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冶金学—炼钢篇电炉炼钢及炉外精炼阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2008年10月29～11月24日沈阳（No9）2020/1/25东北大学/阎立懿2主要内容电炉炼钢及其发展电炉炼钢设备及其电热特性电炉炼钢原料及冶炼工艺电炉新技术、新工艺炉外处理中国钢铁与大型电炉现状第五章现代电炉炼钢新技术超高功率电炉发展及其特征超高功率电炉相关技术直流电弧炉技术交流高阻抗电弧炉技术电炉废钢预热技术2020/1/25东北大学/阎立懿4上次介绍第五章“UHP电炉相关技术”的内容：氧-燃助熔：解决炉内温度分布不均的问题，实现废钢的同步熔化。长弧泡沫渣：实现埋弧操作，提高炉体寿命；使得长弧供电成为可能，弥补早期UHP电炉供电的不足。二次燃烧：实现碳的完全燃烧反应，回收热量、减轻废气处理系统的负担。炉壁多功能氧枪：具有氧-燃助熔、碳-氧造泡沫渣、吹氧脱碳、二次燃烧及钢水搅拌功能，实现关炉门造泡沫渣（真正意义的埋弧），减少热损失、提高热效率，减轻劳动强度、改善车间环境，进一步高效节能。偏心炉底出钢技术，实现了无渣出钢和增加了水冷炉壁使用面积。电炉底吹搅拌技术：加强熔池的搅拌、强化冶炼过程。2020/1/25东北大学/阎立懿55.3直流电弧炉技术直流炉发展概况直流电弧炉设备直流电弧的特性直流电弧炉特点2020/1/25东北大学/阎立懿61）直流电弧炉发展概况因交流（AC）电弧没有直流（DC）电弧稳定，加之直流供电的其它优点，使得人们早在十九世纪就开始直流电弧炉的研究，但由于当时的整流技术阻碍了直流电弧炉技术的发展。二十世纪70年代兴起的大型高功率、超高功率电炉的出现与发展，使得电炉的功率成倍增加，强大交变电流的冲击加重电网电压闪烁等电网公害，以至于不得不采用价格昂贵的动态补偿装置（SVC）。在沉默一个世纪后，进入二十世纪70年代，由于电力电子技术的飞速发展，大功率晶闸管元器件获得开发，并实现工业化生产，导致了大容量整流装置的问世和实用化，使得直流电弧炉再度崛起。二十世纪80年代，一些工业发达的国家纷纷开发直流电弧炉，并获得了显著的进展。由于直流电弧炉突出优点，在国内外发展很快，到2000年，全世界已经投产的50吨以上的直流电弧炉达到100多台。2020/1/25东北大学/阎立懿72）直流电弧炉设备工作原理：直流电弧炉是将三相交流电经晶闸管整流变成单相直流电，在炉底电极（阳极）和石墨电极（阴极）之间的金属炉料上产生电弧进行冶炼。直流与交流电弧炉设备的主要区别：增加晶闸管整流装置、炉顶石墨电极由三根变成一根及增设炉底电极等。其中炉底电极的设置是直流电弧炉的最大特征。直流电弧炉设备、布置及主电路图，分别见图5-20、图5-21及图5-22。2020/1/25东北大学/阎立懿8图5-15直流电弧炉设备2020/1/25东北大学/阎立懿9图5-16直流电弧炉布置2020/1/25东北大学/阎立懿10图5-22直流电弧炉主电路2020/1/25东北大学/阎立懿11炉底电极的形式及特征：按炉底电极结构特点可大致分为以下几种：GHH（集团）公司的触针式风冷底电极；CLECIM（集团）公司的钢棒式水冷底电极；ABB（集团）公司的导电炉底式风冷底电极；DVAI公司的触片式风冷底电极。不同形式的炉底电极见图5-23，特征比较见表5-6。2020/1/25东北大学/阎立懿122020/1/25东北大学/阎立懿13图5-23不同形式炉底电极2020/1/25东北大学/阎立懿14项目评价角度炉底电极形式CLECIM式GHH式DVAI式ABB式冷却冷却方式强制水冷强制风冷强制风冷强制风冷安全性漏钢可能性无无无无搅拌熔池搅拌较好较好较好最好砌筑与维修复杂程度简单复杂复杂简单维修难易易难难易电极更换容易较易较易较易寿命最高寿命2760/炉2000/炉1200/炉4000/炉炉底电极费用成本适中适中适中较高维修费用0.3$/t0.15-0.20$/t0.25$/t0.6-1.5$/t2020/1/25东北大学/阎立懿153）直流电弧特性电流密度提高：直流与交流相比，无集肤效应和邻近效应，在二次导体与石墨电极截面中电流分布均匀，在同样截面下，可通过的电流增加20％～30％，见图5-24。2020/1/25东北大学/阎立懿16阳极效应：从直流电弧热量分布来看：1）直流电弧炉所产生热量的72％集中于阳极（金属熔池）上，而交流电弧炉仅65％集中于金属熔池上。2）直流电弧炉的电弧功率有3/4消耗在阳极（金属熔池）上，有1/4消耗在炉衬上；而交流则各占50%。这也是将炉底（金属熔池）作为阳极，而把石墨电极作为阴极的原因。2020/1/25东北大学/阎立懿17循环搅拌：直流电弧炉的电弧电流产生的电动力——循环搅拌，使电弧下钢液沿其炉底向外侧炉壁运动，然后沿钢液表面返回电弧下。这种强烈的循环搅拌使得直流电弧炉钢液成分、温度较交流电弧炉更均匀。电弧稳定：在相同功率下，直流电弧炉可以在较高的电压、较小的电流下稳定操作（电弧稳定）。2020/1/25东北大学/阎立懿18耐火材料磨损指数：直流电弧炉与交流电弧炉相比，由于其电极极性发生根本变化，热量分布也不同，所以标志耐火材料侵蚀的RE也发生变化。考虑到交流电弧炉与直流电弧炉电极的工作特点，将交流电弧炉耐火材料磨损指数公式中引入一个修正系数1/3。这表明相同功率，直流炉电弧的RE小、炉衬寿命高，炉内温度分布均匀。231dUPRarcarcDCE2020/1/25东北大学/阎立懿194）直流电弧炉的优越性石墨电极消耗大幅度降低，可降低50%左右。原因一是炉顶电极由三根变成一根；二是阳极效应。降低电能消耗，可节约电能约5%～10%。原因一是单相，电阻损失少；二是直流损耗低。对电网的干扰和冲击小，电压闪烁降低了50%左右，这样根据电网条件可省去SVC装置或减小补偿的容量。炉衬寿命提高，耐材消耗降低，喷补材料可节约30%。噪音降低10～15dB。电磁搅拌力强，钢液成分及温度均匀。2020/1/25东北大学/阎立懿20存在的问题：大型直流电弧炉偏弧大型UHP电炉、大电流，其电弧受到强大的电磁力作用所引起偏弧严重，恶化电炉的操作，必须采取措施改善及消除。偏弧严重时造成：废钢熔化不均、热损失增加及重新出现炉壁热点问题。偏弧现象产生见图5-25。大直径石墨电极有待于开发～，否则将阻碍大型DC炉的发展。世界最大32inch（φ800mm）的UHP电极在160吨DC炉上的应用，见图5-26。2020/1/25东北大学/阎立懿21图5-25直流电弧炉偏弧现象2020/1/25东北大学/阎立懿22图5-26160吨DC炉运行2020/1/25东北大学/阎立懿235.4交流电弧炉高阻抗技术高阻抗技术发展过程高阻抗技术及其优点高阻抗电炉操作原则22xrz2020/1/25东北大学/阎立懿241）高阻抗技术的发展过程正常情况要有一定电抗为了保证电弧的连续稳定燃烧和限制短路电流，要求电炉回路中具有一定的电抗。对于小电炉回路中电抗值小，要求在变压器一次侧串联电抗器，以增加电抗。粗短弧供电功率因素过低，要降低电抗UHP电炉运行初期采用低电压、大电流（粗短弧供电），电抗百分数大大增加，功率因素降低很多，虽然电弧比较稳定，但大电流引起了诸多不足。当时，为了改善，采取了降低电抗以提高功率因数等措施。2020/1/25东北大学/阎立懿25细长弧供电电弧不稳定交流电弧炉大面积水冷炉壁的采用及泡沫渣埋弧操作，使得长弧供电成为可能，长弧供电有许多优点。但高电压长弧供电使功率因数大幅度提高，将使短路冲击电流大为增加，也将导致电弧不稳定，输入功率降低。（高功率因数电弧不稳定见图5-27）为了改善此种状况，采取提高电炉装置的电抗，以便适合长弧供电。zUxrUId22sin%UxIZxX2020/1/25东北大学/阎立懿26图5-27电弧稳定性与Uarc/U及X/r比值的关系2020/1/25东北大学/阎立懿27回顾二十世纪80年代末、90年代初，当时直流电弧炉的发展势头相当好，大有取代交流电弧炉。使得设备供应厂商，尤其是交流电弧炉供应厂商，对开发高阻抗电弧炉特别有积极性。90年代后期高阻抗技术得到开发利用，并收到明显的效果。受利益的驱使，人们又开始关注及采用交流电弧炉，而直流电弧炉的发展速度减缓。2020/1/25东北大学/阎立懿282）高阻抗技术及其优点高阻抗电弧炉，即通过提高电炉装置的电抗，使回路的电抗值提高到原来的两倍左右。对于50～100吨普通阻抗电炉，其电抗值为3.5～4.0mΩ左右，当其电抗值增加至7～8mΩ左右，成为高电抗或高阻抗电弧炉，这种高阻抗电弧炉更适合长弧供电。增加电抗的办法是在电炉变压器的一次侧（串联）一电抗器，有串联固定电抗器或饱和电抗器，世界范围大多为串联固定电抗器。而饱和电抗器可进一步减少电炉对电网的干扰，但价格昂贵。图5-28高阻抗电弧炉主电路示意图。2020/1/25东北大学/阎立懿29图5-28高阻抗电弧炉主电路2020/1/25东北大学/阎立懿30高阻抗电弧炉的优点：高阻抗电弧炉发挥长弧的优势，具有如下优点：因电流大为减小，电耗与电极消耗降低；因提高电抗及电抗百分数，电弧稳定性高，；因电流波动小，减少电压闪烁约30%，这样根据电网条件可省去SVC装置或减小补偿的容量；因短路电流小，降低回路电动应力，保证设备使用。下面以ZT公司40吨高阻抗电炉设计为例（表5-7），说明高阻抗电弧炉的优越性。2020/1/25东北大学/阎立懿31电气参数单位A组B组C组D组最高二次电压V489.0600.5625.6645.8短路电抗值mΩ3.55.96.57.0电弧电流kA37.78130.76729.53228.607表观功率MVA32.032.032.032.0电弧功率MW25.27525.27525.25725.257损失功率MW2.9981.9881.8311.719功率因数0.8580.8190.8130.809电效率0.8940.9270.9320.936电弧电压V223.0273.8285.3294.5短路电流kA79.158.455.253.0电流波动kA/V0.39130.23120.20930.1939电抗器容量kVar0.06815.77849.28592.62020/1/25东北大学/阎立懿32表5-7说明不同电抗时的操作情况及高阻抗优点：B、C及D组分别串联相当2.4、3.0和3.5mΩ的电抗器；与A比较，B、C及D组增加电抗后，使电流能低下来、电压能高上去，在保证电弧功率不变情况下实现长弧。电流大幅度减少，使得电耗、电极消耗降低；短路电流大幅度降低，减少电动应力，提高设备寿命。电流波动由A组的0.3913减少至D组的0.1939，电流波动减少了50%，大幅度地减少电压闪烁，降低对电网的要求。2020/1/25东北大学/阎立懿333）高阻抗电弧炉操作要点总原则为：高阻抗——高电压——埋弧。高阻抗供电有许多优越性，尽量长时间采用高阻抗供电。但高阻抗高电压供电电弧长度增加，在熔化后期，当炉衬暴露给电弧后，必须造泡沫渣埋弧操作，否则应降低电压，以防止炉衬损坏严重。主熔化期，一定要带抗操作，即主熔化期一定要采用高阻抗、高电压；熔末电弧暴露后，炉渣发泡性能良好，可实现埋弧操作时，可采用高阻抗、高电压，否则应采用低电压、大电流。2020/1/25东北大学/阎立懿34课后思考题—924）直流电弧炉炉底电极的种类，直流电弧炉的主要优点与不足。25）何谓高阻抗电炉，高阻抗电炉优点及与长弧泡沫渣的关系。