交流电弧炉的设计特点
交流电弧炉的设计特点
炼钢用电弧炉（EAF）向炉料施加大电流和低压电能，从而将其熔化和精炼。电弧炉是一种间歇式炉，由一个内衬耐火材料的容器组成，该容器覆盖有一个可伸缩的顶部，电极通过该顶部进入熔炉。典型交流电弧炉的一般特征如图1所示。
图 1 交流电弧炉的一般特征
电弧炉有一个大碗形主体和一个碟形炉膛。外壳内部有耐火衬里。炉子的反应室由一个可拆卸的顶盖从上面覆盖，该顶盖由顶环固定的耐火砖制成。它采用三相交流电（AC）供电，具有三个石墨电极，通过柔性电缆和水冷铜管连接。
近年来，电弧炉的设计发生了很大变化。重点放在了制造更大的熔炉、提高熔炉的功率输入率和提高熔炉移动的速度上，以尽量减少熔炉操作中的断电时间。
配备电弧炉的现代炼钢车间通常采用夹层炉安装。在这种类型的安装中，熔炉位于车间上方的上层。炉子支撑在一个平台上，该平台可以采用多种不同的配置。在半平台配置中，电极柱支架和屋顶升降龙门在操作和攻丝期间铰接在可倾斜平台上。装炉时，整个组件被提升并旋转。这种设计允许最短的电极臂配置。在全平台设计中，电极柱支撑和顶板升降组件完全支撑在平台上
EAF 的不同组件分为以下功能组：(i) 用于容纳废钢和钢水的炉子结构，(ii) 允许炉子及其主要结构件移动的组件，(iii) 支持供应的组件EAF 的电力，以及 (iv) 可能驻留在炉子上或其外围的辅助工艺设备。
熔炉结构
电弧炉呈圆柱形。它的底部由一个球形的底碟组成。位于其顶部的外壳是圆柱形的，炉顶是扁平的球体。炉底位于一个摇臂上，该摇臂有一个带有齿轮齿的弯曲段。该部分位于轨道上。随着倾斜油缸的伸出，炉子向前摆动以出炉。出炉排渣时，炉子后倾，倾缸完全收缩。
如今的电弧炉采用分壳式结构。在这种结构中，炉壳的上部可以快速地从底部分离和移除。这极大地减少了更换顶壳期间的停机时间。拆下顶壳后，炉底也能很快换掉。
渣线上方的炉壁通常由水冷板组成。这些面板挂在一个支撑它们的水冷笼子上。水冷板允许非常大的热量输入到炉子中，而不会损坏炉子结构。对面板寿命有很大影响的参数包括水量和水质、水流速和速度、进水压力和面板上的压降、管道/面板结构材料和管道直径。水冷板需要承受高热负荷和机械负荷。
炉顶是圆顶形或类似于浅锥形截面，这在现代实践中使用的水冷屋顶更为常见。屋顶由一个水冷屋顶环组成，该环形成屋顶笼的外周。这个笼子作为屋顶升降结构的一部分。水冷面板被插入这个笼子，并在中心有一个圆柱形开口。插入耐火 delta 部分以填充该开口。该三角形部分在电极周围具有最小的开口，而不会在电极和水冷面板之间产生电弧。整个炉顶从顶升柱悬挑出来。通常，屋顶和电极支架可以一起或独立旋转。电极行程允许电极旋转，顶部放置在炉壳上，这样可以在不拆除顶部的情况下拆卸和更换三角区。通常，对于全平台设计，采用带有枢轴轴承、转向架轮和龙门臂的旋转支架。对于较大的炉子，使用屋顶升降龙门。
炉底由钢壳和几层耐火材料组成。炉底由球形板段组成。这部分是耐火衬里，衬里通常由安全衬里和顶部的夯实工作衬里组成。在熔炉底部安装气体搅拌元件的熔炉中，在安装砖安全衬里时会安装特殊的口袋块。或者，将搅拌元件降低到位并在其周围夯实耐火材料。炉底还包含出钢机构。
通常为熔炉操作提供几个开口。最明显的是三个电极端口，允许电极通过顶部进入炉内。此外，在炉顶上还设有第四个孔，以便抽出炉烟。出于多种原因，可以设置第五个孔，例如连续 DRI/HBI 进料、煤喷射或石灰喷射。这些孔在炉子的高处，因此不会像较低的开口那样影响空气渗入炉子。炉内下部开口包括装满沙子的出铁口和渣门。最初提供渣门是为了将渣从熔炉中倒出。在现代熔炉中，它还用于为富氧燃烧器和氧气枪提供进入熔炉的通道。通常还围绕炉壳的圆周提供几个用于燃烧器的端口。有时，可以在炉子侧壁的高处设置一个开口，以允许水冷脱碳喷枪进入炉子。其他开口可以设置在炉侧壁的低处或实际上在炉膛中，以允许注入惰性气体、氧气、石灰或碳。
炉运动
对于 EAF 操作，有必要移动几个炉子组件。移动的典型要求包括炉顶升高/旋转以允许装废料、电极升高/降低和摆动以允许废料装料、电极升高/降低以进行电弧调节、炉子向前倾斜以进行出钢、渣门向上/向下以进行除渣操作，炉子向后倾斜以去除渣，电极夹紧/松开以调整电极的工作长度，以及任何辅助系统（例如燃烧器喷枪）的移动。
电弧炉倾斜用于出钢和除渣。在出炉过程中，最大前倾角取决于炉底的类型。对于传统的喷口出钢，需要倾斜 45 度角才能完全出炉。对于底部出钢炉，最大倾斜角通常为 15 至 20 度。无渣出钢的一个重要要求是，一旦炉渣开始进入钢包，炉子就可以迅速向后倾斜。典型的最大前倾速度为每秒 1 度，后倾速度为每秒 3 到 4 度。
通常，炉子的运动是使用提供动力的中央液压系统进行的。液压系统由中央油箱、过滤器、蓄能器、液压阀和液压管道组成。当液压流体在给定回路内沿两个方向之一通过阀时，液压缸伸展或收缩以提供各种机械部件的运动。如果回路内没有足够的流体流量和压力，就不可能进行运动。因此，诸如低液位、低蓄能器压力、系统泄漏、过热导致的流体退化、阀门或液压管路中的固体堆积以及机械部件磨损等问题都可能导致系统性能不佳，在某些情况下还会导致系统故障。
炉子冷却水系统
冷却水系统是电弧炉运行的重要组成部分。有几种冷却系统。一些操作，如变压器冷却、三角形闭合冷却、母线管冷却和电极夹持器冷却，需要非常干净、高质量的冷却水。这些系统通常由一个闭环回路组成，该回路通过这些敏感的设备引导水。闭环回路中的水通过热交换器带走热量。热交换器开环侧的回路通常流向冷却塔进行能量耗散。其他水冷元件，例如炉侧板、顶板、废气系统管道、炉笼等，通常从冷却塔接收冷却水。
冷却回路通常由供应泵、回流泵、过滤器、冷却塔单元和流量监测仪表组成。敏感设备通常安装有用于测量和监测冷却水流量和温度的仪器。在水冷设备的情况下，流量中断或水量不足会导致严重的热过载，在某些情况下会导致灾难性故障。
润滑系统
通常电弧炉具有自动润滑系统，该系统根据加热过程中发生的各种操作为不同的运动部件提供润滑。例如，在敲击后，每三次屋顶摆动就润滑一些部件。滚动轴承等一些部件对炉子的运行至关重要，需要定期手动润滑。一些难以到达的位置使用管道和远程块进行维修。
辅助系统
EAF 有几个辅助系统，这些辅助系统对炉子的操作和性能是不可或缺的。这些系统如下所述。
- 氧枪系统 - 过去，电弧炉中氧气的使用量显着增加。过去，当每吨钢的耗氧量低于 10 立方米时，通常使用消耗性管道喷枪手动进行喷枪操作。现代电弧炉使用自动喷枪，许多设施现在使用非消耗性水冷喷枪将氧气注入钢中。其中许多喷枪还具有注入碳的能力。
- 碳喷射系统 - 现代电弧炉通常具有碳喷射设施。碳对于熔渣发泡操作至关重要，而这对于高功率熔炉操作来说是必不可少的。
- 富氧燃烧器系统 - 富氧燃烧器现在几乎是大型高功率熔炉的标准设备。它们通过确保冷点中的废料快速熔化并确保将废料塌陷保持在最低限度以最大程度地减少电极破损来提供重要功能。在大直径熔炉中，氧燃料燃烧器对于确保均匀熔化至关重要。燃烧器最大的维护问题是确保它们不会被金属或熔渣堵塞。燃烧器安装在浴缸上越近，在低火模式下被堵塞的风险就越大。一些燃烧器直接安装在水冷面板中，而另一些则安装在铜块中。如果燃烧器以高速率燃烧大块废料，火焰可能会吹回炉壳，损坏水冷面板。因此，要检查燃烧器端口周围的面板区域是否有磨损。
- 电极喷雾冷却系统 – 电极通常具有喷雾冷却系统以减少电极氧化。喷水环将水喷射到电极夹下方的电极上，水顺着电极流下，从而冷却电极。喷雾环可以将整体电极消耗降低 10 % 到 20 %。喷雾冷却还提高了电极架寿命和周围绝缘。由于电极辐射减少，电源线、空气软管和液压软管的寿命也得到了提高。
- 温度采样系统 - 用于温度测量的一次性热电偶是在整个热量跟踪过程中不可或缺的一部分。一次性探头也用于跟踪钢中的浴碳含量和溶解氧水平。一次性探头通常安装在纸板套筒中，纸板套筒滑到具有内部电触点的钢探头（杆）上。一次性探头将电信号传输到钢杆，钢杆又将信号传输到电子单元进行解释。几乎所有探头都依赖准确的温度测量来精确计算碳或氧含量。
- 废气排放系统 - 早期安装了废气排放系统，以帮助熔炉操作员了解熔炉内部和周围发生的情况。从那时起，废气系统有了长足的发展，许多现代电弧炉车间现在使用第四个孔作为直接炉壳抽空系统 (DES)。 DES 系统由水冷管道、喷雾冷却、干管道和通常专用的增压风扇组成。足够的通风对于提供充分的污染控制是必要的。过量的车间排放给起重机操作员在装炉期间造成困难。电极端口周围的过量排放物除了加速电极磨损外，还会导致软管、电缆、电极支架、炉三角、屋顶耐火材料和电极喷雾冷却器的损坏。过多的灰尘积聚也会导致电极相之间产生电弧。顶环处的排放物可能导致顶环结构翘曲。向二级顶篷系统排放过多的一氧化碳可能会导致下游管道系统发生爆炸。
电气系统
电弧炉车间的电气系统通常由一个主系统组成，该系统由一个院子降压变压器组成，该变压器从电网接收电力，在降压到电弧炉变压器后馈电。一次系统的主断路器将 EAF 的电气系统与电网隔离。在一次电气系统的二次侧，通常提供一个真空开关和电动断路器，以将二次炉变压器与一次电源隔离。
真空开关是一种长寿命开关，允许在负载或空载时断开次级电路。真空开关的额定寿命通常为 40,000 次或四年，但通常此类开关的使用寿命为 200,000 次而无需维护。真空开关失效的主要原因是金属波纹管，它被封闭在真空中，用于为移动触点提供密封。一旦该密封件开始磨损，就会发生真空泄漏，从而难以将主电源与次级电源充分隔离。
电动断路开关通常是电动刀闸开关，它能够将 EAF 与主电源物理隔离。当炉子没有负载（真空开关打开，电极抬起）时，刀开关会缩回，这样开关两侧的刀片之间就不会发生电弧。
电炉变压器
电弧炉变压器接收初级低电流、高压电源并将其转换为用于电弧炉的高电流、低压电源。电弧炉的可靠运行完全依赖于电弧炉变压器的可靠运行。
将来自电网的 kV 级功率转换为 EAF 所需的电压级通常分两个阶段完成。第一个变压器（有时是两个并联的变压器）将电压从高压线路逐步降低到中压水平（通常为 33 kV）。通过 33 kV 母线，电弧炉由特殊的重型炉变压器供电。该炉变压器的次级电压设计为允许电弧在所需的电弧电压和电流范围内运行。由于通过热量对电弧电压/电流组合有不同的要求，因此有必要选择次级电压。为此，炉子变压器配备了一个分接开关。
分接开关的目的是允许为不同的加热阶段选择不同的电压和电流组合。这是通过改变初级线圈的匝数来实现的（初级需要较低的电流，因此改变这个线圈的匝数比改变高电流的次级线圈更简单）。基本上，分接开关采用电动触点盒的形式，将初级电流切换到铁芯周围线圈的不同部分。大多数分接开关设计为“带载”运行。 “先通后断”触点运动通常用于避免电流中断。这些触点会因电弧而受到严重腐蚀，因此需要进行预防性维护。
次级电路
电弧炉电气系统的二次回路由以下五个主要部件组成。
- 三角形闭合 - 电弧炉变压器的次级电路终止于低压套管，这些套管连接到三角形闭合，三角形闭合由一系列铜板、铜管或两者组成。这些布置使得变压器的次级绕组连接起来形成闭合电路。大多数设备位于变压器室内，以确保安全、清洁的环境。三角形封闭件穿过与 EAF 相邻的房间的墙壁，并提供连接器以连接到炉子电源电缆的一端；另一端连接到熔炉的导电臂或母线。总线系统通常由变压器室墙壁支撑，不锈钢吊架悬挂在房间天花板上。用于辅助母线或三角封闭的悬挂系统经常用干燥的木材支撑在房间墙壁上。二次母线系统和三角形闭合是绝缘的，以防止相与相之间以及相与地之间产生电弧，尤其是在支撑构件处。
- 电源线 - 水冷炉电源线在二次回路中提供唯一的柔性连接。这些电缆必须是柔性的，以允许电极臂上下移动，并允许在炉子装料时摆动电极臂和顶部。位于变压器室外部的三角形接线盒的连接是镀银的，以便为电源线提供干净的接触。电力电缆由形成圆柱形结构的铜线绞合组成，该结构焊接到电缆两端的铜端子上。围绕电缆外部的橡胶护套允许电缆冷却水。使用不锈钢夹、硫化保险杠或防擦伤软管将橡胶软管连接在电缆的任一端。冷却水软管覆盖有保护套管，该套管可以由玻璃纤维、硫化材料和硅或铝玻璃纤维套管制成。随着电缆设计的进步，人们注意到由于交流操作典型的“趋肤效应”，电流主要由铜绞线的外部承载。因此，中心股线被替换为空心橡胶管，从而减少了电缆重量、电抗和电缆成本。后来，一些操作也使用此内部通道进行水冷。
- 母线/导电臂 - 电极臂和母线组件有多种设计。许多较旧的熔炉使用支撑电绝缘母线的臂结构。母线提供电力电缆和电极夹持器之间的电气连接，通常由刚性圆形铜管组成。通常，母线管由螺栓连接支撑。母线管和支撑构件之间需要良好的绝缘，以确保不会发生电弧放电。母线管通常使用可拆卸的制造铜端子板和焊盘连接到电力电缆。有几种配置可用于电极支架和接触垫处的母线管端接。这些包括与接触垫的法兰连接、与管子连接以与支架平行连接的扁平刀片以及与连接器的圆形铜管接触点。母线管可以用螺栓固定到支架或接触垫上，或者可以使用熔断的永久接头。许多现代熔炉使用导电臂，其中臂本身将电流传输到电极支架和接触垫。导电臂通常由铜包钢或铝合金制成。
- 电极头/接触垫 - 电极头和接触垫提供电源和石墨电极之间的最终连接。它们暴露在极端机械条件（振动、扭转等）和热循环中，因此是次级电路中最薄弱的环节。电极支架由铜板铸造或制造。接触垫更小，仅包含电极接触区域。为了防止电极和接触区域之间产生电弧，必须正确夹紧。该区域积聚的任何污垢都会导致电流阻力和过热，并损坏电极支架/接触垫。
- 电极调节 - 电极/臂/桅杆/电缆组件非常重，并且通常通过集成在桅杆中的液压缸进行垂直移动以进行控制。由于电弧长度取决于电极下方不断变化的废料或液体水平，因此有必要对电极位置进行自动控制，称为调节系统。调节系统影响熔炉性能的许多重要方面，例如能量输入、平均电流、电弧稳定性、废料熔化模式、水冷板的能量损失以及能量、电极和耐火材料的消耗。所有这些参数都以复杂的方式相互关联。电信号的公认标准处理是形成“阻抗控制”。这种方法试图保持电压与电流的比率恒定。从相到地获取的电压信号和电流信号分别进行整流，并“背靠背”比较它们的直流值。如果电压和电流均处于所需水平（设定点，由 EAF 的操作员选择），则来自该信号比较的输出被安排为零。然而，如果电流超过这个水平，它的信号会增加，同时电压会降低。则两个背靠背电压不平衡，产生输出电压。该信号以命令电极升高的方式进入调节阀，旨在降低电流。
- 电极 - 电极是电弧炉电路中最重要的元件。电极以电极和炉料之间的电弧形式向炉子供电。电弧本身是温度高于 3300 摄氏度的热离子气体等离子体。石墨电极由细碎的煅烧石油焦与约 30% 的煤焦油沥青混合而成的混合物作为粘合剂，外加专有的添加剂每个制造商。这种混合物在大约 105 摄氏度的温度下被挤压形成一个称为“绿色电极”的圆柱形棒。然后将生电极在还原气氛中以约 1000 摄氏度的温度进行受控烘烤，并再次用沥青浸渍以增加其强度和密度并降低电阻率。然后通过将电流通过电极并将其加热至约2750摄氏度的温度将无定形碳转化为结晶石墨，从而使电极石墨化。石墨化消耗大约3000至5000kWh/吨电极的功率。最终产品坚固且致密，电阻率低。最后将电极加工成最终形状。电极的每一端都有一个加工螺纹的凹槽。这些用于接受以相同方式制造的螺纹接头，以便电极柱可以在消耗时加长。正常的电极消耗是通过氧化和尖端升华，连接接头周围会丢失一些小碎片。由于炉内废料塌陷或电极压入炉料中造成的机械破损，也有相当一部分损失。
制造工艺