电弧炉熔炼节能技术应用现状与发展

电弧炉熔炼节能技术应用现状与发展冯胜山（湖北工业大学机电研究设计院武汉430070）摘要：叙述了电弧炉在采用熔炼新技术，降低电气设备电能损耗，控制出钢温度、渣量和留钢量，加强炉料管理和生产组织管理等方面的节能措施及其应用效果，探讨了电弧炉熔炼节能技术的发展趋势。关键词：电弧炉；熔炼；节能电弧炉和感应电炉是铸钢的两种主要熔炼设备。与感应电炉比较，电弧炉具有如下主要优点：电弧炉炉渣参与冶金反应，可有效去除硫和磷；对原材料的要求较低，可以使用废钢和铸造回炉料以任何比例组成的炉料；钢水质量容易得到保证，适于生产各种铸钢件。但是也有不足，例如：有电弧超高温作用，元素烧损较多；无电磁搅拌作用，不利于钢液温度均匀和夹渣上浮；加热速度较慢，热效率较低，能耗较高。据测算：输入电弧炉的能量只有约57％直接用于电弧炉炼钢，其余43％左右为损失热量。损失的热量中，约12.5％为炉盖和炉壁冷却水损失，约23％为废气带走的损失，约7.5％为炉渣带走的损失。因此，电弧炉的节能是一个重要课题。近40年来，电弧炉节能降耗的多种技术措施得到发展和应用。图1定量描述了这些技术措施在降低电弧炉的熔炼时间、电耗与电极消耗方面的预期效果。但是，能源和电极的实际消耗量要比图中数据高：德国在2005年的能耗是525kW·h/t+天然气11m3/t；美国2000年的能耗数据是电500kW·h/t+煤23kg/t+氧气34m3/t+天然气8.5m3/t。图1电弧炉熔炼技术措施的发展历程及其效果可见：电弧炉的节能还是一项需要广大铸造工作者继续努力的长期课题。电弧炉节能可从以下三个方面着手：一是采用新技术减少热损失；二是降低电弧炉有关电气设备的电能损耗；三是加强生产管理，降低能耗。1采用新技术1.1高功率炼钢法高功率炼钢法是通过增大熔化功率，加大熔化电流，缩短熔化时间，来达到节能目的。许多企业采用这项技术后，取得了较好的节能效果。如某厂的3t电弧炉，原变压器容量为650kVA，在变压器容量改为1250kVA后，熔化期时间缩短了一半左右，吨钢电耗也随之降低。但在采用高功率炼钢法时，应注意供电曲线的合理选用，不能整个过程都采用高功率炼钢，否则不但不会使炼钢单耗降低，反而会使单耗增加。如某厂一台5t电弧炉，变压器扩容后，整个过程都采用高功率炼钢，结果炼钢单耗反而上升了46kW·h/t。实际生产中，应根据电弧炉的特性曲线确定作业电流，同时按熔炼各时期的特点确立用电规范。目前，我国铸钢行业所用的电弧炉数量很多，却很少有测定电弧炉用电特性曲线的。图2是电弧炼钢炉的用电特性曲线示意图。图2交流电弧炼钢炉的用电特性曲线从图2可见：(1)电压一定时，随电流增大，来自电网的功率P1增大。到达P曲线的峰值以后，由于设备的功率因数COSφ降低，无功功率P3增大，P1不但不增大，反而急剧下降。可见，盲目增大电流不仅无益，而且对电网和设备都非常有害。(2)实际上用于炼钢的有用功率P2的峰值与P1峰值所对应的电流并不一致。P2峰值对应的电流I0，一般都小于P1峰值所对应的电流I0′。Pl最大时，由于电器设备的阻抗而损失的无功功率P3增大，电效率η下降，有用功率P2并不最大。因此，电弧炉运行的作业电流应该是I0，无论如何也不应超过I0′。(3)目前还不可能用仪表显示有用功率P2并用以控制电炉的供电，一般都用电流控制。电流控制是灵敏的，但如无特性曲线为依据，就可能导致效率降低，电耗增大。例如：当作业电流为I1时，认为功率不足而增大电流，当然是正常的，但如简单地将作业电流增大到I2，输入的功率大幅度增加，而有用功率并未增加。电弧炉炼钢过程中，由于各熔炼阶段具有不同的特点，所以还应根据每一熔炼阶段的炉况确定各自的作业电压，以便在尽可能的发挥变压器的供电能力的同时，减少热损失,并提高炉衬的寿命。作业电压愈高，则输入功率愈大。但电压愈高，电弧也会愈长，对炉墙、炉盖的辐射也增强，热损失增大。只有在熔化期间，电弧埋入炉料后，才可用最高电压，正好这时需要最大的功率。氧化期间，钢液处于沸腾状态，而且炉渣的黑度系数大，易于吸热，电弧的能量较易于传递到炉渣和钢液，可用适中的作业电压。由于此时电弧是裸露的，不宜用最高电压。还原期间，钢液静止，不利于提温，且此时炉渣黑度系数小，易反射电弧热量于炉衬、炉盖，故应避免电弧太长，宜用低电压作业。每一台电弧炼钢炉安装完毕后，都应根据电气设备配置的具体情况，通过短路试验测定线路的基本参数，再计算每一电压下线路的平均参数，画出每一级电压下的用电特性曲线。每一铸钢厂都应按照电炉设备特点和所炼钢种冶炼要求，制定合理用电规范，规定冶炼各阶段作业电压；再根据电炉在每一种电压下作业时的特性曲线，规定作业电流。据初步估算，如采用合理用电规范，熔炼电耗至少可降低5％。前述5t电弧炉，在重新合理选用供电曲线后，单耗下降了104kw·h/t，取得了较好的节能效益。1.2辅助熔化技术及设备随着电弧炉炼钢技术的发展，辅助熔化技术及设备越来越完善。常见的辅助熔化技术有吹氧助熔、煤气或油助熔和底气搅拌等。在电弧炉冶炼过程中进行强化用氧的目的除了加快脱碳速度以外，还充分利用氧气与原料中易氧化元素发生化学反应所放出的热量，达到节能降耗的效果。各种元素氧化的理论热值如表1所示。吹氧助熔可以使熔化期缩短20～30min，钢水熔炼能耗可下降80～100kw·h/t。强化用氧技术已经成为电弧炉炼钢重要的技术方向。表1熔池中各元素氧化产生的理论热值元素产物反应热相对成本（参考值）kJ/kgkW·h/kgAlSiMnFeCCAl2O3SiO2MnOFeOCOCO214572113292176425011639348384.053.150.601.183.239.683.73.26.01.80.5～0.60.3～0.6合理的吹氧助熔时间，不但可以达到快速化料的目的，还可以节约氧气，减少炉料烧损。一般应在炉料大部分发红、炉底出现熔池时，开始吹氧助熔，压力掌握在0.4～0.6MPa。可采用废电极块、焦炭提高配碳量，适当提高用氧强度。在钢中磷含量不高的情况下，尽量不要使用矿石，因为矿石氧化是吸热反应，受影响环节多，脱碳速度慢，而氧气氧化是放热反应，脱碳速度快，明显缩短熔氧时间。如每吨钢氧化掉0.1％碳，用氧气氧化比用矿石氧化省电16kW·h。煤气助熔是将煤气和氧气由喷枪送入炉内，在炉膛内燃烧以加热炉料。喷枪的结构较为简单，即用2根不同直径的不锈钢管，同心地套在一起而成，并安装在炉前一侧的旋转架上。油氧喷枪可安装在炉膛的低温区，渣线以上150～200mm的炉墙上与水平线成13°～18°夹角。一般采用煤气助熔后，可节电15％～20％，效果显著。电炉炼钢中应用喷粉技术，在国外已十分普遍。部分辅料如石灰粉、碳粉、铁合金粉、铝渣粉剂、脱硫剂等，依靠设置在炉前的料罐和粉体输送计量装置，以压缩空气或氮气作载体，直接喷吹到电炉溶池里。粉状料的喷吹输送强化了冶炼过程，可有效地控制炉况，提高脱磷、脱硫反应速度，对节电、缩短冶炼时间均有良好的效果，同时改善了作业环境。底气搅拌等技术可使熔化时间由原先的3～4h降至50～60min，也有着较好的节能效益。1.3泡沫渣埋弧冶炼技术泡沫渣埋弧冶炼技术是指：在电弧炉冶炼过程中，吹氧的同时向熔池内喷碳粉或碳化硅粉，加剧碳氧反应，在渣层内形成大量的CO气体泡沫，使渣层厚度达到电弧长度的2.5～3.0倍，电弧完全被屏蔽，从而减少电弧辐射，提高电弧炉的热效率，缩短冶炼时间，降低电能消耗，延长炉衬和炉顶的使用寿命，大幅度地提高生产率。实现泡沫渣冶炼的方法很多．但无论哪种方法都是使渣中的FeO与C反应生成CO气体，弥散在渣中，形成液渣膜分隔的密集排列的气孔状结构，CO气泡缓慢地从渣中溢出，使炉渣保持泡沫化的状态。泡沫渣的碱度、渣中FeO质量分数等是影响发泡性能的重要参数。图3、图4分别表明了泡沫渣碱度和成分对泡沫渣高度的影响。图3炉渣碱度对泡沫渣高度的影响图4炉渣中w(FeO)对泡沫渣高度的影响炉渣的粘度也影响泡沫渣的形成。熔渣粘度低，发泡性能差。随粘度的升高，熔渣发泡幅度增大，粘度为8Pa·s时达到最大值。主要原因是：当熔渣粘度适当增大，气泡聚集长大上浮逸出的速度减慢，而使泡沫渣稳定时间持续延长。若熔渣粘度过高，弹性较差，液渣膜易破裂，使气泡稳定性减小，故炉渣泡沫化的程度反而降低。电弧炉炼钢采用泡沫渣埋弧冶炼工艺，能有效节能降耗。因此无论是超高功率电弧炉还是普通功率电弧炉，采用泡沫渣冶炼工艺都很普遍。其具体使用效果如下：（1）提高传热效率电弧炉炼钢是靠电弧加热。若电弧过长，则对炉衬和炉顶的热辐射增加，使热损失增大，同时也使炉衬和炉顶的寿命降低，耐火材料消耗增加，生产率受到影响。为克服上述缺点，不得不采用短电弧和大电流供电。但是，电流过大会使电能消耗增加。而泡沫渣冶炼工艺可使电弧被泡沫渣屏蔽，故可采用长电弧高电压供电，因而使电能消耗减少，同时也使传热效率得到提高，功率因数由0.63提高到0.88。由于没有剧烈的沸腾，熔池的升温速度持续稳定，可达6～12℃/min。图5为国内某厂5t电弧炉采用泡沫渣冶炼工艺与普通渣工艺的升温速度的关系曲线。又由于电弧被屏蔽，使电弧稳定，电压和电流的波动减小，电弧闪烁亦相应减小，变压器的功率得以充分发挥，并能稳定电网，使传热效率由30％提高到60％。图5氧化期泡沫渣工艺与普通渣工艺升温过程比较（2)降低电能消耗用长电弧高电压供电，可使电能消耗降低。采用泡沫渣冶炼工艺，必须向熔池内大量吹氧，形成以氧代电。据某厂统计：采用泡沫渣冶炼工艺后，可使每炉钢的平均冶炼时间缩短17min，每吨钢节电116.3kW·h，炉衬寿命提高65％。另外，由于加入碳粉等还原剂，使渣中FeO的还原率可达60％，使金属收得率得到提高。（3）降低电极消耗电弧炉炼钢过程中电极消耗的50％～70％是由电极表面的氧化造成。据测定，碳和石墨的氧化大约从500℃开始，超过750℃氧化急剧增加，且随着温度的升高而加剧。电极表面氧化消耗的量G与氧化速度V、电极表面积S、工作时间t有关，其表达式为：G∝V·S·t可见电极在恶劣工作环境中工作时间越长，电极在高温下暴露在环境中的表面积越大，电极氧化损失也越大。而采用泡沫渣埋弧冶炼工艺后，由于电弧被渣层屏蔽，电弧的辐射热相对于普通渣工艺减少，环境温度相对较低，因而可减少电极的氧化，又有利于提高二次电压，降低二次电流，使电能消耗减少，电极消耗减少2kg/t钢以上，使生产成本降低，生产率提高，同时也使噪音减小，噪声污染得到控制。造泡沫渣的手段也在不断完善，从最初的仅在电炉配料中增加焦炭的用量发展到用喷射设备向炉内喷入碳粉或其它的泡沫渣制剂。喷吹手段也从最初的手持吹氧管到目前采用机械化自动控制的喷吹装置，使泡沫渣冶炼工艺趋于完善。泡沫渣制剂也由单独的含碳型向复合型发展，其功能也趋于多样化。表2为国内某厂的泡沫渣制剂成分。表3为某厂泡沫渣制剂的理化性能检验结果。表2国内某厂的泡沫渣制剂成分成分CaOSiO2FeOCaF2MgO钡系化合物含量/%45～52≤810～258～12112～25表3某厂泡沫渣制剂的理化性能检验结果熔点/℃熔速/%（1300℃时）粒度/mm水分/%均匀度/%1180～125020～3≤0.5＞981.4偏心炉底出钢电弧炉偏心炉底出钢的基本特征是：取消原有电弧炉的出钢槽，在毗邻原出钢侧的外壳另设一个出钢箱，其内部砌筑耐火材料，构成一个具有一定空间的小熔池，与原有大熔池经圆滑过渡而相互连通。出钢口垂直地安装在小熔池底部，利用出钢口开闭机构和炉底倾动装置，不仅能顺利出钢，而且还能将部分钢水和全部炉渣留在炉内。偏心底出钢电弧炉如图6所示。图6偏心底出钢电弧炉1—出钢口座砖2--出钢口消耗管砖3—填充物4—尾砖5—隔离环6—水冷环7—底盖系统电弧炉采用偏心炉底方式出钢，与槽式出钢方式相比有诸多优点：（1)可以做到无渣出钢，可进行留钢、留渣操作（留渣量10％～15％），从而有效地利用能源预热废钢，缩短冶炼时间，降低电耗。（2)减小了电弧炉倾动出钢的角度(约15°)，可以缩短大电流电缆长度，电路