[科普中国]-超高功率电弧炉

简介

目前电炉炼钢法迅速的发展与增长，其增长率超过世界粗钢总产量的增长率。在世界主要产钢国家中，电炉钢都超过总产量的1/3以上。1990年，美国电炉钢产量为3351. 1万t，占总粗钢产量8972. 6万t的37.3%。同年，日本电炉钢占总钢产量的31. 4%，欧共体电炉钢占31%1。

电炉炼钢生产迅速发展的主要原因①电炉钢厂是短流程生产工艺，与高炉-转炉联合企业比较，投资省2500，占地减少1/2-3/5，建设期由4年缩短到1-1. 5年。

②与高炉-转炉捧钢工艺比较，能耗由5469MJ/t钢降至2877MJ/t钢，约减少一半。

③电炉与炉外精炼、连铸组合，后步配高效连续式轧钢机组，可以更好地适应产品专业化、品种多样化和不断变化的市场需求。

④50年代以后氧气转炉炼钢取代平炉后，工业化国家废钢积存量增多，加之金属化球团生产的发展，是促进电炉炼钢发展的一个重要因素。

⑤电炉炼钢厂对环境的污染源主要是冶炼过程中产生的烟尘与噪音，易于治理。

⑥随着超高功率电炉技术与炉外精炼技术的发展，电炉生产已由主要局限于特殊钢领域过渡到全钢种范围的生产，且以其短流程的高效率、灵活性、低成本、高质量，在剧烈的市场竞争中显示出巨大的活力。

⑦电炉工艺技术的突破性进步，为电炉生产的发展提供了坚实基础2。

超高功率电炉技术发展的主要特点超高功率电炉是60年代中期兴起的，当时主要是将高电压、长电弧的电弧特性改为大电流、低电压、短电弧的电弧特性，从而使电炉冶炼有可能既输入较高的功率、又使耐火材料费用保持在可以接受的限度内，并将每炉钢冶炼时间由4h缩短到2. 5h以下。此后，此项技术发展很快，不仅电炉的单位功率水平愈来愈高，而且随着功率水平的提高，各项配套技术也相继开发并日臻完善，使超高功率电炉在国际上得到普遍推广应用。

最佳电炉容量电炉的生产能力决定于炉容量与单位输入功率，在单位功率水平相同时，生产能力随容量增大而提高。容量过小，不仅生产效率低，技术经济指标差，而且后步配备钢水炉外精炼设施也较困难，故70年代以来，许多国家逐渐淘汰了30t以下的小电炉，如日本至1980年共淘汰了281座。同时容量150t以上的电炉往往其单位功率水平不很高，反而不能充分显示超高功率电炉的优点。

80年代以来，各国新电炉绝大多数都在50-150t范围内，如美国1980年以来很少再建40t以下电炉，1980-1982年，美国新建电炉

23座，其中20座容量为50-150t。

提高t钢变压器电功率电弧炉变压器容量配备的水平一般用kVA/t钢来衡量。超高功率电炉的最大特点就是单位功率水平高。

改进和完善电炉装置及配套装备70年代以来电炉本身及其配套装备改进极后，主要有以下各项:

①采用笼式分体炉壳，既增强刚性又减轻重量，并适应水冷炉壁水冷炉盖的装配;

②采用全液压传动;

③改进二次侧大电流导电系统，少数电炉已采用直接导电电极臂和水冷电极;

④普遍采用管式水冷炉壁和水冷炉盖;

⑤偏心炉底出钢技术得到广泛应用;

⑥部分电炉配备氧燃烧咀;

⑦炉门喷碳粉设施与吹氧机械;

⑧圆盘式与喷枪式补炉机械;

⑨炉盖第5孔及钢包内用料机械化加料系统;

⑩炉盖第4孔直接排烟与电炉周围全密闭罩结合的一、二次烟尘净化系统;

⑪电炉烟气预热废钢;

⑫普遍采用计算机自动控制;

⑬无功功率静止式动态补偿。

超高功率电炉相关技术相应发展①高性能大功率炉用变压器及其配套的高低压供电元器件的设计制造

50-150t电炉配备的变压器容量在35-130MVA，对于超高功率直流电弧炉来说，还需相应容量的大功率可控硅整流器、电抗器，以及配套的其他高低压供电元器件，如高压开关、断路器、有载调压器等。

②无功功率静止式动态补偿

超高功率电炉变压器容量大，在起弧与穿井阶段产生的电压闪变与高次谐波，对电网其他用电设备造成极大危害，因而要设置无功功率静止式动态补偿装置消除这种危害。当公共接点上短路容量与炉用变压器容量比值小于80倍时必须进行补偿，比值愈小补偿容量愈大。

③计算机及其应用技术

超高功率电炉冶炼时间短，采用计算机以冶金模型与热模型对冶炼过程进行最佳化自动控制，并进行废钢配料、合金加料等计算，收集生产数据、打印生产报表，以动态彩色画面向操作人员显示各系统设备运转情况和主要参数，与上级管理计算机联网编制生产计划、下达生产指令。

④超高功率电炉电极

一般电极断面电流密度大于24A/cm²。国际上普遍采用主要由美国联合碳化氢公司以优质针状石油焦和煤焦油沥青为原料，以特定的工艺技术生产的定向结晶的石墨电极。

⑤高质量耐火材料

超高功率电炉熔池渣线区采用97%-98%MgO的镁砂，残余碳7%-14%的镁碳砖，采用MgO81%- 89%的镁砂料以化学陶土作粘结剂的熔池捣打料和喷补料，使渣线处寿命一般在350-700炉，炉底(镁砖)寿命达3000炉以上。

⑥高质量高精度标准零部件的制造技术

高质量高精度的液压、电气、仪表、阀类等标准零部件极大地影响着超高功率电炉的性能，及生产的可靠性与稳定性。

直流超高功率电炉技术随着大容量可控硅整流器制造技术的成熟，直流电弧炉已从试验研究阶段迅速发展到工业性生产阶段。从80年代以来，各国纷纷建设直流超高功率电弧炉，据初步统计，至1993年已投产、正在建设和拟建的直流电弧炉已超过50座(不包括我国)，其炉容量已达到150t。

直流电弧炉由于采用单电极，电弧稳定，电弧垂直于熔池钢液面，电极电流流经熔池钢液，与交流电弧炉相比，具有以下的优点:

①石墨电极消耗量降低50%，达1. 2-1. 5kg/t钢;

②因电弧稳定，电压闪变约降低50%。

③耗电量降低约5%。

④炉内无冷点与热点，废钢以“洞穴”式均匀熔化，耐材耗量降低，其中喷补料减少30%;

⑤电弧产生的噪音降低5-10dB。

目前直流电弧炉炉底寿命最高的达3000炉，低的为800炉。

电炉冶炼工艺的变革①采用二次炼钢法

电炉、二次精炼双联的二次炼钢法，也叫分阶段精炼法，且将电炉一二次精炼一连铸组成三位一体的工艺流程。这是现代超高功率电炉炼钢车间实现高产、优质、低耗、高效益的基本保证。

80年代后期建设的超高功率电炉，后步都配备钢包精炼炉(LF)，再根据生产钢种的要求配备VD, RH, VOD, AOD、喷粉、喂丝等其他精炼设施。这样，超高功率电炉只承担熔化、脱碳去磷的初炼任务，而脱硫的还原性精炼及脱气、去夹杂、脱氧、调整和均匀成份、温度等精炼任务都转到LF和其他精炼装置中进行。许多旧的电炉炼钢车间也都按这一工艺路线进行技术改造。

②留钢留渣法操作

随着偏心炉底出钢技术的推广应用，超高功率电炉普遍采用了留钢留渣法冶炼工艺。留钢量约为电炉公称容量的10%-20%，从而实现了无渣出钢，为后步二次精炼提供了极有利的条件，因留钢操作中，炉下钢水罐车上配备有精确的电子称，能精确称量钢包内的钢水量，从而为二次精炼中微调成份创造了条件。对于电炉本身作业来说，采用留钢留渣法后，熔化过程可及早形成熔池，缩短熔化时间，并提前造渣与脱磷。尤其对直流电弧炉，因通电开始就有钢水存在，使引弧变得容易。

③长弧泡沫渣冶炼

超高功率电炉采用水冷炉壁后，由大电流短电弧操作改为高电压长电弧操作，功率因数由0. 71提高到0. 83，提高了输入功率，从而缩短冶炼时间。但长电弧的高温辐射热对水冷炉壁和耐火材料极为不利，为此广泛使用泡沫渣埋弧冶炼工艺，即在吹氧同时往炉渣喷入碳粉，也可以从炉盖第5孔加入碎焦炭，使炉渣因产生大量CO而发泡，将电弧完全埋入渣层。

④采用直接还原铁稀释钢液内的有害元素

直接还原铁的最佳配比为3000~5000从熔池形成开始，以20~ 35kg/min·MW的速度往炉内连续加入直接还原铁3。

我国超高功率电炉发展现状1991年，我国钢产量达7099. 99万t，电炉钢产量由1980年的710万t增加到1500多万t，在总钢产量中的比例达21. 13 %，发展是相当快的。但另一方面，我国电炉炼钢无论从工艺技术还是从装备水平上仍然比较落后，与国际上一般水平还有很大差距。

在装备上，我国电炉容量过小，变压器吨钢功率水平低，现有电炉共1500余座，平均容量仅4t，大部分电炉容量在5 ~ 14. 9t，而15t以上电炉的实际平均功率低于350kVA/t。

在炼钢生产工艺上，除个别引进项目以外，还没有一家电炉钢厂真正实现超高功率电炉一炉外精炼一连铸三位一体在线运转的优化工艺路线。1990年，我国16家重点特钢企业已建各种炉外精炼装置共19台，但精炼钢产量仅40万t，优质钢精炼比仅6.29%，主要用于精炼轴承钢(精炼比4200，产量30. 6万t)和不锈钢(精炼比3400，产量8万t)，其他钢种的精炼极少。

至今，炉外精炼在线运转完全按二次炼钢法组织生产的仅上钢五厂与大冶钢厂两家，所以绝大多数电炉至今仍按老三段的模式炼钢。至于连铸，80年代后期刚开始在6家重点特钢企业建设了6台合金钢连铸机，目前都还在试生产阶段。可见，我国电炉炼钢生产在装备与工艺技术上都急需进行根本改革，以缩短与国际水平的差距。

1985年以来，我国广州钢厂、抚顺钢厂、舞阳钢铁公司和天津无缝钢管总厂，分别从瑞士ABB公司、德国克虏伯公司、奥地利奥钢联和德国德马克公司引进了40t, 50t, 90t和150t超高功率电弧炉，至1992年，这4台电炉都已投产。同时，我国还建设了十几座国产及从国外购买的二手高功率、超高功率电弧炉。这表明，我国电炉炼钢向现代化工艺装备发展的改造工作已经开始。

4座超高功率电弧炉除广州钢厂40t电炉以外，目前都还处于试生产阶段。从总体上看，情况都是比较好的，设备方面除150t炉还出现某些机械与电气故障外，一般都能正常稳定地运转，尤其是抚顺钢厂50t超高功率电炉，从热试以来，包括国产配套装备在内的全部设备都能稳定地在线运转。除广州钢厂以外，这些电炉都按二步炼钢法冶炼，电炉完全取消了还原期，并实行泡沫渣埋弧熔炼和留钢留渣法作业。冶炼时间都达到或超过设计指标，其他如电耗、电极消耗等重要指标也都通过了考核要求。

抚顺钢厂50t超高功率电炉，1993年产量达16万t，即投产1年多已接近设计产量，平均冶炼时间80min，最短59min，班产8炉钢，电极耗量平均2. 5kg/t钢，最低1. 9kg/t钢，电耗480kwh/t钢，最低460kwh/t钢，渣线采用国产镁碳砖，寿命已达320炉，这些指标在国内都是最先进的。

随着我国国民经济持续高速增长和钢需求量的不断增加，进入90年代以来，各地纷纷计划建设大型超高功率电炉炼钢车间。上钢三厂拟建设两座100t超高功率直流（UHP DC）电炉，上钢五厂拟建一座100t UHP DC电炉，上海宝山钢铁总厂拟建设一座150t UHPDC电炉，还有无锡钢厂、江阴钢厂也在积极计划建80-90t电炉，抚顺钢厂则计划建第二座50t UHP电炉。

这些正在建设或计划建设中的我国新一代超高功率电炉炼钢车间，与前述我国已投产的超高功率电炉炼钢车间比较，具有以下明显特点:

(1)采用超高功率电炉-炉外精炼-全连铸工艺路线。

(2)大部分为世界各国正在大力发展的超高功率直流电弧炉。只有张家港润忠钢铁公司采用了竖式超高功率电弧炉(SSF)。

(3)变压器单位功率由700kVA/t提高到800kVA/t 。

(4)电炉的配套技术更为完善，如交流电弧炉采用高阻抗供电技术，直接导电臂，氧燃烧咀，炉底吹Ar(或N₂)搅拌，而所有电炉都配备了炉门喷碳粉与氧枪机械手及采用喷淋式水冷电极。

(5)每炉钢冶炼周期由90-100min缩短至58 -75min，小时生产率提高到80 -130t2。

总结这些电炉车间建成投产后将标志着我国超高功率电炉技术上到一个新的台阶，达到当代国际水平。但目前是我国尚未掌握超高功率电弧炉设备及其配套装备、特种材料的设计、制造技术，这是我们在掌握和发展这一技术中急需解决的课题。其次在冶炼工艺与生产管理上也还有一个熟练与提高的过程。

因此在建设现代化超高功率电炉车间，改变我国电炉炼钢技术落后局面的同时，必须大力解决上述两方面间题，使我们尽快赶上国际先进水平1。