中頻爐在酒鋼不銹鋼初煉鋼水中的調(diào)配應(yīng)用

劉 偉

（酒鋼宏興股份公司不銹鋼分公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

在不銹鋼初煉鋼水中，僅靠常規(guī)挖潛手段來降低成本的空間已十分有限，必須通過新的工藝和技術(shù)革新來尋求更大突破。目前，國內(nèi)不銹鋼企業(yè)普遍采用中頻爐熔化鎳、鉻合金的方式來提高煉鋼鎳、鉻的收得率，其收得率較現(xiàn)有工藝分別提高1%和4%。因此，新建中頻爐項(xiàng)目將是不銹鋼今后對(duì)標(biāo)挖潛、降本增效的首選。

1 概述

目前，酒鋼不銹鋼煉鋼采用電弧爐來熔煉鎳、鉻合金，為氬氧精煉爐提供初煉鋼水。由于電弧爐冶煉存在溫度高、渣量大的問題，導(dǎo)致鎳、鉻元素在電弧爐冶煉環(huán)節(jié)損失量相對(duì)較大。因此，從成本方面考慮，鎳含量大于15%的鎳系合金不允許入電弧爐進(jìn)行熔化。但從酒鋼不銹鋼公司對(duì)鎳、鉻資源的掌控和采購情況來看，F(xiàn)eNi10 原料采購日趨困難，采用鉻鐵粉、鎳粉、FeNi25、FeNi45 等經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較好的高鎳類原料生產(chǎn)不銹鋼將成為必然，而受AOD（Argon Oxygen Decarburization furnace）轉(zhuǎn)爐過程溫度條件限制，該類原料在AOD 內(nèi)的用量極為有限。另外，受國內(nèi)超高功率石墨電極價(jià)格上漲因素影響，導(dǎo)致電爐冶煉僅電極成本每噸就增加了500 元。而使用中頻爐熔化高鎳、含鉻合金原料，可有效解決上述問題。因此，為進(jìn)一步降低不銹鋼冶煉成本，提高酒鋼不銹鋼產(chǎn)品的市場競爭力，在不銹鋼分公司煉鋼廠內(nèi)增建一臺(tái)中頻爐，配合電弧爐為AOD 轉(zhuǎn)爐提供不銹鋼初煉鋼水。隨著酒鋼不銹鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整力度的不斷加大，常規(guī)304 鋼種生產(chǎn)比例和電弧爐開動(dòng)率逐步下降，具備了中頻爐和電弧爐交替輪換生產(chǎn)的條件。同時(shí)，中頻爐參與高鎳、高鉻品種鋼（2205、310S 等）的生產(chǎn)，較電弧爐更有成本優(yōu)勢(shì)。中頻爐的投用，將有效提高不銹鋼煉鋼工藝的靈活性，通過工藝優(yōu)化組合，進(jìn)一步豐富產(chǎn)品種類并實(shí)現(xiàn)多元化經(jīng)營[1]。

中頻爐和電弧爐輪換生產(chǎn)，有助于降低電弧爐電極、耐材成本，并且將有效提高不銹鋼煉鋼工藝的靈活性和原料的適應(yīng)能力，還可解決后續(xù)面臨的鎳（FeNi10）、鉻（爐料級(jí)鉻鐵）資源短缺的問題。選用50 t 中頻感應(yīng)爐可以與煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏相匹配，靈活實(shí)現(xiàn)鋼水熔煉和調(diào)配。

2 產(chǎn)品方案

在穩(wěn)定可靠的前提下，盡可能采用先進(jìn)的工藝技術(shù)和設(shè)備；同時(shí)兼顧利用好公司現(xiàn)有條件、設(shè)施，減少非生產(chǎn)性設(shè)施的投資，盡量節(jié)約投資，提高企業(yè)的總體經(jīng)濟(jì)效益，本項(xiàng)目新增50 t 中頻爐一座，位于酒鋼不銹鋼分公司煉鋼廠二期D-E 跨（加料跨）3-1#和3-5#柱間。中頻爐平臺(tái)面積23.8 m×20 m，高8 m。東側(cè)布置2 臺(tái)50 t 中頻爐爐體，嵌入在平臺(tái)內(nèi)。平臺(tái)房間內(nèi)布置變壓器、中頻電源、電容器柜、電抗器、液壓站、供水泵等設(shè)備。中頻爐平臺(tái)上布置可逆皮帶，2 臺(tái)振動(dòng)給料車，移動(dòng)集塵罩等設(shè)備。在中頻爐平臺(tái)西側(cè)布置儲(chǔ)料地倉、斗式提升機(jī)等設(shè)備。

3 工藝流程

中頻爐生產(chǎn)工藝為配料、塊狀物料地倉上料、上料小車加料、送電熔化、二次（三次）加料、送電熔化、出鐵等。

主要工藝流程如圖1 所示。

圖1 工藝流程

3.1 鎳鋼生產(chǎn)工藝（中頻爐+三脫/脫磷轉(zhuǎn)爐）

中頻爐熔化含鎳、含鉻鐵水，與脫磷鐵水在中頻爐跨完成混兌后，從2 號(hào)AOD 轉(zhuǎn)爐爐下過跨并兌入AOD 進(jìn)行冶煉。也可在完成混兌后從二期過跨車過跨至轉(zhuǎn)爐跨。脫磷鐵水包（包嘴、鏈接板）的轉(zhuǎn)向問題由三脫旋轉(zhuǎn)過跨車來完成。FeNi10 原料緊缺的情況下，可采用中頻爐熔化FeNi34/45 原料和純鎳的一步法工藝來維持中厚板及高品質(zhì)300 系列的生產(chǎn)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在甩開電弧爐的情況下完成2205、310S 等高合金低磷鋼種的生產(chǎn)。

3.2 鉻鋼生產(chǎn)工藝（超純和400 系列）

該工藝主要生產(chǎn)400 系列及高鉻超純鐵素體不銹鋼，中頻爐以熔化含鉻類經(jīng)濟(jì)性原料和400 系列不銹廢鋼為主。脫磷轉(zhuǎn)爐和三脫處理1、2 號(hào)轉(zhuǎn)爐一步法冶煉用鐵水，中頻爐熔煉產(chǎn)出的含鉻鐵水采用一兌二的方式分別兌入1、2 號(hào)轉(zhuǎn)爐。

3.3 工藝說明

本研究在煉鋼廠加料跨區(qū)域設(shè)儲(chǔ)料地倉（鎳、鉻鐵各1 個(gè)），原料類型為鉻鐵、鎳鐵（塊度＜80 mm），按存儲(chǔ)2×150 t 原料考慮，通過汽車運(yùn)輸將原料送至地倉。生產(chǎn)時(shí)通過振動(dòng)給料機(jī)送至斗提，由斗提將原料送至可逆皮帶，再由皮帶送至上料小車，然后由上料小車將爐料加入中頻爐內(nèi)，爐內(nèi)原料填充滿后開始送電，期間上料小車可多次為中頻爐加料，保持中頻爐一直處于滿爐狀態(tài)。熔煉完成后，將熔煉的鐵水倒入鋼包車中，鋼包車運(yùn)行至B-C 跨（鋼水接受跨）并由起重機(jī)將鐵水兌入AOD 轉(zhuǎn)爐。也可與脫磷鐵水混兌后再運(yùn)至B-C 跨，再兌入AOD 轉(zhuǎn)爐。

3.4 原料方案

中頻爐爐料合理的配方可以避免因調(diào)整成分而拖延熔煉時(shí)間，杜絕因成分不合格而使鋼液報(bào)廢，增加物耗、電耗。鋼鐵料的使用原則主要考慮裝料方法、冶煉方法、鋼種的化學(xué)成分以及產(chǎn)品對(duì)質(zhì)量的要求等。此外，在配料時(shí)，還應(yīng)預(yù)先掌握好鋼鐵的塊度和單位體積重量。本次改造中爐料中應(yīng)配入大塊料30%～40%、中塊料40%～50%、小塊料或輕薄料15%～25%。以保證其熔化效率，中頻爐使用主要原料為鉻鐵自然塊、FeNi35/45、純鎳、自產(chǎn)廢鋼（坯頭尾及渣鋼除外）、部分進(jìn)口哈鐵及自產(chǎn)不銹鋼廢鋼等原料。其中所用鉻鐵要求含鉻約為67%，鐵30%，碳8%。硅約為4.5%，鉻鎳生鐵要求含鐵約為78%～89%，鎳5%～12%，碳4%，鉻約為3%，所用鎳鐵成分含鐵約為45%，鎳20%～50%，碳1%，磷低于0.035%，中頻爐熔化的不銹鋼成分應(yīng)滿足國標(biāo)規(guī)定的各不銹鋼成分要求。

3.5 工藝參數(shù)

本次項(xiàng)目改造是在不銹鋼分公司煉鋼廠內(nèi)新建一座50 t 中頻感應(yīng)爐及配套設(shè)施，以配合電弧爐為AOD 轉(zhuǎn)爐提供不銹鋼初煉鋼水。其鋼水容積范圍在50～60 噸，額定工作溫度1 600 ℃，平均熔化率（40±1.6）t／h，冷卻水流量工作爐400+備用爐150 t／h，進(jìn)出水壓差0.20～0.25 kgf，溫升≤12 ℃，感應(yīng)器電壓5 700 V，平均能耗（650±26）℃/t，整流變壓器總?cè)萘?4 000 KVar，中頻電源功率范圍22 000～30 000 KW，中頻電壓290 V，中頻頻率110～190 Hz。

4 工藝設(shè)備

4.1 整流變壓器

選用最新的單臺(tái)24 脈沖結(jié)構(gòu)的34 000 KVA整流變壓器給一套中頻電源柜供電，二次側(cè)4 組繞組，相位互差15°，高壓合成為24 脈沖整流模式，諧波含量降低7%以下。

設(shè)備組成包括變壓器本體、膨脹油枕及變壓器本體所帶全部附件[2]。變壓器的冷卻方式為強(qiáng)油水冷方式，因此要求變壓器的冷卻水為工業(yè)軟化水。變壓器配有重瓦斯、輕瓦斯、釋壓器等保護(hù)功能，并配有油溫檢測元件，可實(shí)現(xiàn)高溫報(bào)警和超溫跳閘保護(hù)。變壓器本體的油溫油壓信號(hào)及瓦斯繼電器信號(hào)均檢測輸送給PLC 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和保護(hù)[2]。

調(diào)壓方式：三檔分接開關(guān)，無載手動(dòng)調(diào)節(jié)。

4.2 中頻電源

本研究采用型號(hào)：KGPS1618，單臺(tái)功率16 MW，輸入電壓1800 V，12 脈沖整流。兩臺(tái)并聯(lián)構(gòu)成32 MW，24 脈沖。輸入：電壓4 組三相1 800 V，輸出：單相中頻2 900 V，頻率范圍110～180 Hz?？呻S感應(yīng)爐的爐膛內(nèi)鋼水的多少和功率大小的需求，調(diào)節(jié)頻率和輸出電壓。

4.3 濾波電抗器

中頻電源的直流濾波電抗器關(guān)系到中頻電源短路保護(hù)的可靠性。同時(shí)也與電磁噪音和能耗有較大關(guān)系。本項(xiàng)目采用新型的油浸式殼外冷卻電抗器，徹底解決了效率、冷卻、環(huán)境溫度三者之間的矛盾。同時(shí)外殼接地，導(dǎo)電裝頭全封閉，安全性很高。

4.4 補(bǔ)償電容器柜

用于補(bǔ)償感應(yīng)爐的感性無功，中頻電源柜只需輸送有功功率，大大降低逆變器的容量和成本。補(bǔ)償電容器柜采用抽屜式雙層結(jié)構(gòu)，布置緊湊，電效率高，外泄的電磁干擾小，占地面積小。

中頻輸出大電流母排采用模具成型的水冷寬銅排，無需焊接水冷銅管，無變形無氧化，美觀高效。

中頻電源和電容器柜的所有電接頭全部采用鍍錫工藝，不易氧化，接觸電阻小，減少接頭發(fā)熱，提高電效率。總?cè)萘?8 萬kVar，殼外水冷。

4.5 中頻爐爐體

爐體型號(hào)：GWG6030-0.1，容積60 t，功率30 MW，頻率110～190 Hz。

4.5.1 爐殼

爐殼結(jié)構(gòu)選擇開放式框架結(jié)構(gòu)，相比封閉式卷筒結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)易于觀察維護(hù)、排氣散熱?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的爐殼立柱，采用盒式立體結(jié)構(gòu)，以H 鋼為中心，四面滿焊足夠厚度的鋼板。爐底采用封頭結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高、散熱好。爐架擋板表面噴涂或澆筑耐火材料。轉(zhuǎn)動(dòng)耳軸內(nèi)采用自潤滑銅套，無需安裝注油潤滑系統(tǒng)。

4.5.2 感應(yīng)線圈

爐體中最關(guān)鍵的部件：感應(yīng)線圈，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率、可靠性和使用壽命影響巨大。

感應(yīng)線圈采用專用模具，實(shí)現(xiàn)完全平繞制作。相比傳統(tǒng)的螺旋繞制方式，電磁力完全垂直指向，減小了電磁振動(dòng)。

感應(yīng)線圈的打火放電，絕大多數(shù)是匝間放電。本項(xiàng)目采用絕緣涂層J39，該材料綜合性能優(yōu)于目前行業(yè)內(nèi)的其他產(chǎn)品：絕緣性能高、附著力強(qiáng)、延展性好、阻燃、不親水、耐溫H 級(jí)。

感應(yīng)線圈采用無氧紫銅，純度大于99.97%，適合高效導(dǎo)電。

4.5.3 磁軛

磁軛采用武鋼的厚度為≤0.3 mm 優(yōu)質(zhì)晶體有取向冷軋硅鋼片，疊片外側(cè)壓裝不銹鋼水冷方管。合理設(shè)計(jì)磁軛截面，磁軛總包圍長度覆蓋線圈的比例＞60%，保持較低的磁通密度，確保磁軛溫升小于70 ℃。完全符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4.5.4 爐襯頂出機(jī)構(gòu)

本研究中的中頻爐提供了爐襯頂出機(jī)構(gòu)。獨(dú)立設(shè)計(jì)的頂爐襯液壓站和長行程的液壓缸均固定在一臺(tái)小車上。使用時(shí)將小車連同液壓站和液壓缸吊到爐臺(tái)上。手動(dòng)操作液壓缸掛在爐底特制的掛鉤上，再推動(dòng)液壓缸前行，逐步緩慢推出爐襯。

4.6 液壓站

中頻爐的傾爐動(dòng)作頻次低，定位要求簡單，依靠傾爐操作人員的按鈕控制爐體上升下降即可完成出鋼和回爐。傾爐采用遙控操作，爐臺(tái)無需設(shè)置操作臺(tái)，爐臺(tái)無障礙，傾爐操作安全靈活。遙控故障時(shí)的應(yīng)急狀態(tài)可采用線控盒控制。液壓電控柜采用雙進(jìn)線開關(guān)，備用電來自用戶的應(yīng)急電源，比如柴油發(fā)電機(jī)。萬一動(dòng)力電失常，可由應(yīng)急電提供液壓站短時(shí)工作和爐體冷卻水泵連續(xù)運(yùn)行。

4.7 漏爐報(bào)警系統(tǒng)

感應(yīng)中頻爐的一關(guān)鍵安全措施是鋼水滲漏的檢測。包括主動(dòng)檢測、線圈的保護(hù)膠泥及冷卻水采用低壓3 個(gè)措施。

4.8 智能阻抗調(diào)節(jié)裝置

智能調(diào)節(jié)器的功能就是自動(dòng)判斷限流狀態(tài)的電壓下降深度，當(dāng)超過5%～10%時(shí)，會(huì)自動(dòng)減少補(bǔ)償電容，改變阻抗。使直流電壓再回升到最高值。這樣始終保持輸入功率因數(shù)≥0.92，且工作電流在最大值附近。

4.9 中頻爐控制系統(tǒng)

為進(jìn)一步提高中頻設(shè)備的自動(dòng)化程度，本研究的中頻爐配備SIEMENS 1500 系列PLC 控制系統(tǒng)，安裝基于SIEMENS 研發(fā)的中頻爐熔化管理軟件，可采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否在正常范圍內(nèi)。熔化管理系統(tǒng)主要完成對(duì)中頻感應(yīng)爐系統(tǒng)的運(yùn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)將操控功能及狀態(tài)信息與主體設(shè)備實(shí)現(xiàn)隔離，方便又安全。

4.10 移動(dòng)除塵罩

采用半密閉罩除塵方式，可解決加料、熔化、倒渣、出鋼的全工藝流程的煙氣收集。根據(jù)生產(chǎn)需要，可以驅(qū)動(dòng)集塵罩橫向移動(dòng)。

為了便于適應(yīng)不同工況的除塵要求，均采用變頻驅(qū)動(dòng)方式。通過調(diào)節(jié)各獨(dú)立爐體除塵罩與風(fēng)管的對(duì)接閥門風(fēng)口大小來適當(dāng)分配不同工況爐體的風(fēng)量需求。

4.11 加料小車

50 t 電爐加料按一對(duì)一配置2 臺(tái)20 t 縱向旋轉(zhuǎn)行走加料小車，分批加料；加料車型號(hào)：ZDLC-20A，自重約15 t，額定裝料20 t，最大24 t，有效容積20 m3,滿載最大總重39 t。

5 設(shè)備能力

為配合現(xiàn)有AOD 爐的85 min 的生產(chǎn)周期，計(jì)劃中頻爐的熔化周期也為85 min。包括首次加料時(shí)間4 min，測溫時(shí)間3 min，出鋼時(shí)間3 min，用于熔化的時(shí)間約75 min，年工作時(shí)間為180 d。

除去維護(hù)、檢修時(shí)間，年有效作業(yè)時(shí)間：

180×0.92×24=3 974 h；

年最大產(chǎn)量：3 974×50×60/85=14 萬t；

考慮到和電爐交替生產(chǎn)，故年最大產(chǎn)量按10萬t考慮。

6 結(jié)論

隨著酒鋼不銹鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整力度的不斷加大，常規(guī)304 鋼種生產(chǎn)比例和電弧爐開動(dòng)率逐步下降，具備了中頻爐和電弧爐交替輪換生產(chǎn)的條件。增設(shè)中頻爐的目的為靈活實(shí)現(xiàn)鋼水熔煉和調(diào)配，中頻爐參與高鎳、高鉻品種鋼（2205、310S 等）的生產(chǎn)，較電弧爐更有成本優(yōu)勢(shì)。中頻爐的投用將有效提高不銹鋼煉鋼工藝的靈活性，通過工藝優(yōu)化組合，進(jìn)一步豐富產(chǎn)品種類并實(shí)現(xiàn)多元化經(jīng)營。同時(shí)，中頻爐和電弧爐輪換生產(chǎn)，有助于降低電弧爐電極、耐材成本，并且將有效提高不銹鋼煉鋼工藝的靈活性和原料的適應(yīng)能力，還可解決后續(xù)面臨的鎳（FeNi10）、鉻（爐料級(jí)鉻鐵）資源短缺的問題。