超高功率雙石墨電極直流煉鋼電弧爐運(yùn)行實(shí)踐

計(jì) 宏 寇 君 李可卿 郝宏偉

(西安電爐研究所有限公司 陜西西安710061)

超高功率雙石墨電極直流煉鋼電弧爐運(yùn)行實(shí)踐

計(jì) 宏①寇 君 李可卿 郝宏偉

(西安電爐研究所有限公司 陜西西安710061)

世界上最大的420t超高功率雙石墨電極直流電弧爐設(shè)計(jì)年產(chǎn)量260萬t鋼，此爐型代表最新的市場趨勢，即煉鋼者越來越關(guān)注提高鋼廠的生產(chǎn)率和保證鋼的高品質(zhì)。介紹了爐子的主要技術(shù)參數(shù)、化學(xué)能設(shè)備的布置、控制和自動化系統(tǒng)。

雙石墨電極 超高功率 直流電弧爐 運(yùn)行實(shí)踐

近十年由于大功率晶閘管技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，直流電弧爐依其所具備的優(yōu)點(diǎn)又重新引起人們的重視，以滿足鋼廠對更高生產(chǎn)率和效率的需求。

最近在東京制鋼田原工廠成功投產(chǎn)的420t配備有Consteel?廢鋼預(yù)熱技術(shù)的超高功率雙石墨電極直流電弧爐是迄今為止所建最大的，設(shè)計(jì)最大出鋼量420t/爐,平均出鋼量300t/爐。這臺EAF具有高效率、低運(yùn)行成本特點(diǎn)。

1 爐子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于對爐容量增大的需求，采用2根，3根頂電極, 4～9根底電極設(shè)計(jì)，用多根小電極代替單根大電極，來擴(kuò)大爐容量。

Consteel?廢鋼預(yù)熱技術(shù)的特點(diǎn)是帶有連續(xù)供料裝置及廢鋼預(yù)熱器，從供料裝置連續(xù)向預(yù)熱器內(nèi)加入廢鋼和造渣材料。預(yù)熱器利用電爐熔煉時(shí)所產(chǎn)生高溫?zé)煔獾挠酂峒盁煔庵械腃O氣體在進(jìn)行二次燃燒時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)熱，可將廢鋼及造渣材料加熱至600℃～800℃，被預(yù)熱器預(yù)熱的廢鋼及造渣材料進(jìn)入直流電弧爐進(jìn)行熔煉。與常規(guī)直流爐相比．這種爐的生產(chǎn)效率可提高30%以上。電能消耗也可降低30%。其投資隨著爐容量的增大而降低[1]。

420t超高功率雙石墨電極直流電弧爐綜合以上技術(shù)特點(diǎn)，代表最新直流電弧爐的優(yōu)點(diǎn)。其爐子主要技術(shù)參數(shù)見表1[2]。

對于該爐175MW高功率來說，采用Consteel?廢鋼預(yù)熱技術(shù)和雙石墨電極直流技術(shù)是最好的方案。采用Consteel?技術(shù)比普通2料筐加料EAF縮短輔助作業(yè)時(shí)間約4min，通電時(shí)間約2min。留鋼操作、連續(xù)加料和雙石墨電極直流供給，使得在通電初始階段，就能獲得穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的電弧質(zhì)量，即較高的輸入有效功率。高熔化率得益于弧集中在2個(gè)電極之間，以及廢鋼朝著弧集中區(qū)域加料。由于直流電弧的陽極效應(yīng)，使電弧傳給熔池的熱量，在相同輸入功率下，要比交流時(shí)大l/3[3]。

表1 420t超高功率雙石墨電極直流電弧爐主要技術(shù)參數(shù)

而電弧穩(wěn)定性非常好，它產(chǎn)生的電流波動遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于交流電弧爐，而且很少產(chǎn)生短路和斷弧現(xiàn)象,提高了20%～30%的熱效率。

因等離子體由陰極流向陽極,所以電弧一直由頂電極底端朝向鋼液，熱能也一在電極端下部，這就是升溫快的原因。按照NKK的經(jīng)驗(yàn)，精煉期的升溫時(shí)間相當(dāng)于交流電弧爐的50%～60%[4]。

通過如圖1所示點(diǎn)連續(xù)添加造渣劑，可獲得所需的渣成分和粘稠度。由于造渣劑熔化的非?？欤砑訒r(shí)應(yīng)靠近弧集中區(qū)域和噴氧區(qū)，熔化率達(dá)到2.1t/h/MW。

直流電弧爐爐型的最大區(qū)別在于底電極的不同。此臺EAF設(shè)計(jì)有2個(gè)陰極(雙石墨電極直流技術(shù))和4個(gè)水冷底陽極，同單個(gè)陰極設(shè)計(jì)相比較，功率高，電極直徑小，對電網(wǎng)干擾少。主回路接線圖如圖2所示。

圖1 爐子結(jié)構(gòu)圖

A1、A2、A3、A4-底電極； C1、C2-頂電極

圖2 主回路接線圖

在直流電弧爐中，有對冶煉和石墨電極都有利的特點(diǎn):陽極的發(fā)熱量和溫度比陰極高得多。即：陽極區(qū)的溫度高，使?fàn)t料熔化加快；而陰極區(qū)的溫度低，使電極消耗減少。所以該爐的石墨電極消耗大幅度降低。該爐功率調(diào)節(jié)通過獨(dú)自控制4個(gè)陽極的電流傳導(dǎo)和分布。具有特殊設(shè)計(jì)特點(diǎn)的水冷底陽極可以使用普通耐火材料(見圖3)。導(dǎo)電體是銅棒，其下部鑄有通冷卻水的銅套，水冷的效果好，底電極可整體更換，在8h內(nèi)可更換完畢。水冷底電極安全問題，完全可以解決，只要技術(shù)措施嚴(yán)密。水冷底電極安全運(yùn)用同樣有保障[5]。

圖3 水冷底陽極示意圖

2 爐子化學(xué)能設(shè)備的布置

一種特殊的氧、碳噴射器設(shè)計(jì)滿足高熔化率、大熔池尺寸要求。最優(yōu)化的噴射器分布保證恰當(dāng)?shù)臄嚢?、鋼水溫度均質(zhì)和快速脫碳。特點(diǎn)是：碳噴射器靠近氧氣增強(qiáng)了碳的反應(yīng)能力，提高造泡沫渣效率，這在平熔池操作時(shí)是很重要的，可提高弧的覆蓋范圍、鋼水的熱轉(zhuǎn)換率、保護(hù)爐墻、耐火材料和爐壁塊免受熱應(yīng)力侵蝕。

超音速氧槍和碳槍采用Parpi機(jī)械手通過爐門進(jìn)入爐內(nèi)，可移動朝向熔池層，在初始階段，增強(qiáng)噴射效率。氧噴嘴和碳管安裝在水冷凸出的銅箱內(nèi)(見圖4)，可恰當(dāng)保護(hù)噴射器，縮短噴射器頂部和鋼水之間的距離，延長噴射器下部耐火材料壽命。

圖4 水冷箱式氧噴嘴和碳管

管式錯(cuò)排水冷爐壁相比密排式增大了面積，降低了單位面積的熱流密度，更有利于掛渣，保護(hù)了爐壁免受侵蝕，雙管層的特殊設(shè)計(jì)，能使熱輻射損失低于25%，達(dá)到顯著節(jié)能目的,同時(shí)提高爐壁塊壽命(已運(yùn)行超過20000爐次)。

3 爐子控制和自動化系統(tǒng)

通電時(shí)間僅4min后，即達(dá)到最大值：廢鋼加入率9t/min，功率175MW，氧速15000m3/h，廢鋼加入同時(shí)超音速氧槍運(yùn)行(4000m3/h)，碳噴射慢慢增加是為了在每個(gè)階段獲得電能和化學(xué)能的最佳平衡，以產(chǎn)生均質(zhì)的CO氣泡。連同噴入的造渣劑，保證足夠的泡沫渣，獲得了熱轉(zhuǎn)換的高效率。

自動化系統(tǒng)包括設(shè)備控制(1級)和過程控制(2級)，基于最先進(jìn)的軟、硬件平臺。電極控制程序包Hireg?和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)響應(yīng)時(shí)間非?？?。電和化學(xué)能參數(shù)根據(jù)工藝階段不同，自動變化工作點(diǎn)，保證鋼品質(zhì)和能耗的最佳化。

4 爐子機(jī)電一體化程序包

Motank機(jī)械裝置，其設(shè)計(jì)牢固，可以在通電其間，安全、持續(xù)地保持渣門清潔。自動出鋼系統(tǒng)包括紅外照相機(jī)，可以快速、可靠的遠(yuǎn)程檢測出鋼流，其快速熱圖像反應(yīng)避免了渣遺留。自動出鋼系統(tǒng)還包括高分辨率照相機(jī)用于遠(yuǎn)程EBT控制和EBT自動瞬間再裝滿系統(tǒng)。

5 結(jié)論

1)由420t超高功率雙石墨電極直流電弧爐運(yùn)行的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):直流電弧爐技術(shù)之所以受到部分國家的重視，是因?yàn)樗c三相交流電弧爐相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)石墨電極消耗量減少1/2～2/3；

(2)相同級別電爐的相比，電弧長度長，冶煉全周期熱效率較高，熔煉單位電能消耗下降3%～10%；

(3)直流電弧燃燒穩(wěn)定，對前級電網(wǎng)造成的電壓閃爍只是相同功率交流電弧爐的30%～50%，不需要?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償裝置(SVC)；

(4)噪音水平可降低10dB～15dB；

(5)能夠消除偏弧及爐壁熱點(diǎn)，耐火材料消耗也減少；

(6)對鋼液具有很強(qiáng)的攪拌力。

2)該爐超高功率供給，沒有對電網(wǎng)干擾，整個(gè)工藝過程采用穩(wěn)定的高功率。通過化學(xué)能結(jié)構(gòu)的最佳化設(shè)計(jì)和新型、全集成自動化系統(tǒng)的實(shí)施，達(dá)到了工藝高效率。新型機(jī)電一體化程序包縮短了輔助作業(yè)時(shí)間，提高了操作的安全性和效率。

[1]羅加.直流電弧爐與交流電弧爐的比較及發(fā)展概況[J].馬鋼技術(shù)，1997(3)：51.

[2]Toshio Adachi. The Jumbo Size 420t EAF at Tokyo Steel, Japan[J]. MPT International,2012,Vol.35(2):54-62.

[3]蔡剛，劉新文.直流電弧爐的特點(diǎn)及在特鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].特鋼技術(shù)，2003(1)：76.

[4]牧敏道.王曉峰譯.直流電弧爐的優(yōu)越性[J].工業(yè)加熱，1994(1)：6.

[5]陳文修.直流電弧爐的最近進(jìn)展.煉鋼,1995(5):59.

[6]Romano S.The Largest DC EAF in the World Put into Operation in Japan[J]. Industrial Heating,2010,VLXXVIII,No.9,34.

Operation Practice of Ultra High Power Supply DC Electric Arc Furnace with Twin Graphite Electrodes

Ji Hong Kou Jun Li Keqing Hao Hongwei

(Xi’an Electric Furnace Institute Co.Ltd., Xi’an 710061)

With a designed yearly production of 2.6 million t, the furnace is operated in the Tokyo Steel plant of the world largest ultra high power DC EAF wiht twin graphite electrodes. The design is representative of the recent market trend, which has led steel producers to focus more and more on the increse in meltshop productivity and efficiency for products, while ensuring high quality of the steel produced. Introduced main technical characteristics, arrangement of chemical energy equipment, control and automation system of the EAF.

Twin graphite electrodes Ultra high power DC EAF Operation practice

計(jì)宏，女，1969年出生，畢業(yè)于陜西師范大學(xué)企業(yè)管理專業(yè)，助理工程師，從事電爐項(xiàng)目管理與科技信息工作

TF748.41

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10.3969/j.issn.1001-1269.2015.05.017

2015-05-24)