宝钢超高功率直流电弧炉整流器改造优化

宝钢超高功率直流电弧炉整流器改造优化
摘要：文章首先介绍了国内外在整流器设计上取得的成果及存在的缺陷。

以宝钢原整流器系统情况为切入点介绍了主要技术参数、圆盘式框架设计框架结构及冷却水系统主要设计指标。

然后说明了虽然从2000年开始对冷却系统进行了一系列技术改造，取得了一定的成效，但是电炉整流器自从1996年投运以来也存在一些缺陷，例如整流器设计裕量偏低、均流的影响、冷却能力偏低以及环境的影响。

当前整流器存在的主要问题是框架变形、均流无法保证、冷却管道时常堵塞。

最后分析了整流器的改造、主要技术要求及取得的主要成果。

目前整流器的改造运行正常可靠，彻底解决了多年无法解决重大事故隐患问题，提高了设备的可靠性，保证了电炉生产安全正常运行。

这些新技术将在今后的工程中广泛使用并且为国产化直流电弧炉提供了有力的帮助。

关键词：整流器；框架；均流；冷却系统
电炉炼钢的主原料主要是废钢，占60%以上，并可以全废钢冶炼，在冶炼初期（引弧阶段），电弧经常会出现瞬间的短路及断路，形成的电动力对整流器框架产生强大的振动冲击，容易引起整流器框架变形损坏。

因此，国外制造的超高功率直流电弧炉专用整流器都是以框架结构稳定性为基础的，目前国内研制最大仅只用到60 t直流电弧炉上，尚无制造60 t以上直流电弧炉用整流器的先例。

国外制造的电炉用整流器在框架结构设计方面有两个显著的特点：一是整流器框架采用开放式自支撑式设计，如苏钢100 t的直流炉引进的SIEMENS整流器；二是整流器框架采用开放的大圆盘式设计，如宝钢150 t与杭钢80 t直流电弧炉引进的GE整流器。

虽然两种框架结构设计出发点都是从整流器安全、可靠运行角度考虑的，但不同厂家针对用户实际要求和设备安装环境等不同，其设计出来的装备风格具有明显的区别，经实际运行证明装备所具有安全性、可靠性和稳定运行性也存较大差异。

宝钢电炉整流器是由加拿大GE公司制造的，采用大圆盘式结构设计，这种框架结构非常紧凑，不利于日常维护，电炉投运十几年来，整流器暴露出了许多重大问题，运行可靠性越来越差。

近年来，随着国内大容量电力电子装置技术发展很快，在一些引进装备部件的国产化应用及部分改造方面发挥了一定作用，特别是自主研发的大容量装置在电解、电镀、无功补偿装置、“西电东送”超高压输变电等工程项目中得到了较好应用，已基本具备了研发超高功率直流电弧炉用整流器的技术能力。

1 原整流器系统情况
1.1 宝钢电炉整流器
宝钢分公司炼钢厂150 t超高功率双炉壳直流电弧炉是由法国CLECIM公司整体引进的。

电炉的供电电源是由三套整流器装置EB51、EB52和EB53组成的，整流器输出的负极连接到炉顶石墨电极，正极经底电极切换开关连接到两个炉底底电极中的一个，冶炼时石墨顶电极和底电极经炉内的废钢或钢水之间产生电弧，形成炉内能量的供给源。

其中，三套整流器装置EB51、EB52和EB53由
GE加拿大电气公司于1996年制造。

1.1.1 整流器框架结构
电炉整流器结构由交流铝母排、直流铝母排、带绝缘板的铝合金焊接框架和晶闸管组件组成，整个系统采用开放式框架设计，铝母排之间通过焊接支撑。

系统采用负压闭循环纯水冷却方式，冷却系统由三台水泵、三台热交换器及一个密封水箱组成。

整流器采用三相桥式全控整流，每个桥臂有10只2500A/2500V晶闸管并联组成，桥臂采用大圆盘结构形式，每组晶闸管组件（包括一只晶闸管、一只快熔、三个水冷散热块和一套晶闸管安装支架，靠一支250 mm长的交流连接母排和内圈的直流连接母排固定到交直流母排上。

1.1.2 冷却系统
水箱内的纯水流经整流器内各母排及晶闸管散热块，再由三台水泵抽回水箱，形成一套负压闭循环纯水冷却系统，此部分又称为内部冷却水系统，主要将整流器交直流母排及晶闸管工作时产生的热量带走，而内部冷却水带出的热量又经过三台板式热交换器，由外部冷却水对流冷却。

冷却水系统的主要设计指标如下：
①内部冷却水水质为去离子加5%丙烯甘醇混合纯水、电阻率300 k以上，最高进口水温38.5℃，流量433 l/min。

②外部冷却水引至电炉电气冷却用纯水总管，最小流量667 l/min。

③水泵：流量：5/85（GPM），扬程：72/55（Ft），正常情况下2备1。

④热交换器：热交换面积3.77 m2，设计压力0.7MPa，最高承受温度150℃，正常情况下2备1。

1.2 存在的缺陷
电炉整流器自从1996年投运以来，故障频发，对1999～2008十年间的电炉主作业线故障停机进行统计，其中47起由整流器故障引起，停机时间175.6 h，直接影响电炉的生产产量。

从2000年开始实施了晶闸管扩容、冷却系统改进等一系列技术改造，取得了一定的成效。

2 项目改造、目标
2.1 项目改造
本次整流器改造，利用宝通钢铁闲置整流器设备框架及部分元器件，开发制造3台整流器，分别更新替换现有的EB51、EB52、EB53三台整流器设备。

宝通钢铁闲置整流器为ABB成熟产品（原属浦钢公司100t直流电炉），特别是在框架结构、18个晶闸管并联运行的系统安全裕量与动态均流、降低系统发热量与系统冷却、灭弧（防止事故扩大）等设计方面有较高的可靠性。

整流器设备利用了闲置整流器框架及部分元器件设备，结合多年的设备使用维护经验，对控制、保护及冷却系统等部分进行全新优化设计，在发挥闲置整流器框架结构优势的基础上，进一步有效提升了整流器安全稳定运行性能。

利用宝通钢铁闲置整流器设备框架开发制造3台整流器，重新设计制造的设备及零部件如下：①交流进线单元。

交流进线单元共3套，每套包括：变压器的三相接口及连接、电流互感器CT、铜母线、支撑及大电流交流进线绝缘处理等。

②整流触发及驱动单元。

整流触发及驱动单元共3套，每套包括：12块光电触发脉冲、驱动及导通电路显示板等。

③直流出线单元。

直流出线单元共3套，每套包括：输出端接口排连接、直流输出支撑连接、大电流直流输线绝缘处理等。

④控制单元。

控制单元共3套，每套包括：控制电路系统、屏蔽控制电缆及光缆接头等。

⑤保护监控单元。

保护监控单元共3套，每套包括：桥臂及母排接口温度检测、过压保护、过流保护、dv/dt保护、交直流侧及可控硅器件阻容吸收保护、直流电压检测（含稳压电阻组）、接地监控系统、快熔检测、故障报警信号及HMI 接口界面等。

⑥内循环纯水冷却系统。

内循环纯水冷却系统共3套，每套包括：水路连接单元、可控硅冷却、快速熔断器冷却、交直流母排冷却、盘架冷却、2台循环水泵（1用1备）、自动补水阀、去水离子系统、纯水冷却热交换系统及纯水冷却系统检测仪表等。

冷却系统采用闭循环水冷系统，循环水采用正压方式，冷却能力应满足整流器最大电流工作需求，且设计时应尽量减小运行过程中电位腐蚀的影响。

每套整流器水冷系统进出水口侧各增加1套温度检测点，出水口增加1套差压流量计，冷却水箱增加1套液位计，1套电导率计，1套压力变送器。

⑦3套纯水冷却系统公用补水箱。

增加1个纯水公用补水箱，内装1套水位检测仪表。

2.2 整流器主要技术要求
依据现有整流器十多年的实际运行维护及相关改造经验，确定改造后整流器应达到下列技术指标要求。

输入电压：AC 648 V、3相、50 Hz；输入电流：AC 29394 A；额定输出电压：DC 765 V；最高空载直流电压：DC 870 V额定功率：27 540 kW；额定输出电流：DC 36000 A（连续）；整流器承载最大电流能力：144kA/10s；平波电抗器：150 μH；可控硅通态压降：≤1.35 V/3000 A；可控硅承受浪涌电流能力：43 kA/10 ms；可控硅电流安全裕量：kAi≥3.6；可控硅电压安全裕量：kAu=3.0倍；整流器过载能力：150%额定输出电流，历时1 min；整流装置额定整流效率约：η≥95%；桥臂均流系数达到国家标准：18并≥0.74；整流装置额定运行时噪音：≤65 dB；冷却方式：纯水—强迫水冷式冷却；安装方式：户内绝缘法安装；柜体防护等级：开启式自支撑框架结构。

3 结语
目前整流器改造已运行一段时间了，运行正常可靠。

彻底解决了多年无法解决的设备顽症、解决了维护和故障分析处理困难及备件供应困难特别是解决了重大事故隐患等问题，提高了设备的可靠性，保证了电炉生产安全正常运行。

这些新技术相信在今后的工程中必定会得到广泛的使用也为国产化直流电弧炉提供了有力帮助。

参考文献：
[1] 朱应波.直流电弧炉炼钢技术[M].北京：冶金工业出版社，1997.
[2] 傅杰.电弧炉炼钢技术发展历史分期问题[J].钢铁研究学报，2006，（5）.。