論導電橫臂技術發(fā)展

1、論電爐導電臂技術創(chuàng)新一般來講電極導電橫臂具備有支持大電流導電的機能。以前的電極橫臂電極支持機能和導體機能是完全分離的，普遍是將導體部分絕緣地支架在電極橫臂上。為滿足對電極橫臂高性能要求，導體部分的構造特別復雜，而且因為高溫、含塵氣體、電磁力等產(chǎn)生的振動及感應加熱等使用環(huán)境極其苛刻，以前的導電銅管結(jié)構在可靠性和維修上存在許多問題。除解決這些問題之外，對于大型爐子，還常常要求將電抗的降低作為研究課題。導電臂1960年在法國已初次使用，然而沒有普及。到80年代初，作為正規(guī)的導電臂開發(fā)了包覆銅的鋼板制品。導電臂與以前的銅管母線結(jié)構不同，電極橫臂中直接流過大電流，使電極支持和導體機能一體化。現(xiàn)在導電臂有

2、包覆銅臂和鋁合金臂兩種方式，而近來銅管母線幾乎已全部由導電臂所取代。導電臂構造非常簡單，二次導體部分特別堅固且可靠性高，還可充分降低電抗?，F(xiàn)有爐子的改造中由于導電體電阻和電抗的降低使電弧功率增大，已經(jīng)取得縮短T-T時間和提高生產(chǎn)率的效果。鋁合金臂由于裝置輕，進一步提高了電極升降的速度和控制性能。由于震動衰減可改善電弧的穩(wěn)定性，又使電弧功率越發(fā)增大。這就是本文所要討論的應該采用鋁合金臂替代覆銅鋼臂的理由。下面表格表示覆銅鋼臂和鋁合金臂的比較。覆銅臂鋁合金臂備注質(zhì)量重輕（約為覆銅臂的一半）；電極控制的響應性提高；電極升降可能高速化電阻損失損失?。浑娏饕驗橹涣鬟^具有充分厚度（2050mm）的鋁臂，電

3、阻損失小覆銅材因為薄，銅材優(yōu)越的導電性不能發(fā)揮振動衰減性高；鋁材在物理性質(zhì)上，振動衰減性大；由于電弧穩(wěn)定，輸入功率增加其他設備可靠性：機械強度，耐腐蝕性、維修大體相同；阻抗：對大型爐兩者都能充分降低我們現(xiàn)有爐子采用導電臂時，現(xiàn)存有關設備，例如在對爐用變壓器容量或負荷沖擊控制裝置等有制約的情況下，有不能達到預期的增大輸入功率和提高了生產(chǎn)率的情況。因而采用導電臂之前必要事先對全系統(tǒng)作效果評價。下表是總結(jié)對電極橫臂和爐上二次導體性能的要求，為了方便，分電極支持和二次導體及維修三部分，但相互間有密切的關系。機能分類性能要求備注電極支持簡單的構造；不制約電極P.C.D.的形狀和大?。粓怨潭p便；全裝置的

4、固有振動頻率：0要充分高；電極把持機構的構造適當和可靠-全體及冷卻水系統(tǒng)強的鋼度、輕量、短臂、使0由共振產(chǎn)生的電極折損減少，使電極升降的控制性能提高。大電流導體作為大電流導體；低的電力損失；（R分量）適當?shù)偷碾娍?；（X分量）三相平衡力；導體強度、抗振動性；防止鄰近感應熱；絕緣部位可靠性的提高對特大型爐，有必要降低Z=R+jX-對抗電磁力的強度-防止由導電性粉塵的規(guī)程產(chǎn)生的絕緣破壞維修設計制造的可靠性的提高；要不漏水；橡膠夾層數(shù)的減少；絕緣部位的最小化；對付粉塵的可靠性；各部位耐熱性、耐蝕性；電極掃持器的長壽和容易更換綜合由于電弧功率的增大，要力求提高生產(chǎn)率和降低各種單耗；不要因突發(fā)事故中斷作業(yè)

5、；不要有電極折損等對電極單耗的惡劣影響以下從構造設計和電氣物性兩方面加以說明。（1）構造設計。1）構造。鋁臂是鋁合金板焊接的二重箱式梁架，內(nèi)部用水冷卻。兩邊相的臂大體是直線狀，中間相為了平衡阻抗，從中途彎曲，高于兩邊相配置，結(jié)果構成了三相導體的三角形配置。2）強度。針對作業(yè)中的電磁力、傾動時的扭力等要求導電臂有充分的剛度和屈服點。臂的材料使用鋁合金中強度特別、焊接性和耐蝕性優(yōu)良的A1-Mg系合金A5083或A5052。一般對鋁有強度弱的印象，然而A1-Mg合金的比強度如表2-14的示比鋼強，的以鋁導電臂的質(zhì)量比覆銅鋼臂（鋼制臂+銅管式母線的情況也大體一樣）約輕50%。這相當于全部升降質(zhì)量減輕1

6、0%15，減輕了電極升降控制裝置的負擔，有助于電極升降裝置的高速化和控制響應性的提高。3）電極把持。在鋁臂的前端安裝著易裝卸的電極把持機構，后端設置了水冷電纜連接端子。通過大電流的連接端子部位，在主體鋁合金母材上壓接銅板或?qū)嵤┿y涂層，以維持導電結(jié)合部位的可靠性。石墨電極的把持用直動摟抱方式，電極由強力碟形彈簧可靠地把住。打開把持器由油液壓缸進行。電極把持機構的主要部分因收藏在導電臂內(nèi)，不會受到電磁感應加熱，而且與熱及多粉塵的周圍氣體隔離。與石墨電極的接觸用容易更換的水冷純銅接觸瓦，在的把持力和大的接觸面壓強將提高接觸面的可靠性。（2）電氣特性。1）電路阻抗。鋁臂導體截面面積和自幾何均中期大，另

7、外由于能縮小相間距離（包括電極P.C.D的縮?。c以入方式相比可降低阻抗的電阻分量和電抗分量。在爐用變壓器的分接線電壓V下最大輸入功率Pmax和作業(yè)電抗的關系可以Pmax=V2/（2X）求出。這表示為了得到同樣的Pmax有必要使V/（2X）為一定值，而且表示在同一分接線電壓下由于X的減小輸入功率將增大。另外在同一變壓器負荷、同一分接絲電壓、同一電弧電流作業(yè)條件下采用鋁臂，隨著功率因數(shù)的提高，電路電阻損失將減少。因而對同一變壓器負荷，電弧功率Pa將增加，使生產(chǎn)率的提高和各種單耗的降低成為可能。系統(tǒng)電源容量小情況下，或者爐側(cè)阻抗已經(jīng)非常低，而且在分接線電壓高時，阻抗的降低，將使短路電流和無功功率

8、上升（參照注）。結(jié)果最大無功功率波動量預測的負荷沖擊水平閽比改造前增大。因為現(xiàn)有爐子多數(shù)情況下，整個設備大體上都在允許界限作業(yè)，對各個爐子 有必要從綜合的觀點確定適當?shù)碾娍?。所謂所有的情況下，應使電抗盡可能降低的觀點是不正確的。注：短路電流 或 sins（這里sins0.980.991）短路時無功功率：Qssin2s2)振動的衰減性。AC爐的電極、橫臂、立柱裝置的振動現(xiàn)象可以作為有外力（強制力）的“質(zhì)量-彈簧-減振器系統(tǒng)）的振動問題模型化。下表為 A1-Mg系鋁合金和鋼的比強度A5083鋼SS41密度2.717.85比強度抗拉27/2.71=9.96kg/mm241/7.85=5.22 kg/

9、mm2屈服11/2.71=4.06 kg/mm224/7.85=3.06 kg/mm2這種情況下運動方程式如下所示：mü+cù+ku=F（t） 式中 m-系統(tǒng)的質(zhì)量，kg(電極、立柱、橫臂等)；c-系統(tǒng)減振系數(shù)，N·s/m（由彈性體變形的內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的阻力）；k-系統(tǒng)彈簧常數(shù)，N/m（對象為立柱和橫臂的彈性變形）；F-外力（強制力）,N（除周期性的外力之外，還有電極前端短路等大的非周期性外力，主要是后者的問題）；u，ù，ü-分別為位移，m，速度，m/s，加速度，m/s2。為了簡化問題，分析式中沒有外力的自由振動即F（t）=0的情況?，F(xiàn)設（c/2

10、m）t=T而無因次化，研究振動的衰減就著眼于e-T。其結(jié)果，基準質(zhì)量m的情況為T=1，當T=2時振幅衰減為T=1時的36.8%。質(zhì)量減半即m=0.85m時，振幅衰減為T=1時的83.8%。這就是說由鋁臂產(chǎn)生的輕量化將加速振動的衰減。其結(jié)果電弧穩(wěn)定性將提高。這將使作業(yè)電抗減小，有益于輸入功率的增大。另外橫梁系統(tǒng)的固有振動頻率0=(Hz) 可由下式給出：0= 這個公式表示當質(zhì)量m減半和表示系統(tǒng)剛度的彈簧常數(shù)k倍增時都使固有振動頻率0提高倍，即鋁臂將明顯提高抗共振的安全性。振動斬基本方程式的外力當中，有由電極升降控制產(chǎn)生的z方向的和由導電體間電磁力產(chǎn)生的x-y平面上的。以前對于電弧的控制和穩(wěn)定主要是

11、關心前者，隨著電流的增大和導體間距離的接近，近來也已認識到后者的重要性。因為實際作業(yè)中這些振動現(xiàn)象是同時發(fā)生的，振動的數(shù)值解析是極為困難的，從實用性上考慮有必要根據(jù)測量時行解析。3）響應性。鋁橫臂質(zhì)量減輕10%15%，使電極升降裝置的GD2減小，電極控制的響應性將提高。4）電力損失。鋁合金的電阻率約為純銅的3倍?？墒卿X臂的導體開頭和截面積由機械強度來決定，將臂作為導體時，截面積的富裕極大。因而鋁臂的電流密度極低，即使考慮集膚效應和鄰近效應，實質(zhì)性電阻損失也比覆銅鋼臂小。再者上面公式表示已考慮到三角形配置的三相鋁臂的集膚效應和鄰近效應的電流分布的例子。大電流導體要注意電流集中在導體的拐角部位和接

12、近于其他相的部位。導體電阻多數(shù)人還傾向于覆銅鋼臂小，可那是覆銅板非常厚的情況（例如銅對鋼的浸透深度9.5mm，厚度在15mm以上）。實際爐子為控制臂的質(zhì)量，覆銅板的厚度為46mm。這種情況下相當多的電流就要集中流過高電阻的鋼材（1.8mm）表面。一般情況下，因為鋁臂相對17mm處，鋁材極厚達2050mm，所以實質(zhì)性電阻損失小。5）電極P.C.D.。電極P.C.D.對于各種電極直徑有適當范圍。最近當采用導電臂時有P.C.D.盡可能小為好的思潮，這種看法不正確。為確定P.C.D.有必要考慮如下諸點：與導體充電部位的間隔-電絕緣性有關：防止電極把持器附近飛弧（與最大電壓和周圍氣體有關）；爐蓋電極孔絕

13、緣的可靠性（與最大電壓和有無噴水有關）；防止熔池平民時期在電極前端的渣面上電極間飛?。ㄅc最大電壓、周圍氣體、電極前端的振動有關）。適當?shù)臓t側(cè)電抗：鋁導體因為能從導體開源和尺寸結(jié)構充分降低電抗，沒有必要進一步縮小P.C.D.降低電抗。電磁力：單位長度導體間的電磁力一般由下式求出：=在改造現(xiàn)有爐子時，有必要由二次最大電流和電磁力來檢驗機構構造的剛度。假若剛度低，則機構系統(tǒng)振動越來越強，就成為發(fā)生共振或電極折損或連接器部位松弛的原因。另外電磁力也作用于電弧之間，如果P.C.D.小的話，電弧特性就變得不穩(wěn)定。因而電極P.C.D.必須從電極直徑、與爐殼內(nèi)徑的平衡、最終高電壓、電流、所要求爐子側(cè)的電抗、以

14、及機構系統(tǒng)的剛度、固有振動頻率等方面綜合地加以考慮。鋁臂的情況下，對公稱直徑500mm的電極通常選約2.5倍的P.C.D.。600mm電極比例多少低一些。鋁臂效果的定量分析?，F(xiàn)以爐殼內(nèi)徑5.7m公稱70t級的爐子為對象，定量分析一下采用鋁臂作業(yè)的效果。爐用變壓器容量48MV·A，短路總阻抗Zs=（0.58+j3.7），由于采用鋁臂阻抗降低為Zs=（0.56+j3.5），現(xiàn)模擬分析對主要作業(yè)參數(shù)的影響。由于同一變壓器負荷、同一分接線電壓、同一電流情況下電抗的降低，作業(yè)功率因數(shù)提高，輸入功率P將增大。表2-15表示采用鋁臂前后的輸入功率比較。1-短路電流的增大；功率因數(shù)的提高-負荷沖擊的

15、增大；電流容量沒有富裕時；電流的增加沒有余地時擔心發(fā)生問題；2- P.C.D.過小招致由電磁力增大產(chǎn)生的電極振動的增大及電弧的不穩(wěn)定。采用鋁臂前后的輸入功率比較變壓器負荷輸入功率P/MW采用前采用后48MV·A36MW(coss=0.75)38.4MW(coss=0.80)41.8MW(coss=0.87)43.2MW(coss=0.90)1）通電時間。由于采用鋁臂如果平均輸入功率從36MW增大為38.4MW，采用前的通電時間表為52min，假定電力單耗一定，52×36/38=4838min，即可縮短3.2min。2）電力單耗。隨著作業(yè)時間的縮短，由排放氣體、冷卻水、爐體放

16、熱等產(chǎn)生的熱損失當然就減少。這里面直接受時間縮短影響的熱損失依據(jù)設備大幅度變化。瑞在假定這個熱損失為100kW·h，縮短3.2min的通電時間，就可能降低100×3.2/605 (kW·h/t)的電力單耗。這里T-T時間為60min。3）電極單耗。假定側(cè)面消耗和前端消耗比為60%:40%，由于通電時間縮短3.2min電及單耗降低，相對改造前的單耗2.4kg/t減少2.4×3.2/60×0.6=0.08kg/t。綜合以上結(jié)果，采用鋁臂的效果可概括如下：通電時間降低：約3.2min52-3.2=48.8（min）(6.8%)電力單耗降低：約5 kW

17、·h360-5355（kW·h/t) (1.4%)電極單耗降低：約0.08kg/t2.4-0.08=2.32 （kg/t）(3.2%)再者由于采用鋁臂，與爐上二次導體有關的突發(fā)事故所引起的操作中斷可比以前大幅度減少。有關負荷沖擊的影響。負荷沖擊影響式變形可得到：V10=kf這里kf是負荷沖擊常數(shù)（但視在功率設為定值）。由于采用鋁臂前的功率因數(shù)，這時的V10：（基數(shù)為100%）鋁臂采用后的（變?yōu)?25%）以上計算表示由于采用鋁臂負荷沖擊大約增加25%。然而這里考慮的是安全方面，沒能考慮由鋁臂產(chǎn)生的響應性提高和由振動衰減使電弧穩(wěn)定性提高效果。因而實際上沒有如此增大的負荷沖擊，但是預測時通過所積累實績進行證明還是必要的。假若同一分接線電壓、同一電流的作業(yè)中負荷沖擊變成麻煩問題的時候，就必需逐個采取適當?shù)膶Σ吡?。采用鋁臂的AC爐，效果因各個爐子而有差異，然而整體性被優(yōu)化的成果一直在增加，不過也聽到發(fā)生一些預想不到的各種各樣問題的實例：1）鋁臂主體損傷。是由于設計或制作不完備而產(chǎn)生的。要正確地理