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)，就必須具備快速而準(zhǔn)確的生產(chǎn)控制，全面而優(yōu)化的綜合管理。單憑經(jīng)驗(yàn)或依據(jù)普通電弧爐的控制和管理方法，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)。
　　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)備等諸多方面的問題，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，還能提高生產(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，為了提高電弧爐生產(chǎn)率，當(dāng)時(shí)采用加大電爐變壓器提高電壓的方法來增加輸入功率，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)爐襯的輻射侵蝕大大增強(qiáng)。在70年代中后期，一度推崇高功率、大電流、短電弧操作方式。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。因?yàn)槎潭�粗的電弧，�?duì)爐襯熱輻射減少，減輕了因提高功率對(duì)爐襯耐火材料的強(qiáng)烈侵蝕，也提高了熱效率；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，如果把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度都比原來普通功率電弧爐的大。這種短弧操作法，在美國又稱為“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?A href="http://http://mrboha.com/productcp.asp?pro2_id=121&p_id=25">電壓而連續(xù)改變電流工作點(diǎn)。若用平衡的回路特性理論來描述工作點(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)于美國的條件：廢鋼行業(yè)發(fā)達(dá)，可保證入爐廢鋼塊度小且均勻。這種方法的難點(diǎn)是判斷何時(shí)由相對(duì)長弧改為短弧。
　　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、長電弧、泡沫渣”操作有了可能，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)別又有所提高，爐子變壓器容量達(dá)到了70MVA以上，電爐鋼進(jìn)入扁平材、管材市場(chǎng)。其運(yùn)行特點(diǎn)是高功率因數(shù)操作，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、更長電弧”的操作制度。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)行研究的不斷深入，開發(fā)了許多新技術(shù)、設(shè)備及相關(guān)操作工藝，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、泡沫渣操作、替代能源的利用等等。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、電爐變壓器水平提高的背景下產(chǎn)生的［1，2］，近年來，超高功率電弧爐及其配套技術(shù)的飛速發(fā)展，表現(xiàn)出許多優(yōu)異特性和競(jìng)爭力。一些冶金工作者認(rèn)為“UHP”應(yīng)為超高性能(Ultra-HighPerformance)［3，4］，因?yàn)?臺(tái)合格的超高功率電弧爐并不只意味著比功率級(jí)別的提高，而是綜合性能的改善；也有一些冶金工作者認(rèn)為，“UHP”應(yīng)為超高生產(chǎn)率(Ultra-HighProductivity)，因?yàn)槌�高功率電弧爐的目的就是縮短冶煉時(shí)間，提高生產(chǎn)率；還有一些冶金工作者認(rèn)為應(yīng)將“UHP”改為“UHE”(Ultra-HighEfficiency)［5，6］，因?yàn)槌�高功率電弧爐的許多新技術(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］等說法，但都沒有得到冶金界一致公認(rèn)，因?yàn)檫@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)行問題。
　　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)等電氣問題，因?yàn)檫@關(guān)系到冶煉時(shí)間、冶煉反應(yīng)、出鋼溫度等工藝基本問題。采取合理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，必須有合理的電氣運(yùn)行制度與之相匹配，如果電氣運(yùn)行制度不合理，不僅會(huì)使電耗增高、電極損耗加大、耐材侵蝕嚴(yán)重、冶煉周期延長，甚至可能造成操作無法進(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，許多電爐配套新技術(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)，我國電爐鋼也約占總鋼產(chǎn)量的20左右。國內(nèi)外電爐煉鋼的發(fā)展一方面推動(dòng)我國電爐煉鋼技術(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)爭下，我國電爐煉鋼企業(yè)面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)和巨大的壓力，因此進(jìn)一步降低成本、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)爭力的主要手段之一。
　　我國在優(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，我國還陸續(xù)從國外引進(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，雖然引進(jìn)電爐的設(shè)備達(dá)到國際先進(jìn)水平，但操作和生產(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)備還存在合理使用的問題。
　　以往，國內(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認(rèn)識(shí)和研究都不多。因此，對(duì)大型交流電弧爐電氣運(yùn)行進(jìn)行合理化研究，不僅具有實(shí)用價(jià)值，還具有廣泛的指導(dǎo)意義，有助于迅速提高我國煉鋼技術(shù)水平。

本文部分研究內(nèi)容屬國家計(jì)委“九五”攻關(guān)項(xiàng)目子課題，1998年3月通過原冶金部技術(shù)鑒定。