普通电弧炉的设计与电极升降控制.doc

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：
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。
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，有利于钢渣之间的冶金反应，因此，希望D/H大一些。但是D/H太大，则熔池直径和熔炼室直径都增大，于是路壳直径增大，导致D壳太大，炉壳散热面积增大，电耗也增大，所以D/H又不能太大。
如果D/H太小，熔池太深，钢液加热困难，温度分布不均匀性大。在氧化期应对金属进行良好的加热，并对熔池中的金属进行强烈沸腾搅拌，以使金属成分和温度均匀。
当炉坡倾角45°时，D/H一般趣=5左右教合适。
由截锥体和球冠体的体积计算公式可知，熔池的计算公式为：
V池=h2(D2+dD+d2)+h1(3×+h12)
式中 h1—球冠部分高度，一般取h1=H/5;
h2—截锥部分高度，h2=H-h1=4/5H ;
D—熔池液面直径，通常采取D/H=5;
d—球冠直径，因d=D-2h2=5H-8/5H=17/5H。
3.变压器容量
计算出电弧炉熔池尺寸后，在计算变压器容量；其大小是根据熔炼吨位、时间计算出变压器容量，
以公式计算出变压器容量；
P =qG/（tmcosjhN）
式中 P——电弧炉用变压器的额定容量， KVA；
q——熔化每吨废钢料及相应的渣料并升温所需的电量， KWh /t, q» 410KWh/t（现国内江苏地区电弧炉吨耗已将至400以下） ；
G——电弧炉装入量，t；
tm——预期熔化时间，h（一般取0.75）；
cosj ——熔化期平均功率因数，一般功率电弧炉取 0.82-0.85，超高功率电弧炉取 0.7（一般取0.85）；
η——变压器有功功率利用率，η=0.75-0.80；
N——熔化期变压器功率平均利用系数，N=1.0-1.2。
1、所有参数均取下限计算；
P1= qG/（tm1cosj1h1N1） η=0.75 N=1.0
2、所有参数均取上限计算；
P2= qG/（tm2cosj2h2N2） η=0.8 N=1.2
一般用公式二进行计算。
4.短网电流计算
小吨位变压器中有电抗器，无需设计在外端；大吨位电弧炉的电抗器一般独立设定；电抗器的作用是限制短网电流和对电网的冲击。
电抗计算，可查用变压器容量乘以系数得出。
短网电流一般用公式Sd=Sjz/X*∑得出，容量除以总电抗得出（变压器容量小于100MVA的，可用100MVA），也可用以下公式得出：
I=；
式中 U——最高二次电压；
5.电极直径计算
电极直径可按以下公式得出：
d电极=

式中 ——石墨500时电极系数，·m；=100mm2、/m
K——系数，对石墨电极K=2.1W/cm2
I——电极上的电流强度，A；
6.电极升降计算如下：
最大上升速度（米/分）/（电机的额定转速（转/分）*齿距（米））=变速箱变比数
调节器的主要参数列表如下：
电弧炉额定容量
5
10
20
30
40
50
最大上升速度（米/分）
≥3.5
≥4
≥4
≥5.5
≥6
≥6
最大下降速度（米/分）
≥2
≥2.5
≥3
≥3
≥4.5
≥4.5
非灵敏区（%）
熔化期≤30 精练期≤10
响应时间（秒）
<0.2
电流调节范围（%）
5-125
三相电流不平衡度（%）
熔化期≤8 精练期≤4
7.其他相关参数：
水冷系统:工作压力0.2-0.3Mpa；进水温度5-35℃；回水温度>55℃；冷却水流量>85m3/h（5吨炉参考量；根据实际散热量计算）。
水冷系统的各部件和管路应进行0.5-0.6Mpa泵压实验，15min不允许有泄漏现象，被时间不许有变形。
液压系统一1.5倍工作压力进行泵压实验，15min不得有泄漏现象。
绝缘电阻测试：测量导电横臂对电极升降机构中的起落架之间的绝缘电阻应≥0.5MΩ以及耐压实验（1000V，1min内不击穿）
水冷电缆：在0.5Mpa（5Kg/cm2）压力水下，保压30min不得有泄漏现象。
三、电极升降自动控制
近年来，电弧炉的冶炼能力已经有了很大程度的提高，为了获得最大的经济效益，同时又必须保证电弧炉设备不超出负载能力范围，这就需要有高性能的控制设备做保证，其中最主要的控制设备就是电极升降自动调节装置DIP（简称调节器）。以前调节器均采用分立元件构成，由于元件的工作点不稳定，维护的工作量大；可编程控制器（PLC）具有高抗干扰性、高可靠性因此故障率高，维护简单、可随意更改程序以满足不同的冶炼工艺，非常适合用来作为调节器使用。
1.调节器的组成及工作原理
调节器的组成：调节器是有信号采集、模数转换、PLC、数模转换、功率放大、低压电器元件组成。
信号采集：由三块电流变送器（由电流互感器转换为相应的电流信号）、三块电压信号变送器、档位到位信号、
PLC：采用SIEMEN S7-200系列，或SIEMEN S7-300系列
数模转换：由两个数模转换模块中的三个通道提供电极控制信号。
2.调节器的结构原理
取三根电极的三相弧压信号送至电压变送器，产生三个正比于电弧电流变化的0-5V的电压信号，接到模数转换块，用自复位旋钮把代表灵密度设定信号接入到输入模块。三相电弧电流经电流互感器转换后，产生三个正比于电弧电流变化的0-5A的电流信号，由电流变送器隔离转换后，产生三个正比于电弧电流变化的0-5V的电压信号，接入到另一个模数转换块，用旋钮把代表电压电流设定信号接入输入模块上。并把以上转换后的数字信号通过PLC的内部数据总线传送给CPU模块进行处理。
在PLC模块内部的储存器上存储有编好的应用程序，依靠这个应用程序对上述信号进行转换处理、比较判断处理、代数运算处理、PI运算处理、最后给出一个综合控制信号，再通过PLC的内部数据总线传送给数模转换模块，数模转换模块再把这个数字信号转换成一个±10V的电压信号送入变频器，由变频器驱动电机，从而达到自动调节电弧电流和电极升降速度的目的。
电流自动调节过程：根据冶炼工艺的要求，手动调节电流设定旋钮，当电流设定值大于电流实际值时，这两个信号通过模数转换模块送入CPU，并在PLC内部产生一个电流正差值信号，该差值信号通过数模转换模块输出负信号，驱动变频器运行，使电极下降，以增大电弧电流。当电流设定值小于电流实际值时，这两个信号通过模数转换模块送入CPU，并在PLC内部产生一个电流负差值信号，该差值信号通过数模转换模块输出负信号，驱动变频器运行，使电极上升，以减少电弧电流。
电极升降速度自动调节过程：当发生短路现象时，电弧电流的实际值大于电弧电流的设定值，此时通过PLC送出的负差值信号最大，在这个信号的驱动下驱动下电极上升的速度将以程序中设定的最大自动上升速度提升电极，该上升速度的征订要已在5-6秒内快速消除短路现象为准。电极上升的过程中，电弧电流逐步减小，则PLC送出的负差值信号也逐步减小，电极上升的速度也逐步减慢；当电弧电流的实际值等于电弧电流的设定值时，此时的PLC输出达到零值，电极停止上升。当电弧电流的实际值小于电弧电流的设定值，此时通过PLC送出一个正差值信号，在这个信号的驱动下电极下降;实际值小于设定值越多，差值信号越大，电极下降的速度也越快。电极在下降的过程中，电弧电流逐步增大，则PLC送出的正差值信号也将逐步减小，电极下降的速度与逐步减慢；当电弧电流的实际值等于电弧电流的设定值时，此时PLC的输出达到零值，电极停止下降。
PLC内部数据(最小量a-最大量A)、电信号(最小量b-最大量B)、物理量(最小量c-最大量C)、及实际数字量（X）之间的关系。
电信号=（B-b）*（X-c）/（C-c）+b
PLC内部数据=（A-a）*（X-c）/（C-c）+a
如电流范围在0-8000A，实际电流为5000A，电信号范围0-5V），PLC内部数据（0-32767）由上述公式可知
电信号=（5-0）*（5000-0）/（8000-0）+0=3.125V；
PLC内部数据=（32767-0）*（5000-0）/（8000-0）+0=20479.37
由于PLC中最大数据为32767，输入的变量存在变比差异，为避免PLC出现过溢现象，将输入的PLC数据转变成外部的物理量数据后，再经运算。
（A-a）*（X-c）/（C-c）+a
（8000-0）*（20479.37-0）/（32767-0）+0=4999.9A转换成物理量进行PI（积分运算）运算、处理得出运算数据。再经相应公式转换成对应数据输出。由数模转换模块驱动变频器动作。
根据电弧炉的特点，设定几个不同情况下的运算程序，经比较指令区分去对应的运算程序，运算结果由数模转换模块输出，并驱动变频器，变频器带动的电机执行正反转。
在调试中修正。还有死区控制(又称冶炼稳定区)，输出值一旦进入此区，系统自检定为稳弧区(电极波动≈0)，也就是给定值、弧流、弧压三个量关系的平衡，以保证弧流的稳定。为防止断弧还要有上升下降速度限幅，一般使上升、下降限幅值设为0.5：1即上升速度为下降速度的50％,此值可根据实际情况进行调整。调整时要适当改变比例、积分时间常数及上升下降速度限幅值，以保证电炉顺利引弧并使冶炼电流平稳。　

四、小结
该篇论文思想能够编写电弧炉程序。对于稳定性、可靠性和响应时间没有做介绍。

五、参考文献
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