電爐煉鋼電氣運行與電爐技術的發(fā)展  

    超高功率電弧爐作為電弧爐發(fā)展的基本方向，為實現(xiàn)其高產(chǎn)、低耗、優(yōu)質的目標，就必須具備快速而準確的生產(chǎn)控制，全面而優(yōu)化的綜合管理。單憑經(jīng)驗或依據(jù)普通電弧爐的控制和管理方法，已不能適應生產(chǎn)需要，而在生產(chǎn)過程控制中，電氣運行是極為關鍵的技術。
　　電弧爐電氣運行是電爐冶煉生產(chǎn)最基本的保障，它關系到冶煉工藝、原料、電氣、設備等諸多方面的問題，直接影響電爐煉鋼生產(chǎn)的各項技術經(jīng)濟指標，因此對其進行最佳化的研究意義重大，不但可保障冶煉工藝的順行、充分有利于設備資源，還能提高生產(chǎn)率、節(jié)能降耗。

1　電氣運行與電爐技術發(fā)展

　　50年代，為了提高電弧爐生產(chǎn)率，當時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”的運行制度。到60年代，當時爐子容量還不很大，功率級別也不很高，約為400kVA/t，變壓器總容量在30MVA左右。這一時期，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，電弧對爐襯的輻射侵蝕大大增強。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。因為短而粗的電弧，對爐襯熱輻射減少，減輕了因提高功率對爐襯耐火材料的強烈侵蝕，也提高了熱效率；同時由于電弧電流加大，對鋼渣的攪拌加強，強化了熔池的傳熱；此外，大電流短電弧穩(wěn)定性高，對電網(wǎng)的沖擊小。這一時期，典型的爐子變壓器容量大約在50MVA左右，功率級別約為500kVA/t，典型的流程為電爐、鋼包爐、連鑄、棒線材軋機。
　　所謂“低電壓”和“短電弧”都只是相對于相同的變壓器容量而言。實際上，如果把1臺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“滑動功率因數(shù)法”。其要點是整個熔煉過程自始至終只采用一檔相當?shù)偷?A href="http://http://us-ats.com/productcp.asp?pro2_id=121&p_id=25">電壓而連續(xù)改變電流工作點。若用平衡的回路特性理論來描述工作點的“滑動”，那就是功率因數(shù)先由電弧功率最大點(0.72～0.75)逐漸平緩地過渡到有功功率最大點(0.707)，再減少到0.68。這種情況適應于美國的條件：廢鋼行業(yè)發(fā)達，可保證入爐廢鋼塊度小且均勻。這種方法的難點是判斷何時由相對長弧改為短弧。
　　上述低功率因數(shù)的運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年代中期的先進技術。在這個時期，爐子容量進一步大型化，功率級別又有所提高，爐子變壓器容量達到了70MVA以上，電爐鋼進入扁平材、管材市場。其運行特點是高功率因數(shù)操作，使變壓器的能力較充分地發(fā)揮。
　　到了90年代，電爐的容量進一步加大，爐子變壓器容量達到了100MVA左右，功率級別已超過800kVA/t。
　　在爐子電氣運行特點方面出現(xiàn)了高阻抗和變阻抗技術；另外由于神經(jīng)網(wǎng)絡技術的成功應用，使電弧爐的電氣運行工作點的識別和控制有了很大改善。這一時期的電爐電氣運行采用“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的出現(xiàn)使得電爐鋼向管材、板帶等純凈鋼領域進展。
　　電爐技術的進步和電爐流程的發(fā)展與電爐電氣的運行密切相關：一方面隨著對超高功率電弧爐電氣運行研究的不斷深入，開發(fā)了許多新技術、設備及相關操作工藝，如直流電弧爐、導電電極臂、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的開發(fā)和應用，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示出了電爐技術進步與電氣運行發(fā)展等情況。

2　電氣運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的飛速發(fā)展，表現(xiàn)出許多優(yōu)異特性和競爭力。一些冶金工作者認為“UHP”應為超高性能(Ultra-HighPerformance)［3，4］，因為1臺合格的超高功率電弧爐并不只意味著比功率級別的提高，而是綜合性能的改善；也有一些冶金工作者認為，“UHP”應為超高生產(chǎn)率(Ultra-HighProductivity)，因為超高功率電弧爐的目的就是縮短冶煉時間，提高生產(chǎn)率；還有一些冶金工作者認為應將“UHP”改為“UHE”(Ultra-HighEfficiency)［5，6］，因為超高功率電弧爐的許多新技術都圍繞節(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)、電轉爐“EAOF”(ElectricArcOxygenFurnace)［7］等說法，但都沒有得到冶金界一致公認，因為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發(fā)展的某些方向或趨勢。超高功率(UHP，Ultra-High-Power)還反映了電弧爐發(fā)展最本質、最具代表性的特點，這也表明電氣運行一直是電弧爐發(fā)展的原動力和技術保障。
2.2　電氣運行是制定冶煉制度的基礎和保障
　　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。這就有一個怎樣提供電能的電氣運行問題。
　　在制定工藝制度時，要考慮變壓器容量、變壓器的利用系數(shù)、對電網(wǎng)的干擾(閃爍、諧波)、功率因數(shù)等電氣問題，因為這關系到冶煉時間、冶煉反應、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，還可縮短冶煉時間、降低噸鋼電耗、減少對電網(wǎng)干擾。
　　一臺正常工作的超高功率電弧爐，必須有合理的電氣運行制度與之相匹配，如果電氣運行制度不合理，不僅會使電耗增高、電極損耗加大、耐材侵蝕嚴重、冶煉周期延長，甚至可能造成操作無法進行。
2.3　電氣運行與電爐煉鋼配套技術密切相關
　　不但電爐本身的技術發(fā)展與電氣運行密不可分，許多電爐配套新技術也都圍繞電爐的電氣運行而展開，不少配套技術的實現(xiàn)，需要電氣運行做相應的改變。
3　討論與分析
　　據(jù)統(tǒng)計，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。國內外電爐煉鋼的發(fā)展一方面推動我國電爐煉鋼技術的進步和變革，同時也對電爐工作者提出更高的要求。特別是在當前日益激烈的市場競爭下，我國電爐煉鋼企業(yè)面臨著嚴峻的形勢和巨大的壓力，因此進一步降低成本、節(jié)能降耗，成為冶金企業(yè)特別是電爐煉鋼企業(yè)增強競爭力的主要手段之一。
　　我國在優(yōu)化供電、導電電極臂、電極調節(jié)器、直流電弧爐等方面取得了不同程度的進展。近年來，我國還陸續(xù)從國外引進多臺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11臺超高功率電弧爐。但是，雖然引進電爐的設備達到國際先進水平，但操作和生產(chǎn)運行還遠未達到相應水平，因此，對引進的設備還存在合理使用的問題。
　　以往，國內有關交流電弧爐煉鋼電氣運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識和研究都不多。因此，對大型交流電弧爐電氣運行進行合理化研究，不僅具有實用價值，還具有廣泛的指導意義，有助于迅速提高我國煉鋼技術水平。

本文部分研究內容屬國家計委“九五”攻關項目子課題，1998年3月通過原冶金部技術鑒定。