电炉设备与工艺

电炉设备与工艺赵海兵2011年6月主要内容：电炉炼钢的发展电弧炉的机械设备电弧炉的电器设备不锈钢冶炼工艺制度1.1电弧炉电炉炼钢是以废钢为主要原料，以三相交流电作电源，利用电流通过石墨电极与金属料之间产生电弧的高温，来加热、熔化炉料。电弧炉是用来生产特殊钢和高合金钢的主要方法(也生产普通钢)。电弧炉分为：普通功率电弧炉（RP）高功率电弧炉（HP）和超高功率电弧炉（UHP）。1.电炉炼钢的发展它们主要是按每吨炉容量所配变压器容量的多少来区分。20t以上的炉子，普通功率电弧炉每吨炉容量的变压器容量约300千伏安，高功率电弧炉约450千伏安，而超高功率电弧炉则为600千伏安以上，而且有越来越高的趋势。这意味着单位时间内输入电弧炉的热能大幅度增加，使熔化时间显著缩短，从而提高生产能力，降低电极消耗，减少热损失，降低电能消耗，结果是使生产成本下降。电弧炉炼钢的用氧技术取得了瞩目的发展。氧气的利用已由最初的脱碳反应跃居为电弧炉的第二热源，部分取代了相对昂贵的电源。现代电弧炉炼钢的供氧量为20～40m3/t，甚至更高。其向熔池提供的化学能占总输入能量的30%～40%。先进的电弧炉广泛采用强化供氧和泡沫渣冶炼、废钢预热等技术，因而电弧炉的冶炼时间大大缩短，即使100t以上的大型电炉，全炉的冶炼时间也只有60～70min，吨钢电耗不大于375kW·h，吨钢电极消耗不大于1.5kg。电弧炉常用的几种炉型1.直流电弧炉采用直流电源的炼钢电弧炉。采用单相直流电通到炉子上部顶电极作为阴极，底部（底电极或导电炉底）作为阳极，形成上部电极—电弧—熔池—下部电极为负载回路的电弧炉。其优点是电极消耗大幅度降低；电弧稳定；对电网冲击小，一般不设动态补偿装置；噪音小；能有效利用电能。江苏兴澄有100吨直流电弧炉。2.偏心底电炉EBT偏心底电炉是将传统的槽式出钢槽改为炉底出钢。炉底有出钢箱，出钢口在出钢箱底部垂直向下，出钢口的下部设有出钢开闭机构，当出钢时将开闭机构打开。装料前用填料将出钢口堵死，相当于钢包填充引流砂的原理。当出钢时现将钢包开到正对出钢口位置，将炉体向出钢侧倾动5℃后打开出钢机构即可出钢。EBT的特点：（1）出钢倾动的角度小，简化电炉的倾动机构，增加了水冷炉壁的面积，提高炉体寿命；（2）留钢留渣操作实现无渣出钢，改善钢的质量，提高冶炼速度有利于电炉冶炼的节能。（3）炉底出钢钢水流到钢包的距离短，可以降低出钢温度，会带来节约电耗、减少钢水二次氧化、提高钢包寿命。（4）槽式电炉要完成熔化、氧化、还原和合金化任务，而EBT不在电炉中做还原和合金化操作，只进行熔化、氧化脱C、脱P任务，其它任务移到LF炉外精炼来完成，提高电炉的冶炼速度。EBT电炉主要生产低合金钢和轴承钢，一般不使用EBT生产高合金钢和不锈钢，在国内只有浙江嘉兴的东方特钢用EBT生产不锈钢，他们遇到过很多问题。其原来的工艺路线为：75tEBT→90tAOD→90tLF→CC。后改进为：75tEBT→90tAOD→90tLF→CC。15t中频炉（1）出钢困难（2）AOD冷料比大（2）回收率低兴澄特钢100t直流EBT电弧炉于1997年11月投产,变压器额定容量90MVA,年设计生产能力68万主要生产轴承钢,齿轮钢,高压锅炉管用钢,油井管用钢.2001年10月于电弧炉炉壁安装3套ACIPyreJet集束氧枪和2套PyrOx氧燃烧嘴,使冶炼通电时间由51min降至42min,冶炼周期由59min降至49min,电耗由327kWh/t降至281kWh/t,氧耗为52m3/t.2002年10月采用40%～50%铁水热装工艺,通电时间进一步降至36min,冶炼周期44min,电耗177kWh/t,氧耗增至56m3/t,年产量达110万t.3.康斯迪电炉Consteel康斯迪国内有在运行的有6家。西宁特钢90吨Consteel是引进意大利得兴公司，国内最早投入使用。康斯迪电炉冶炼工艺具有十大特点：一是废钢预热：废钢入炉前，由炉内产生的烟气在输料道预热段被预热，平均温度为600--650C；二是留钢操作：电炉中至少有30吨钢水，然后连续进料，电极送电，碳--氧枪作业，电炉始终在平熔池状态下工作，可减少电弧波动；三是连续进料：无需频繁停炉和开启炉盖，减少热量损失四是电炉本体结构合理：配套EBT偏心底出钢装置，管式水冷炉盖，炉壁、炉身分上下、两段，易于检修维护；五是炉内设置喷吹系统：采用超音速水冷氧枪，自耗式喷碳枪及喷碳系统；六是导电系统先进：变压器为侧出线，采用铜、钢复合电极臂及电极水冷喷淋系统；七是操作技术简便：留钢留渣、泡沫渣埋弧单熔池冶炼操作技术；八是设置了机械化加料系统：电炉设置两套加料系统。其中散状料加料系统一套，专门用于向Consteel系统加料；炉后铁合金加料系统一套，用于电炉炉后出钢过程中的脱氧及初合金化；九是除尘系统先进：电炉采用以Consteel排烟除尘为主，同时设置屋顶罩排烟为辅的除尘设施；十是为保证电炉烟气充分燃烧CO并消除有害气体，在Consteel后设置了二次燃烧室。最后一项特点是采用自动化控制：采用Consteel冶炼加料过程控制，Consteel预热燃烧过程控制以及泡沫渣优化过程控制等。一般Consteel电炉供氧强度较大，西宁特钢可以实现100%热兑铁水，炉门有碳氧枪，炉壁配有3支集束氧枪，全部利用铁水化学热，电耗为0；电极消耗为0。1.2电弧炉炼钢的特点1、温度高而且容易控制2、可以制造还原性气氛，有利于去硫3、热效率高，可达65%以上4、冶炼设备简单，投资少缺陷：1、耗电量大310~400kwh/t2、成品钢中H、N含量偏高3、炭质电极可能使钢液增碳，给低碳钢冶炼带来困难。1.3长流程与短流程长流程：铁矿石高炉铁水转炉钢水浇注钢坯轧钢钢材短流程：废钢电炉钢水浇注轧钢1.4电炉“短流程”的优势1）投资比高炉—转炉流程减少l／2以上。如美国、日本等国的薄板坯电炉短流程，实际费用约为传统流程的1／4；2)生产成本低，劳动生产率高。钢铁联合企业从铁—焦—烧开始到热轧板卷为止，吨钢能耗一般为23kJ／t，而以废钢为原料的电炉钢厂短流程工艺生产的产品能耗接近10kJ／t，能耗降低60％左右。3)在世界每年废钢产量为3亿多吨的情况下，电炉短流程的发展对于促进环保，消化废钢，净化冶金工厂的环境起到了良好的推动作用。因此，发达国家把发展紧凑式电炉短流程作为重点。1.5电弧炉的分类1）按炉衬耐材性质：分酸性、碱性电炉；2）按电流特性：分为交、直流电炉；3）按功率水平：分普通、高及超高功率电；4）按废钢预热：分为竖炉，双壳炉、炉料连续预热式电炉等；1.5电弧炉的分类5）按出钢方式：分槽式、偏心底出钢（EBT）电炉、中心底及水平出钢电炉等；6）按底电极形式：分为触针式、导电炉底式及金属棒式直流炉；7）按炉盖与炉体的位移：分为炉体开出式、炉盖开出式及炉盖旋转式2.电炉的机械结构炉体装置；炉子倾动机构；电极升降机构；除尘系统。电弧炉设备示意图电炉三维示意图2.1.1炉壳炉壳由钢板焊成，整个炉壳分为炉身、炉底及加固圈三部分。炉身为筒形，炉身内径即炉壳内径Ｄ，是炉子的主要参数之一；炉底有截锥形与球形，后者适合大炉子，球形炉底具有强度大、耐火材料消耗少及热损失少等优点。2.1.1炉壳炉底2.1.2水冷炉壁与水冷炉盖大型电炉高功率电炉要采用水冷炉壁与水冷炉盖，其形式有板式、管式及喷淋式等，但比较普遍的是管式。水冷炉壁的材质主要为钢质的，也有将水冷炉壁下面靠近渣线附近水冷块换成铜质的，以增加冷却强度。整个水冷炉壁由6～12个水冷构件组成，布置在距渣线350mm以上的炉壁上，占炉壁面积的80%以上。炉盖和炉壁2.2电炉倾动机构为了满足电炉出钢及出渣操作，要求电炉能够前后倾动。对于槽式出钢电炉要求能向出钢方向倾动42～45°出净钢水，对于EBT电炉要求能倾动5～15°；还要求炉子能向炉门方向倾动10～15°以利出渣，这些都要靠倾动机构来完成。目前广泛采用摇架底倾结构，整个倾动机构由导轨、摇架平台及驱动机构组成，倾动机构驱动方式多采用液压倾动。2.2.4电极升降机构由电极夹持器、横臂、立柱及传动机构等组成1）电极夹持器多用铜的或用内衬铜质的钢夹头，铬青铜的强度高，导电性好。夹持器的夹紧常用弹簧式（碟簧）的，而放松则采用气动或液压的。2）横臂用来支持电极夹头和布置二次导体。横臂要有足够的强度，大电炉常设计成水冷的。近年出现的铜-钢复合水冷导电横臂和铝合金水冷导电横臂，不但结构简单，而且强度高，阻抗低，后者还具有重量轻、反应灵敏等优点。3）电极立柱为钢质结构，它与横臂连接成一个Γ型结构，通过传动机构使立柱沿着固定在倾动平台上的导向轮升降，常称为活动立柱。4）电极升降驱动机构其的传动方式有电机与液压传动。液压传动系统，起动、制动快，控制灵敏，速度高6～10m／min（国外先进设备可达到18m／min），大型先进电炉均采用液压传动。2.4电炉排烟除尘方法1—高压电缆2—隔离开关3—高压断路器4—电抗器5—电抗器开关6—电压转换开关7—变压器8—短网9—电弧10—钢水电炉电气图3.1电炉的主电路或叫主回路，电炉主电路的作用是实现电-热转换，完成冶炼过程。3.1主电路电器(元件)的组成及其作用1）隔离开关用以检修设备时断开高压电源（进线），为一无载刀形开关。——高压进线柜（含隔离开关、熔断器及电压互感器）2）高压断路器（开关）为电炉的操作开关。当电流过大时，断路器会自动跳闸切断电源，以保护电源和电器，为一有载开关。——高压开关柜（含高压断路器、电流互感器）3）电抗器串联在变压器一次侧，用来增加电路电抗值，以稳定电弧燃烧及限制短路电流3.1主电路电器(元件)的组成及其作用4）电炉变压器电炉变压器是一特种变压器，与一般电力变压器相比，具有以下特点：变压比大，变压级别多，如50t/35MVA超高功率电炉，K＝U1／U2＝35kV/570～230V＝61～152，计16级；二次电流大，数以万计，如50t/35MVA电炉的二次电流为43kA，130t直流电弧炉的二次电流为120kA；过载能力大，可长时间超载20%；机械强度大，冷却条件好。主电路电器(元件)的组成及其作用5）电炉短网短网是指从电炉变压器低压侧出线到石墨电极末端为止的二次导体，它包括石墨电极、横臂上的导电铜管（或导电横臂），挠性电缆及硬母线。由于这段导线流过的电流特别大，又称大电流导体（大电流线路），而长度与输电电网相比又特别短10～25m，故常称为短网或短线路。短网中因流过的电流很大，故要求水冷。三相短网的布线方式影响三相功率的平衡；短网的阻抗，影响输入功率的大小。3.2电炉电控设备电炉电控设备包括高、低压控制系统及其相应的台柜以及电极自动调节器等。1）高压控制系统高压控制系统的基本功能是接通或断开主电路及对主电路进行必要的保护和计量。一般电炉的高压控制系统由高压进线柜（高压隔离开关、熔断器、电压互感器）；真空开关柜（真空断路器、电流互感器）；过电压保护柜（氧化锌避雷器组、阻容吸收器）三面高压柜组成。3.2电炉电控设备低压控制系统及其台柜电炉的低压控制系统由低压开关柜、基础自动化控制系统（含电极自动调节系统）、人机接口相应网络组成。低压开关柜系统主要由低压电源柜、PLC柜及电炉操作台等组成。电炉操作台上安装有控制电极升降的手动、自动开关，炉盖提升旋转、电炉倾动及炉门、出钢口等炉体操作开关，低压仪表和信号装置等。3.2电炉电控设备3）电极自动调节器电极自动调节系统包括电极升降机构与电极自动调节器，重点后者。电炉对调节器的要求：1）要有高灵敏度，不灵敏区≤6％；2）惯性要小，速度由零升至最大的90％时，需要时间≤0.3s，反之≤0.2s；3）调整精度要高，误差≤5％。4.不锈钢冶炼4.1不锈钢冶炼方法一步法二步法三步法4.1.1一步法产成本高，已经被淘汰。不锈钢的冶炼方法，主要有三大类电弧炉单炼感应炉重熔浇注一步法初炼炉脱碳精炼炉浇注初炼炉脱碳精炼炉脱碳精炼炉浇注两步法三步法已经基本淘汰EAFAOD