電爐煉鋼電氣運(yùn)行與電爐技術(shù)的發(fā)展

電爐煉鋼電氣運(yùn)行與電爐技術(shù)的發(fā)展
超高功率電弧爐作為電弧爐發(fā)展的基本方向，為實(shí)現(xiàn)其高產(chǎn)、低耗、優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)，就必須具備快速而正確的生產(chǎn)控制，全面而優(yōu)化的綜合治理。單憑經(jīng)驗(yàn)或依據(jù)普通電弧爐的控制和治理方法，已不能適應(yīng)生產(chǎn)需要，而在生產(chǎn)過程控制中，電氣運(yùn)行是極為關(guān)鍵的技術(shù)。  萬(wàn)用表| 功率計(jì)| 示波器| 電阻測(cè)試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場(chǎng)測(cè)試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測(cè)試儀| 電容表| 電力分析儀|
　　電弧爐電氣運(yùn)行是電爐冶煉生產(chǎn)最基本的保障，它關(guān)系到冶煉工藝、原料、電氣、設(shè)備等諸多方面的題目，直接影響電爐煉鋼生產(chǎn)的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此對(duì)其進(jìn)行最佳化的研究意義重大，不但可保障冶煉工藝的順行、充分有利于設(shè)備資源，還能進(jìn)步生產(chǎn)率、節(jié)能降耗。 
1　電氣運(yùn)行與電爐技術(shù)發(fā)展
　　50年代，為了進(jìn)步電弧爐生產(chǎn)率，當(dāng)時(shí)采用加大電爐變壓器進(jìn)步電壓的方法來(lái)增加輸進(jìn)功率，即采用“高電壓、大功率”的運(yùn)行制度。到60年代，當(dāng)時(shí)爐子容量還不很大，功率級(jí)別也不很高，約為400kVA/t，變壓器總?cè)萘吭?0MVA左右。這一時(shí)期，電爐主要生產(chǎn)特殊鋼、合金鋼，流程為電爐出鋼后模鑄。
　　隨著爐子供電功率的增大，電弧對(duì)爐襯的輻射腐蝕大大增強(qiáng)。在70年代中后期，一度推崇高功率、大電流、短電弧操縱方式。因而，功率因數(shù)值較低，特別是在最大電弧功率處工作，功率因數(shù)僅為0.72左右。由于短而粗的電弧，對(duì)爐襯熱輻射減少，減輕了因進(jìn)步功率對(duì)爐襯耐火材料的強(qiáng)烈腐蝕，也進(jìn)步了熱效率；同時(shí)由于電弧電流加大，對(duì)鋼渣的攪拌加強(qiáng)，強(qiáng)化了熔池的傳熱；此外，大電流短電弧穩(wěn)定性高，對(duì)電網(wǎng)的沖擊小。這一時(shí)期，典型的爐子變壓器容量大約在50MVA左右，功率級(jí)別約為500kVA/t，典型的流程為電爐、鋼包爐、連鑄、棒線材軋機(jī)。
　　所謂“低電壓”和“短電弧”都只是相對(duì)于相同的變壓器容量而言。實(shí)際上，假如把1臺(tái)普通功率電弧爐改造成為超高功率電弧爐，由于功率大大增加，變壓器的二次電壓和電弧長(zhǎng)度都比原來(lái)普通功率電弧爐的大。這種短弧操縱法，在美國(guó)又稱為“滑動(dòng)功率因數(shù)法”。其要點(diǎn)是整個(gè)熔煉過程自始至終只采用一檔相當(dāng)?shù)偷碾妷憾�連續(xù)改變電流工作點(diǎn)。若用平衡的回路特性理論來(lái)描述工作點(diǎn)的“滑動(dòng)”，那就是功率因數(shù)先由電弧功率最大點(diǎn)(0.72～0.75)逐漸平緩地過渡到有功功率最大點(diǎn)(0.707)，再減少到0.68。這種情況適應(yīng)于美國(guó)的條件：廢鋼行業(yè)發(fā)達(dá)，可保證進(jìn)爐廢鋼塊度小且均勻。這種方法的難點(diǎn)是判定何時(shí)由相對(duì)長(zhǎng)弧改為短弧。 臺(tái)灣泰仕TES分類： |三用電表 |數(shù)字式照度計(jì) |數(shù)字式噪音計(jì) |鉤表 |RCD回路阻抗/預(yù)期短路電流測(cè)試器 |風(fēng)速溫度計(jì) |電容表 |酸堿度測(cè)試器 |電源供應(yīng)器
　　上述低功率因數(shù)的運(yùn)行方式不利于變壓器能力的充分利用，且電極消耗很大。隨著水冷爐壁、水冷爐蓋尤其是泡沫渣技術(shù)的出現(xiàn)和成功，使“高電壓、低電流、長(zhǎng)電弧、泡沫渣”操縱有了可能，這類超高功率電弧爐是80年代中期的先進(jìn)技術(shù)。在這個(gè)時(shí)期，爐子容量進(jìn)一步大型化，功率級(jí)別又有所進(jìn)步，爐子變壓器容量達(dá)到了70MVA以上，電爐鋼進(jìn)進(jìn)扁平材、管材市場(chǎng)。其運(yùn)行特點(diǎn)是高功率因數(shù)操縱，使變壓器的能力較充分地發(fā)揮。
　　到了90年代，電爐的容量進(jìn)一步加大，爐子變壓器容量達(dá)到了100MVA左右，功率級(jí)別已超過800kVA/t。
　　在爐子電氣運(yùn)行特點(diǎn)方面出現(xiàn)了高阻抗和變阻抗技術(shù)；另外由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成功應(yīng)用，使電弧爐的電氣運(yùn)行工作點(diǎn)的識(shí)別和控制有了很大改善。這一時(shí)期的電爐電氣運(yùn)行采用“更高電壓、更小電流、更長(zhǎng)電弧”的操縱制度。原料條件的改善、薄板坯連鑄連軋技術(shù)的出現(xiàn)使得電爐鋼向管材、板帶等純凈鋼領(lǐng)域進(jìn)展。
　　電爐技術(shù)的進(jìn)步和電爐流程的發(fā)展與電爐電氣的運(yùn)行密切相關(guān)：一方面隨著對(duì)超高功率電弧爐電氣運(yùn)行研究的不斷深進(jìn)，開發(fā)了很多新技術(shù)、設(shè)備及相關(guān)操縱工藝，如直流電弧爐、導(dǎo)電電極臂、高阻抗電爐、智能電弧爐、水冷電纜、水冷/中空/浸漬/鍍層電極等等；另一方面也保障了超高功率電爐煉鋼其配套技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，如海綿鐵等廢鋼代用品的使用、泡沫渣操縱、替換能源的利用等等。圖1示出了電爐技術(shù)進(jìn)步與電氣運(yùn)行發(fā)展等情況。

2　電氣運(yùn)行是電爐煉鋼最基本的保障
2.1　超高功率電弧爐是以電氣特征命名
　　由美國(guó)人W.E.Schwabe提出的超高功率電弧爐是在60年代電爐爐型增大、電爐變壓器水平進(jìn)步的背景下產(chǎn)生的［1，2］，近年來(lái)，超高功率電弧爐及其配套技術(shù)的飛速發(fā)展，表現(xiàn)出很多優(yōu)異特性和競(jìng)爭(zhēng)力。一些冶金工作者以為“UHP”應(yīng)為超高性能(Ultra-HighPerformance)［3，4］，由于1臺(tái)合格的超高功率電弧爐并不只意味著比功率級(jí)別的進(jìn)步，而是綜合性能的改善；也有一些冶金工作者以為，“UHP”應(yīng)為超高生產(chǎn)率(Ultra-HighProductivity)，由于超高功率電弧爐的目的就是縮短冶煉時(shí)間，進(jìn)步生產(chǎn)率；還有一些冶金工作者以為應(yīng)將“UHP”改為“UHE”(Ultra-HighEfficiency)［5，6］，由于超高功率電弧爐的很多新技術(shù)都圍繞節(jié)能降耗、有效利用能源而展開。此外，還有最佳節(jié)能爐“EOF”(EnergyOptimiseFurnace)、電轉(zhuǎn)爐“EAOF”(ElectricArcOxygenFurnace)［7］等說(shuō)法，但都沒有得到冶金界一致公認(rèn)，由于這些提法或過于籠統(tǒng)、或過于偏重，只反映了超高功率電弧爐及其配套技術(shù)發(fā)展的某些方向或趨勢(shì)。超高功率(UHP，Ultra-High-Power)還反映了電弧爐發(fā)展最本質(zhì)、最具代表性的特點(diǎn)，這也表明電氣運(yùn)行一直是電弧爐發(fā)展的原動(dòng)力和技術(shù)保障。
2.2　電氣運(yùn)行是制定冶煉制度的基礎(chǔ)和保障
　　冶煉一爐鋼首先要確定需要多少能量，以電能為主要能源的電弧爐煉鋼首先要保證安全、穩(wěn)定的提供電能。電弧爐是巨大的電能用戶，三相電弧爐變壓器的容量可達(dá)幾十兆伏安，且所需功率數(shù)值在爐子工作期間急劇地大幅度地波動(dòng)。這就有一個(gè)怎樣提供電能的電氣運(yùn)行題目。
　　在制定工藝制度時(shí)，要考慮變壓器容量、變壓器的利用系數(shù)、對(duì)電網(wǎng)的干擾(閃爍、諧波)、功率因數(shù)等電氣題目，由于這關(guān)系到冶煉時(shí)間、冶煉反應(yīng)、出鋼溫度等工藝基本題目。采取公道的供電制度不但可保證工藝的順行，還可縮短冶煉時(shí)間、降低噸鋼電耗、減少對(duì)電網(wǎng)干擾。
　　一臺(tái)正常工作的超高功率電弧爐，必須有公道的電氣運(yùn)行制度與之相匹配，假如電氣運(yùn)行制度不公道，不僅會(huì)使電耗增高、電極損耗加大、耐材腐蝕嚴(yán)重、冶煉周期延長(zhǎng)，甚至可能造成操縱無(wú)法進(jìn)行。
2.3　電氣運(yùn)行與電爐煉鋼配套技術(shù)密切相關(guān)
　　不但電爐本身的技術(shù)發(fā)展與電氣運(yùn)行密不可分，很多電爐配套新技術(shù)也都圍繞電爐的電氣運(yùn)行而展開，不少配套技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，需要電氣運(yùn)行做相應(yīng)的改變。
3　討論與分析
　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界粗鋼產(chǎn)量的30由電爐生產(chǎn)，我國(guó)電爐鋼也約占總鋼產(chǎn)量的20左右。國(guó)內(nèi)外電爐煉鋼的發(fā)展一方面推動(dòng)我國(guó)電爐煉鋼技術(shù)的進(jìn)步和變革，同時(shí)也對(duì)電爐工作者提出更高的要求。特別是在當(dāng)前日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，我國(guó)電爐煉鋼企業(yè)面臨著嚴(yán)重的形勢(shì)和巨大的壓力，因此進(jìn)一步降低本錢、節(jié)能降耗，成為冶金企業(yè)特別是電爐煉鋼企業(yè)增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的主要手段之一。
　　我國(guó)在優(yōu)化供電、導(dǎo)電電極臂、電極調(diào)節(jié)器、直流電弧爐等方面取得了不同程度的進(jìn)展。近年來(lái)，我國(guó)還陸續(xù)從國(guó)外引進(jìn)多臺(tái)各種爐型的大型超高功率電弧爐，如僅江蘇省地區(qū)就引進(jìn)11臺(tái)超高功率電弧爐。但是，固然引進(jìn)電爐的設(shè)備達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但操縱和生產(chǎn)運(yùn)行還遠(yuǎn)未達(dá)到相應(yīng)水平，因此，對(duì)引進(jìn)的設(shè)備還存在公道使用的題目。
　　以往，國(guó)內(nèi)有關(guān)交流電弧爐煉鋼電氣運(yùn)行的研究還很大程度上局限于小變壓器容量、小爐子(＜30MVA)的水平上，對(duì)超高功率電弧爐尤其是大型超高功率交流煉鋼電弧爐的熟悉和研究都未幾。因此，對(duì)大型交流電弧爐電氣運(yùn)行進(jìn)行公道化研究，不僅具有實(shí)用價(jià)值，還具有廣泛的指導(dǎo)意義，有助于迅速進(jìn)步我國(guó)煉鋼技術(shù)水平。