冶金學—煉鋼篇

電爐煉鋼及爐外精煉閻立懿東北大學鋼鐵冶金研究所2008年10月29～11月24日沈陽（No3）2/3/20231東北大學/閻立懿主要內容電爐煉鋼及其發展電爐煉鋼設備及其電熱特性電爐煉鋼冶煉工藝電爐新技術、新工藝爐外處理中國鋼鐵與大型電爐現狀2/3/20232東北大學/閻立懿電爐大小與分類；電爐大型化及其技術經濟指標；電爐的機械結構：機械設備的組成及各部件名稱；電爐排煙與除塵：排煙方法與除塵設備種類，及其環境保護上次介紹第二章的部分內容如下：2/3/20233東北大學/閻立懿第二章電爐煉鋼設備～主要包括機械結構和電氣設備兩部分：電爐大小與分類電爐的機械結構電爐排煙與除塵電爐的電氣設備電爐電氣特性與供電制度2/3/20234東北大學/閻立懿2.4電爐電氣設備

電氣設備包括“主電路”設備和電控設備。一般電爐煉鋼車間的供電系統有兩個：一個系統由高壓線（高壓供電系統）直接供給電爐變壓器，然后送到電爐上，這段線路稱電爐的“主電路”或叫“主回路”；一個系統由高壓線供給工廠變電所，或直接通過變壓器送到需要用電的其它低壓設備上，這也包括電爐的電控設備，如低壓配電柜、低壓控制柜（臺）及電極升降調節器等。2/3/20235東北大學/閻立懿

2.4.1電爐的主電路

～或叫主回路，電爐主電路的作用是實現電-熱轉換，完成冶煉過程。主電路見圖2-12。2/3/20236東北大學/閻立懿1—高壓電纜2—隔離開關3—高壓斷路器4—電抗器5—電抗器開關6—電壓轉換開關7—變壓器8—短網9—電弧10—鋼水圖2-12主電路示意圖2/3/20237東北大學/閻立懿主電路電器(元件)的組成及其作用：

1）隔離開關用以檢修設備時斷開高壓電源（進線），為一無載刀形開關。

2）高壓斷路器（開關）為電爐的操作開關。當電流過大時，斷路器會自動跳閘切斷電源，以保護電源和電器，為一有載開關。高壓斷路器的種類有油、空氣、磁吹、SF6及真空斷路器（開關），后者使用廣泛。2/3/20238東北大學/閻立懿

3）電抗器純電阻R電路電壓與電流相位相同，合閘后當電源電壓由零增加到起弧電壓后，氣體導電、電弧產生、才有電流通過；當電源電壓減少至低于起弧電壓后，電流為零、電弧熄滅；然后在負半周重復。因此，純電阻電路，電弧不能連續燃燒，更談不到穩定2/3/20239東北大學/閻立懿

R-L（X）電路當回路中串有一定的電抗時，電源電壓與電流有一相位角（電流滯后），合閘后電源電壓就超過起弧電壓，產生電弧、有電流通過；當電源電壓減少至低于起弧電壓后，與電抗壓降合成的電壓仍然超過起弧電壓，電流不為零、電弧繼續燃燒；隨著電流的降低至過零時的瞬間，在負半周電源電壓又超過起弧電壓電弧繼續燃燒，從而形成連續穩定電弧。2/3/202310東北大學/閻立懿

電抗器及其作用：串聯在變壓器一次側，用來增加電路電抗值，以穩定電弧燃燒及限制短路電流。2/3/202311東北大學/閻立懿

4）電爐變壓器電爐變壓器是一特種變壓器，與一般電力變壓器相比，具有以下特點：變壓比大，變壓級別多，如100t/90MVA超高功率電爐，K＝U1／U2＝35kV/950～500V＝37～70，計19級；二次電流大，數以萬計，如100t/90MVA電爐的二次電流為65kA，130t直流電弧爐的二次電流為120kA；過載能力大，可長時間超載20%；機械強度大，冷卻條件好。2/3/202312東北大學/閻立懿

5）電爐短網

短網是指從電爐變壓器低壓側出線到石墨電極末端為止的二次導體，它包括石墨電極、橫臂上的導電銅管（或導電橫臂），撓性電纜及硬母線。短網結構參見圖2-1。由于這段導線流過的電流特別大，又稱大電流導體（大電流線路），而長度與輸電電網相比又特別短10～25m，故常稱為短網或短線路。短網中因流過的電流很大，故要求水冷。三相短網的布線方式影響三相功率的平衡；短網的阻抗，影響輸入功率的大小。2/3/202313東北大學/閻立懿2/3/202314東北大學/閻立懿

6）電極

電爐煉鋼用電極要求強度大、電阻低及熱膨脹系數小，故常用石墨電極。因制造石墨電極的原料—石油焦價格及加工成本不斷上漲，使得電極消耗占煉鋼成本提高，一般2～3kg/t(高達40～80元/t鋼)，因而降低電極消耗十分重要。采取涂層電極、浸漬電極及水冷電極技術等，均可使電極消耗降低5%～10%。2/3/202315東北大學/閻立懿

7）電弧

電爐是利用電弧產生的高溫（其溫度高達3000～8000℃）進行熔煉金屬的。電弧是氣體放電（導電）現象的一種形態。氣體放電的形式：按氣體放電時產生的光輝亮度不同可分為：無聲放電—弱，輝光放電—明亮，電弧放電—炫目三種。電弧產生過程：按直流討論交流的瞬間。從電爐操作的表面現象看，合閘后，首先使電極與鋼鐵料做瞬間接觸，而后拉開一定距離，電弧便開始燃燒——起弧。2/3/202316東北大學/閻立懿圖2-12電弧產生過程示意圖2/3/202317東北大學/閻立懿2/3/202318東北大學/閻立懿

電弧產生過程：

實質上（微觀），當兩極接觸時，產生非常大的短路電流，在接觸處，由于焦耳熱而產生赤熱點，于是在陰極將有電子逸出。當兩極拉開一定距離后（形成氣隙），極間就是一個電場。在電場作用下，電子向陽極加速運動，在運動過程中與氣體分子、原子碰撞，使氣體發生電離。這些電子與新產生的離子、電子在電場中做定向加速運動的過程，又使另外的氣體電離。這樣電極間隙中的帶電質點數目會突然增加，并快速向兩極移動，氣體導電形成電弧。電流方向由陽極向陰極。2/3/202319東北大學/閻立懿

由此可見，電弧產生過程大致分四步：短路熱電子放出；兩極分開形成氣隙；電子加速運動氣體電離；帶電質點定向運動，氣體導電，形成電弧。這一過程是在一瞬間完成的，電極與鋼料交換極性，電流方向以50次／s改變方向。

502/3/202320東北大學/閻立懿2.4.2電爐電控設備

電爐電控設備包括高、低壓控制設備及其相應的臺柜以及電極自動調節器等。

（1）高壓控制設備高壓控制設備主要是對高壓供電系統實施監控及計量。在組成高壓供電系統的高壓柜上裝有隔離開關手柄，真空斷路器、電抗器及變壓器的開關，高壓儀表和信號裝置等。所計量的主要技術參數有：高壓側電壓，高壓側電流，功率因數，有功功率，有功電度及無功電度。2/3/202321東北大學/閻立懿

（2）低壓控制系統及其臺柜電爐的低壓控制系統由低壓開關柜、基礎自動化控制系統（含電極自動調節系統）、人機接口相應網絡組成。低壓開關柜系統主要由低壓電源柜、PLC柜及電爐操作臺等組成。電爐操作臺上安裝有控制電極升降的手動、自動開關，爐蓋提升旋轉、電爐傾動及爐門、出鋼口等爐體操作開關，低壓儀表和信號裝置等。

2/3/202322東北大學/閻立懿

（3）電極自動調節器

電極自動調節系統包括電極升降機構與電極自動調節器，重點后者。電爐對調節器的基本要求：

1）靈敏度高；2）慣性小；3）調整精度高。按電極升降機構驅動方式的不同，電極自動調節器可以分為機電式調節器和液壓式調節器兩種。后者常用于30~40t以上的中大型電爐。液壓式調節器按控制部分的不同有：模擬調節器；微機調節器；

PLC調節器。新上的電爐基本都是采用PLC控制。2/3/202323東北大學/閻立懿2.5電爐電氣特性及供電制度電爐的電氣特性主要研究某一電壓下，電爐的各個電氣量值隨電弧電流變化的規律性。電氣特性是制定供電制度的基礎。

2.5.1電爐等值電路為了便于問題分析，將電爐主電路圖中的電抗器、變壓器與短網等用一定的電阻和電抗來表示。而把每相電弧看成一可變電阻，三個電弧對變壓器構成Y形接法的三相負載，中點是金屬。經過一定方法處理（折算），可得到電爐三相等值（效）電路圖（圖2-13a）。假設電壓、電流為正弦波形，變壓器空載電流等于零；當三相等值電路中三相為對稱負載時，即三相電壓、電流及電弧電阻相等，可以用單相等值電路（圖2-13b）來表示三相等值電路。2/3/202324東北大學/閻立懿圖2-13電爐等值電路2/3/202325東北大學/閻立懿圖2-14阻抗、電壓和功率三角形

由單相等值電路，根據交流電路定律可以作出阻抗、電壓和功率三角形如下圖2-14。2/3/202326東北大學/閻立懿2.5.2電爐的電氣特性

2.5.2.1電爐理論電氣特性曲線根據交流電路定律及阻抗、電壓和功率三角形可寫出表示電路各有關電氣量值表達式，見表2-3。由表2-3中（5）～（14）式看出，上述各電氣量值，在某一電壓下（x、r一定）均為E＝f（Ｉ）。故可將它們表示在同一個坐標系中，橫坐標為電流，縱坐標為各電氣量值，這樣便得到電爐理論電氣特性曲線，如圖2-15。2/3/202327東北大學/閻立懿2/3/202328東北大學/閻立懿圖2-16電爐理論電氣特性曲線圖2-15電爐理論電氣特性曲線252/3/202329東北大學/閻立懿

2.5.2.2特性曲線上幾個特殊點的討論

為了加深對電氣特性曲線的認識及為確定供電制度打基礎(判斷工作電流選擇范圍)，下面對特性曲線上幾個特殊點（或叫用電規范）進行分析、討論。由圖2-15可以看出幾個特殊點（從左至右）如下：

1）空載（I=I0=0）這相當電極抬起成“開路”狀態，沒有電弧產生，此時:

Rarc→∞，I0

＝0，P0＝0

討論：雖然Uarc=U

，cosφ＝η＝１，但因無任何熱量放出，故此規范無任何意義。2/3/202330東北大學/閻立懿

2）電弧功率最大

（I=I1

）

電弧功率是進入爐內的熱源，研究此點規范很有意義。由電弧功率與電弧電流表達式（表2-3中的9、4式），有如下函數關系：

Parc=f（I）=f[ψ（Rarc）]

對復合函數求導，并令導數等于零，解得：當電弧電阻Rarc=（r2+x2)1/2=z時，電弧功率有最大值，此時電弧電流與對應最大電弧功率分別為：

2/3/202331東北大學/閻立懿

討論：①I1對應的電弧功率最大，此點對應的cosφ、η比較理想（＞0.88、0.78）；②當Ｉ工作＞Ｉ1

，Parc減小，同時cosφ、η值降低，因此，工作電流的選擇一般Ｉ工作

≤Ｉ1，即Ｉ1

的左側；③為了提高Parc，可提高Ｉ1

，這可以通過提高變壓器的二次電壓U2或降低回路的電抗x與電阻r，從而可以使所選工作電流提高。2/3/202332東北大學/閻立懿

3）有功功率最大（I=I2

）

用以上類似的方法求出，即由有功功率與電弧電流表達式（表2-3中的7、4式），有如下函數關系：

Pa=f（I）=f[ψ（Rarc）]

對復合函數求導，并令導數等于零，解得：當Rarc=ｘ-ｒ時，有功功率有最大值，此時電弧電流及對應的最大有功功率分別為：2/3/202333東北大學/閻立懿討論：

①只有滿足Ｒarc=ｘ-ｒ＞０時，即ｘ＞ｒ時，才能出現有功功率最大值；

②有功功率最大時，恰好與無功功率相等；U與I相位差為φ=45°，cosφ=0.707，為一常數；

③比較I2/I1

＞1，即I2＞I1

，I2

總是在I1的右邊，而選擇I工作時主要考慮I1

。

2/3/202334東北大學/閻立懿

4）短路（I=Id）

這相當石墨電極與金屬料接觸或插入鋼水中，即發生短路，此時，Rarc=０，短路電流為：

討論：①因為Parc=０，所以Pa=Pr=3I2r，即有功功率全部消耗在裝置電阻上，爐內無熱量輸入；②Parc、η=０，但cosφ≠0；③

Rarc=０，使短路電流很大，Id/In≥2～4，極易損壞電器，故要求短路電流要小、短路時間要短。短路分為送電起弧短路與過程操作短路：

起弧短路短路的目的是要起弧，這要求時間短，即做瞬間短路；

過程操作短路應加以限制，通過提高電路電抗可以限制短路電流，同時使