羅玉鐲 花 皚 趙世杰

(1：西安桃園冶金設(shè)備工程有限公司 陜西西安710075；2：西安電爐研究所有限公司 陜西西安710061；3：西安奧杰電熱設(shè)備工程有限責(zé)任公司 陜西西安710065)

·設(shè)計(jì)與研究·

采用新傳熱機(jī)理的現(xiàn)代化電弧爐

羅玉鐲①1花 皚2趙世杰3

(1：西安桃園冶金設(shè)備工程有限公司 陜西西安710075；2：西安電爐研究所有限公司 陜西西安710061；3：西安奧杰電熱設(shè)備工程有限責(zé)任公司 陜西西安710065)

為了滿(mǎn)足節(jié)能、減排和環(huán)保要求，開(kāi)發(fā)出一種新型現(xiàn)代化電弧爐，這就是本文介紹的爐料預(yù)熱和大留鋼操作的新型電弧爐。最后給出了新型現(xiàn)代化電弧爐的工作原理和具體實(shí)踐效果。

電弧爐 大留鋼量操作 爐料預(yù)熱 連續(xù)加料

自從1906年4月5日，第一座工業(yè)性的煉鋼電弧爐(出鋼量為4t)在美國(guó)紐約的哈爾柯柏鋼廠投產(chǎn)后的一百多年來(lái)，電弧爐的加熱原理一直是利用電弧熱來(lái)加熱和熔化爐料的?？墒?，隨著電弧爐容量越來(lái)越大，在大型電弧爐中，電弧一直被泡沫渣所覆蓋和包圍，電能被高效率地傳輸?shù)街毕路降囊簯B(tài)熔池和渣中。但是，電弧卻減少了對(duì)較遠(yuǎn)處鋼水的幅射能力，距離電極遠(yuǎn)的冷區(qū)爐料很難熔化，所以利用電弧輻射的方法來(lái)熔化整個(gè)爐子中的固體爐料，目前來(lái)看已經(jīng)是不可取的方法了。

為了滿(mǎn)足現(xiàn)代化電弧爐車(chē)間的高生產(chǎn)率、節(jié)能、環(huán)保要求，世界上越來(lái)越多的國(guó)家為了提高能源效率、降低CO2及其它有害氣體排放量，而執(zhí)行新的更嚴(yán)格的規(guī)章和標(biāo)準(zhǔn)。即電爐煉鋼廠需要實(shí)行低成本、采用高生產(chǎn)率和環(huán)境友好型的生產(chǎn)工藝。所以采取爐料預(yù)熱和大留鋼量操作(爐內(nèi)留存大量澆余鋼水)工藝，在國(guó)外非常盛行。為什么出現(xiàn)這種工藝現(xiàn)象呢？這是因?yàn)楸活A(yù)熱的爐料(600℃左右)直接加到1600℃左右的鋼水中，爐料直接接受高溫鋼水的傳導(dǎo)熱和不同區(qū)域鋼水之間的對(duì)流熱效應(yīng)來(lái)工作的，而不是依靠電弧的輻射熱(第一爐除外)。由于鋼水溫度特別高，所以爐料很快被熔化，這既縮短熔煉時(shí)間，又節(jié)省大量電能。所以，近年來(lái)，在國(guó)外爐料預(yù)熱和大留鋼水量操作工藝，如雨后春筍般地發(fā)展起來(lái)。

1 爐料預(yù)熱和大留鋼操作新工藝

1.1 大留鋼操作工藝的理論依據(jù)

介紹留鋼操作新工藝的傳熱機(jī)理是非常新鮮的。首先，在預(yù)熱室內(nèi)預(yù)熱好了的爐料，被傾倒入溫度為1600℃左右的平熔池鋼水中。這時(shí)傳到爐料上的熱量不是依靠電弧輻射熱。而是依靠圍繞爐料的高溫鋼水(1600℃)的傳導(dǎo)熱和對(duì)流熱來(lái)快速熔化爐料，熔化速度非?？?。

采取大留鋼量操作模式，勢(shì)必造成平熔池操作，就是在電弧爐內(nèi)熔池一直保持液態(tài)鋼水狀態(tài)，見(jiàn)不到固體爐料。爐料的熔化是完全在澆余的高溫鋼水中進(jìn)行的，為了了解留鋼操作的作用，介紹該種工藝的基本傳熱機(jī)理是非常重要的。首先，廢鋼爐料在預(yù)熱室中被預(yù)熱到600℃以上。一旦將它加到電弧爐中之后，它便被1560℃～1580℃的鋼水所包圍。由于電弧始終被泡沫渣所覆蓋，只有電弧直下方的廢鋼爐料被快速熔化，較遠(yuǎn)處的爐料輻射熱較弱，這可由輻射強(qiáng)度Qa公式來(lái)看出，即：

Qa=IeUarc2/d2

(1)

式中Ie—電極電流，A；Uarc—電弧電壓，V；d—電極至爐墻之間的距離，m。

由式(1)可知：熱輻射強(qiáng)度和電弧電壓的平方成正比，和距離的平方成反比，距離越遠(yuǎn)，輻射強(qiáng)度越小?？墒牵诖罅翡摿坎僮鞴に囍?，廢鋼的快速熔化是借助于液態(tài)鋼水和廢鋼之間的傳導(dǎo)熱和對(duì)流熱來(lái)進(jìn)行的，這種加熱方法，熔化廢鋼非?？?，效率非常高。所以，在這里，加入到熔池中的廢鋼主要不是依靠電弧的輻射熱來(lái)熔化的， 而是借助于高溫的液態(tài)鋼水和廢鋼之間的傳導(dǎo)熱和對(duì)流熱來(lái)熔化廢鋼的，這種加熱方法，熔化廢鋼速度快，效率非常高。而且這種工藝還具有低電壓閃變、低諧波發(fā)生量，因而對(duì)供電電網(wǎng)沖擊小的優(yōu)點(diǎn)。，國(guó)外大型鋼廠和大型電爐制造公司都競(jìng)向研制大留鋼量電弧爐，當(dāng)前，正方興未艾，下面分別進(jìn)行介紹。

1.2 爐料預(yù)熱—既節(jié)能又減排

為了提高廢鋼熔化速度，提高煉鋼效率、減少能源消耗、降低CO2及其它有害氣體排放，利用電弧爐排出的廢熱煙氣對(duì)廢鋼原料進(jìn)行100%的爐料預(yù)熱，也是節(jié)能，降耗和提高生產(chǎn)率不可缺少的重要環(huán)節(jié)。即：爐料預(yù)熱系統(tǒng)是利用電弧爐煉鋼所產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，在特殊設(shè)計(jì)的預(yù)熱室內(nèi)進(jìn)行爐料預(yù)熱。

1.3 大留鋼量勢(shì)必造成平熔池操作

純平熔池操作是來(lái)源于大留鋼量操作工藝，因?yàn)樵陔娀t中澆余鋼水量非常大，它使熔池表面一直處于液態(tài)狀態(tài)，看不到固體爐料，好像是一直處于精煉期，它起弧平穩(wěn)，減少了電極的抖動(dòng)，并且一直保持高的加熱效率。而且相對(duì)于同容量的電弧爐而言，變壓器容量可減小大約25%～40% ，這種設(shè)計(jì)概念，使得加料、出鋼和第4孔加合金料都是在不斷電狀態(tài)下進(jìn)行的，因而能獲得生產(chǎn)率最高、熔煉時(shí)間最短的效果。

2 加大留鋼量應(yīng)采取的措施

要想加大留鋼量(澆余鋼水量)，必須加大加深下?tīng)t殼尺寸，下面介紹這方面的范例。

2.1 美國(guó)北極星鋼廠加深加大下?tīng)t殼

1)美國(guó)俄亥俄州北極星鋼廠于2012年5月開(kāi)始將原有的200t電弧爐的下?tīng)t殼進(jìn)行了加大容積改造，加大出鋼量和加大留鋼量(澆余鋼水為60t～70t)和容納大量泡沫渣(泡沫渣厚度為558mm)。圖1示出了原有的電弧爐下?tīng)t殼設(shè)計(jì)示意圖。

圖1 美國(guó)北極星鋼廠原有的電弧爐下?tīng)t殼設(shè)計(jì)示意圖

圖2示出了北極星鋼廠加大下?tīng)t殼后的下?tīng)t殼示意圖[1]57。

2)由圖2可看出：改造后的電弧爐渣門(mén)處爐墻的彎曲度減小了；而爐身處的爐墻坡度加大了。

圖2 北極星鋼廠的電弧爐加大下?tīng)t殼設(shè)計(jì)示意圖

加大下?tīng)t殼容積是有理論根據(jù)的，它可加大留鋼量并使電弧穩(wěn)定，而最主要的是加大下?tīng)t殼容積后可縮短煉鋼時(shí)間，這是因?yàn)椋?/p>

(1)加大泡沫渣的厚度——厚的泡沫渣可使電弧穩(wěn)定、延長(zhǎng)爐墻和爐蓋壽命，可提高能源使用效率；

(2)加快了燒嘴—噴射器的氣體流速、流量——因而提高了燒嘴—噴射器的效率；

(3)縮短煉鋼時(shí)間——采用大留鋼量、平熔池操作，可使被預(yù)熱的爐料，直接進(jìn)入鋼水中，它承受1600℃左右溫度鋼水的傳導(dǎo)熱和對(duì)流熱，很快被熔化，大大地縮短了煉鋼時(shí)間。

3)北極星鋼廠電弧爐下?tīng)t殼于2012年5月開(kāi)始加大改造， 通過(guò)加大后，經(jīng)過(guò)50爐次的對(duì)比運(yùn)行試驗(yàn)獲得了如下效果：

(1)通電時(shí)間縮短2.5min～3min；

(2)有功功率提高900kW～1200kW；

(3)電弧穩(wěn)定性提高4.2%；

(4)出鋼質(zhì)量增加2t(1%)；

(5)氧氣消耗量減少741Nm3/每爐(9%)；

(6)電耗降低15kWh/t；

(7)電壓閃變降低、諧波電流很小。

2.2 美國(guó)Steel Dynamics鋼廠加深加大下?tīng)t殼改造

1)美國(guó)Steel Dynamics鋼廠原有一臺(tái)120MW高阻抗電弧爐，其有功功率為105MW，變壓器二次電壓從767V到1352V，二次電壓共有17檔位，一次側(cè)電抗器的電抗值為2.5Ω。該廠為了加大容納留鋼量(澆余鋼水量)和容納大量泡沫渣、加快熔煉及提高鋼產(chǎn)量，于2011年2月開(kāi)始，對(duì)這臺(tái)爐子進(jìn)行加深加大下?tīng)t殼尺寸改造,改造成加大的下?tīng)t殼電弧爐，計(jì)劃將爐殼容積由64m3增加到179m3。為了達(dá)到這一目的，對(duì)原有的下?tīng)t殼必須進(jìn)行以下改造：

(1)整個(gè)爐殼高度增加150mm；

(2)為了容納大的留鋼量，必須加大盤(pán)形爐底尺寸，以便保證留鋼量從原來(lái)的22t增加到70t；即：總的容納鋼水量由原來(lái)的187t增加到235t；

(3) 將下門(mén)檻線(xiàn)到鋼水表面之間的距離由原來(lái)的330mm增加到480mm，以便容納更多的泡沫渣。該爐子的舊下?tīng)t殼尺寸和新下?tīng)t殼對(duì)比尺寸示于圖3中[2]43。

圖3 美國(guó)Steel Dynamics鋼廠，改造成加大下?tīng)t殼的電弧爐

2)綜上所述，美國(guó)Steel Dynamics鋼廠的一臺(tái)120MW(有功功率105MW)高阻抗電弧爐經(jīng)過(guò)加大下?tīng)t殼改造后，經(jīng)過(guò)三年多的運(yùn)行考驗(yàn)，獲得了如下效果：噸鋼電耗節(jié)省30 kWh/t；每爐通電時(shí)間減少為40min；電極消耗減少1.3kg/t；金屬損失減少1%；該爐子每年生產(chǎn)超過(guò)300萬(wàn)t合格鋼水。

3 特諾恩公司采用留鋼操作的300t康斯迪電弧爐

康斯迪電弧爐在通電期間，電弧一直被泡沫渣所覆蓋和包圍。電能被高效率地傳輸?shù)街毕路降囊簯B(tài)熔池和渣中，電弧在泡沫渣氣體氛圍中穩(wěn)定地燃燒。但是，電弧卻減少了對(duì)較遠(yuǎn)處鋼水的幅射。有鑒于此，特諾恩公司于2011年3月對(duì)康斯迪電弧爐進(jìn)行了改造，采用加大下?tīng)t殼、留鋼操作(澆余鋼水)的工藝。為了了解在康斯迪電弧爐中采用留鋼操作(澆余鋼水)的重要性，討論一下該種新工藝的傳熱機(jī)理是非常重要的。首先，爐料在隧道內(nèi)被預(yù)熱，當(dāng)這些被預(yù)熱好了的爐料，被傳送到電弧爐爐墻側(cè)，并被倒入溫度為1560℃～1580℃的平熔池鋼水中。這時(shí)，電弧熱已不可能輻射到落入鋼水中的爐料上。此時(shí)，傳到爐料上的熱量是依靠圍繞爐料的1600℃左右的鋼水的傳導(dǎo)熱和對(duì)流熱來(lái)快速熔化爐料的。下面介紹的這臺(tái)爐子就是由意大利特諾恩公司制造的。它采用爐料預(yù)熱、連續(xù)加料、加大下?tīng)t殼尺寸和平熔池操作。在泰國(guó)GJ鋼廠使用的300t康斯迪電弧爐連續(xù)加料，熔煉示意圖示于圖4[3]83。

圖4 被預(yù)熱的爐料連續(xù)加入電弧爐中示意圖

表1給出了安裝在泰國(guó) GJ鋼廠的300t康斯迪電弧爐參數(shù)[3]84。

表1 泰國(guó) GJ鋼廠的300t康斯迪電弧爐參數(shù)

加大留鋼量的實(shí)際效果：這臺(tái)300t康斯迪電弧爐采用大量澆余鋼水的優(yōu)越性可從下面的能量消耗曲線(xiàn)中看出。即：總能量消耗和澆余鋼水之間關(guān)系如圖5所示(出鋼溫度為1620℃)。

由圖5中可看出：當(dāng)澆余熱態(tài)鋼水量為出鋼量的46.5%時(shí)，總能量消耗設(shè)為1(363kWh/t)；當(dāng)澆余熱態(tài)鋼水量增加到60%時(shí)，總能量消耗只有上述設(shè)定值的0.88倍，此時(shí)總能量消耗最低。泰國(guó)GJ鋼廠的熱態(tài)澆余鋼水量始終保持在出鋼量的50%以上。

圖5 總能量消耗和留鋼量之間關(guān)系曲線(xiàn)

康斯迪工藝通過(guò)在世界各地的實(shí)踐證明：由于采用了爐料預(yù)熱、連續(xù)加料，和大留鋼操作工藝，它是當(dāng)前效率最高、生產(chǎn)率最高的電弧爐新工藝。并通過(guò)多爐次實(shí)踐證明：從電弧爐效率最高和生產(chǎn)率最高的觀點(diǎn)出發(fā)，最佳留鋼水量是出鋼量的55%～60%時(shí)為最佳數(shù)據(jù)。

4 西門(mén)子—奧鋼聯(lián)公司推出大留鋼操作的量子電弧爐

1)西門(mén)子—奧鋼聯(lián)金屬技術(shù)公司于2011年3月研制成功一種叫做量子電弧爐的新型電弧爐，該種電弧爐的實(shí)質(zhì)就是采用爐料預(yù)熱和大留鋼操作(大量澆余熱態(tài)鋼水)工藝。這就是將被預(yù)熱好的爐料投放到高溫的澆余鋼水中，來(lái)快速熔化爐料。即采用新的傳熱理論，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流理論，來(lái)滿(mǎn)足高能源效率、高生產(chǎn)率、低成本、低有害氣體發(fā)射的劃時(shí)代的新電弧爐產(chǎn)品。

2)該新型電弧爐產(chǎn)品是該公司積20年?duì)t料預(yù)熱豐富經(jīng)驗(yàn)的頂峰產(chǎn)物。采用新加熱工藝的電弧爐概念是保證最低轉(zhuǎn)換成本、最高生產(chǎn)率和滿(mǎn)足環(huán)保要求的新產(chǎn)品。在冶煉周期內(nèi)，通過(guò)利用電弧爐排出煙氣，預(yù)熱100%的廢鋼爐料，從出鋼到出鋼時(shí)間降至33min以?xún)?nèi)，噸鋼電耗低于280kWh/t。這種新型電弧爐具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于采用了固定的豎井結(jié)構(gòu)和可移動(dòng)的下?tīng)t殼，使得密封性非常好，杜絕外部冷空氣進(jìn)入；

(2)改進(jìn)了的梯形豎井設(shè)計(jì)，使豎井中爐料分布最佳和爐料預(yù)熱效率最佳；

(3)新設(shè)計(jì)的爐料緩沖系統(tǒng)，改進(jìn)了爐料向爐中進(jìn)給速度，減少了沖擊；

(4)在爐中保持有大量殘留鋼水，即澆余鋼水(出鋼量100t時(shí)，殘留鋼水70t)，利用熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流傳熱，改進(jìn)了傳熱效率，加速了廢鋼熔化；

(5)電弧加熱區(qū)和豎井加料區(qū)分開(kāi)布置，使得加料時(shí)不斷電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊。該爐料預(yù)熱系統(tǒng)是采用梯形豎井設(shè)計(jì)、結(jié)合新開(kāi)發(fā)的爐料阻擋系統(tǒng)來(lái)完成的，這樣就能使?fàn)t料分布均勻，并使得用于預(yù)熱爐料的的煙氣氣流的流向?yàn)樽罴?。爐料被預(yù)熱之后，豎井中的諸多手指撤回至豎井的側(cè)墻中，打開(kāi)加料口，則被預(yù)熱好的爐料加至爐中。

3)由于采用了新設(shè)計(jì)的手指形打開(kāi)機(jī)構(gòu)和大型的馬蹄形爐殼結(jié)構(gòu)，使得被預(yù)熱好的爐料能很快地被加到70t的剩余鋼水中(出鋼量為100t)。加好爐料后，諸多手指立即前進(jìn)、閉合，進(jìn)行下一爐加料和開(kāi)始預(yù)熱下一爐爐料。整個(gè)豎井和手指系統(tǒng)被安裝在堅(jiān)固的爐頂上面，在設(shè)計(jì)時(shí)，還考慮到避免加料時(shí)的沖擊力，不沖擊水冷部件，以杜絕產(chǎn)生漏水事故。爐料可用廢鋼、直接還原鐵(DRI)，以及一部分熱裝鐵水均可以。其突出特點(diǎn)是：實(shí)行大留鋼量、純平熔池操作，使得加料、出鋼和第4孔加合金料都是在不斷電狀態(tài)下進(jìn)行的，因而能獲得生產(chǎn)率最高、熔煉時(shí)間最短的效果。

4)圖6示出了西門(mén)子-奧鋼聯(lián)的量子電弧爐出鋼過(guò)程畫(huà)面。由圖中可看出，在出鋼槽上方一直有鋼水存在，并且沒(méi)有鋼渣進(jìn)入鋼包中[4]94。

圖6 西門(mén)子—奧鋼聯(lián)的量子電弧爐出鋼畫(huà)面

西門(mén)子—奧鋼聯(lián)開(kāi)發(fā)的新型量子電弧爐與常規(guī)電弧爐的技術(shù)數(shù)據(jù)及消耗指標(biāo)對(duì)比數(shù)據(jù)示于表2[4]96。

爐料預(yù)熱和留鋼操作工藝不僅適用于大型高生產(chǎn)率的電弧爐煉鋼廠，也適用于小型特鋼廠。大量澆余鋼水留鋼操作實(shí)踐對(duì)加速熔化、提高生產(chǎn)率是非常有用的。根據(jù)幾個(gè)大型鋼廠的實(shí)踐證明：澆余鋼水?dāng)?shù)量為出鋼數(shù)量的 60%～70% 時(shí)，生產(chǎn)率和效率最高。所以該種電弧爐操作工藝無(wú)疑是將來(lái)電弧爐操作工藝的發(fā)展方向。

表2 不同型式電弧爐的主要技術(shù)數(shù)據(jù)及消耗指標(biāo)

5 結(jié)論

介紹的留鋼操作新工藝傳熱機(jī)理是非常新鮮的。在預(yù)熱室內(nèi)被預(yù)熱好的爐料，傾倒入溫度為1600℃左右的平熔池鋼水中。這時(shí)傳到爐料上的熱量是依靠圍繞爐料的高溫鋼水的傳導(dǎo)熱和對(duì)流熱來(lái)快速熔化爐料的，熔化速度非?？?。實(shí)踐證明，它若與傳統(tǒng)電弧爐相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)電耗低，單位電能消耗低于280kWh/t。

2)煉鋼速度快，出鋼到出鋼時(shí)間為33min。

3)生產(chǎn)率高；一臺(tái)100t電弧爐，年產(chǎn)鋼量為135萬(wàn)t。

4)加料、出鋼、爐頂加合金料均在帶電狀態(tài)下進(jìn)行。

5)電弧穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，所以容量較小的電網(wǎng)也能用，變壓器容量小于常規(guī)電弧爐的。

6)電極消耗比常規(guī)電弧爐降低30%。

7)電弧爐排出煙氣量降低30%。

[1]JEREMY A.Analysis of Meltshop Operating Data at North Star Blue-scope Steel to Quantify the Expected Benefits of Increased Furnace Bottom on EAF Operations[J]. Iron & Steel Technology, 2012, No.1, p56-60.

[2]BRIAN B.KYLE V.Single-charge EAF Modification: Installation and Experience[J]. Iron & Steel Technology, 2011, No.2:42-48.

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Modernization EAF of Using New Heat Transfer Theory

Luo Yuzhuo1Hua Ai2Zhao Shijie3

(1:Xi’an Taoyuan Metallurgical Equipment Engineering Co., Ltd., Xi’an 710075; 2:Xi’an Electric Furnace Institute Co., Ltd., Xi’an 710061; 3:Xi’an Aojie Electric Heating Equipment Engineering Co., Ltd., Xi’an 710065)

In order to comply with the energy savings and environmental protection requirements, developed a modernization EAF, which is the scrap preheating and high hot heel operation EAF. Finally, the working principle and practical operational effects of the new type EAF were given.

EAF High hot heel operation Scrap preheating Continuous charging

羅玉鐲，女，1981年出生，畢業(yè)于陜西科技大學(xué)，大專(zhuān)，助理工程師，主要從事電爐行業(yè)電氣及自動(dòng)化設(shè)計(jì)

TF748.41

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.001

2014-07-12)