电弧炉和感应电炉

4电弧炉1分类电弧炉分为电弧－热阴极发射电子所激起的气体电离（包括金属蒸汽）的导电现象。间接—电弧在两电极之间，主要用于铜和铜合金的熔炼，但由于噪声大，熔炼质量差。（淘汰）直接—电弧在电极与物料之间三相交流炼钢直流电弧炉真空自耗炉埋弧炉气体电离产生等离子2直流电弧的伏安特性（1）电弧电压一定的供电电压维持电弧外加适当的电阻如图示：维持电弧所需的电压正离子负离子(V)(4-3)ckaAUUUUUa－阳极压降；Uk－阴极压降；Uc－弧柱电压。Ua与Uk与电极材料、极间气体有关，当材料和极间气体一定则弧柱电阻Rc、压降U为分析：Uc－弧柱压降，随I变化；γc－电弧的电导率，I，温度T弧，电离度，γc（但增长率随I而减小，因T弧，散热温升慢）。aconstUUkacccccccccAlIIRUAlR；Ac－电弧的截面积，I，Ac（但Ac最大值接近电极截面随着I，受电磁力的压缩作用，Ac又。Rc－弧阻随电流变化，I，Rc，即非线性负特性电阻，但I，γc，Ac，Rc趋于稳定。所以熔化期，Im4(最小耗电电流）小，T弧，Rc不稳定；精练期，Im2（最大电弧功率电流）大，T弧，Rc稳定。电源电压UR－电路电阻：优点：①限流（当电极与钢夜短路时，IR起限流作用）；②稳定电弧工作点。)(RRIaUUUUUclcka(V)(4-4)缺点：耗电，尽量小；（2）直流电弧静态伏安特性指电弧稳定时（弧长不变）弧压与弧流的关系。下图是在改变电路电阻R，得到UA与I的关系。1点－燃弧最小电流；UR＝IR－电路电阻压降，调节器作用；1-2段－I，UA，电流不大时，随着I，弧温度T弧，γc、Ac，Uc；2-3段－I，γc，而Ac，Uc变化不大；3-4段－I，γc因T弧，散热，变化不大，Ac因压缩性有限，变化不大，故γc、Ac趋于定值，Uc。ccccAlIU改变弧长，得到不同弧长l1、l2、l3l，曲线上移，a左移，b右移，电弧电流区Ia－Ib缩小。维持长弧所需能量（P＝UI，即I，U，故b左移，a右移）l，凹度减小，即长弧的功率随电流变化小（因长弧的散热能力，长弧的温度随电流变化较小,γc变化小Ac变化小，则弧压UA的变化减弱）每个曲线上只有一点电弧是稳定的，P1、P2、P3是工作点。ccccAlIU（3）电弧工作点（参看图4-4，cd为短网的伏安特性线）IR－电路电阻压降；Ue－电极电压；静态工作点－短网的伏安特性曲线与静态特性曲线交点P为工作点。静态工作点三要素：弧长lc、弧压Uc、弧流Ic，(由三要素决定炉子功率。)首先确定lc（lc，弧不稳，弧光暴露，炉衬寿命；lc，功率不足，易短路）；IRUUe(V)(4-5)其次确定Uc、Ic，在上升段上，P。电弧电压UA＝电极电压Ue，是平衡值。则对应于该点的功率稳定。（例在P的左边某点，则UeUA，电压过剩△U，△U促使I，直到P点停止）分析：①电弧炉的伏安特性取决于炉子构造（如多大容量的炉子）、物料和炉中气氛，不随工作电压和外电阻改变）；②工作电压和外电阻可根据需要选定或调整；③工作电压一定时，改变弧长，则改变静态工作点；④电弧炉在伏安特性曲线的上升段工作；⑤电弧电压可近似为a－取决于电极材料，由实验定，a＝Ua＋Uk；b－单位弧长压降，V/mm。（4）直流电弧炉构造及特点特点：电弧稳定，电流的方向始终一致；一根电极，对炉衬的烧损比三根小；电极调节器只有一个，维修容易，成本短网的XL＝0;石墨电极只有一根，消耗减少50%。blaUA（5）直流电弧炉的主电路图电源：二极管整流与多档变压器配合（价廉)可控硅整流（无级调压）主要电器：电炉变压器、整流设备、直流电抗器、电炉控制系统及调节器等。线路特点：①副边两绕组，一个△接，一个Y接，△Y并联，减少供电电流波形畸变，消除三次谐波。②在短路时，电抗器起限流作用。4.2交流电弧炉电热理论优点：①能量集中，熔池表面功率达560～1200kW/m2，电弧温度达3000℃以上。②工艺灵活性大，能有效地去除硫、磷等杂质，温控方便。③与转炉比，可全部以废钢为炉料。④生产率高（熔炼电耗350～600kWh/t)。⑤占地面积小，投资费用少。缺点：①烟尘多，吨钢落灰2.5～8kg。②噪声大，达90～120dB。③电弧闪烁干扰电网。1交流电弧（直流电弧的形成与结构规律对交流也适用，但也有特殊规律）瞬时电流随时间变化瞬时功率随时间变化（1）单相电弧，无XL、XC时假设：①电源电压按正弦曲线规律变化；②电路中无XL、XC；③电弧电压稳定。则交流电弧的规律如图示：电源瞬时电压：可能不连续燃弧fUumm2sinUsin电弧电流iA随电源电压u变化；τ1时间内iA=0，因u＜UA；电弧熄灭，τ1电弧不稳定；在半周时间内，熄弧时间为2τ1（）τ1取决于f、Um、UA；f，Um，UA，τ1电弧越不连续。长弧时，UA，τ1，弧不稳定。（2）单相电弧，有XL时有XL，电压超前角，角足够时，电弧连续。RiUUuAAmsinAmUU1sinmAUUf11sin12τ=0，iA=0，，如果，电弧连续（起弧)时，电感元件释放电能，电弧仍存在。单相电弧连续不断的条件之一是：相位差角不宜过大，以免过份降低电路的功率因数。)sin(mUusinmUuAmUUsin0)sin(mUuAmUUsinmAUU1sin（3）XLR的电弧电路（XL4R，实际情况，忽略R）由图4-8知，使电弧连续不断的另一个条件，是仅仅在时间τ=/时，电弧电流为0，因此对比值UA/Um有所限制在第一个半周未了，ωτ=π，若iA=0，则上式简化为或单相电弧连续不断的条件之二是：或(4-9)dd)sin(AAmiLUUd])sin([10AmAUULi])cos(cos[1AmmAUUULicos2mAUUmAUU2cosmAUU2cosmAUU2cos1-＝0～90，cos＝1～0，则UA/Um＝0～0.637。由（2）、（3）知（只要XL4R），则得到cos≤0.844；≥32.5这个结论只适用于XL4R，可适用于实际的单相电弧炉对于三相电弧炉，由于相间存在互感，电弧的连续性加强，则UA/Um比值提高到0.6，则使三相电弧连续不断的条件：cos≤0.94;≥19.52cos1sin537.0)2(12mAmAUUUU（4）电弧力与电弧偏转①电弧是一个载流导电气体，，将受电磁力的作用，其大小和方向符合安培定律；②电弧建立了磁场，则弧柱上受到指向轴线的径向电动力，压缩电弧，这个径向电动力在轴向传开，转变成指向电极下放的冲力，使熔池处形成凹面。③当电弧一侧出现铁磁体时，电弧将偏向铁磁体；④三相电弧炉中，每相电弧受其它两电弧所建磁场的影响，电弧倾斜，偏向炉衬，这种现象为电弧外吹（易使炉壁过热损坏）。2炉膛传热电弧炉炉膛中热交换是电弧、炉料和炉衬(包括炉壁和炉顶)，三者共同构成一个封闭体系。电弧炉炉膛热交换极其复杂，以辐射传热为主。①电弧熔池；②电弧炉衬；③炉衬熔池液面；④炉衬炉衬；⑤熔池炉衬；⑥熔池表面向钢液中的传导对流；⑦炉衬、炉门、水冷件的散热。3交流电弧炉的电热特性电弧炉电热特性参数：P0、Pa、Ph、Ps、cosφ、ηe、Re在工作电压给定时，这些参数随工作电流变化的规律（关系曲线）叫做电弧炉的电热特性。它是制定炉子合理电热制度的重要依据。（1）等效电路及电热特性等效转换－指把某一组件从一回路合并到另一回路后，它的用电功率不变。例如：原级回路中的R1的功率：R1－变压器原侧短网电阻合并到副级回路的功率：R1*－等效转换后原侧短网等效电阻121RUP122RUP因则转换系数Ib＝0，R0、X0可以认为是开路的，则等效简化电路如上图则其中一相的总电阻（考虑原级和副级）其它的电参数为电路阻抗PP11212*1)/(kRRUUR212)/(UUk**12rBRRRRR**12rBXXXXX22XRzs电炉阻抗短路电流A(U为相电压)工作电流A视在功率kVA无功功率kvar电路损失kW电弧功率kW有功功率kW电弧电压V功率因数)(22XRRzAsszUI/zUI/30103UIP32103XIPr32103RIPR32223210)(3103IIRXIURIPAA3222220103IXIUPPPPPrRAaIRXIUIPUAA22233/)10(20)(1/cosUIXPPa电效率耐火材料磨损指数MWV/m2l―电极中心至炉墙下端的距离，m。Re420MWV/m2最小电耗的工作电流kAPg－电弧炉固定热损失，指不随电流改变的炉体中发生的热损失，如炉体散热、炉门炉孔及水冷件散热等，kW。2221/XIUIRPPaAe322222210)(3RelIRXIUIlUPAA22min/2/31UXPRIg注：上表中电抗X的取值对计算结果有影响，它是当电流为正弦波时的理论值，由短路实验测出的，但实际生产时，电弧闪烁，电流不是正弦波，发生畸变，所以电路实际电抗值为：（k的取值见表）k1（2）电热特性曲线kXX*I，cosφ,ηePa、PA、ηet是抛物线规律，存在最大值。假设三相功率平衡，分析几个特殊点：①最大有功功率每相有功功率对电流I求导最大有功功率电流最大有功功率）（W)(22IXUIPa0)(2)2()(d/d22222IXUIXIIXUIPaXUIm21(A)(4-19）32102XUPam(kW)(4-20)它的功率因数②最大电弧功率令最大电弧功率电流最大电弧功率707.021)(cos22121UXIUmm）（）（－kW10)(322IIRIXUPA22XRzs0/dIdPA)(122RzzUIssm321012RzUPsAm(A)(4-21)(kW)(4-22)功率因数③最大烧损指数所对应的电流令功率因数④最小电耗工作电流（对应于最大电热效率的电流）供入炉体的电热功率)1(21cos2smzR(4-23)]7281)96[(18122223XRRRXXzUIsm（A）(4-24)3232322310])([RIXIUlIRmmmem(MWV/m2）（4-25)232)(1cosXIUUmG－生产率，kg/h；Bu－获得单位产品的有效热，Wh/kg；Bs－工艺热损失，即与物料熔炼相关的热损失，如炉渣带走的热，Wh/kg；Bq－其他热源供热，如可燃物燃烧放热，Wh/kg；Pg－与炉子是否熔炼无关的热损失，例如炉体向大气的散热、水冷件的散热，称为炉体的固定热损失，W。(W))(gqsuAPBBBGP)1(AgAuqsugAAuAutPPKPBBBBPPPBGPP其中工艺系数令最小电耗工作电流（3）合理供电制度－是确定熔炼各期的工作电压和工作电流工作电压U＝UA＋UdqsuuBBBBk])(3)(1[)(2222IXUIPIXUIRKPPKgageteet0ddIet24)(231UXPRIgm(A)(4-27)反应工艺条件对热效率的影响电弧电压UA=a+bl短网电压Ud＝UR＋UXL（UR尽量小，UXL适当）合理的标志ηe趋近0.95cosφ=0.8左右工作电流：在满足工艺的条件下依据Im2、Im4，在Im2～Im4熔炼期－耗电多Im4（最小耗电工作电流）精炼期－耗电小Im2（