1/15东北大学/阎立懿2主要内容第一章炼钢概述第二章炼钢基础理论第三章炼钢原材料第四章转炉炼钢法第五章电炉炼钢法2020/1/15东北大学/阎立懿3第五章电炉炼钢法之电炉设备电炉设备的大小与分类；电炉的机械结构：机械设备的组成及各部件名称，以及结构特点；电炉排烟与除尘：烟尘危害及限制，排烟方法与除尘设备种类，以及布袋除尘的工作原理。2020/1/15东北大学/阎立懿45.2电炉设备及其电热特性5.2.2电炉炼钢设备5.2.2.4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（高压电源）直接供给电炉变压器等高压设备，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（或主操作台），以及电极升降调节器等。2020/1/15东北大学/阎立懿5（1）电炉的主电路主电路或叫主回路，其作用是实现电-热转换，完成冶炼过程。主电路图：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2020/1/15东北大学/阎立懿6主电路电器(元件)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。种类有油、空气、磁吹、SF6及真空断路器，后者使用广泛。3）电抗器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。22xrUId2020/1/15东北大学/阎立懿74）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10％～20％，如100t/90MVA电炉最大电流可达到78kA；机械强度大，冷却条件好。2020/1/15东北大学/阎立懿85）电炉短网电炉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，它包括电极、导电横臂、挠性电缆及硬母线，见图5.16、5.17。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。2020/1/15东北大学/阎立懿9图5.16电炉短网结构示意图2020/1/15东北大学/阎立懿10图5.17短网结构示意图2020/1/15东北大学/阎立懿116）电极电炉炼钢用电极要求强度大、电阻低及热膨胀系数小，故采用石墨电极。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60～100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%，其中水冷喷淋电极效果好、使用广泛。2020/1/15东北大学/阎立懿127）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见电路图5.18。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。2020/1/15东北大学/阎立懿13电弧产生过程：当两极接触时产生非常大的短路电流，在接触处，因焦耳热而产生赤热点，于是在阴极将有电子逸出。——两极接触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。——两极分开形成电场在电场作用下，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。——电子加速运动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。——带电质点定向运动，形成电弧电流方向由阳极向阴极，这一过程是在一瞬间完成的，电极与金属料交换极性，电流以50次／s改变方向。2020/1/15东北大学/阎立懿14图5.18电弧产生过程示意图2020/1/15东北大学/阎立懿15（2）电炉电控设备电控设备：高、低压供电设备，控制柜，以及电极自动调节器等。1）高压供电设备基本功能是接通或断开主回路，以及对主回路进行必要的保护及计量。主要由隔离开关、真空断路器等组成，在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。2）低压供电设备由低压开关柜、含电极自动调节系统组成。低压开关柜系统主要由低压配电柜、PLC柜及主操作台等组成。电炉操作台上安装有真空断路器分合闸开关，变压器、电抗器的调压开关，电极升降的手动、自动开关，炉盖升转、炉体倾动及炉门、出钢口等炉体操作开关，低压仪表和信号装置等。2020/1/15东北大学/阎立懿163）电极自动调节系统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。电炉对电极调节器的基本要求：a）灵敏度高；b）惯性小；c）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。2020/1/15东北大学/阎立懿175.2.2.5电炉电气特性及供电制度电气特性：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。——电气特性是制定电炉供电制度的基础。（1）电炉等值电路为便于问题分析，将主电路图中的电抗器、变压器与短网用一定的电阻和电抗来表示，把每相电弧看成一可变电阻，中点是金属。再经过一定方法处理（折算），便可得到三相等值（效）电路图（图5.19a）。如电压、电流为正弦波形，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5.19b）来表示三相等值电路。2020/1/15东北大学/阎立懿18图5.19电炉等值（效）电路2020/1/15东北大学/阎立懿19图5.20阻抗、电压及功率三角形由单相等值电路，根据交流电路定律就可以给出阻抗三角形，并推出电压及功率三角形如下：2020/1/15东北大学/阎立懿20（2）电炉的电气特性根据交流电路定律及阻抗、电压及功率三角形可写出表示电路各有关电气量值表达式，见电气量值表。由表中（5）～（14）式看出，上述各电气量值，在某一电压下（x、r一定）均为电流的函数：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5.21。2020/1/15东北大学/阎立懿21序号参数量纲符号及计算公式备注1相电压V3/2UU2二次电压V2U3总阻抗m22)(xRrZarc4电弧电流kAZUI/5表观功率kVAZIIUS233三相6无功功率kVarxIQ23三相7有功功率kW22)(3IxUIP三相8电损失功率kWarcrPPrIP23三相9电弧功率kWIrIxUIParc223三相10电弧电压VIPUarcarc3/11电效率%PParcE/12功率因素%SP/cos13电弧长度mm40arcarcUL14耐材磨损指数MWV/m222dIURarcE2020/1/15东北大学/阎立懿22图5.21电炉理论电气特性曲线2020/1/15东北大学/阎立懿23为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5.21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，无电弧产生，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。（3）几个特殊点的讨论IrIxUUarc－22)(22)(xRrUIarc2020/1/15东北大学/阎立懿242）电弧功率最大（I=I1）（图5.21）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，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：当电弧电阻等于内电路阻抗时，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：)(233221zrURIParcarc)(2)(22221zrzUxxrrUIzxrRarc222020/1/15东北大学/阎立懿25讨论：——注意电弧功率曲线的特殊性！电流I1对应的电弧功率最大，此点对应的cosφ、η比较理想（＞0.88、0.8）；当所选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在Ｉ1的左侧（Ｉ工作≤Ｉ1）（图5.21）；为了提高Parc，可提高Ｉ1，这可以通过提高变压器的二次电压U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。arcarcRIP21322221)(xxrrUI2020/1/15东北大学/阎立懿263）有功功率最大（I=I2）（图5.21）用以上类似的方法求出，即由有功功率与电弧电流表达式，有如下函数关系：P=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：222xUIQxIP2232020/1/15东北大学/阎立懿27讨论：只有满足Rarc=ｘ-ｒ＞０时，即ｘ＞ｒ时，才能出现有功功率最大值；有功功率最大时，Rarc＋ｒ=ｘ、P=Q，φ=45°，cosφ=0.707，为一常数；比较I2、I1，即I2＞I1，I2总是在I1的右边（图5.21），而选择I工作时主要考虑I1，而不用考虑I2。22221)(xxrrUI222xUI2020/1/15东北大学/阎立懿28这相当电极与金属料接触或插入钢水中，即发生短路，此时Rarc＝０，短路电流为右上：讨论：因为Parc＝０，所以Pa＝Pr＝3I2r（图5.21），即有功功率全部消耗在装置电阻上，炉内无热量输入；Parc＝0、η＝０，但cosφ＞0也没有实际意义；Rarc＝０，使短路电流很大，Id/In≥2～3，极易损坏电器，故要求短路电流要小、短路时间要短。短路分为两种情况：起弧短路目的是要起弧，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。zUxrUId224）短路（I=Id）2020/1/15东北大学/阎立懿295）耐火材料磨损指数（RE）为了表示电弧对耐火材料炉衬的破坏程度，给出耐火材料磨损指数RE……它也电流的函数。将它也放在电气特性曲线中——此时，得名“电热特性曲线”。用前面类似的数学分析方法可求出，当电弧电阻为右式时，耐火材料磨损指数有最大值（图5.21），此时电弧电流及对应的最大耐火材料磨损指数分别如下所示：2232'dRIdUPRarcrearcarcE2/)89(22xrrRarc2222)225.25.1(xxrrUIre2020/1/15东北大学/阎立懿30（4）供电制度的