普通电弧炉的设计与电极升降控制

普通电弧炉的一般设计与电极升降控制

摘要：

为了提高所熔炼速度和钢水的质量、减少电能及电极的消耗量、保证维持规定的电气工作条件，使设备获得较高的生产率。从电弧炉的一般设计概况，到电弧炉电极的升降控制。系统了解电弧炉中存在的缺点与不足。通过分析，更好的提高电气控制的稳定性，提高电网提高熔炼速度。

关键词：电弧炉、短网电流、电极升降。

目录

一、电弧炉的简介及特点

1.电弧炉简介

2.电弧炉特点

二、电弧炉的一般设计

1.电弧炉组成部分

2.炉体设计

3.变压器设计

4.短网电流的计算

5.电极直径计算

6.电极升降计算

7.其他相关参数

三、电极升降自动控制

1.调节器的组成及工作原理

2.调节器的结构原理

四、小结

五、参考文献

一、电弧炉的简介及特点

1.电弧炉简介

电弧炉是利用电极间电弧产生的热能冶炼金属的一种设备。电弧炉炼钢就是靠电极与炉料之间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金。

现代化炼钢电弧炉均为直接加热、炉底不导电式电炉。该电

炉按直接加热金属的原理工作，电弧发生在每一电极与炉料之间，己熔化的金属则形成负荷的中心点。

2.电弧炉的特点

电弧炉进行冶炼，电弧炉是一个多变量、非线性、大滞后、强藕合、时变、随机干扰较强的系统，使得系统电极位置、电弧长度、电弧电流以及系统功率很难保持最佳工作状态。电极升降调节系统是电弧炉的重要组成部分，其工作性能的好坏直接影响钢的产量、质量和能源消耗。在电弧炉冶炼过程中，三相交流电弧炉的电力负载是不稳定的、不对称的；无功冲击及闪变；产生谐波电流。

电弧炉的整个炼钢过程一般分为熔化期、氧化期、还原期三个时期，由于各个时期所完成的任务不同，因而相应地对冶炼温度和功率的要求也不同。

（熔化期）开始熔化阶段，固体炉料熔化，能量需求最大。

（氧化期）初精炼及加热阶段。

（还原期）精炼期，此阶段输入能量只需平衡热损耗。

在废钢冶炼时电弧炉的工作特性为：

在开始熔化时电弧频繁出现截断和重新燃弧。

全熔化期出现电弧波动，并导致电流急剧变化。

发生塌料导致短路。

电弧炉在熔化期出现的电弧截断及短路现象，只有通过统计学方法进行评价。需注意的是各相不平衡电流、各相断续电流和半波不平衡电流，会导致电网在不同时间和不同相位产生的有功功率和无功功率值发生变化。调制电流使电网电压出现闪变效应，同时产生谐波电流注入电网，使电网电压发生畸变。

电弧炉通过短网、电压变压器、电抗器、断路器和隔离开关接到高压供电网上，短网是指从电弧炉的电极夹持器到电炉变压器的一段三相电路，它是电弧炉电气回路中重要的组成部分之一，短网由很多种不同形状的导线组成，主要包括铜排、软电缆、铜管三部分。短网中通过数千至万安的大电流，因此短网的合理设计对减小电炉设备的功率损失。提高功率因数以及平衡三相功率都起着重要的作用。

电炉变压器是专门用于电炉冶炼的特种变压器。它具有过载能力大、机械强度高等特点。一般具有20%～30%的过载能力（1999年8月6日国家机械工业局发布的JBT 9640-1999 电弧炉变压器行业标准中有详细说明）。它的二次侧输出大电流和低电压，并且由过流保护装置。低压侧配有电压调节装置，以供在不同的熔炼阶段调节电弧炉的输入功率只用。

电炉变压器的原边接成星型、负载接成三角形。负载边接为三角形可以保证当一相电极处于断流状态时，另外两相电极的电流能形成电流回路，提高炼钢的工作效率。现代化的电弧炉都配有高功率的变压器。使用高功率的变压器可以加快固体炉料的熔化时间。

电抗器是同电弧炉变压器串联的电感线圈，以便在发生短路时用来限制短路电流，缓和电弧电流的剧烈变动和保证电弧稳定燃烧。在选择电抗器的感抗值时应使短路电流数值不超过变压器额定电流的2.5～3.5倍，使冲击电流对电弧炉电气设备无危害。

电抗器一般在熔化期和氧化期间投入。在还原期，电弧比较

稳定，可通过电抗器短路开关将电抗器切除。20t以下的电弧炉均附有电抗器（小吨位炉子，一般变压器内部连有电抗器），对于大容量的电弧炉（电炉变压器容量大于9MVA时），由于其短网电抗值较大，一般不再接入电抗器。

高压断路器主要用来频繁的接通和断开电弧炉变压器，另外断路器还能起到保护作用，当电流过大时，断路器会自动与供电电源切断。

一般电炉变压器二次侧均为低电压（几十至几百伏），大电流（几千至几万安）。为保证各个熔炼阶段对电功率的不同需要，变压器二次电压要能在50%~70%的范围内调整，因此都设计成多级可调形式。调整方法有变换、有载调压分接开关等。变压器容量小于10MVA者，可进行无载切换；容量在10MVA以上者，一般应是有载调压方式。也有三相分别设置分接头装置，各相分别进行调整，可以保障炉内三相热能平衡。

与普通电力变压器相比，电炉专用变压器有以下特点：a.有较大的过负荷能力；b.有较高的机械强度。

除此之外，水冷循环体系是电弧炉不可缺少的一部分。随着电弧炉的发展，水冷循环体系日益庞大，存在的安全隐患也随之增加。

抛开水冷循环体系，电弧炉变压器与电极升降调节系统是电弧炉最为重要两个部分。

二、电弧炉的一般设计

1.电弧炉总体由下列几个部分组成：

倾炉机构及其锁紧装置

炉体

炉盖及其提升和旋转机构

电极升降及其传动、导向和配重装置

短网铜排及集束电缆

液压系统、水冷装置

成套电气设备（包括特种变压器）

在这里对炉体、变压器容量、短路电流、电极升降距离及电气控制的设计进行简要说明。

2.电弧炉炉体

电弧炉炉体设计一般从熔炼吨位开始，先由熔炼吨位计算出炉体大小，以下常用公式是：

○1熔池容积V池。根据定义：V池=V液+V渣

V液=T/ρ液

式中T—出钢液量；

ρ液—钢液的密度，取7.0t/m³。

V渣=G渣/ρ液

式中G渣—按氧化期最大渣量计算，钢液量的3%（碱性）；

ρ渣—3~4t/m³，取3t/m³。

○2熔池直径D（渣面直径）和深度H之比D/H。

在计算熔池直径D和深度H之前，首先要确定一个合适的D/H值。在熔池容积一定的条件下，D/H越大，则熔池越浅。熔池容积一定，熔池越浅，熔池表面积越大，即钢、渣界面积越大，