电弧炉原理

电弧炉原理

电炉熔

“电弧炉工作原理” 为了了解电弧炉对电能质量和电能效率影响的产生原因，需要对电弧炉设备的特殊性做一下简单介绍。

电弧炉分类和工作原理电弧炉是利用电弧能来冶炼金属的一种电炉。工业上应用的电弧炉可分为三类：

第一类是直接加热式，电弧发生在专用电极棒和被熔炼的炉料之间，炉料直接受到电弧热。主要用于炼钢，其次也用于熔炼铁、铜、耐火材料、精炼钢液等。

第二类是间接加热式，电弧发生在两根专用电极棒之间，炉料受到电弧的辐射热，用于熔炼铜、铜合金等。这种炉子噪声大，熔炼质量差，已逐渐被其它炉类所取代。

第三类称为矿热炉，是以高电阻率的矿石为原料，在工作过程中电极的下部一般是埋在炉料里面的。其加热原理是：既利用电流通过炉料时炉料电阻产生的热量，同时也利用了电极和炉料间的电弧产生的热量。所以又称为电弧电阻炉。

1.2 电弧炉的组成设备

炉用变压器

电弧炼钢用变压器应能按冶炼要求单独进行电压电流的调节，并能承受工作短路电流的冲击。

电炉变压器额定电压的选择要考虑许多因素。若一次侧电压取高些，则系统电抗小，短路容量大，可减少闪变，但须增加配电装置费用。若二次电压高些，则功率因素较高，电效率较高，但电弧长，炉墙损耗快，综合效率变低。

一般电炉变压器二次侧均为低电压（几十至几百伏），大电流（几千至几万安）。为保证各个熔炼阶段对电功率的不同需要，变压器二次电压要能在 50%~70%的范围内调整，因此都设计成多级可调形式。调整方法有变换、有载调压分接开关等。变压器容量小于 10MVA 者，可进行无载切换；容量

在 10MVA 以上者，一般应是有载调压方式。也有三相分别设置分接头装置，各相分别进行调整，可以保障炉内三相热能平衡。

与普通电力变压器相比，电炉专用变压器有以下特点：a.有较大的过负荷能力；b.有较高的机械强度；c.有较大的短路阻抗；d.有几个二次电压等级；e.有较大的变压比；f.二次电压低而电流大。电炉变压器和电弧炉的容量比一般为 0.4~1.2MVA/t。电弧炉的电流控制，是由电弧炉变压器高压侧绕组分接头的切换和电极的升降来达到的。

电抗器为了稳定电弧和限制短路电流，需要约等于变压器容量 35%的电抗容量，串入变压器主回路中。大型电弧炉变压器，本身具有满足需要的电抗值，不需外加电抗器；而小于 10MVA 的变压器，电抗不满足要求，需在一次侧外加电抗器。电抗器的结构特点是：既使通过短路电流，铁芯也不发生磁饱和。电抗器可装在电炉变压器的内部，称为内附式；也可做成装在变压器外部的独立电抗器，称为外附式。电炉变压器一般要串联电抗器，使得变压器短路阻抗和电抗器电抗之和达到 0.33~0.5 标准值（以电炉变压器额定容量为基准）。

容量小于 10MVA 的电炉变压器，有时在其高压侧装有串联电抗器，以降低短路电流和稳定电弧。对于较大容量的电炉变压器，它本身的漏电抗已足够大，不需再串联电抗器。

高压断路器炼钢电弧炉对高压断路器的要求是：断流容量大；允许频繁动作；便于维修和使用寿命长。电弧电阻炉负载平稳，连续运行，常用多油或少油式高压断路器，炼钢电弧炉断路器经常跳闸，多选用六氟化硫断路器、电磁式空气断路器、真空断路器等。

电流互感器大型炼钢电弧炉的二次电流很大，无法配用电流互感器。因此，低压侧仪表，电极升降自动调节电流信号，都接到高压侧电流互感器上，或接在电炉变压器的第三绕组上（可变变比）。

电磁搅拌器为了强化钢液与熔渣反应，使钢液温度和成分均匀，在炼钢电弧炉炉底部，加装电磁搅拌器。搅拌器由绕有两组线圈的铁芯构成。它本身相当于电机的定子，溶池中的钢液相当转子。搅拌器线圈中通以可产生移相磁场的两相低频电流，磁场使钢液中产生感应电流，移动磁场与感

应电流相互作用，使钢液在电动力的推动下，顺着移动磁场移动的方向流动，从而使钢液得到了搅拌。

采用电磁搅拌的电弧炉，其炉底要用非磁性钢板制成。为了改变电磁搅拌器的搅拌力，要求采用可调频率的低频电源，其频率在 0.3~0.5HZ 内调节。一般采用晶阐管变频电源。需加装电容器以提高功率因素，并加装电抗器防止产生谐振。通过对电弧炉设备的电气特性的分析，可以得出以下结论：通过对电弧炉设备的电气特性的分析，可以得出以下结论： a) 为使电弧炉工作中不发生断弧现象，当电流瞬时为零时，电弧电压 Uh 必须大于引燃电为使电弧炉工作中不发生断弧现象，当电流瞬时为零时压。 b) 为限制短路电流，变压器二次回路必须有一定的电抗值，功率因素不能过于接近 1。对为限制短路电流，变压器二次回路必须有一定的电抗值之间；对于高功率的电弧炉，于普通电弧炉回路工作点的功率因素范围在 0.8~0.85 之间；对于高功率的电弧炉，在 0.7~0.8 之间。之间。 c) 电压闪变问题：用电负荷剧烈波动，造成供电系统瞬时电压骤升骤降。电压闪变问题：用电负荷剧烈波动，造成供电系统瞬时电压骤升骤降。

1.3 电弧炉对电能质量的影响电弧炉的冶炼过程分两个阶段，即熔化期和精炼期。在熔化期，相当多的炉内填料尚未熔化而呈块状固体，电弧阻抗不稳定。有时因电极都插入熔化金属中而在电极间形成金属性短路，并且依靠电炉变压器和所串电抗器的的总电抗来限制短路电流，使之不超过电炉变压器额定电流的 2~3 倍。不稳定的短路状态使得熔化期电流的波形变化极快，实际上每半个工频周期的波形都不相同。

在熔化初期以及熔化的不稳定阶段，电流波形不规律，故谐波含量大，主要是第 2、3、4、5、6、7 次谐波电流。据西北电研院实测，第 2、 3、5 次谐波电流含有率常达 5%~6%及以上，严重时可达 20%以上。但当某一次谐波电流达到很大值时，其他次谐波电流一般会是较小值。电弧炉电极间电压的典型值在 100~600V 范围，其中电极压降约为 40 伏，电弧压降约为12V/cm、电弧越长压降越大。在熔化期电弧炉的电压变化大，最高和最低电压可相差 2~5 倍。由于电弧炉负荷的随机性变化和非线性特征，尤其在熔化期产生随机变化的谐波电流，除了离散频谱外、还含有连续频谱分量。