【文章內(nèi)容簡介】 一股由35Kv電，經(jīng)高壓隔離開關、高壓真空斷路器、電抗器送至電弧爐變壓器，在高壓供電系統(tǒng)中設有氧化鋅避雷器、阻容吸收器，作為電壓吸收裝置，吸收操作電壓和浪涌過電壓，以保證變壓器正常運行。高壓測二次計量回路設有高壓側電壓、高壓側電流、功率因數(shù)、有功功率、有功電度及無功電度的計量，二次保護回路設有過電流保護、欠壓保護、缺相保護、變壓器溫度保護、變壓器瓦斯保護及冷卻器保護等完善的保護回路。電爐變壓器：采用高阻抗電弧爐專用變壓器，變壓器采用有載電動調(diào)壓，低壓二次側采用銅管側出線、內(nèi)封口，采用強油循環(huán)水冷卻器進行冷卻。變壓器配套強油循環(huán)冷卻器及其電氣控制臺。電抗器：電抗器為外附電抗器，無載調(diào)節(jié)可連續(xù)過載20%，配有隔離開關，接地開關。短網(wǎng)：也稱大電流線路，是指從電弧爐變壓器低壓出線到電極（包括電極）之間的各種形式導體的總和。電流經(jīng)短網(wǎng)送入爐內(nèi)，產(chǎn)生電流，將電能變成熱能，把爐料熔化。低壓動力及控制電源：由系統(tǒng)動力柜接收車間饋電，進線電壓380/220V，三相四線制。主要是給液壓站、高壓泵、加熱器、閘整流電源、電爐變壓器調(diào)壓控制器、油水冷卻器、儀表電源、控制電源、穩(wěn)壓電源等供電。 圖16 電弧爐主電路簡圖1高壓電纜；2隔離開關；3高壓斷路器；4電抗器；5電抗器短爐開關； 6電爐變壓器；7一電板；8電??；9金屬。 電弧爐煉鋼過程及工藝簡介 電弧爐煉鋼過程電弧爐是以電弧為主要熱源的電爐，分為直流電弧爐和交流電弧爐兩種。在電弧爐煉鋼過程中，電弧產(chǎn)生于專用的電極棒和被熔化的爐料之間，爐料受到電弧的直接加熱。電弧爐是繼轉爐、平爐之后出現(xiàn)的又一種煉鋼方法，已有百年歷史。目前世界上電爐鋼產(chǎn)量95%以上都是由交流電弧爐生產(chǎn)的，已成為主要的煉鋼方法之一。它由一臺特種變壓器的三相交流電供電，三相交流電流通過3個上下移動的電極直接加熱爐內(nèi)金屬。[10]圖 17 三相電弧爐構造簡圖1爐底；2鋼液；3渣層；4流鋼嘴：5爐頂；6電極；7電極夾持器；8短網(wǎng)；9電爐變壓器；10爐門。電弧爐整個煉鋼過程一般分為熔化期、氧化期和還原期三個時期，各個時期對冶煉溫度和功率的要求各不相同。熔化期的任務是將固體爐料熔化為鋼液，這個時期要求盡可能地向爐內(nèi)輸入最大電功率以保證爐料在最短的時間內(nèi)熔為金屬液。氧化期主要是通過脫碳反應而造成鋼液沸騰，從而達到除磷、除雜、均勻等目的。還原期的主要任務是：(l)使鋼和爐渣還原；(2)去除鋼液中的氧和硫，使其舍量達到規(guī)定的要求；(3)調(diào)整鋼液的化學成分，使其達到要求；(4)加熱鋼液至正常出鋼溫度。電弧爐煉鋼過程工藝如圖18所示。白云石或鎂粉 通電 廢鋼 取樣 加礦石 取樣化驗 造渣劑補料 裝料 熔化期 氧化期 除渣 還原期 出鋼廢鋼 熔渣 吹氧助熔 吹氧 加合金塊 取樣圖 18 電弧爐煉鋼工藝過程 電弧爐工藝簡述電弧爐煉鋼的工藝方法歸納起來有三種，即氧化法、不氧化法和返回吹氧法。氧化法是電弧爐煉鋼工藝的最基本的方法，不氧化法和返回吹氧法都是在氧化法的基礎上發(fā)展起來的[11]。傳統(tǒng)的氧化法冶煉工藝由補爐、裝料、熔化期、氧化期、還原期和出鋼六個階段組成。在爐內(nèi)即要完成熔化、脫磷、脫碳、升溫，又要進行脫氧、脫硫、去氣、去除夾雜物、合金化以及溫度成分的調(diào)整，因而冶煉周期很長。這即難保證對鋼材越來越嚴格的質量要求，又限制了電弧爐生產(chǎn)率的提高。工藝上的改進大大提高了電弧爐設備能力，使其能夠以盡可能大的功率進行熔化、升溫操作，而把那些只需要較低功率的操作轉移到鋼包精練爐內(nèi)進行。并且越來越完善的電弧技術能進一步滿足鋼液純度和嚴格的成分、溫度控制的要求。同時，在現(xiàn)代電弧爐煉鋼工藝中，在熔化初期就對爐內(nèi)進行吹氧，因此熔化期和氧化期己無明顯的區(qū)分，所以現(xiàn)代電弧爐煉鋼工藝包括補爐、裝料、熔氧期和出鋼四個階段。補爐：補爐是指當上爐出鋼完后，霈要迅速將爐體損壞的部位進行維修，以保證下一爐鋼的正常冶煉。裝料：裝料是指將固體爐料裝入爐膛內(nèi)。目前多數(shù)電弧爐采用爐蓋上升，爐體開出，或者爐蓋升起旋開，用吊車吊起爐料一次加入爐膛內(nèi)。熔氧期：從通電開始到出鋼階段稱為熔氧期。熔氧期的主要任務是迅速熔化全部爐料，去除鋼液中的磷、氣體和夾雜物，將鋼液溫度加熱到高于出鋼溫度1020℃。為了加速熔化和節(jié)約電能，在熔氧期一般采用吹氧助熔，有條件的也可以采川煤氧助熔。出鋼：鋼液脫碳、脫磷良好，化學成分符合要求，溫度達到出鋼要求，爐渣合乎出鋼要求，即可出鋼。 電弧爐工藝對控制系統(tǒng)的要求由于煉鋼工藝在電弧爐煉鋼上采用了多種提高冶煉效果，縮短煉鋼時間，節(jié)能降耗的技術，從而使電弧爐的控制系統(tǒng)更為復雜。例如在電弧爐上采用吹氧技術之后，對計算機控制系統(tǒng)的要求是：在煉鋼過程中如何達到最佳的脫碳效果，同時要控制化學反應中產(chǎn)生的一氧化碳在爐內(nèi)進行充分二次燃燒?？刂拼笛醯男Ч_保浮渣的厚度足以去覆蓋電弧，從而保證電能效率得以最大限度地發(fā)揮，提高鋼水的攪拌效果，迅速把熱能傳遞給需熔化的廢鋼，擴大氧和鋼水之間反應的有效區(qū)域，允許電弧爐進行長弧操作。綜合各種因素的控制，達到最大功率的冶煉效果[12]。 電弧爐煉鋼工藝對電極調(diào)節(jié)器的要求電極調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)條件和調(diào)節(jié)任務頗為復雜。在起弧熔化冷料時，長度為數(shù)毫米的電弧在不甚大的范圍內(nèi)，就能產(chǎn)生數(shù)千千瓦的功率，此時電弧溫度高達數(shù)千度，被熔料在電極下面迅速而激烈的熔化、飛濺，時有短路和斷弧現(xiàn)象發(fā)生，因此弧長、輸入功率不斷變化。當電弧電流小于額定值時，輸入到爐內(nèi)的電能減少，熔化時間拖長，電能及電極消耗均有增加：而當電流非常大時，雖僅數(shù)秒鐘，就能使線路損耗大大增加，導致輸入電弧妒內(nèi)的電能減少，降低設備的各項指標，此時電弧長度非常短，特別使當電極同熾熱或液態(tài)熔液接觸時，會使熔液遭受增碳的危險，嚴重時可折斷電極?？梢姡娀t電極調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)任務非常關鍵，即在保證穩(wěn)定調(diào)節(jié)的條件下，要求電極調(diào)節(jié)器靈敏度高，快速性好，超調(diào)小。具體的說，40噸電弧爐對自動調(diào)節(jié)器的要求如下：(1) 高靈敏度。對電弧電流變化的反應要靈敏，可以用非靈敏區(qū)來衡量。非靈敏區(qū)指當電極調(diào)節(jié)被控量偏差發(fā)生變化時，電極仍保持靜止的整個區(qū)間。通常用不感系數(shù)來代表調(diào)節(jié)器非靈敏區(qū)的大小。執(zhí)行機構在開始向兩個方向動作時的被調(diào)量之差與其算術平均值之比的百分數(shù)稱為不感系數(shù)。(2) 電極調(diào)節(jié)快速性好。電極提升速度要快，否則容易造成短路而使高壓斷路器自動跳閘；下降要慢，以免電極碰撞爐料而折斷或插入熔液中。電極速度由零升至最大速度的90%，電極速度由最大速度降到10%。(3) 保證電弧電流能在額定值的30125%的范圍內(nèi)平滑的整定。(4) 電極同爐料短路時，在保證電弧穩(wěn)定的情況下，應使電極以最大速度上升。(5) 保證電極升降控制能迅速的從自動切換為手動，或由手動切換為自動。(6) 屯弧爐通電時，電極調(diào)節(jié)器應能保證自動燃弧。(7) 調(diào)節(jié)器應能保證調(diào)節(jié)工作高度可靠，操作簡單。上面的各項要求，最重要的是快速性、靈敏度和系統(tǒng)的超調(diào)量小。調(diào)節(jié)器的快速作用能夠提高電弧功率平均值、功率因數(shù)COSQ和電效率r1，改善電氣設備的工作條件，同時有利于減少電極對熔液增碳。足夠高的靈敏度不但能以高準確度來維持每相電弧功率相等，而且能改善各項性能指標。如電弧功率平均值、功率因數(shù)COSQ和電效率r1。除此以外，還能消除每個電弧周圍的耐火磚受熱不均勻的可能性。高靈敏度、快速性和整個系統(tǒng)的超調(diào)量控制之間的正確配合是設計性能優(yōu)越調(diào)節(jié)器的決定性條件。2. 電弧爐煉鋼控制系統(tǒng) 電極升降自動控制系統(tǒng)電弧爐煉鋼應遵循高產(chǎn)、優(yōu)質、低消耗的原則。因此，各類鋼種的冶煉過程的供電制度應符合其工藝原則。如圖21為10t電弧爐，變壓器容量為5500KVA的電力曲線控制實例。圖中縱坐標為輸入電流（A），曲線上標明輸入電壓值（V），輸入功率即為二者乘積，圖中陰影部分為電流可調(diào)節(jié)的范圍，其值應根據(jù)剛液溫度靈活掌握。表21為40t電弧爐，變壓器容量16MVA的供電制度。圖21 10t電弧爐冶煉過程電力曲線控制圖表21 40t，16MAV電弧爐變壓器的供電制度電力曲線分析：(1) 熔化期。在通電起弧5~l0min內(nèi)，為了避免弧光損壞爐蓋，此階段輸入中級電壓，中級電流；l0min后，熔煉進入穿井和電極回升階段，為促使爐料快速熔化，此階段輸入最大電壓和最大電流，直到爐料熔化掉80%以上，熔池面逐漸上升平展，只剩下爐坡，渣線處和低溫區(qū)附近的一些爐料。同時，電極也相應上升，電弧也暴露在熔池面上，如果繼續(xù)采用高電壓、大電流，勢必嚴重損壞爐體和爐蓋，故改用中級電壓、中級電流，減少輸入功率，一直保持到爐料全熔，并將鋼液加熱到需要的溫度為止。(2) 氧化期。這個階段的主要任務之一就是合理地把鋼液溫度加熱到出鋼溫度或高于出鋼溫度。與熔化期相比，輸入功率可適當減少，一般采用中級電壓和中級電流送電。(3) 還原期。加入稀薄渣料后，為了減少脫氧劑燒損及維護爐襯，應立即轉為低級電壓供電。在正常情況下，應輸入小功率只需彌補爐子正常的散熱損失。電極自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)必須適應煉鋼的合理供電規(guī)則，使爐料熔化時間最短、電能消耗最小。爐料的熔化時間友下式確定： (21)式中 ——熔化期內(nèi)平均電效應； P ——熔化期電弧爐變壓器自電網(wǎng)取得平均功率，KW； ——用來補充損失的功率，KW； G ——裝入爐中的爐料重量，t； ——熔化1t金屬在理論上的電能消耗，KWh/t。式中說明：煉鋼時間取決于輸入爐膛的平均功率和煉鋼中散熱損失的功率。為了減少電能消耗，減少冶煉時間以便減小散熱損失的電能，應視煉鋼工藝過程情況合理調(diào)節(jié)輸入到爐膛的功率。電路功率的調(diào)節(jié)實際上是通過調(diào)節(jié)變壓器檔位和電極電弧的長度來實現(xiàn)的。 電極調(diào)節(jié)器的特點在電弧爐的生產(chǎn)過程中，由于鋼水的沸騰，鋼水表面起伏不定，必然導致電弧長度忽短忽長，時刻變化。雖然此時電弧的長度受到的擾動較其它時期要小得多，也平穩(wěn)得多，但同樣能使弧電壓和弧電流不停地變動，供電電能很大比例地消耗在網(wǎng)絡的變壓器中，既提高了成本，又對電網(wǎng)不利。因此調(diào)節(jié)器的首要任務就是根據(jù)爐內(nèi)的情況及時調(diào)節(jié)極棒的位置，進而達到調(diào)節(jié)電弧長度的目的，使電弧功率保持在一定數(shù)值。但是由于煉鋼過程中爐內(nèi)復雜多變的爐況和時變的電弧增益，要達到此目的并不容易，這就對電極調(diào)節(jié)器的功能提出了更高的要求。首先，要選擇一個比較好的控制原則，電極調(diào)節(jié)器對電弧長度的調(diào)節(jié)量是通過一些控制原則來進行的。一個好的控制原則是電極調(diào)節(jié)器控制性能的基本保證，控制原則的選擇將在后面討論。其次，爐內(nèi)鋼水的沸騰對電弧長度產(chǎn)生干擾，且這種干擾是無確定的規(guī)律可循的，是一隨機過程。若使電極調(diào)節(jié)器具有良好的調(diào)節(jié)功能，它必須具備一定的消除隨機噪聲干擾的能力。還有電極調(diào)節(jié)的快速性也是非常重要的，當電弧長度發(fā)生改變后，它應盡快予以糾正，動作遲緩將達不到理想的控制效果。甚至當調(diào)節(jié)過分不靈敏時，會有斷弧或短路發(fā)生。最后，電弧的增益隨著溫度發(fā)生變化也是電極調(diào)節(jié)器所要考慮的一個問題，所以它要具有抗參數(shù)時變的能力，即魯棒性好。另外，由于爐內(nèi)廢鋼的放置不是均勻的，因而三相電極之間是不平衡的。同時，三相電極之間也存在相互間的影響。這些都是設計電極調(diào)節(jié)器時需要考慮的。綜上所述一個良好的電弧爐煉鋼電極調(diào)節(jié)器應具有以下的特點：① 保證電極在一定控制原則下點弧工作；② 抗干擾性好；③ 調(diào)節(jié)靈敏、迅速。④ 良好的三相間的平衡性及相互間的盡可能小的影響。 電極調(diào)節(jié)控制原理