电炉炼钢电气运行与电炉技术的关系

电炉炼钢电气运行与电炉技术的关系超高功率电弧炉作为电弧炉发展的基本方向，为实现其高产、低耗、优质的目标，就必须具备快速而准确的生产控制，全面而优化的综合管理。单凭经验或依据普通电弧炉的控制和管理方法，已不能适应生产需要，而在生产过程控制中，电气运行是极为关键的技术。电弧炉电气运行是电炉冶炼生产最基本的保障，它关系到冶炼工艺、原料、电气、设备等诸多方面的问题，直接影响电炉炼钢生产的各项技术经济指标，因此对其进行最佳化的研究意义重大，不但可保障冶炼工艺的顺行、充分有利于设备资源，还能提高生产率、节能降耗。1电气运行与电炉技术发展50年代，为了提高电弧炉生产率，当时采用加大电炉变压器提高电压的方法来增加输入功率，即采用“高电压、大功率”的运行制度。到60年代，当时炉子容量还不很大，功率级别也不很高，约为400kVA/t，变压器总容量在30MVA左右。这一时期，电炉主要生产特殊钢、合金钢，流程为电炉出钢后模铸。随着炉子供电功率的增大，电弧对炉衬的辐射侵蚀大大增强。在70年代中后期，一度推崇高功率、大电流、短电弧操作方式。因而，功率因数值较低，特别是在最大电弧功率处工作，功率因数仅为0.72左右。因为短而粗的电弧，对炉衬热辐射减少，减轻了因提高功率对炉衬耐火材料的强烈侵蚀，也提高了热效率；同时由于电弧电流加大，对钢渣的搅拌加强，强化了熔池的传热；此外，大电流短电弧稳定性高，对电网的冲击小。这一时期，典型的炉子变压器容量大约在50MVA左右，功率级别约为500kVA/t，典型的流程为电炉、钢包炉、连铸、棒线材轧机。所谓“低电压”和“短电弧”都只是相对于相同的变压器容量而言。实际上，如果把1台普通功率电弧炉改造成为超高功率电弧炉，由于功率大大增加，变压器的二次电压和电弧长度都比原来普通功率电弧炉的大。这种短弧操作法，在美国又称为“滑动功率因数法”。其要点是整个熔炼过程自始至终只采用一档相当低的电压而连续改变电流工作点。若用平衡的回路特性理论来描述工作点的“滑动”，那就是功率因数先由电弧功率最大点(0.72～0.75)逐渐平缓地过渡到有功功率最大点(0.707)，再减少到0.68。这种情况适应于美国的条件：废钢行业发达，可保证入炉废钢块度小且均匀。这种方法的难点是判断何时由相对长弧改为短弧。上述低功率因数的运行方式不利于变压器能力的充分利用，且电极消耗很大。随着水冷炉壁、水冷炉盖尤其是泡沫渣技术的出现和成功，使“高电压、低电流、长电弧、泡沫渣”操作有了可能，这类超高功率电弧炉是80年代中期的先进技术。在这个时期，炉子容量进一步大型化，功率级别又有所提高，炉子变压器容量达到了70MVA以上，电炉钢进入扁平材、管材市场。其运行特点是高功率因数操作，使变压器的能力较充分地发挥。到了90年代，电炉的容量进一步加大，炉子变压器容量达到了100MVA左右，功率级别已超过800kVA/t。上海宝山钢铁公司新建4号板坯连铸机宝钢新建4号板坯连铸机将成为先进的机械设备与动态自动控制系统完美结合的典范，将使设备性能和生产操作灵活性达到一个新的水平。新建铸机将能够浇铸包括超低碳钢、低、中、高碳钢、包晶钢和微合金钢在内的各种钢种，不论在产品质量，还是在生产能力方面，都将达到可能达到的最好水平。新建双流板坯连铸机将于2007年年初投入生产运行，这将使宝钢的板坯生产能力增加280万吨。在设计这种装备先进的板坯连铸机的过程中，达涅利戴维•迪斯汀顿将采用在长达55年的传统板坯连铸机设计过程中研制开发的所有先进技术。新建铸机将生产厚度为230mm，宽度为900至1750mm的连铸板坯。新建4号板坯连铸机将采用各种最新推出的机械设备方案和工艺特点，将装备先进的自动控制系统，使铸机能够在最严格的生产操作条件下保持正常运行。关键的机械设备和工艺特点由于考虑到铸机具有很宽的钢种生产范围，因此在设计阶段就集中精力寻找最佳设备和技术方案，以确保在浇铸每一钢种时，都能使铸机保持最佳性能，达到最好的铸坯产品质量，并尽可能提高生产能力，减少设备维修量。利用钢包倾动技术，提高金属收得率在铸机顶部，达涅利戴维•迪斯汀顿设计的钢包回转台将采用钢包倾动技术，当检测到下渣时，可倾动容量为300t钢水的钢包，在确保不带渣的情况下，可使每炉钢水的金属收得率提高0.5%，相当于每年多浇铸46炉钢水。这使得在钢包已采用锥形包型设计而增加收得率的基础上，又进一步提高了金属收得率。中间罐的合理设计可改善钢水洁净度由于浇铸超低碳钢要求铸坯满足严格的内部洁净度标准，这就要求对中间罐进行精确的设计。设计的重点是确保获得理想的钢水流动模式和合理的钢水滞留时间，以使钢水在进入结晶器之前能够最大限度地满足钢水洁净度要求。通过对中间罐流场进行计算机模拟计算，可使容量高达72t钢水的大容量中间罐实现优化设计，其目的是向结晶器注入最洁净的钢水。中间罐容量和包型是在经过对各种不同的稳态和非稳态浇铸条件进行多次模拟计算后才最终确定的。无间隙原子钢（IF）要求夹杂物含量达到极低的水平，以增加材料在冲压过程中的拉伸性能。宝钢连铸机中间罐设计所具有的促进夹杂物上浮的特点，将有助于实现这一目标。通过双重控制系统和内置式电磁涡流液位检测系统控制钢流利用塞棒和滑动水口系统控制钢流，既便于开浇，又能够实现高精度控制。将这两种控制系统与设在结晶器内的电磁涡流液位检测系统结合起来，不仅能够实现全自动开浇，而且可确保实现高精度结晶器液位控制。通过在结晶器设计中采用的结晶器电磁制动系统，可进一步确保结晶器液面平稳、液位稳定。垂直布置的INMO结晶器－铸机的心脏为使所有的浇铸钢种都能达到最佳表面质量，就必须采用最先进的结晶器技术。900mm长INMO（INtegralMOtion）结晶器就拥有这样的技术。它构成长达2,700mm的垂直段的一部分，可确保已经到达弯月面的任何细小夹杂物和气泡，能够浮出结晶器钢水液面，进入保护渣内。因此，对洁净度要求严格的钢种来说，皮下缺陷将不再成为质量问题。INMO结晶器将采用达涅利戴维•迪斯汀顿的专利技术，装有独特的零误差导向系统，可在液压振动装置的配合下，在任何浇铸条件下，都能确保获得卓越的铸坯表面质量。该系统所固有的稳定性，还可以减少出现漏钢的危险，从而确保铸机达到很高的生产能力。此外，通过集成在结晶器内的漏钢预报系统，还可以进一步减小漏钢危险。结晶器液压振动系统可实现振动频率和振幅的最佳组合，再加上最合适的振动波形和偏斜率，可用于所有的浇铸条件和生产钢种。结晶器动态宽度控制系统不仅可实现离线和浇铸过程中在线宽度调节，而且可以连续监视拉坯速度和冷却系统，以确保稳定的板坯宽度控制。该系统可在浇铸过程中动态调节结晶器宽度和锥度，以补偿拉速变化造成的影响，避免因拉速变化而引起冷态板坯宽度波动。结晶器铜板设计和结晶器锥度动态调节可在这一最为关键的区域，对初生坯壳提供最佳支撑，创造良好的凝固条件，确保获得最好的铸坯质量。此外，INMO结晶器还可将铜板和冷却水箱作为一个独立的盒式结构，实现整体更换。因此，该系统可以仅对易磨损部分进行快速更换，而保留结晶器框架不动，从而缩短设备停机时间。如上所述，结晶器设计将采用结晶器电磁制动和流场控制技术，可在高速浇铸条件下，稳定结晶器内的钢水流场。连续弯曲／连续矫直、最佳扇形段设计和动态轻压下对于裂纹最敏感的包晶钢和微合金钢，设法减小凝固坯壳应力是至关重要的。为此，要求在具有很高刚度的支撑导向辊和扇形段设计中，采用连续弯曲和连续矫直技术，并实现二冷水动态控制。通过选择9,500mm基本弧半径，并采用建立的连续变形基础上的连续弯曲、连续矫直技术，既可以尽可能减小铸坯内应力，又可使铸机高度保持在合理范围内。通过将连续弯曲区分布在8个支撑导向辊上，将连续矫直区分布在10个导向辊上，而且将载荷均匀地分布在支撑导向辊、辊轴承和辊座上，可为凝固前沿区域有效控制位于固液两相界面处的铸坯变形率和变形速率创造有利条件。通过上述措施，处于凝固过程中的铸坯在通过连铸机时，所承受的应力将达到最小，从而可为获得最佳内部和表面质量创造最为有利的条件。同时，作用在连铸机上的应力也将保持在最小范围内，以保护所有的机械设备不受损坏，确保全部设备都达到很长的使用寿命。在辊列布置和支撑导向辊结构设计中，采用不同的辊径和辊距，以尽可能减小铸坯在整个支撑区域内的鼓肚变形量和变形率。导辊弯曲变形量也是造成铸坯鼓肚变形的一个因素。因此在导辊结构设计，确定分节辊分节数时，对这一参数也做过仔细斟酌。在弯曲、矫直区域内，支撑辊将产生较大的应力，因此将采用较短的辊身长度，以减小导辊挠曲变形量，从而减小铸坯鼓肚变形。在整个铸坯支撑区域内，扇形段机架、导辊和所有的机械设备设计，都将从铸机生产、铸坯质量和减小设备维修量等方面，确保设备能够发挥最佳性能。扇形段将能够实现动态轻压下控制，以便利用已经成熟的达涅利动态轻压下技术，进一步改善铸坯内部质量。先进的二冷水动态控制和PDR外围钻孔“通水冷却”辊技术最后，为确保铸坯获得最佳表面和内部质量，连铸机将采用气水雾化多喷咀二冷系统。该系统可实现冷却水流量和喷射宽度的动态控制。二次冷却系统分布在长达41.355m的整个铸机冶金长度范围内，分为冷却水环、足辊冷却区（水冷）和10个气水雾化冷却区。冷却范围覆盖铸机的各个区域。二冷系统可分别控制喷射到铸坯内弧侧和外弧侧的二冷水量。这样，就可以根据各种不同的浇铸条件，优化冷却水量，以确保各种不同的钢种，在稳定和非稳定浇铸条件下，均可获得合适的铸坯温度变化曲线。通过专门设计的行之有效的导辊内部冷却系统，可确保支撑导向辊和辊轴承使用寿命。所有的导辊，从弯曲段直到最后一个扇形段，全部采用内部通水冷却。此外，铸机设计中还采用了最新推出的PDR（外围钻孔）“通水冷却”辊，可使导辊使用寿命延长50％。这种高效通水冷却设计，可确保导辊获得更好的冷却条件，不仅有利于提高导辊使用寿命，而且由于能够有效减少氧化铁皮粘结倾向，由于导辊设计所决定的导辊固有的稳定性，以及能够改善铸坯冷却效果等原因，还有利于改善铸坯表面质量。由于达涅利戴维•迪斯汀顿研制开发的PDR外围钻孔通水冷却辊具有较低的工作温度，因此导辊不仅能够保持良好的机械性能，而且在铸机较长时间的停机过程中，如在异钢种连浇时，仍能能保持最小的导辊挠曲变形量。这样，由于最大限度地延长了导辊使用寿命，因此可减少设备维修量，减少备件数量。自动控制系统为满足铸机生产能力和铸坯质量要求，达涅利自动化公司将采用一系列先进的自动控制技术，以实现下列功能：中间罐自动快速更换；中间罐液位自动控制；自动开浇控制；结晶器液位模糊逻辑控制；INMO结晶器液压振动；建立在ELTM®单元坯龄模型基础上的二冷水动态控制；漏钢和粘钢预报；结晶器宽度自动调节；“浇铸准备就绪”支持，通过跟踪故障信号和可以忽略的开浇限制条件，以避免错误开浇；用于模拟浇铸顺序和过程控制的“模拟浇铸”；出现故障时的应急控制系统自动切入控制。上述功能可确保在浇铸的每一阶段，都能实现连续监视和自动控制，使浇铸过程具有可重复性，从而确保整个生产过程的作业质量和最终产品质量。自动控制系统使操作人员能够通过操作人员工作站，对自动设定的参数进行手动修改，并将这些操作过程记录下来，用于离线分析和性能监视。通过与能够实现全厂范围内物料跟踪和根据浇铸钢种设定工艺参数的宝钢2级计算机系统的交互作用，在钢水到达连铸机时，即可对各种不同钢种的所有浇铸参数进行自动选择和设定。利用现代硬件设备、软件工具和一体化解决方案，可形成一个达到顶级水平的自动控制系统，具有极高的系统性能和良好的鲁棒性。所选用的自动控制设备将具有下列主要特点：SiemensS7H-型（冗余）PLC，带有Ethernet以太网和Profibus接口设备；建立在PC机基础上的操作人员工作站，可运行客户机／服务器上配置的SiemensWinCC管理控制和数据采集（SCADA）软件；达涅利自动化公司将开发所有的内部应用软件。通过下列解决方案，可确保自动控制系统获得极高的可靠性：可实现SCADA功能的冗余服务器；冗余操作人