超高功率電弧爐

超高功率電爐是60年代中期興起的，當時主要是將高電壓、長電弧的電弧特性改為大電流、低電壓、短電弧的電弧特性，從而使電爐冶煉有可能既輸入較高的功率、又使耐火材料費用保持在可以接受的限度內，並將每爐鋼冶煉時間由4h縮短到2. 5h以下。

基本介紹

• 中文名：超高功率電弧爐
• 外文名：Ultra high power arc furnace
• 學科：冶金工程
• 領域：鋼鐵
• 特點：節能
• 優點：冶煉時間由4h縮短到2. 5h以下

簡介

目前電爐煉鋼法迅速的發展與增長，其增長率超過世界粗鋼總產量的增長率。在世界主要產鋼國家中，電爐鋼都超過總產量的1/3以上。1990年，美國電爐鋼產量為3351. 1萬t，占總粗鋼產量8972. 6萬t的37.3%。同年，日本電爐鋼占總鋼產量的31. 4%，歐共體電爐鋼占31%。

電爐煉鋼生產迅速發展的主要原因

①電爐鋼廠是短流程生產工藝，與高爐-轉爐聯合企業比較，投資省2500，占地減少1/2-3/5，建設期由4年縮短到1-1. 5年。

②與高爐-轉爐捧鋼工藝比較，能耗由5469MJ/t鋼降至2877MJ/t鋼，約減少一半。

③電爐與爐外精煉、連鑄組合，後步配高效連續式軋鋼機組，可以更好地適應產品專業化、品種多樣化和不斷變化的市場需求。

④50年代以後氧氣轉爐煉鋼取代平爐後，工業化國家廢鋼積存量增多，加之金屬化球團生產的發展，是促進電爐煉鋼發展的一個重要因素。

⑤電爐煉鋼廠對環境的污染源主要是冶煉過程中產生的煙塵與噪音，易於治理。

⑥隨著超高功率電爐技術與爐外精煉技術的發展，電爐生產已由主要局限於特殊鋼領域過渡到全鋼種範圍的生產，且以其短流程的高效率、靈活性、低成本、高質量，在劇烈的市場競爭中顯示出巨大的活力。

⑦電爐工藝技術的突破性進步，為電爐生產的發展提供了堅實基礎。

超高功率電爐技術發展的主要特點

超高功率電爐是60年代中期興起的，當時主要是將高電壓、長電弧的電弧特性改為大電流、低電壓、短電弧的電弧特性，從而使電爐冶煉有可能既輸入較高的功率、又使耐火材料費用保持在可以接受的限度內，並將每爐鋼冶煉時間由4h縮短到2. 5h以下。此後，此項技術發展很快，不僅電爐的單位功率水平愈來愈高，而且隨著功率水平的提高，各項配套技術也相繼開發並日臻完善，使超高功率電爐在國際上得到普遍推廣套用。

最佳電爐容量

電爐的生產能力決定於爐容量與單位輸入功率，在單位功率水平相同時，生產能力隨容量增大而提高。容量過小，不僅生產效率低，技術經濟指標差，而且後步配備鋼水爐外精煉設施也較困難，故70年代以來，許多國家逐漸淘汰了30t以下的小電爐，如日本至1980年共淘汰了281座。同時容量150t以上的電爐往往其單位功率水平不很高，反而不能充分顯示超高功率電爐的優點。

80年代以來，各國新電爐絕大多數都在50-150t範圍內，如美國1980年以來很少再建40t以下電爐，1980-1982年，美國新建電爐

23座，其中20座容量為50-150t。

提高t鋼變壓器電功率

電弧爐變壓器容量配備的水平一般用kVA/t鋼來衡量。超高功率電爐的最大特點就是單位功率水平高。

改進和完善電爐裝置及配套裝備

70年代以來電爐本身及其配套裝備改進極後，主要有以下各項:

①採用籠式分體爐殼，既增強剛性又減輕重量，並適應水冷爐壁水冷爐蓋的裝配;

②採用全液壓傳動;

③改進二次側大電流導電系統，少數電爐已採用直接導電電極臂和水冷電極;

④普遍採用管式水冷爐壁和水冷爐蓋;

⑤偏心爐底出鋼技術得到廣泛套用;

⑥部分電爐配備氧燃燒咀;

⑦爐門噴碳粉設施與吹氧機械;

⑧圓盤式與噴槍式補爐機械;

⑨爐蓋第5孔及鋼包內用料機械化加料系統;

⑩爐蓋第4孔直接排煙與電爐周圍全密閉罩結合的一、二次煙塵淨化系統;

⑪電爐煙氣預熱廢鋼;

⑫普遍採用計算機自動控制;

⑬無功功率靜止式動態補償。

超高功率電爐相關技術相應發展

①高性能大功率爐用變壓器及其配套的高低壓供電元器件的設計製造

50-150t電爐配備的變壓器容量在35-130MVA，對於超高功率直流電弧爐來說，還需相應容量的大功率可控矽整流器、電抗器，以及配套的其他高低壓供電元器件，如高壓開關、斷路器、有載調壓器等。

②無功功率靜止式動態補償

超高功率電爐變壓器容量大，在起弧與穿井階段產生的電壓閃變與高次諧波，對電網其他用電設備造成極大危害，因而要設定無功功率靜止式動態補償裝置消除這種危害。當公共接點上短路容量與爐用變壓器容量比值小於80倍時必須進行補償，比值愈小補償容量愈大。

③計算機及其套用技術

超高功率電爐冶煉時間短，採用計算機以冶金模型與熱模型對冶煉過程進行最佳化自動控制，並進行廢鋼配料、合金加料等計算，收集生產數據、列印生產報表，以動態彩色畫面向操作人員顯示各系統設備運轉情況和主要參數，與上級管理計算機聯網編制生產計畫、下達生產指令。

④超高功率電爐電極

一般電極斷面電流密度大於24A/cm²。國際上普遍採用主要由美國聯合碳化氫公司以優質針狀石油焦和煤焦油瀝青為原料，以特定的工藝技術生產的定向結晶的石墨電極。

⑤高質量耐火材料

超高功率電爐熔池渣線區採用97%-98%MgO的鎂砂，殘餘碳7%-14%的鎂碳磚，採用MgO81%- 89%的鎂砂料以化學陶土作粘結劑的熔池搗打料和噴補料，使渣線處壽命一般在350-700爐，爐底(鎂磚)壽命達3000爐以上。

⑥高質量高精度標準零部件的製造技術

高質量高精度的液壓、電氣、儀表、閥類等標準零部件極大地影響著超高功率電爐的性能，及生產的可靠性與穩定性。

直流超高功率電爐技術

隨著大容量可控矽整流器製造技術的成熟，直流電弧爐已從試驗研究階段迅速發展到工業性生產階段。從80年代以來，各國紛紛建設直流超高功率電弧爐，據初步統計，至1993年已投產、正在建設和擬建的直流電弧爐已超過50座(不包括我國)，其爐容量已達到150t。

直流電弧爐由於採用單電極，電弧穩定，電弧垂直於熔池鋼液面，電極電流流經熔池鋼液，與交流電弧爐相比，具有以下的優點:

①石墨電極消耗量降低50%，達1. 2-1. 5kg/t鋼;

②因電弧穩定，電壓閃變約降低50%。

③耗電量降低約5%。

④爐內無冷點與熱點，廢鋼以“洞穴”式均勻熔化，耐材耗量降低，其中噴補料減少30%;

⑤電弧產生的噪音降低5-10dB。

目前直流電弧爐爐底壽命最高的達3000爐，低的為800爐。

電爐冶煉工藝的變革

①採用二次煉鋼法

電爐、二次精煉雙聯的二次煉鋼法，也叫分階段精煉法，且將電爐一二次精煉一連鑄組成三位一體的工藝流程。這是現代超高功率電爐煉鋼車間實現高產、優質、低耗、高效益的基本保證。

80年代後期建設的超高功率電爐，後步都配備鋼包精煉爐(LF)，再根據生產鋼種的要求配備VD, RH, VOD, AOD、噴粉、餵絲等其他精煉設施。這樣，超高功率電爐只承擔熔化、脫碳去磷的初煉任務，而脫硫的還原性精煉及脫氣、去夾雜、脫氧、調整和均勻成份、溫度等精煉任務都轉到LF和其他精煉裝置中進行。許多舊的電爐煉鋼車間也都按這一工藝路線進行技術改造。

②留鋼留渣法操作

隨著偏心爐底出鋼技術的推廣套用，超高功率電爐普遍採用了留鋼留渣法冶煉工藝。留鋼量約為電爐公稱容量的10%-20%，從而實現了無渣出鋼，為後步二次精煉提供了極有利的條件，因留鋼操作中，爐下鋼水罐車上配備有精確的電子稱，能精確稱量鋼包內的鋼水量，從而為二次精煉中微調成份創造了條件。對於電爐本身作業來說，採用留鋼留渣法後，熔化過程可及早形成熔池，縮短熔化時間，並提前造渣與脫磷。尤其對直流電弧爐，因通電開始就有鋼水存在，使引弧變得容易。

③長弧泡沫渣冶煉

超高功率電爐採用水冷爐壁後，由大電流短電弧操作改為高電壓長電弧操作，功率因數由0. 71提高到0. 83，提高了輸入功率，從而縮短冶煉時間。但長電弧的高溫輻射熱對水冷爐壁和耐火材料極為不利，為此廣泛使用泡沫渣埋弧冶煉工藝，即在吹氧同時往爐渣噴入碳粉，也可以從爐蓋第5孔加入碎焦炭，使爐渣因產生大量CO而發泡，將電弧完全埋入渣層。

④採用直接還原鐵稀釋鋼液內的有害元素

直接還原鐵的最佳配比為3000~5000從熔池形成開始，以20~ 35kg/min·MW的速度往爐內連續加入直接還原鐵。

我國超高功率電爐發展現狀

1991年，我國鋼產量達7099. 99萬t，電爐鋼產量由1980年的710萬t增加到1500多萬t，在總鋼產量中的比例達21. 13 %，發展是相當快的。但另一方面，我國電爐煉鋼無論從工藝技術還是從裝備水平上仍然比較落後，與國際上一般水平還有很大差距。

在裝備上，我國電爐容量過小，變壓器噸鋼功率水平低，現有電爐共1500餘座，平均容量僅4t，大部分電爐容量在5 ~ 14. 9t，而15t以上電爐的實際平均功率低於350kVA/t。

在煉鋼生產工藝上，除個別引進項目以外，還沒有一家電爐鋼廠真正實現超高功率電爐一爐外精煉一連鑄三位一體線上運轉的最佳化工藝路線。1990年，我國16家重點特鋼企業已建各種爐外精煉裝置共19台，但精煉鋼產量僅40萬t，優質鋼精煉比僅6.29%，主要用於精煉軸承鋼(精煉比4200，產量30. 6萬t)和不鏽鋼(精煉比3400，產量8萬t)，其他鋼種的精煉極少。

至今，爐外精煉線上運轉完全按二次煉鋼法組織生產的僅上鋼五廠與大冶鋼廠兩家，所以絕大多數電爐至今仍按老三段的模式煉鋼。至於連鑄，80年代後期剛開始在6家重點特鋼企業建設了6台合金鋼連鑄機，目前都還在試生產階段。可見，我國電爐煉鋼生產在裝備與工藝技術上都急需進行根本改革，以縮短與國際水平的差距。

1985年以來，我國廣州鋼廠、撫順鋼廠、舞陽鋼鐵公司和天津無縫鋼管總廠，分別從瑞士ABB公司、德國克虜伯公司、奧地利奧鋼聯和德國德馬克公司引進了40t, 50t, 90t和150t超高功率電弧爐，至1992年，這4台電爐都已投產。同時，我國還建設了十幾座國產及從國外購買的二手高功率、超高功率電弧爐。這表明，我國電爐煉鋼向現代化工藝裝備發展的改造工作已經開始。

4座超高功率電弧爐除廣州鋼廠40t電爐以外，目前都還處於試生產階段。從總體上看，情況都是比較好的，設備方面除150t爐還出現某些機械與電氣故障外，一般都能正常穩定地運轉，尤其是撫順鋼廠50t超高功率電爐，從熱試以來，包括國產配套裝備在內的全部設備都能穩定地線上運轉。除廣州鋼廠以外，這些電爐都按二步煉鋼法冶煉，電爐完全取消了還原期，並實行泡沫渣埋弧熔煉和留鋼留渣法作業。冶煉時間都達到或超過設計指標，其他如電耗、電極消耗等重要指標也都通過了考核要求。

撫順鋼廠50t超高功率電爐，1993年產量達16萬t，即投產1年多已接近設計產量，平均冶煉時間80min，最短59min，班產8爐鋼，電極耗量平均2. 5kg/t鋼，最低1. 9kg/t鋼，電耗480kwh/t鋼，最低460kwh/t鋼，渣線採用國產鎂碳磚，壽命已達320爐，這些指標在國內都是最先進的。

隨著我國國民經濟持續高速增長和鋼需求量的不斷增加，進入90年代以來，各地紛紛計畫建設大型超高功率電爐煉鋼車間。上鋼三廠擬建設兩座100t超高功率直流（UHP DC）電爐，上鋼五廠擬建一座100t UHP DC電爐，上海寶山鋼鐵總廠擬建設一座150t UHPDC電爐，還有無錫鋼廠、江陰鋼廠也在積極計畫建80-90t電爐，撫順鋼廠則計畫建第二座50t UHP電爐。

這些正在建設或計畫建設中的我國新一代超高功率電爐煉鋼車間，與前述我國已投產的超高功率電爐煉鋼車間比較，具有以下明顯特點:

(1)採用超高功率電爐-爐外精煉-全連鑄工藝路線。

(2)大部分為世界各國正在大力發展的超高功率直流電弧爐。只有張家港潤忠鋼鐵公司採用了豎式超高功率電弧爐(SSF)。

(3)變壓器單位功率由700kVA/t提高到800kVA/t 。

(4)電爐的配套技術更為完善，如交流電弧爐採用高阻抗供電技術，直接導電臂，氧燃燒咀，爐底吹Ar(或N₂)攪拌，而所有電爐都配備了爐門噴碳粉與氧槍機械手及採用噴淋式水冷電極。

(5)每爐鋼冶煉周期由90-100min縮短至58 -75min，小時生產率提高到80 -130t。

總結

這些電爐車間建成投產後將標誌著我國超高功率電爐技術上到一個新的台階，達到當代國際水平。但目前是我國尚未掌握超高功率電弧爐設備及其配套裝備、特種材料的設計、製造技術，這是我們在掌握和發展這一技術中急需解決的課題。其次在冶煉工藝與生產管理上也還有一個熟練與提高的過程。

因此在建設現代化超高功率電爐車間，改變我國電爐煉鋼技術落後局面的同時，必須大力解決上述兩方面間題，使我們儘快趕上國際先進水平。