论导电横臂技术发展.doc

论电炉导电臂技术创新

一般来讲电极导电横臂具备有支持大电流导电的机能。以前的电极横臂电极支持机能和导体机能是完全分离的，普遍是将导体部分绝缘地支架在电极横臂上。为满足对电极横臂高性能要求，导体部分的构造特别复杂，而且因为高温、含尘气体、电磁力等产生的振动及感应加热等使用环境极其苛刻，以前的导电铜管结构在可靠性和维修上存在许多问题。除解决这些问题之外，对于大型炉子，还常常要求将电抗的降低作为研究课题。
导电臂1960年在法国已初次使用，然而没有普及。到80年代初，作为正规的导电臂开发了包覆铜的钢板制品。导电臂与以前的铜管母线结构不同，电极横臂中直接流过大电流，使电极支持和导体机能一体化。现在导电臂有包覆铜臂和铝合金臂两种方式，而近来铜管母线几乎已全部由导电臂所取代。
导电臂构造非常简单，二次导体部分特别坚固且可靠性高，还可充分降低电抗。现有炉子的改造中由于导电体电阻和电抗的降低使电弧功率增大，已经取得缩短T-T时间和提高生产率的效果。
铝合金臂由于装置轻，进一步提高了电极升降的速度和控制性能。由于震动衰减可改善电弧的稳定性，又使电弧功率越发增大。这就是本文所要讨论的应该采用铝合金臂替代覆铜钢臂的理由。下面表格表示覆铜钢臂和铝合金臂的比较。

覆铜臂
铝合金臂
备注
质量
重
轻（约为覆铜臂的一半）；
电极控制的响应性提高；电极升降可能高速化

电阻损失

损失小；
电流因为只流过具有充分厚度（20～50mm）的铝臂，电阻损失小
覆铜材因为薄，铜材优越的导电性不能发挥
振动衰减性

高；
铝材在物理性质上，振动衰减性大；
由于电弧稳定，输入功率增加

其他
设备可靠性：机械强度，耐腐蚀性、维修大体相同；阻抗：对大型炉两者都能充分降低
我们现有炉子采用导电臂时，现存有关设备，例如在对炉用变压器容量或负荷冲击控制装置等有制约的情况下，有不能达到预期的增大输入功率和提高了生产率的情况。因而采用导电臂之前必要事先对全系统作效果评价。
下表是总结对电极横臂和炉上二次导体性能的要求，为了方便，分电极支持和二次导体及维修三部分，但相互间有密切的关系。
机能分类
性能要求
备注
电极支持
简单的构造；
不制约电极P.C.D.的形状和大小；
坚固而轻便；
全装置的固有振动频率：ƒ0要充分高；
电极把持机构的构造适当和可靠
---全体及冷却水系统
强的钢度、轻量、短臂、使ƒ0由共振产生的电极折损减少，使电极升降的控制性能提高。
大电流导体
作为大电流导体；
低的电力损失；（R分量）
适当低的电抗；（X分量）
三相平衡力；
导体强度、抗振动性；
防止邻近感应热；
绝缘部位可靠性的提高
对特大型炉，有必要降低Z=R+jX
---对抗电磁力的强度
---防止由导电性粉尘的规程产生的绝缘破坏
维修
设计～制造的可靠性的提高；
要不漏水；
橡胶夹层数的减少；
绝缘部位的最小化；
对付粉尘的可靠性；
各部位耐热性、耐蚀性；
电极扫持器的长寿和容易更换

综合
由于电弧功率的增大，要力求提高生产率和降低各种单耗；
不要因突发事故中断作业；
不要有电极折损等对电极单耗的恶劣影响

以下从构造设计和电气物性两方面加以说明。
（1）构造设计。
1）构造。铝臂是铝合金板焊接的二重箱式梁架，内部用水冷却。两边相的臂大体是直线状，中间相为了平衡阻抗，从中途弯曲，高于两边相配置，结果构成了三相导体的三角形配置。
2）强度。针对作业中的电磁力、倾动时的扭力等要求导电臂有充分的刚度和屈服点。臂的材料使用铝合金中强度特别、焊接性和耐蚀性优良的A1-Mg系合金A5083或A5052。一般对铝有强度弱的印象，然而A1-Mg合金的比强度如表2-14的示比钢强，的以铝导电臂的质量比覆铜钢臂（钢制臂+铜管式母线的情况也大体一样）约轻50%。这相当于全部升降质量减轻10%～15％，减轻了电极升降控制装置的负担，有助于电极升降装置的高速化和控制响应性的提高。
3）电极把持。在铝臂的前端安装着易装卸的电极把持机构，后端设置了水冷电缆连接端子。通过大电流的连接端子部位，在主体铝合金母材上压接铜板或实施银涂层，以维持导电结合部位的可靠性。石墨电极的把持用直动搂抱方式，电极由强力碟形弹簧可靠地把住。打开把持器由油液压缸进行。电极把持机构的主要部分因收藏在导电臂内，不会受到电磁感应加热，而且与热及多粉尘的周围气体隔离。与石墨电极的接触用容易更换的水冷纯铜接触瓦，在的把持力和大的接触面压强将提高接触面的可靠性。
（2）电气特性。
1）电路阻抗。铝臂导体截面面积和自几何均中期大，另外由于能缩小相间距离（包括电极P.C.D的缩小），与以入方式相比可降低阻抗的电阻分量和电抗分量。
在炉用变压器的分接线电压V下最大输入功率Pmax和作业电抗的关系可以Pmax=V2/（2X）求出。这表示为了得到同样的Pmax有必要使V/（2X）为一定值，而且表示在同一分接线电压下由于X的减小输入功率将增大。
另外在同一变压器负荷、同一分接丝电压、同一电弧电流作业条件下采用铝臂，随着功率因数的提高，电路电阻损失将减少。因而对同一变压器负荷，电弧功率Pa将增加，使生产率的提高和各种单耗的降低成为可能。
系统电源容量小情况下，或者炉侧阻抗已经非常低，而且在分接线电压高时，阻抗的降低，将使短路电流和无功功率上升（参照注）。结果最大无功功率波动量预测的负荷冲击水平阍比改造前增大。因为现有炉子多数情况下，整个设备大体上都在允许界限作业，对各个炉子 有必要从综合的观点确定适当的电抗。所谓所有的情况下，应使电抗尽可能降低的观点是不正确的。
注：
短路电流
或 sinфs
（这里sinфs≈0.98～0.99≈1）
短路时无功功率：Qs＝sin2фs
2)振动的衰减性。AC炉的电极、横臂、立柱装置的振动现象可以作为有外力（强制力）的“质量-弹簧-减振器系统）的振动问题模型化。
下表为 A1-Mg系铝合金和钢的比强度

A5083
钢SS41
密度
2.71
7.85
比强度
抗拉27/2.71=9.96kg/mm2
41/7.85=5.22 kg/mm2
屈服11/2.71=4.06 kg/mm2
24/7.85=3.06 kg/mm2
这种情况下运动方程式如下所示：
mü+cù+ku=F（t）
式中 m---系统的质量，kg(电极、立柱、横臂等)；
c---系统减振系数，N·s/m（由弹性体变形的内部摩擦产生的阻力）；
k---系统弹簧常数，N/m（对象为立柱和横臂的弹性变形）；
F---外力（强制力）,N（除周期性的外力之外，还有电极前端短路等大的非周期性外力，主要是后者的问题）；
u，ù，ü---分别为位移，m，速度，m/s，加速度，m/s2。
为了简化问题，分析式中没有外力的自由振动即F（t）=0的情况。
现设（c/2m）t=T而无因次化，研究振动的衰减就着眼于e-T。其结果，基准质量m的情况为T=1，当T=2时振幅衰减为T=1时的36.8%。质量减半即m′=0.85m时，振幅衰减为T=1时的83.8%。这就是说由铝臂产生的轻量化将加速振动的衰减。其结果电弧稳定性将提高。这将使作业电抗减小，有益于输入功率的增大。
另外横梁系统的固有振动频率ƒ0=(Hz) 可由下式给出：
ƒ0=
这个公式表示当质量m减半和表示系统刚度的弹簧常数k倍增时都使固有振动频率ƒ0提高倍，即铝臂将明显提高抗共振的安全性。
振动斩基本方程式的外力当中，有由电极升降控制产生的z方向的和由导电体间电磁力产生的x-y平面上的。以前对于电弧的控制和稳定主要是关心前者，随着电流的增大和导体间距离的接近，近来也已认识到后者的重要性。因为实际作业中这些振动现象是同时发生的，振动的数值解析是极为困难的，从实用性上考虑有必要根据测量时行解析。
3）响应性。铝横臂质量减轻10%～15%，使电极升降装置的GD2减小，电极控制的响应性将提高。
4）电力损失。铝合金的电阻率约为纯铜的3倍。可是铝臂的导体开头和截面积由机械强度来决定，将臂作为导体时，截面积的富裕极大。因而铝臂的电流密度极低，即使考虑集肤效应和邻近效应，实质性电阻损失也比覆铜钢臂小。再者上面公式表示已考虑到三角形配置的三相铝臂的集肤效应和邻近效应的电流分布的例子。大电流导体要注意电流集中在导体的拐角部位和接近于其他相的部位。
导体电阻多数人还倾向于覆铜钢臂小，可那是覆铜板非常厚的情况（例如铜对钢的浸透深度σ≈9.5mm，厚度在15mm以上）。实际炉子为控制臂的质量，覆铜板的厚度为4～6mm。这种情况下相当多的电流就要集中流过高电阻的钢材（σ≈1.8mm）表面。一般情况下，因为铝臂相对σ≈17mm处，铝材极厚达20～50mm，所以实质性电阻损失小。
5）电极P.C.D.。电极P.C.D.对于各种电极直径有适当范围。最近当采用导电臂时有P.C.D.尽可能小为好的思潮，这种看法不正确。
为确定P.C.D.有必要考虑如下诸点：
与导体充电部位的间隔---电绝缘性有关：
防止电极把持器附近飞弧（与最大电压和周围气体有关）；
炉盖电极孔绝缘的可靠性（与最大电压和有无喷水有关）；
防止熔池平民时期在电极前端的渣面上电极间飞弧（与最大电压、周围气体、电极前端的振动有关）。
适当的炉侧电抗：
铝导体因为能从导体开源和尺寸结构充分降低电抗，没有必要进一步缩小P.C.D.降低电抗。
电磁力：
单位长度导体间的电磁力一般由下式求出：
ƒ=
在改造现有炉子时，有必要由二次最大电流和电磁力来检验机构构造的刚度。假若刚度低，则机构系统振动越来越强，就成为发生共振或电极折损或连接器部位松弛的原因。另外电磁力也作用于电弧之间，如果P.C.D.小的话，电弧特性就变得不稳定。
因而电极P.C.D.必须从电极直径、与炉壳内径的平衡、最终高电压、电流、所要求炉子侧的电抗、以及机构系统的刚度、固有振动频率等方面综合地加以考虑。铝臂的情况下，对公称直径500mm的电极通常选约2.5倍的P.C.D.。600mm电极比例多少低一些。
铝臂效果的定量分析。现以炉壳内径5.7m公称70t级的炉子为对象，定量分析一下采用铝臂作业的效果。炉用变压器容量48MV·A，短路总阻抗Zs=（0.58+j3.7），由于采用铝臂阻抗降低为Zs=（0.56+j3.5），现模拟分析对主要作业参数的影响。
由于同一变压器负荷、同一分接线电压、同一电流情况下电抗的降低，作业功率因数提高，输入功率P将增大。表2-15表示采用铝臂前后的输入功率比较。1-短路电流的增大；功率因数的提高-负荷冲击的增大；电流容量没有富裕时；电流的增加没有余地时担心发生问题；2- P.C.D.过小招致由电磁力增大产生的电极振动的增大及电弧的不稳定。
采用铝臂前后的输入功率比较
变压器负荷
输入功率P/MW
采用前
采用后
48MV·A
36MW(cosфs=0.75)
38.4MW(cosфs=0.80)
41.8MW(cosфs=0.87)
43.2MW(cosфs=0.90)
1）通电时间。由于采用铝臂如果平均输入功率从36MW增大为38.4MW，采用前的通电时间表为52min，假定电力单耗一定，52×36/38=4838min，即可缩短3.2min。
2）电力单耗。随着作业时间的缩短，由排放气体、冷却水、炉体放热等产生的热损失当然就减少。这里面直接受时间缩短影响的热损失依据设备大幅度变化。瑞在假定这个热损失为100kW·h，缩短3.2min的通电时间，就可能降低100×3.2/60≈5 (kW·h/t)的电力单耗。这里T-T时间为60min。
3）电极单耗。假定侧面消耗和前端消耗比为60%:40%，由于通电时间缩短3.2min电及单耗降低，相对改造前的单耗2.4kg/t减少2.4×3.2/60×0.6=0.08kg/t。
综合以上结果，采用铝臂的效果可概括如下：
通电时间降低：约3.2min
52-3.2=48.8（min）(△6.8%)
电力单耗降低：约5 kW·h
360-5≈355（kW·h/t) (△1.4%)
电极单耗降低：约0.08kg/t
2.4-0.08=2.32 （kg/t）(△3.2%)
再者由于采用铝臂，与炉上二次导体有关的突发事故所引起的操作中断可比以前大幅度减少。
有关负荷冲击的影响。负荷冲击影响式变形可得到：
△V10=kf
这里kf是负荷冲击常数（但视在功率设为定值）。由于采用铝臂前的功率因数，这时的△V10：（基数为100%）
铝臂采用后的（变为125%）
以上计算表示由于采用铝臂负荷冲击大约增加25%。然而这里考虑的是安全方面，没能考虑由铝臂产生的响应性提高和由振动衰减使电弧稳定性提高效果。因而实际上没有如此增大的负荷冲击，但是预测时通过所积累实绩进行证明还是必要的。假若同一分接线电压、同一电流的作业中负荷冲击变成麻烦问题的时候，就必需逐个采取适当的对策了。
采用铝臂的AC炉，效果因各个炉子而有差异，然而整体性被优化的成果一直在增加，不过也听到发生一些预想不到的各种各样问题的实例：
1）铝臂主体损伤。是由于设计或制作不完备而产生的。要正确地理解使用条件并穿插进设计，而且制作中如能正确进行铝的焊接设计和焊接操作就不会发生问题。
2）绝缘破坏。原因是绝缘处的设计不良以及对导电性粉尘的堆积和浸入考虑不充分。
3）电极折断。电极下滑时的折损占绝大多数。这个对策中除在设计上多加考虑以外，改善下滑操作是有效的，现在大体上已经解决。铝臂刚度的增大被认为是电极下滑时折损的原因之一，然而刚度的提高是有助于电弧稳定的，有必要争取使它们二者兼容起来。今后作为提高电弧控制性能的对策之一，还是力求增大包括升降立柱在内的整个装置的刚度。
从以上的分析和论述不难看出，今后导电横臂向采用铝合金横臂方向的发展是必然的趋势。