全铝合金导电横臂技术研究与应用分析

全铝合金导电横臂技术

钢包精炼炉在冶炼过程中需要消耗大量电能，而导电横臂作为连接电源与电极的重要部件，其性能对系统电耗具有直接影响。导电横臂承担着向电极输送电能、实现钢水加热升温的关键作用，因此在设计上应满足轻量化、高刚度、低阻抗及长寿命等要求。电极横臂一端固定于升降立柱，另一端夹持电极，其自重越小，电极升降驱动功率越低，电极调节系统的响应速度和控制精度也随之提高。

1 导电横臂技术的发展现状

在钢包精炼炉运行过程中，三相电极之间会产生短路放电，在钢水中形成高功率、高温电弧，使导电横臂受到显著的电磁振动作用。因此，导电横臂必须具备良好的结构稳定性和机械强度。同时，为实现炉料的快速熔化，横臂还需具有较低的电阻和电抗。由于现场工作环境温度较高，导电横臂通常采用内部水冷方式进行冷却，并通过结构优化减少静电尘埃引起的打火现象，从而延长使用寿命。

早期采用导电管结构的导电横臂由于维护难度大，已逐渐被淘汰。随后，国外开发了覆铜钢板式导电横臂，其电气性能相较传统全钢结构有所改善，但仍存在明显不足。一方面，该结构重量较大，比传统全钢横臂还重约20%，不利于电极调节系统的快速响应；另一方面，各相横臂为独立结构，差异较大，一旦电极夹持器损坏，需整体下线检修，维护周期长，严重影响生产连续性。

2 不同类型导电横臂的对比分析

传统全钢导电横臂由钢结构支撑件和导电管组成。由于钢材密度大、导电性能较差，其缺点表现为自重大、电耗高、使用寿命短且维护不便。同时，为满足导电及安全要求，母线连接工序复杂，施工周期长，在强电磁振动条件下导电管的维护工作量较大。

铜钢复合型导电横臂是在全钢结构基础上的改进方案，其通过在横臂外层设置铜板导电，取消了原有的导电钢管或铜管，实现了支撑与导电功能的一体化设计。这种结构有效降低了横臂阻抗，改善了系统导电性能。然而，由于复合铜板厚度受限，导电截面积仍不足，阻抗值尚有进一步优化空间。

全铝合金导电横臂采用铝合金板焊接而成的箱式结构，并设置内部水冷通道。该结构在保证足够强度和刚度的同时，大幅降低了整体重量。横臂质量的降低可有效减少系统共振，提高电极调节器的响应速度，使电极提升速度最高可达15 m/min，电极升降更加灵活，三相电流不平衡显著减小，从而降低电极消耗并提高运行效率。

3 全铝合金导电横臂的技术优势

全铝合金导电横臂具有耐腐蚀、不生锈、质量轻等显著优点，其重量较传统全钢横臂可降低约40%。这不仅提高了电极升降系统的响应灵敏度，还可采用更大直径电极，增加二次电流，提高炉体整体电效率。

由于横臂阻抗降低，有功功率和输入功率均明显提升。统计数据显示，输入功率可提高约9%，功率因数平均提高4%，冶炼周期缩短约3.5%。同时，运行过程中系统振动减小，电极消耗降低约4%，运行稳定性显著增强。该结构满足系统共振频率要求，是当前钢包精炼炉领域中较为先进的技术方案。

全铝合金导电横臂采用整体箱式结构，导电与支撑功能合并，结构简洁、刚性好，不易变形，维护方便。从电气性能上看，其电阻和电抗均明显低于传统结构。此外，由于电极夹头部位未设置绝缘隔板，可有效避免因带电尘埃堆积引起的飞弧现象，减少夹头损坏风险。

在成本方面，由于不使用铜材，全铝合金导电横臂具有一定制造成本优势。考虑到冷却水对铝合金的长期腐蚀影响，通常采用镁合金复合材料进行电化学防腐处理，防腐周期约为5年。在正常运行和维护条件下，其设计使用寿命可达10年以上。

4 全铝合金导电横臂改造的可行性分析

改造过程中，原有短网系统和水冷电缆可继续使用，被替换下来的铜钢复合导电横臂及夹持器可作为其他电炉的备件重复利用。升降立柱仅需进行适当调整，原有液压系统无需改动。

以本钢5#LF炉为例进行经济效益测算。该炉年均生产12000炉，单炉平均通电时间13 min，钢水重量165 t，平均有功功率17 MW。吨钢电耗约为22.32 kWh。采用全铝合金导电横臂后，按节电3%计算，每年可节约电能约132.6万kWh，按电价0.56元/kWh计，年节电效益约74.25万元。

此外，按电极消耗0.01 kg/kWh计算，年电极消耗约44.19 t，电极单价17.41元/kg，电极节省4%后，年节约费用约30.78万元。电能与电极综合节约效益约105万元，保守估计3年即可收回改造投资，经济性显著。

5 结论

自全铝合金导电横臂技术在德国成功应用以来，美国、英国、法国等国家相继推广使用。我国宝钢集团于1999年首次在300 t钢包精炼炉上应用该技术，取得了良好效果。随着钢铁行业节能降耗要求的不断提高，全铝合金导电横臂凭借其优异的电气性能、机械性能及经济性，必将在钢包精炼炉领域获得更广泛的应用，成为电炉节能技术发展的重要方向。