电炉变压器容量及参数的确定

超高功率电炉变压器容量及其技术参数确定

阎立懿 肖玉光 王立志 李延智 刘一心

（东北大学，沈阳 110004） （长春电炉有限责任公司，长春 130031） 摘 要 本文分析影响变压器额定容量因素与提出提高变压器利用率的措施，以变压器功率利用率为研究对象，给出以废钢作原料的超高功率电炉变压器额定容量确定的表达式，以及变压器二次电压确定方法。结合高阻抗技术，给出超高功率高阻抗电炉电抗容量与变压器技术参数的确定方法，以及确定石墨电极等二次导体截面的思路。并以50吨超高功率高阻抗电炉的设计为例进行说明。

关键词 超高功率 电炉 变压器 高阻抗 冶炼周期

当电炉容量确定后，变压器的容量可参考国内外的电炉样本加以确定。但往往由于用户的条件不同，如原料条件、辅助能源、冶炼品种、冶炼方法、冶炼工艺及工艺流程等不同，使得同容量电炉变压器的容量不尽相同。另外，以废钢作原料的电炉，尤其是超高功率电炉，其变压器必须设恒功率段以满足熔化与快速提温期间不同阶段均能满足大功率供电，即主熔化期或完全埋弧期采用高电压、低电流，又满足快速升温期埋弧不完全或电弧暴露期的低电压、大电流供电。

1 电炉变压器额定容量的确定

1．1 影响变压器容量因素分析

超高功率电炉技术要求不仅变压器额定容量要高，实际投入的功率水平要高，而且变压器利用率要高，工艺及工艺流程要优化，电炉产生的公害要得到有效的抑制[1]。超高功率电炉的功率水平为>700kVA/t ，有的已超过1000 kVA/t 。超高功率电炉要求变压器时间利用率Tu 与功率利用率C 2均大于0.75，把电炉真正作为高速熔器。

时间利用率Tu 与功率利用率C 2分别表示如下[1]：

t

t t t t t t t Tu on =++++=432132 （1） )(3233222t t P t P t P C n +⋅+⋅=

（2） 式中 t ——冶炼周期，h ；t 2、t 3——熔化与精炼通电时间，总通电时间为on t ，h ；t 1、t 4——出钢间隔与热停工时间，非通电时间为off t ，h ；32P P 、——熔化期与精炼期变压器输出的功率，kVA ；n P ——变压器额定容量，kVA 。

分析上式，提高变压器利用率的措施：减少非通电时间，如缩短补炉、装料、

出钢以及过程热停工时间，均能提高时间利用率，缩短冶炼时间，提高生产率；减少低功率的精炼期时间，如缩短或取消还原期，采取炉外精炼，缩短冶炼时间，提高功率利用率，充分发挥变压器的能力；减少通电时间，提高功率水平，提高功率利用率以及降低电耗，均能够缩短冶炼时间，提高生产率。

对于“三位一体”短流程中的超高功率电炉，由于实现全程泡沫渣埋弧操作，极短的精炼期时间（几分钟），以及氧化性钢水出钢。所以允许在冶炼过程的大部分时间采用大功率供电，并且32P P 、相同或近似。将（2）式右边的分子分母同乘以ϕcos ，并加以整理，便得到变压器额定容量表达式：

2

cos 60C t G W P on n ⋅⋅⋅⋅=ϕ ，kVA （3） 式中 on t ——总通电时间，min ；ϕcos ——功率因数，一般为0.8～0.85；C 2——变压器功率利用率；Ｗ——电能单耗，kWh/t ；G ——出钢量，t 。

由（3式）看出当电炉的出钢量与平均功率因数确定后，变压器额定容量仅受电能单耗与通电时间影响。

1．2 电炉的冶炼周期

年产钢量即钢厂每年的产钢能力，是高层决策者根据市场的需求、本企业的能力等确定的。冶炼周期的长短反映生产率的高低，一般来说冶炼周期越短，年产钢量越高，吨钢成本越低。冶炼周期长短取决于冶炼品种、采取的工艺、装备水平及操作人员素质等。对于“三位一体”短流程来说，冶炼周期的长短应满足连铸的要求，以连铸节奏来定，车间应以连铸为中心，努力实现多炉连浇。

目前，限于浇铸系统耐火材料质量（软化点等），热损失导致钢水的温降等，使得单炉钢水合理的浇注时间在≤50～70min 。由于超高功率电炉技术的进步，电炉平均冶炼周期达到50～80min 。当需要采用下限时，这不但要求提高变压器功率，而且要求上辅助能源等缩短冶炼周期的措施。

当连铸周期确定之后，电炉的冶炼周期可以用下式近似求出：

T 电炉=T 连铸—T 准备/n （4）

式中 T 连铸——单炉连铸周期，min ；T 准备——连铸准备时间，一般为40～50min ；n

——连浇炉数。例如：n 设计成10炉，T 准备为50min ，T 连铸为60 min ，电炉的冶炼周

期T 电炉则为65min ；n 为20炉，T 准备为40min ，T 连铸为60 min ，电炉的冶炼周期T 电炉则为62min 。实际上常用LF 炉调整电炉与连铸节奏上的偏差。

1．3 吨钢电耗的确定

对于全废钢、无任何废钢预热的电炉，冶炼周期定为65min 的话，必须考虑采

用超高功率加强化用氧。经计算，变压器时间利用率Tu 按0.8，冶炼周期达到65min 的条件是，装料、出钢、维护及调电极等时间控制在13min 内，使通电时间为52min ，那么吨钢电耗多少？变压器容量选多大合适？

氧化法冶炼低合金钢，采用100%废钢铁，配碳量1.5%与3%炉渣，在电炉中熔化并加热精炼至出钢温度（1630℃）所需要的实际总能耗为615 kWh （按68%的效率计算）。考虑到该炉炉壁烧咀、炉门碳-氧枪强化供氧，计总吹氧量为45 Nm 3，加之石墨电极氧化，合计代替电能为215 kWh 。计算得吨钢实际电耗为400 kWh 。

1．4 变压器额定容量

将（3）式除以出钢量G ，得到功率水平式（5）：

2

cos 60C t W G P on n ⋅⋅⋅=ϕ ，kVA /t （5） 当C 2取0.75，并将其他已知数代入（5）式中，得到功率水平为724 kVA/t 。如公称容量50吨超高功率电炉，平均出钢量G 为55吨，需要变压器额定容量为40000kVA 。

由于变压器额定容量较大，大容量交变电流对电网将造成强大的冲击，为了减少电压闪烁或减少无功动态补偿装置（SVC ）的补偿容量，以及降低电耗及电极消耗等，需要考虑采用高阻抗技术。

2 电炉变压器二次电压的确定

2．1 变压器最高二次电压的确定

电炉变压器最高二次电压与变压器容量成正比，对于普通阻抗电炉变压器最高二次电压的确定见下式：

100%2⋅⋅=X

X P U n （6） 式中 2U ——二次侧线电压，V ； n P ——变压器额定容量，kVA ； X ——电炉回路电抗，m Ω；I ——电弧电流，kA ；X %——电炉回路电抗百分数，对于普通阻抗电炉，为了保证三相电弧的稳定连续燃烧，X %≈45%～50%。

对于本例，容量为40MVA 变压器，回路电抗取3.6 m Ω，计算普通阻抗电炉变压器的最高二次电压约为537～565V 。

另外，还有一估算变压器的最高二次电压的方法：

32n P K U = （7）

式中 K ——系数，K=13～15；15～17，为适应埋弧期操作常采用后者，也是近年发展趋势。当K 取16时，最高二次电压约为547V 。