采用長弧操作的高阻抗電弧爐

仝永博 劉 征 羅玉鐲 花 皚

(1:西安桃園冶金設(shè)備工程有限公司 陜西西安710075; 2:西安電爐研究所有限公司 陜西西安710061)

采用長弧操作的高阻抗電弧爐

仝永博1①劉 征1羅玉鐲1花 皚2

(1:西安桃園冶金設(shè)備工程有限公司 陜西西安710075; 2:西安電爐研究所有限公司 陜西西安710061)

高阻抗電弧爐是一種新型煉鋼工具，它具有一系列優(yōu)點，諸如：二次電壓高、電弧電流小、電效率高、功率因數(shù)高，生產(chǎn)率高、電耗低，電極消耗低等。介紹了高阻抗電弧爐的理論依據(jù)、特性、指標等。并且，給出了同低阻抗電弧爐相對比的數(shù)據(jù)及運行效果。

高阻抗電弧爐 長弧操作 電抗器

為了執(zhí)行國家能源政策及環(huán)保政策，節(jié)省能源、減少排放，以及大幅度提高熱效率，電弧爐勢必需要向大型化發(fā)展,但是在已有的交流電弧爐中，由于電爐變壓器二次側(cè)載流導(dǎo)體(短網(wǎng))存在著電阻、電感、集膚效應(yīng)等參數(shù)原因，當(dāng)設(shè)計大型電弧爐時，電流過大，沒有大直徑石墨電極可以使用(國際上最大直徑為φ800mm)，另外電流過大，也使短網(wǎng)中的焦耳熱損耗過大，電效率過低，所以傳統(tǒng)的交流電弧爐要想向大型化發(fā)展，受到了限制?？墒?，如若采用二次電壓高、二次電流小及高效率的的高阻抗電弧爐，則上述問題迎刃而解。

1 高阻抗電弧爐的理論依據(jù)

提高變壓器二次電壓來增加電弧電壓和電弧長度，以及利用增加主回路電抗來降低電弧電流的方法可用下列公式來證明[1]4：

P=S·cosφ

(1)

式中P—有功功率，kW；S—視在功率，kVA； cosφ—功率因數(shù)。

(2)

式中Ie—電極電流，kA；XOP—運行電抗，mΩ。

(3)

式中Uarc—電弧電壓，V；UPH—變壓器二次側(cè)相電壓，V；R—主回路電阻(不包括電弧電阻)，mΩ。

Larc=Uarc-35

(4)

式中Larc—電弧長度，mm。

Parc=3IeUarc

(5)

式中Parc—電弧功率，MW。

(6)

式中η—電效率，%。

由式(2)可以看出:在功率因數(shù)相同的情況下，加大電抗就可以降低電弧電流。由式(3)可以看出:提高變壓器二次電壓和降低電弧電流，就可以顯著地提高電弧電壓。從式(6)可得出重要結(jié)論, 即在主回路電阻不變的條件下, 提高電弧電壓和降低電弧電流可大大地提高電弧爐的效率, 這是高阻抗電弧爐的理論依據(jù)。由于高阻抗電弧爐的突出特點是：電弧電壓高、電弧電流小，所以，其電效率非常高。通常，大容量高阻抗電弧爐的電效率均能達到0.94以上。綜上所述，要想提高生產(chǎn)率及節(jié)省電能，必須①輸入最大電弧功率；②減少爐子熱損失；③減小電弧電流；④縮短熔化時間；⑤減小電氣損失功率。就是說：必須減小電弧電流和提高二次電壓。

2 電抗器在高阻抗電弧爐中的作用

對于高阻抗電弧爐而言，為了提高電弧穩(wěn)定性，必須在電爐變壓器一次側(cè)附加串聯(lián)電抗器。電抗器相當(dāng)于一臺能量緩沖器，即相當(dāng)于一個 “電氣大飛輪 ”，它能抑制電弧爐工作時瞬變負荷對供電電網(wǎng)的沖擊。增大電弧爐主回路的電抗值具有以下優(yōu)點：由于電抗器限制和減小了短路電流數(shù)值，所以機械設(shè)備部件受到的沖擊應(yīng)力和振動都減小了，電氣設(shè)備部件受到的短路電流沖擊也減輕了，減小了對供電電網(wǎng)的干擾沖擊(降低閃變)，這是由于電抗器的引入使電弧穩(wěn)定、連續(xù)燃燒，煉鋼平穩(wěn)操作；增大電抗值還能減輕電極升降機構(gòu)剛性不夠所引起的顫振。

提高電弧爐主回路阻抗最經(jīng)濟和最靈活的方法是在變壓器一次側(cè)串入電抗器。電抗器可做成帶油水強制冷卻的緊湊式三相裝置, 它可以安裝在車間變電所。在國內(nèi)已有的高阻抗電弧爐中，增加短路電抗的主要方法是在變壓器的一次側(cè)加入帶固定抽頭的串聯(lián)電抗器，可是，這種方法不能夠連續(xù)滿足冶煉工藝的全部要求，而且必須在斷電的情況下才能改變電抗。因此，改變電抗的最有效方法是在變壓器的一次側(cè)串入帶有有載抽頭切換器的電抗器，它能滿足整個冶煉期的工藝要求。在熔化初期，為了減小電流沖擊，穩(wěn)定電弧燃燒，而將全部電抗投入，但是當(dāng)形成了液體熔池后，電弧電流很少波動，電弧燃燒穩(wěn)定，這時系統(tǒng)根據(jù)電弧穩(wěn)定情況，自動地切除電抗，因為設(shè)計者在設(shè)計電抗器投入量時，是采用電弧電流波動量大小作為電抗器投入量的信號，從而能自動投入和切除電抗器[3]75。

在長弧操作電弧爐中，串聯(lián)電抗器的電抗值和二次電壓值的合理搭配至關(guān)重要，如果串入較大電抗器，較少地提高二次電壓，則輸入爐中的功率降低，功率因數(shù)也過低；如果串入較少電抗器，而二次電壓提高得過高，則導(dǎo)致功率因數(shù)過高和爐子運行功率大大超過設(shè)備允許值，甚至造成設(shè)備損壞。那么應(yīng)當(dāng)按照什么原則來確定呢？關(guān)于提高電爐變壓器二次電壓和采用高短路電抗來降低電弧電流、電壓波動和電磁振動效應(yīng)，在理論上是：在保持電弧變量(弧流、弧壓、電弧功率)不變的條件下，采用提高電爐變壓器二次電壓的方法來補償在高壓電抗器上產(chǎn)生的電壓降，使功率因數(shù)保持在合適的范圍內(nèi)(0.8～ 0.85)運行。

按照不同的熔煉期，選擇不同的電抗值。圖1示出了能夠連續(xù)改變電抗值的高阻抗電弧爐主回路圖，圖中真空斷路器C作為該電弧爐主斷路器，當(dāng)采用電抗器熔煉時，斷路器A關(guān)合、斷路器B斷開。而當(dāng)不采用電抗器時，此二斷路器狀態(tài)相反。

為了說明不同的系統(tǒng)總電抗對電弧爐操作的影響，表1列出日本鋼管廠3臺同樣電弧爐配備有不同電抗器的例子。A、B為帶有不同電抗值的電抗器；C為不帶電抗器的參數(shù)[3]74。

圖2示出了上述A、B、C電弧爐的功率因數(shù)和輸入功率曲線。

由圖2可看出： 3臺電弧爐的輸入功率相同，采用長弧操作的電弧爐A的電流小得多，電效率也高。

電弧爐A電弧爐B電弧爐C二次電壓/V700650550相阻抗/mΩ0.4+j5.00.4+4.00.4+j3.0輸入功率最大時的電極電流/kA465263輸入功率/MW383838功率因數(shù)0.820.830.85電弧長度/mm230190140弧長指數(shù)mm/kA5.03.72.2損失功率/MW2.63.14.6

圖3示出A、B、C三臺電弧爐的電弧長度與電弧電流之間關(guān)系曲線。

由圖3可以看出：電弧爐A弧長最長，為350mm，電弧爐B為300mm和C為260mm。

3 高阻抗電弧爐的運行優(yōu)勢

1)在過去，由于長電弧操作對爐墻的熱輻射太嚴重，導(dǎo)致爐墻耐火材料壽命太短。但是，隨著能包圍電弧的泡沫渣的發(fā)明和實踐，以及水冷爐壁和水冷爐蓋的普及應(yīng)用，使上述弊端得到了徹底消除。所以近十幾年來，電爐煉鋼行業(yè)有一個明顯的趨向，就是電爐煉鋼采用長電弧、高電壓操作。在一些歐洲國家，如法國和德國高阻抗電弧爐的二次最高線電壓都達到1000V～1200V，而英國有1200V的高阻抗電弧爐正在運行中[3]75。

2)表2示出了以日本鋼管的2臺電弧爐和西馬格公司的2臺電弧爐改造為例，說明長弧操作的優(yōu)越性[1]4，[5]170。

圖2 功率因數(shù)和輸入功率曲線

圖3 A,B,C三臺電弧爐的弧長對弧流曲線

3)由表2可看出：電弧爐A改造成長弧操作之后，電能消耗降低20kWh/t；電極消耗降低0.35kg/t，出鋼到出鋼時間降低10min；電弧爐B改造成長弧操作之后，電能消耗降低20kWh/t；電極消耗降低0.4kg/t； 出鋼到出鋼時間，降低10min。電弧爐C改造成長弧操作之后，電能消耗降低220kWh/t；電極消耗降低3.8kg/t； 出鋼到出鋼時間降低99min。

4)綜上所述，長弧操作具有以下主要優(yōu)勢：

(1)工作短路現(xiàn)象非常少，甚至沒有：這是由于長弧操作熱輻射強度非常高，在電極穿井后，形成較大熔池，很少有爐料塌陷，撞斷電極現(xiàn)象。

(2)輸入爐中的有功功率提高：由于電弧電壓高，電弧電流小，與電弧電流呈平方關(guān)系的主回路功率損失小，電效率提高，所以有功功率提高。在較高的功率因數(shù)下運行,就不需要裝設(shè)大量的補償電容器。 另外由于電弧穩(wěn)定，也絕對不需要裝設(shè) SV C 裝置, 因而節(jié)省了大量附加投資。

表2 日本鋼管的2臺電弧爐和西馬格2臺電弧爐改造前后指標對比

(3)石墨電極消耗減少： 眾所周知，電極消耗由端部消耗和側(cè)面消耗構(gòu)成，端部消耗與電流大小有關(guān)；電極消耗緊緊地與電極電流和通電時間有關(guān)。因此，采用低電流的長弧操作對節(jié)省電極消耗是非常有利的。在熔化初期，當(dāng)電爐變壓器二次電壓由 700 V提高到1kV時，由于保持電弧功率不變，電弧電流降低30%，電極消耗量減少50%左右。

(4)電弧噪音?。哼@是因為電弧噪音的產(chǎn)生是由電弧直徑變化引起的，而電弧直徑又與電弧長度有固定的函數(shù)關(guān)系。另外由于長弧操作時電弧很長，所以弧長變化的百分數(shù)就相對減小了，則電弧直徑變化也相對減小了，因此，電弧噪聲減小了。

4 高阻抗電弧爐的電弧特性

不同電弧長度的電弧伏安特性示于圖4。

圖4 不同電弧長度的電弧伏安特性

近年來，隨著高阻抗電弧爐的問世，一些新的概念也相繼出現(xiàn)，例如電弧長度指數(shù)γ，它是被用來衡量是否高阻抗電弧爐的指標參數(shù)。首先，電弧電壓UARC由等離子區(qū)壓降、陰極區(qū)壓降、陽極區(qū)壓降組成，即：

UARC=(UA+UANOD+UCATH)

式中LARC—電弧長度，mm；UARC—電弧電壓，V；UA—陽極區(qū)壓降，V；UCATH—陰極區(qū)壓降，V；UANOD—等離子區(qū)壓降。

電弧長度指數(shù)γ是指電弧長度LARC與電弧電流IARC的比值，其表達式為：

γ=LARC/IARC

(8)

式中γ—電弧長度指數(shù)；LARC—電弧長度，mm；IARC—電弧電流，kA。

根據(jù)國外試驗數(shù)據(jù)得出：電弧爐的電弧長度指數(shù)γ分為如下三區(qū)，如表3所示。

表3 不同電弧長度的電弧長度指數(shù)γ

表2中電弧爐A改造后的高阻抗電弧爐的電弧長度指數(shù)γ=360/48=7，為長??；

電弧爐B改造后的高阻抗電弧爐的電弧長度指數(shù)γ=320/35=9，為長??；

電弧爐C改造后的高阻抗電弧爐的電弧長度指數(shù)γ=500/48=10.4，為長??；

電弧爐D改造后的高阻抗電弧爐的電弧長度指數(shù)γ=350/26.9=13，為長弧。

綜上所述：高阻抗電弧爐的基本原理是依靠大幅度提高變壓器二次電壓來增加電弧功率和提高功率因數(shù)，依靠串聯(lián)電抗器來穩(wěn)定電弧和限制短路電流，依靠提高電效率來降低電耗和提高生產(chǎn)率。長弧操作的高阻抗電弧爐在國內(nèi)外的許多鋼廠已經(jīng)開始實踐運行，運行證明了其科學(xué)性和合理性, 并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。 但是就其開發(fā)年代來說, 它仍然是處于初期階段, 它的卓著成效的潛在優(yōu)勢還遠遠沒有完全發(fā)揮出來。有鑒于此,選擇從事高阻抗電弧爐方面研究和開發(fā)工作，無疑是最有前途的課題。

5 結(jié)論

1) 為了提高熔化速率，必須采用長弧操作、盡量提高二次電壓，并在變壓器一次側(cè)串聯(lián)帶有有載調(diào)節(jié)電抗器繞組抽頭的電抗器。

2) 采用泡沫渣作業(yè)，泡沫渣不僅對促進和提高熱效率有利，但是也因為它是由高熱容量的氣體(氮、一氧化碳氣)形成，所以當(dāng)它們形成等離子氣時，能釋放大量熱能。

3) 在爐料熔化期，在增加電抗的同時，必須提高變壓器二次電壓，使得合成功率因數(shù)保持在0.80～0.85范圍內(nèi)。

4)高阻抗電弧爐運行在較高的功率因數(shù)下，且不產(chǎn)生電壓閃變。這是因為電極和爐料之間保持較長的距離, 它使電弧電壓變化百分數(shù)(ΔU/U)也較小, 因此電壓閃變就減少了。

5)高阻抗電弧爐運行噪音小，這是由于長弧冶煉時弧長變化小, 所以其噪音小。

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High Impedance EAF of Long Arc Operation

Tong Yongbo1Liu Zheng1Luo Yuzhuo1Hua Ai2

(1:Xi’an Taoyuan Metallurgical Equipment Engineering Co. Ltd., Xi’an 710075；2：Xi’an Electric Furnace Research Institute Co. Ltd.， Xi’an 710061)

The high -impedance EAF is a new steelmaking tool, because it has a series of excellent points, such as higher secondary voltage, lower secondary current, higher electric efficiency, higher power factor, higher productivity, lower electric energy and electrode consumption etc. Theoretical foundations of long arc operation for high-impedance EAF were given, while reality comparative data with low impedance EAF and operational effects were introduced too.

High-impedance EAF Long arc operation Reactor

仝永博，男，1974年出生，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)電子技術(shù)和計算機應(yīng)用專業(yè)，學(xué)士，助理工程師，主要從事電弧爐、鋼包爐和VD爐等電氣設(shè)備的研究和設(shè)計工作

TF748.41

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.005

2014-07-18)