仝永博 刘 征 罗玉镯 花 皑

(1:西安桃园冶金设备工程有限公司 陕西西安710075; 2:西安电炉研究所有限公司 陕西西安710061)

采用长弧操作的高阻抗电弧炉

仝永博1①刘 征1罗玉镯1花 皑2

(1:西安桃园冶金设备工程有限公司 陕西西安710075; 2:西安电炉研究所有限公司 陕西西安710061)

高阻抗电弧炉是一种新型炼钢工具，它具有一系列优点，诸如：二次电压高、电弧电流小、电效率高、功率因数高，生产率高、电耗低，电极消耗低等。介绍了高阻抗电弧炉的理论依据、特性、指标等。并且，给出了同低阻抗电弧炉相对比的数据及运行效果。

高阻抗电弧炉 长弧操作 电抗器

为了执行国家能源政策及环保政策，节省能源、减少排放，以及大幅度提高热效率，电弧炉势必需要向大型化发展,但是在已有的交流电弧炉中，由于电炉变压器二次侧载流导体(短网)存在着电阻、电感、集肤效应等参数原因，当设计大型电弧炉时，电流过大，没有大直径石墨电极可以使用(国际上最大直径为φ800mm)，另外电流过大，也使短网中的焦耳热损耗过大，电效率过低，所以传统的交流电弧炉要想向大型化发展，受到了限制。可是，如若采用二次电压高、二次电流小及高效率的的高阻抗电弧炉，则上述问题迎刃而解。

1 高阻抗电弧炉的理论依据

提高变压器二次电压来增加电弧电压和电弧长度，以及利用增加主回路电抗来降低电弧电流的方法可用下列公式来证明[1]4：

P=S·cosφ

(1)

式中P—有功功率，kW；S—视在功率，kVA； cosφ—功率因数。

(2)

式中Ie—电极电流，kA；XOP—运行电抗，mΩ。

(3)

式中Uarc—电弧电压，V；UPH—变压器二次侧相电压，V；R—主回路电阻(不包括电弧电阻)，mΩ。

Larc=Uarc-35

(4)

式中Larc—电弧长度，mm。

Parc=3IeUarc

(5)

式中Parc—电弧功率，MW。

(6)

式中η—电效率，%。

由式(2)可以看出:在功率因数相同的情况下，加大电抗就可以降低电弧电流。由式(3)可以看出:提高变压器二次电压和降低电弧电流，就可以显著地提高电弧电压。从式(6)可得出重要结论, 即在主回路电阻不变的条件下, 提高电弧电压和降低电弧电流可大大地提高电弧炉的效率, 这是高阻抗电弧炉的理论依据。由于高阻抗电弧炉的突出特点是：电弧电压高、电弧电流小，所以，其电效率非常高。通常，大容量高阻抗电弧炉的电效率均能达到0.94以上。综上所述，要想提高生产率及节省电能，必须①输入最大电弧功率；②减少炉子热损失；③减小电弧电流；④缩短熔化时间；⑤减小电气损失功率。就是说：必须减小电弧电流和提高二次电压。

2 电抗器在高阻抗电弧炉中的作用

对于高阻抗电弧炉而言，为了提高电弧稳定性，必须在电炉变压器一次侧附加串联电抗器。电抗器相当于一台能量缓冲器，即相当于一个 “电气大飞轮 ”，它能抑制电弧炉工作时瞬变负荷对供电电网的冲击。增大电弧炉主回路的电抗值具有以下优点：由于电抗器限制和减小了短路电流数值，所以机械设备部件受到的冲击应力和振动都减小了，电气设备部件受到的短路电流冲击也减轻了，减小了对供电电网的干扰冲击(降低闪变)，这是由于电抗器的引入使电弧稳定、连续燃烧，炼钢平稳操作；增大电抗值还能减轻电极升降机构刚性不够所引起的颤振。

提高电弧炉主回路阻抗最经济和最灵活的方法是在变压器一次侧串入电抗器。电抗器可做成带油水强制冷却的紧凑式三相装置, 它可以安装在车间变电所。在国内已有的高阻抗电弧炉中，增加短路电抗的主要方法是在变压器的一次侧加入带固定抽头的串联电抗器，可是，这种方法不能够连续满足冶炼工艺的全部要求，而且必须在断电的情况下才能改变电抗。因此，改变电抗的最有效方法是在变压器的一次侧串入带有有载抽头切换器的电抗器，它能满足整个冶炼期的工艺要求。在熔化初期，为了减小电流冲击，稳定电弧燃烧，而将全部电抗投入，但是当形成了液体熔池后，电弧电流很少波动，电弧燃烧稳定，这时系统根据电弧稳定情况，自动地切除电抗，因为设计者在设计电抗器投入量时，是采用电弧电流波动量大小作为电抗器投入量的信号，从而能自动投入和切除电抗器[3]75。

在长弧操作电弧炉中，串联电抗器的电抗值和二次电压值的合理搭配至关重要，如果串入较大电抗器，较少地提高二次电压，则输入炉中的功率降低，功率因数也过低；如果串入较少电抗器，而二次电压提高得过高，则导致功率因数过高和炉子运行功率大大超过设备允许值，甚至造成设备损坏。那么应当按照什么原则来确定呢？关于提高电炉变压器二次电压和采用高短路电抗来降低电弧电流、电压波动和电磁振动效应，在理论上是：在保持电弧变量(弧流、弧压、电弧功率)不变的条件下，采用提高电炉变压器二次电压的方法来补偿在高压电抗器上产生的电压降，使功率因数保持在合适的范围内(0.8～ 0.85)运行。

按照不同的熔炼期，选择不同的电抗值。图1示出了能够连续改变电抗值的高阻抗电弧炉主回路图，图中真空断路器C作为该电弧炉主断路器，当采用电抗器熔炼时，断路器A关合、断路器B断开。而当不采用电抗器时，此二断路器状态相反。

为了说明不同的系统总电抗对电弧炉操作的影响，表1列出日本钢管厂3台同样电弧炉配备有不同电抗器的例子。A、B为带有不同电抗值的电抗器；C为不带电抗器的参数[3]74。

图2示出了上述A、B、C电弧炉的功率因数和输入功率曲线。

由图2可看出： 3台电弧炉的输入功率相同，采用长弧操作的电弧炉A的电流小得多，电效率也高。

电弧炉A电弧炉B电弧炉C二次电压/V700650550相阻抗/mΩ0.4+j5.00.4+4.00.4+j3.0输入功率最大时的电极电流/kA465263输入功率/MW383838功率因数0.820.830.85电弧长度/mm230190140弧长指数mm/kA5.03.72.2损失功率/MW2.63.14.6

图3示出A、B、C三台电弧炉的电弧长度与电弧电流之间关系曲线。

由图3可以看出：电弧炉A弧长最长，为350mm，电弧炉B为300mm和C为260mm。

3 高阻抗电弧炉的运行优势

1)在过去，由于长电弧操作对炉墙的热辐射太严重，导致炉墙耐火材料寿命太短。但是，随着能包围电弧的泡沫渣的发明和实践，以及水冷炉壁和水冷炉盖的普及应用，使上述弊端得到了彻底消除。所以近十几年来，电炉炼钢行业有一个明显的趋向，就是电炉炼钢采用长电弧、高电压操作。在一些欧洲国家，如法国和德国高阻抗电弧炉的二次最高线电压都达到1000V～1200V，而英国有1200V的高阻抗电弧炉正在运行中[3]75。

2)表2示出了以日本钢管的2台电弧炉和西马格公司的2台电弧炉改造为例，说明长弧操作的优越性[1]4，[5]170。

图2 功率因数和输入功率曲线

图3 A,B,C三台电弧炉的弧长对弧流曲线

3)由表2可看出：电弧炉A改造成长弧操作之后，电能消耗降低20kWh/t；电极消耗降低0.35kg/t，出钢到出钢时间降低10min；电弧炉B改造成长弧操作之后，电能消耗降低20kWh/t；电极消耗降低0.4kg/t； 出钢到出钢时间，降低10min。电弧炉C改造成长弧操作之后，电能消耗降低220kWh/t；电极消耗降低3.8kg/t； 出钢到出钢时间降低99min。

4)综上所述，长弧操作具有以下主要优势：

(1)工作短路现象非常少，甚至没有：这是由于长弧操作热辐射强度非常高，在电极穿井后，形成较大熔池，很少有炉料塌陷，撞断电极现象。

(2)输入炉中的有功功率提高：由于电弧电压高，电弧电流小，与电弧电流呈平方关系的主回路功率损失小，电效率提高，所以有功功率提高。在较高的功率因数下运行,就不需要装设大量的补偿电容器。 另外由于电弧稳定，也绝对不需要装设 SV C 装置, 因而节省了大量附加投资。

表2 日本钢管的2台电弧炉和西马格2台电弧炉改造前后指标对比

(3)石墨电极消耗减少： 众所周知，电极消耗由端部消耗和侧面消耗构成，端部消耗与电流大小有关；电极消耗紧紧地与电极电流和通电时间有关。因此，采用低电流的长弧操作对节省电极消耗是非常有利的。在熔化初期，当电炉变压器二次电压由 700 V提高到1kV时，由于保持电弧功率不变，电弧电流降低30%，电极消耗量减少50%左右。

(4)电弧噪音小：这是因为电弧噪音的产生是由电弧直径变化引起的，而电弧直径又与电弧长度有固定的函数关系。另外由于长弧操作时电弧很长，所以弧长变化的百分数就相对减小了，则电弧直径变化也相对减小了，因此，电弧噪声减小了。

4 高阻抗电弧炉的电弧特性

不同电弧长度的电弧伏安特性示于图4。

图4 不同电弧长度的电弧伏安特性

近年来，随着高阻抗电弧炉的问世，一些新的概念也相继出现，例如电弧长度指数γ，它是被用来衡量是否高阻抗电弧炉的指标参数。首先，电弧电压UARC由等离子区压降、阴极区压降、阳极区压降组成，即：

UARC=(UA+UANOD+UCATH)

式中LARC—电弧长度，mm；UARC—电弧电压，V；UA—阳极区压降，V；UCATH—阴极区压降，V；UANOD—等离子区压降。

电弧长度指数γ是指电弧长度LARC与电弧电流IARC的比值，其表达式为：

γ=LARC/IARC

(8)

式中γ—电弧长度指数；LARC—电弧长度，mm；IARC—电弧电流，kA。

根据国外试验数据得出：电弧炉的电弧长度指数γ分为如下三区，如表3所示。

表3 不同电弧长度的电弧长度指数γ

表2中电弧炉A改造后的高阻抗电弧炉的电弧长度指数γ=360/48=7，为长弧；

电弧炉B改造后的高阻抗电弧炉的电弧长度指数γ=320/35=9，为长弧；

电弧炉C改造后的高阻抗电弧炉的电弧长度指数γ=500/48=10.4，为长弧；

电弧炉D改造后的高阻抗电弧炉的电弧长度指数γ=350/26.9=13，为长弧。

综上所述：高阻抗电弧炉的基本原理是依靠大幅度提高变压器二次电压来增加电弧功率和提高功率因数，依靠串联电抗器来稳定电弧和限制短路电流，依靠提高电效率来降低电耗和提高生产率。长弧操作的高阻抗电弧炉在国内外的许多钢厂已经开始实践运行，运行证明了其科学性和合理性, 并产生了巨大的经济效益。 但是就其开发年代来说, 它仍然是处于初期阶段, 它的卓著成效的潜在优势还远远没有完全发挥出来。有鉴于此,选择从事高阻抗电弧炉方面研究和开发工作，无疑是最有前途的课题。

5 结论

1) 为了提高熔化速率，必须采用长弧操作、尽量提高二次电压，并在变压器一次侧串联带有有载调节电抗器绕组抽头的电抗器。

2) 采用泡沫渣作业，泡沫渣不仅对促进和提高热效率有利，但是也因为它是由高热容量的气体(氮、一氧化碳气)形成，所以当它们形成等离子气时，能释放大量热能。

3) 在炉料熔化期，在增加电抗的同时，必须提高变压器二次电压，使得合成功率因数保持在0.80～0.85范围内。

4)高阻抗电弧炉运行在较高的功率因数下，且不产生电压闪变。这是因为电极和炉料之间保持较长的距离, 它使电弧电压变化百分数(ΔU/U)也较小, 因此电压闪变就减少了。

5)高阻抗电弧炉运行噪音小，这是由于长弧冶炼时弧长变化小, 所以其噪音小。

[1]PEDRO B.The High-impedance Arc Furnace: A New High-efficiency Tool for Steelmaking[A]. Special Reprint Presented on the 4th European Electric Steel Congress[C]. Madrid (Spain),1999, 3-6.

[2]KJELL B,PETER S,MARCO B.The High-impedance Arc Furnace Using Low Costs Operation[J]. DANIELI CENTRO MET. INFORMATION, 2001(1):1-16.

[3]MIYASHITA T.Experience of Long Arc Operation for EAF.[C]. XVI International Congress Proceedings.Krakow Poland, May, 9-21, 2008, p.73-76.

[4]Manfred Bock. Long Arc Operation[A]. Electrical Furnace Conference Proceedings[C]. USA:Pittsburgh, 2002: 37-45.

[5]NORMAN G.Improvements in Arc Furnace Electrical Efficiency[A]. Electrical Furnace Conference Proceedings[C], USA: Pittsburgh, 2002:169-173.

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，毕业于西安电子科技大学电子技术和计算机应用专业，学士，助理工程师，主要从事电弧炉、钢包炉和VD炉等电气设备的研究和设计工作

TF748.41

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.005

2014-07-18)