130 t電渣爐的技術(shù)特點

向大林 辜榮如 談家寶

(浙江電渣核材有限公司，浙江314305)

生產(chǎn)技術(shù)

130t電渣爐的技術(shù)特點

向大林 辜榮如 談家寶

(浙江電渣核材有限公司，浙江314305)

文章介紹了130 t電渣爐的技術(shù)特點及生產(chǎn)情況。生產(chǎn)結(jié)果表明，130 t電渣爐可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)電渣錠。

130 t電渣爐；電渣錠；技術(shù)特點

大型電渣重熔是當(dāng)今世界獲得高端大鍛件用鋼錠的先進(jìn)方法[1]。大型電渣技術(shù)具有強(qiáng)烈精煉凈化和可控快速凝固等功能。電渣錠質(zhì)地純凈、夾雜物少且細(xì)小彌散，成分均勻，偏析度小，沒有沉積錐，組織致密，無疏松、縮孔、冒口等凝固缺陷。用電渣錠生產(chǎn)高端大鍛件，質(zhì)量可靠，廢品率低，鋼錠利用率高，設(shè)備投資少。

浙江電渣核材有限公司于2012年7月新建了130 t電渣爐，用以生產(chǎn)第三代核電主管道、堆內(nèi)構(gòu)件、管板以及超超臨界轉(zhuǎn)子等高端大鍛件。下面詳細(xì)介紹130 t電渣爐的技術(shù)特點。

1 技術(shù)特點

浙江電渣核材有限公司在廣泛總結(jié)國內(nèi)外電渣爐技術(shù)特點的基礎(chǔ)上設(shè)計出130 t電渣爐，設(shè)計有以下特點：

(1)從工程科學(xué)來看，電渣重熔工藝流程實際上是物性轉(zhuǎn)變和物性控制的工藝過程。比如，渣料、重熔金屬狀態(tài)的轉(zhuǎn)變和控制，與產(chǎn)品質(zhì)量性能密切相關(guān)的尺寸和噸位控制，化學(xué)成分控制，H、O、N控制，表面質(zhì)量控制，內(nèi)部純凈度控制和結(jié)晶組織控制等。

電渣重熔生產(chǎn)流程的另一個重要方面是物流的管制。比如，在重熔生產(chǎn)過程中，電極、渣料、鋼錠等物流各重要參數(shù)(流量、時間節(jié)奏等)的銜接與匹配，各工序間裝備能力、作業(yè)場地的匹配，時間節(jié)奏的協(xié)調(diào)與緩沖，物流在車間流轉(zhuǎn)的路線、距離與方式等。

據(jù)此，該工程在設(shè)計中，按設(shè)計能力或生產(chǎn)綱領(lǐng)，將物性的轉(zhuǎn)變、控制和物流管制有機(jī)結(jié)合起來，使電渣重熔工藝流程呈線性無橫向交互，各道工序的物流等參數(shù)銜接匹配合理，協(xié)調(diào)均衡。

(2)130 t電渣爐具有合理的結(jié)構(gòu)形式(圖1)，采用固定式雙立柱，立柱牢固不動，支臂轉(zhuǎn)動，具有良好的機(jī)架剛性。電極升降和支臂旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定自如，靈活輕便，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，停位準(zhǔn)確。既可采用固定式重熔，又有水冷短模抽錠設(shè)計，還可采用各種規(guī)格的小尺寸水冷模操作。水冷金屬模規(guī)格主要有以下幾種：?1 360 mm(32 t)、?1 820 mm(87 t)、?2 020 mm(123 t)、?2 100 mm(135 t)、?2 200 mm(153 t)。

(3)爐子由1臺三相爐用變壓器供電，3根電極同時重熔，重熔過程中，有載有級調(diào)壓，3根電極的極心圓和水冷金屬模中心可以自由調(diào)節(jié)，雙臂輪番更換電極(生產(chǎn)操作實測，換電極停電時間<2 min)，雙臂交替作業(yè)，直至達(dá)到規(guī)定的錠重。一般情況下，根據(jù)鍛件需要，通過更換水冷金屬模、控制錠長和實時稱重，生產(chǎn)30 t～135 t以內(nèi)的任意重量的電渣錠。此外，還可以更換成各種規(guī)格的小尺寸水冷金屬模及自耗電極，調(diào)節(jié)電極極心圓和水冷金屬模中心，生產(chǎn)不同直徑、各種小噸位的電渣錠(最小10 t)。爐子靈活性強(qiáng)，自由度大，可控性高，產(chǎn)品適應(yīng)性廣。

設(shè)備能力覆蓋了包括AP1000、ACP1000、ACPR1000、CAP1400、CAP1700在內(nèi)的主管道、堆內(nèi)構(gòu)件以及1 000 MW～1 300 MW超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子等高端大鍛件電渣錠及重型寬厚板坯的需要，具有年產(chǎn)8套第三代核電主管道、堆內(nèi)構(gòu)件、超超臨界轉(zhuǎn)子用電渣錠以及航母用大寬厚高強(qiáng)度板坯的能力。

1—地坑 2—地坪 3—電極烘烤爐基座 4—機(jī)架基座 5—操作平臺 6—電渣爐變壓器 7—短網(wǎng) 8— 零線 9—?dú)鈩娱_關(guān) 10—無功補(bǔ)償裝置 11—水冷底板 12—隔絕裝置 13—水冷金屬模 14—水冷套 15—爐蓋 16—電極烘烤爐 17—假電極 18—自耗電極 19—承錠升降平臺裝置 20—底板調(diào)心車體 21—稱重裝置 22—方立柱 23—臺車升降體架 24—臺車升降傳動絲杠副 25—臺車驅(qū)動裝置 26—立柱裝置 27—支臂 27A—小臂 27B—小臂調(diào)心傳動裝置 27C—電極夾持裝置 28—支臂回轉(zhuǎn)傳動裝置 29—支臂升降傳動裝置 30—渣池 31—金屬熔池 32—電渣錠 33—渣皮 34—爐蓋

圖1 130 t電渣爐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖
Figure 1 Schematic diagram of 130 t ESR furnace

(4) 三相供電，大功率網(wǎng)路負(fù)荷平衡，干擾小。供電半徑范圍內(nèi)，高壓端任一電壓等級在負(fù)荷滿足條件下電力輸配電裝備簡單，經(jīng)濟(jì)實用，投資少。爐用變壓器安置于緊靠爐子的機(jī)架1/2高度處，短網(wǎng)短，短網(wǎng)截面大，短網(wǎng)采用擠壓連接，大電流開關(guān)和電極夾頭都采用紫銅鍛件，短網(wǎng)電阻小，短網(wǎng)壓降<15 V，有功損失低。短網(wǎng)回路采用內(nèi)水循環(huán)冷卻，短網(wǎng)系統(tǒng)采用無磁結(jié)構(gòu)、修正的等腰三角形布置，三相短網(wǎng)長度差<230 mm，三相短網(wǎng)功率不平衡度<4%。

(5)短網(wǎng)是一個低壓大電流工作的系統(tǒng)，短網(wǎng)的性能決定了電渣爐的性能。短網(wǎng)的低電壓大電流特征決定了短網(wǎng)會產(chǎn)生大量的無功功率，致使?fàn)t子自然功率因數(shù)較低。因此，在爐用變壓器低壓側(cè)出線端與電極夾頭之間的低壓大電流載流體采用了無功補(bǔ)償技術(shù)。在電渣爐不同工況下，根據(jù)負(fù)載變化自動跟蹤，進(jìn)行分相就地補(bǔ)償，實時動態(tài)精確控制功率因數(shù)，功率因數(shù)為0.87～0.99，平均值為0.91，無功損耗小，變壓器出力高，熔煉電耗低，并改善電網(wǎng)質(zhì)量。

(6)變壓器電氣特性硬，絕緣水平高，采用有載有級調(diào)壓。整個低壓電氣控制系統(tǒng)配套，如承錠平臺升降、支臂升降與回轉(zhuǎn)、電極夾緊與松開、爐前操作臺、主控制室、大電流水冷隔離開關(guān)、變壓器繼保、爐前高壓開關(guān)柜繼保、熔煉過程測量儀表控制、氣氛保護(hù)系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、語音和監(jiān)視系統(tǒng)等動作靈敏、運(yùn)行可靠、操作簡便安全、維修保養(yǎng)方便，滿足相關(guān)熔煉工藝要求。

(7)水冷金屬模(結(jié)晶器)采取組合式兩頭小中間大的橄欖形超強(qiáng)冷卻設(shè)計和3根電極重熔，有利于改善電渣錠底部和頂部質(zhì)量，有利于重熔過程中的凝固控制，提高整個電渣錠的均勻性和致密度。補(bǔ)縮過程的凝固控制可靠，大截面電渣錠頂部成型良好，無縮孔、夾渣，切頭少，鍛造筒體鍛件時甚至頂端和底端都無需切除，鋼錠利用率大大提高。

(8)換電極設(shè)計，既使電極制備簡便易行，易于實現(xiàn)和保證電極的高質(zhì)量，又使?fàn)t子的行程短，機(jī)架玲瓏小巧，降低廠房高度，還減少短網(wǎng)長度，提高電效率，特別是還可用多爐電極重熔生產(chǎn)大鋼錠。這種獨(dú)特設(shè)計可以利用小爐子生產(chǎn)電極，經(jīng)濟(jì)合理。至于用成分有差異的多爐小電極重熔成大型電渣錠的成分均勻性問題，采用特殊的控制技術(shù)已完全得到解決[4]。

(9)機(jī)架穩(wěn)固不動，立柱上有升降導(dǎo)軌，支臂升降體上有支撐滑輪，電極升降和旋轉(zhuǎn)采用精密驅(qū)動和制動，無級變頻調(diào)速，傳動執(zhí)行元件采用大導(dǎo)程大直徑滾珠絲杠，啟動力矩小，傳動平穩(wěn)，摩擦阻力小，運(yùn)動效率高，進(jìn)給精確，定位準(zhǔn)確，具有精度高、剛性高、可逆性強(qiáng)的特點。

(10)自耗電極通過嚴(yán)格脫氣處理，[H]<2×10-6。自耗電極入爐前，有專用設(shè)施將頭部預(yù)熱至發(fā)紅。自耗電極在重熔過程中有余頭控制措施[5]，確保自耗電極余頭始終<50 mm。

(11)作為自耗電極的延長段，假電極有合理的結(jié)構(gòu)和系列組合設(shè)計，既使生產(chǎn)銜接匹配合理、協(xié)調(diào)周轉(zhuǎn)有序，又有助于重熔節(jié)電和電極余頭準(zhǔn)確控制。假電極采用低碳鋼管制作，標(biāo)定不同長度，標(biāo)明編號排序。假電極夾持處經(jīng)銅鋼復(fù)合加工處理，光滑無疵，接觸緊密，壓降小。假電極與自耗電極裝配設(shè)計有專用滾輪托架機(jī)構(gòu)，確保假電極與自耗電極對中同軸，不偏不彎。

(12)爐子裝備氣體保護(hù)設(shè)施，具有可靠又可控的保護(hù)熔煉功能，爐內(nèi)濕度始終<1.0 g/m3，而且爐內(nèi)不存在濕度梯度[6]。

(13)爐子裝備900 t/h冷卻水循環(huán)泵站系統(tǒng)，有效控制重熔過程中各裝置冷卻水進(jìn)出水流量、壓力、溫度，以保證生產(chǎn)安全和鋼錠質(zhì)量。

(14)爐子配置微量水分檢測儀，在污染、電磁干擾等環(huán)境中能準(zhǔn)確、快速、持續(xù)檢測和現(xiàn)場顯示爐氣濕度，并進(jìn)行記錄分析、趨勢顯示和跟蹤記錄。

(15)爐子配備在線定氫定氧裝置，在重熔過程中可對熔池中的氫、氧含量進(jìn)行在線檢測分析，快捷而準(zhǔn)確，可在1 min內(nèi)完成檢測。這是重熔工藝控制和冶金質(zhì)量控制的先進(jìn)檢測手段和有效保證措施，使電渣重熔過程中直接控制氫、氧含量成為可能。

(16)爐子配置模塊式稱重系統(tǒng)，實時稱重，在重熔過程中，可實時知道鋼錠的準(zhǔn)確重量，可隨時和熔化速度比對，有利于熔速的精確控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，防潮防塵，堅固耐用，適合惡劣工作環(huán)境下的高頻次作業(yè)。稱重傳感器的內(nèi)置微處理器可持續(xù)智能化補(bǔ)償不斷變化的溫度、非線性、滯后、不穩(wěn)定性、電壓波動、蠕變等外部環(huán)境因素對輸出精度的影響，抗干擾能力強(qiáng)，稱量精確，并具有優(yōu)異的自診斷和自動警示功能，排除故障迅速。

(17)電控系統(tǒng)功能配套技術(shù)先進(jìn)，運(yùn)行可靠，動作靈敏，操作安全。采用模塊式集散控制系統(tǒng)(DCS)，設(shè)備及儀表的信號在工控電腦上進(jìn)行監(jiān)視和控制，分散控制，集中操作，高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)地完成過程控制、過程管理，實現(xiàn)較高的自動化操作。系統(tǒng)指令集及內(nèi)置集成功能豐富，具有實時特性和冗余性能，可靠性高，易于掌握，操作便捷。重熔全過程DCS能對電規(guī)范、保護(hù)氣氛、冷卻速度及所期望的熔化速度、錠重等工藝參數(shù)實現(xiàn)實時精確控制。

(18)爐子配備世界頂級直讀光譜分析儀，在重熔過程中可對熔池金屬成分進(jìn)行快速檢測分析，為重熔過程控制易氧化元素?zé)龘p隨時提供信息。光譜儀采用1 m光柵焦距，譜線覆蓋范圍寬，譜線成型好，分辨率高。高重復(fù)率光源，單向放電，高能預(yù)火花，光源重復(fù)率及能量密度高，分析結(jié)果準(zhǔn)確性高，重現(xiàn)性好。真空光室恒溫控制，連續(xù)抽真空，克服了溫度梯度及真空度波動對分析結(jié)果的影響，具有高穩(wěn)定性。配有國際標(biāo)樣數(shù)據(jù)庫預(yù)置校正程序，標(biāo)準(zhǔn)值與約定值之間偏差小，分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。

(19)爐子安設(shè)除塵和煙氣收集凈化裝置，污染因子在各類氣象條件下對環(huán)境影響貢獻(xiàn)值均低于標(biāo)準(zhǔn)限值，區(qū)域內(nèi)疊加濃度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到GB9078—1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。環(huán)境監(jiān)測結(jié)果表明，空氣質(zhì)量達(dá)到GB3095—1996《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的要求，爐子生產(chǎn)運(yùn)行對周邊環(huán)境空氣質(zhì)量不造成明顯影響。

(20)爐子對噪聲、電磁輻射等也采取了有效的防治措施，確保對環(huán)境不產(chǎn)生明顯影響，不改變環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。爐子生產(chǎn)運(yùn)行時周圍環(huán)境中的工頻電場、磁場滿足HJ/T24—1998《超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價技術(shù)規(guī)范》的要求。綜合電場滿足GB8702—1988《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》中相應(yīng)頻段的公眾導(dǎo)出限值。環(huán)境噪聲符合GB3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

(21)爐子配備A7級150 t和20 t電動雙梁橋式起重機(jī)、150 t冶金吊具、200 t緩沖式電子地磅和200 t退火爐，以滿足熔煉過程中的電極更換、鋼錠脫模以及生產(chǎn)中起吊、運(yùn)輸、稱量和熱處理的不時之需。

本設(shè)計不光是一臺爐子，而是一項以熔煉工藝為統(tǒng)領(lǐng)的系統(tǒng)工程。這項系統(tǒng)工程借鑒了當(dāng)今世界一些最新技術(shù)成果，是一個全方位的系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計。圖2為130 t電渣爐生產(chǎn)現(xiàn)場。

2 生產(chǎn)結(jié)果

(1) 2012年8月設(shè)備開爐熱試，順利熔煉出86 t優(yōu)質(zhì)電渣錠。4個月后，成功生產(chǎn)出第一根CAP1400主管道用112 t核級超低碳控氮不銹鋼SA376 TP316LN電渣錠(圖3)。電渣錠底端成型良好(圖4)，頂端補(bǔ)縮密實平整(圖5)。質(zhì)量檢驗結(jié)果表明，成分合格，配比精確，4.7 m錠高的頂端與底端成分一致，超低碳、氮含量、低氫和低氧控制穩(wěn)定，氧、氫及有害微量元素含量很低，電渣錠的冶金質(zhì)量達(dá)到了較高的水平。

圖2 130 t 電渣爐在生產(chǎn)Figure 2 130 t ESR furnace in operation

圖3 CAP1400主管道用112 t電渣錠出爐Figure3 The 112 t ESR ingot for CAP1400 main pipe out from furnace

圖4 電渣錠底端成型Figure 4 Forming of the bottom of ESR ingot

圖5 電渣錠頂端成型Figure 5 Forming of the top of ESR ingot

3 結(jié)束語

從投產(chǎn)運(yùn)行以來的情況看，設(shè)備結(jié)構(gòu)合理，保護(hù)熔煉功能強(qiáng)，短網(wǎng)壓降小，功率因數(shù)高，熔煉電耗低，簡單實用，先進(jìn)可靠。設(shè)備性能好，適應(yīng)性強(qiáng)，可精確控制和調(diào)節(jié)熔煉工藝和冶金質(zhì)量。130 t電渣爐生產(chǎn)的電渣錠成分均勻，夾雜物少，無疏松、縮孔等凝固缺陷，頂端、底端成型好，具有優(yōu)異的冶金質(zhì)量。

[1] 向大林. 關(guān)于巨型鋼錠電渣技術(shù)之我見[J]. 大型鑄鍛件，2010(4):38-47.

[2] Zhu Jue,et al. The Construction and Operation of the 200 Ton ESR Furnace in China. Proc.9th ICVM,Special Melting and Processing Technologies,1988:640.

[3] 李正邦. 電渣冶金的理論與實踐[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2010:259.

[4] 向大林，辜榮如. 一種多個小爐生產(chǎn)大型鋼錠的電渣重熔法. 中國發(fā)明專利. 201210247584.3.

[5] 向大林，辜榮如，等.一種電渣重熔中精確控制自耗電極余頭的方法. 中國發(fā)明專利. 201210249945.8.

[6] 向大林，辜榮如. 一種電渣重熔的低氫控制方法. 中國發(fā)明專利. 201210252486.9.

編輯 杜青泉

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Technical Features of 130 t ESR Furnace

XiangDalin,GuRongru,TanJabao

In this paper, the technical features and production status of 130 t ESR furnace are described. The production result proves that 130 t ESR furnace can produce qualified ESR ingot.

130 t ESR furnace; ESR ingot; technical features

2013—07—03

TF748.6

A