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1、冶金学冶金学炼钢篇炼钢篇电炉炼钢及炉外精炼电炉炼钢及炉外精炼阎立懿阎立懿东北大学钢铁冶金研究所东北大学钢铁冶金研究所2008年年10月月2911月月24日沈阳日沈阳（No9）2023/2/8东北大学/阎立懿2主要内容主要内容n电炉炼钢及其发展电炉炼钢及其发展n电炉炼钢设备及其电热特性电炉炼钢设备及其电热特性n电炉炼钢原料及冶炼工艺电炉炼钢原料及冶炼工艺n电炉新技术、新工艺电炉新技术、新工艺n炉外处理炉外处理n中国钢铁与大型电炉现状中国钢铁与大型电炉现状第五章第五章现代电炉炼钢新技术现代电炉炼钢新技术超高功率电炉发展及其特征超高功率电炉发展及其特征超高功率电炉相关技术超高功率电炉相关技术直直流流
2、电电弧弧炉炉技技术术交流高阻抗电弧炉技术交流高阻抗电弧炉技术电电炉炉废废钢钢预预热热技技术术2023/2/8东北大学/阎立懿4 上次介绍第五章上次介绍第五章“UHP电炉相关技术电炉相关技术”的内容：的内容：n氧氧-燃助熔：解决炉内温度分布不均的问题，实现废钢的同步熔化。燃助熔：解决炉内温度分布不均的问题，实现废钢的同步熔化。n长长弧弧泡泡沫沫渣渣：实实现现埋埋弧弧操操作作，提提高高炉炉体体寿寿命命；使使得得长长弧弧供供电电成成为为可可能能，弥补早期弥补早期UHP电炉供电的不足。电炉供电的不足。n二二次次燃燃烧烧：实实现现碳碳的的完完全全燃燃烧烧反反应应，回回收收热热量量、减减轻轻废废气气处处理
3、理系系统统的的负担。负担。n炉炉壁壁多多功功能能氧氧枪枪：具具有有氧氧-燃燃助助熔熔、碳碳-氧氧造造泡泡沫沫渣渣、吹吹氧氧脱脱碳碳、二二次次燃燃烧烧及及钢钢水水搅搅拌拌功功能能，实实现现关关炉炉门门造造泡泡沫沫渣渣（真真正正意意义义的的埋埋弧弧），减减少少热热损损失失、提提高高热热效效率率，减减轻轻劳劳动动强强度度、改改善善车车间间环环境境，进进一一步步高高效效节能。节能。n偏心炉底出钢技术，实现了无渣出钢和增加了水冷炉壁使用面积。偏心炉底出钢技术，实现了无渣出钢和增加了水冷炉壁使用面积。n电炉底吹搅拌技术：加强熔池的搅拌、强化冶炼过程。电炉底吹搅拌技术：加强熔池的搅拌、强化冶炼过程。2023
4、/2/8东北大学/阎立懿55.3直流电弧炉技术直流电弧炉技术n直流炉发展概况直流炉发展概况n直流电弧炉设备直流电弧炉设备n直流电弧的特性直流电弧的特性n直流电弧炉特点直流电弧炉特点2023/2/8东北大学/阎立懿61）直流电弧炉发展概况）直流电弧炉发展概况因因交交流流（AC）电电弧弧没没有有直直流流（DC）电电弧弧稳稳定定，加加之之直直流流供供电电的的其其它它优优点点，使使得得人人们们早早在在十十九九世世纪纪就就开开始始直直流流电电弧弧炉炉的的研研究究，但但由由于于当时的整流技术阻碍了直流电弧炉技术的发展。当时的整流技术阻碍了直流电弧炉技术的发展。二二十十世世纪纪70年年代代兴兴起起的的大大型
5、型高高功功率率、超超高高功功率率电电炉炉的的出出现现与与发发展展，使使得得电电炉炉的的功功率率成成倍倍增增加加，强强大大交交变变电电流流的的冲冲击击加加重重电电网网电电压压闪闪烁烁等等电网公害，以至于不得不采用价格昂贵的动态补偿装置（电网公害，以至于不得不采用价格昂贵的动态补偿装置（SVC）。）。在在沉沉默默一一个个世世纪纪后后，进进入入二二十十世世纪纪70年年代代，由由于于电电力力电电子子技技术术的的飞飞速速发发展展，大大功功率率晶晶闸闸管管元元器器件件获获得得开开发发，并并实实现现工工业业化化生生产产，导导致致了了大容量整流装置大容量整流装置的问世和实用化，使得直流电弧炉再度崛起。的问世和
6、实用化，使得直流电弧炉再度崛起。二二十十世世纪纪80年年代代，一一些些工工业业发发达达的的国国家家纷纷纷纷开开发发直直流流电电弧弧炉炉，并并获得了显著的进展。获得了显著的进展。由由于于直直流流电电弧弧炉炉突突出出优优点点，在在国国内内外外发发展展很很快快，到到2000年年，全全世世界已经投产的界已经投产的50吨以上的直流电弧炉达到吨以上的直流电弧炉达到100多台。多台。2023/2/8东北大学/阎立懿72）直流电弧炉设备）直流电弧炉设备工工作作原原理理：直直流流电电弧弧炉炉是是将将三三相相交交流流电电经经晶晶闸闸管管整整流流变变成成单单相相直直流流电电，在在炉炉底底电电极极（阳阳极极）和和石石
7、墨墨电电极极（阴阴极）之间的金属炉料上产生电弧进行冶炼。极）之间的金属炉料上产生电弧进行冶炼。直直流流与与交交流流电电弧弧炉炉设设备备的的主主要要区区别别：增增加加晶晶闸闸管管整整流流装装置置、炉炉顶顶石石墨墨电电极极由由三三根根变变成成一一根根及及增增设设炉炉底底电电极极等。其中炉底电极的设置是直流电弧炉的最大特征。等。其中炉底电极的设置是直流电弧炉的最大特征。直直流流电电弧弧炉炉设设备备、布布置置及及主主电电路路图图，分分别别见见图图5-20、图、图5-21及图及图5-22。2023/2/8东北大学/阎立懿8图图5-15直流电弧炉设备直流电弧炉设备2023/2/8东北大学/阎立懿9图图5-
8、16直流电弧炉布置直流电弧炉布置2023/2/8东北大学/阎立懿10图图5-22直直流流电电弧炉主电路弧炉主电路2023/2/8东北大学/阎立懿11炉底电极的形式及特征：炉底电极的形式及特征：按炉底电极结构特点可大致分为以下几种：按炉底电极结构特点可大致分为以下几种：nGHH（集团）公司的（集团）公司的触针式风冷底电极触针式风冷底电极；nCLECIM（集团）公司的（集团）公司的钢棒式水冷底电极钢棒式水冷底电极；nABB（集团）公司的（集团）公司的导电炉底式风冷底电极导电炉底式风冷底电极；nDVAI公司的公司的触片式风冷底电极触片式风冷底电极。不同形式的炉底电极见图不同形式的炉底电极见图5-23
9、，特征比较见表，特征比较见表5-6。2023/2/8东北大学/阎立懿122023/2/8东北大学/阎立懿13图图5-23不同形式炉底电极不同形式炉底电极2023/2/8东北大学/阎立懿14项目项目评价角度评价角度炉炉 底底 电电 极极 形形 式式CLECIM式式GHH式式DVAI式式ABB式式冷却冷却冷却方式冷却方式强制水冷强制水冷强制风冷强制风冷强制风冷强制风冷强制风冷强制风冷安全性安全性漏钢可能性漏钢可能性无无无无无无无无搅拌搅拌熔池搅拌熔池搅拌较好较好较好较好较好较好最好最好砌筑与砌筑与维修维修复杂程度复杂程度简单简单复杂复杂复杂复杂简单简单维修难易维修难易易易难难难难易易电极更换电极更
10、换容易容易较易较易较易较易较易较易寿命寿命最高寿命最高寿命2760/炉炉2000/炉炉1200/炉炉4000/炉炉炉底电极炉底电极费用费用成本成本适中适中适中适中适中适中较高较高维修费用维修费用0.3$/t0.15-0.20$/t0.25$/t0.6-1.5$/t2023/2/8东北大学/阎立懿153）直流电弧特性）直流电弧特性电电流流密密度度提提高高：直直流流与与交交流流相相比比，无无集集肤肤效效应应和和邻邻近近效效应应，在在二二次次导导体体与与石石墨墨电电极极截截面面中中电电流流分分布布均均匀匀，在在同同样截面下，可通过的电流增加样截面下，可通过的电流增加2030，见图，见图5-24。20
11、23/2/8东北大学/阎立懿16阳极效应：阳极效应：从直流电弧热量分布来看：从直流电弧热量分布来看：1）直直流流电电弧弧炉炉所所产产生生热热量量的的72集集中中于于阳阳极极（金金属属熔池）上，而交流电弧炉仅熔池）上，而交流电弧炉仅65集中于金属熔池上。集中于金属熔池上。2）直直流流电电弧弧炉炉的的电电弧弧功功率率有有3/4消消耗耗在在阳阳极极（金金属属熔熔池）上，有池）上，有1/4消耗在炉衬上；而交流则各占消耗在炉衬上；而交流则各占50%。这这也也是是将将炉炉底底（金金属属熔熔池池）作作为为阳阳极极，而而把把石石墨墨电电极极作为阴极的原因。作为阴极的原因。2023/2/8东北大学/阎立懿17循
12、环搅拌：循环搅拌：直直流流电电弧弧炉炉的的电电弧弧电电流流产产生生的的电电动动力力循循环环搅搅拌拌，使使电电弧弧下下钢钢液液沿沿其其炉炉底底向向外外侧侧炉炉壁壁运运动动，然然后后沿沿钢钢液液表表面面返返回回电电弧弧下下。这这种种强强烈烈的的循循环环搅搅拌拌使使得得直直流流电电弧弧炉炉钢钢液成分、温度较交流电弧炉更均匀。液成分、温度较交流电弧炉更均匀。电弧稳定：电弧稳定：在在相相同同功功率率下下，直直流流电电弧弧炉炉可可以以在在较较高高的的电电压压、较较小的电流下稳定操作（电弧稳定）。小的电流下稳定操作（电弧稳定）。2023/2/8东北大学/阎立懿18耐火材料磨损指数：耐火材料磨损指数：直直流流
13、电电弧弧炉炉与与交交流流电电弧弧炉炉相相比比，由由于于其其电电极极极极性性发发生生根根本本变变化化，热热量量分分布布也也不不同同，所所以以标标志志耐耐火火材材料料侵侵蚀蚀的的RE也发生变化。也发生变化。考考虑虑到到交交流流电电弧弧炉炉与与直直流流电电弧弧炉炉电电极极的的工工作作特特点点，将将交交流流电电弧弧炉炉耐耐火火材材料料磨磨损损指指数数公公式式中中引引入入一一个个修修正正系系数数1/3。这这表表明明相相同同功功率率，直直流流炉炉电电弧弧的的RE小小、炉炉衬衬寿寿命命高高，炉炉内温度分布均匀。内温度分布均匀。2023/2/8东北大学/阎立懿194）直流电弧炉的优越性）直流电弧炉的优越性n石
14、石墨墨电电极极消消耗耗大大幅幅度度降降低低，可可降降低低50%左左右右。原原因因一一是是炉顶电极由三根变成一根；二是阳极效应。炉顶电极由三根变成一根；二是阳极效应。n降降低低电电能能消消耗耗，可可节节约约电电能能约约5%10%。原原因因一一是是单单相相，电阻损失少；二是直流损耗低。电阻损失少；二是直流损耗低。n对对电电网网的的干干扰扰和和冲冲击击小小，电电压压闪闪烁烁降降低低了了50%左左右右，这这样根据电网条件可省去样根据电网条件可省去SVC装置或减小补偿的容量。装置或减小补偿的容量。n炉衬寿命提高，耐材消耗降低，喷补材料可节约炉衬寿命提高，耐材消耗降低，喷补材料可节约30%。n噪音降低噪音
15、降低1015dB。n电磁搅拌力强，钢液成分及温度均匀。电磁搅拌力强，钢液成分及温度均匀。2023/2/8东北大学/阎立懿20存在的问题：存在的问题：n大型直流电弧炉偏弧大型直流电弧炉偏弧大大型型UHP电电炉炉、大大电电流流，其其电电弧弧受受到到强强大大的的电电磁磁力力作作用用所所引引起起偏偏弧弧严严重重，恶恶化化电电炉炉的的操操作作，必必须须采采取取措措施施改改善善及及消消除除。偏偏弧弧严严重重时时造造成成：废废钢钢熔熔化化不不均均、热热损损失失增增加加及及重新出现炉壁热点问题。偏弧现象产生见重新出现炉壁热点问题。偏弧现象产生见图图5-25。n大直径石墨电极有待于开发大直径石墨电极有待于开发，
16、否否 则则 将将 阻阻 碍碍 大大 型型 DC炉炉 的的 发发 展展。世世 界界 最最 大大32inch（800mm）的的UHP电电极极在在160吨吨DC炉炉上上的的应应用用，见图见图5-26。2023/2/8东北大学/阎立懿21图图5-25直流电弧炉偏弧现象直流电弧炉偏弧现象2023/2/8东北大学/阎立懿22图图5-26160吨吨DC炉运行炉运行2023/2/8东北大学/阎立懿235.4交流电弧炉高阻抗技术交流电弧炉高阻抗技术n高阻抗技术发展过程高阻抗技术发展过程n高阻抗技术及其优点高阻抗技术及其优点n高阻抗电炉操作原则高阻抗电炉操作原则2023/2/8东北大学/阎立懿241）高阻抗技术的
17、发展过程）高阻抗技术的发展过程n正常情况要有一定电抗正常情况要有一定电抗为为了了保保证证电电弧弧的的连连续续稳稳定定燃燃烧烧和和限限制制短短路路电电流流，要要求求电电炉炉回回路路中中具具有有一一定定的的电电抗抗。对对于于小小电电炉炉回回路路中中电电抗抗值值小小，要要求在变压器一次侧串联电抗器，以求在变压器一次侧串联电抗器，以增加电抗增加电抗。n粗短弧供电功率因素过低，要降低电抗粗短弧供电功率因素过低，要降低电抗UHP电电炉炉运运行行初初期期采采用用低低电电压压、大大电电流流（粗粗短短弧弧供供电电），电电抗抗百百分分数数大大大大增增加加，功功率率因因素素降降低低很很多多，虽虽然然电电弧弧比比较较
18、稳稳定定，但但大大电电流流引引起起了了诸诸多多不不足足。当当时时，为为了了改改善善，采采取取了了降低电抗降低电抗以提高功率因数等措施。以提高功率因数等措施。2023/2/8东北大学/阎立懿25n细长弧供电电弧不稳定细长弧供电电弧不稳定交交流流电电弧弧炉炉大大面面积积水水冷冷炉炉壁壁的的采采用用及及泡泡沫沫渣渣埋埋弧弧操操作，使得长弧供电成为可能，长弧供电有许多优点。作，使得长弧供电成为可能，长弧供电有许多优点。但但高高电电压压长长弧弧供供电电使使功功率率因因数数大大幅幅度度提提高高，将将使使短短路路冲冲击击电电流流大大为为增增加加，也也将将导导致致电电弧弧不不稳稳定定，输输入入功功率率降低。（
19、降低。（高功率因数电弧不稳定高功率因数电弧不稳定见见图图5-27）为为了了改改善善此此种种状状况况，采采取取提提高高电电炉炉装装置置的的电电抗抗，以以便适合长弧供电。便适合长弧供电。2023/2/8东北大学/阎立懿26图图5-27电弧稳定性与电弧稳定性与Uarc/U及及X/r比值的关系比值的关系2023/2/8东北大学/阎立懿27回回顾顾二二十十世世纪纪80年年代代末末、90年年代代初初，当当时时直直流流电电弧弧炉炉的的发发展展势势头头相相当当好好，大大有有取取代代交交流流电电弧弧炉炉。使使得得设设备备供供应应厂厂商商，尤尤其其是是交交流流电电弧弧炉炉供供应应厂厂商商，对对开开发发高高阻阻抗抗
20、电弧炉特别有积极性。电弧炉特别有积极性。90年年代代后后期期高高阻阻抗抗技技术术得得到到开开发发利利用用，并并收收到到明明显显的的效效果果。受受利利益益的的驱驱使使，人人们们又又开开始始关关注注及及采采用用交交流流电电弧炉，而直流电弧炉的发展速度减缓。弧炉，而直流电弧炉的发展速度减缓。2023/2/8东北大学/阎立懿282）高阻抗技术及其优点）高阻抗技术及其优点高高阻阻抗抗电电弧弧炉炉，即即通通过过提提高高电电炉炉装装置置的的电电抗抗，使使回回路路的的电电抗抗值值提提高高到到原原来来的的两两倍倍左左右右。对对于于50100吨吨普普通通阻阻抗抗电电炉炉，其其电电抗抗值值为为3.54.0m左左右右
21、，当当其其电电抗抗值值增增加加至至78m左左右右，成成为为高高电电抗抗或或高高阻阻抗电弧炉，这种高阻抗电弧炉更适合长弧供电。抗电弧炉，这种高阻抗电弧炉更适合长弧供电。增增加加电电抗抗的的办办法法是是在在电电炉炉变变压压器器的的一一次次侧侧（串串联联）一一电电抗抗器器，有有串串联联固固定定电电抗抗器器或或饱饱和和电电抗抗器器，世世界界范范围围大大多多为为串串联联固固定定电电抗抗器器。而而饱和电抗器可进一步减少电炉对电网的干扰，但价格昂贵。饱和电抗器可进一步减少电炉对电网的干扰，但价格昂贵。图图5-28高阻抗电弧炉主电路示意图。高阻抗电弧炉主电路示意图。2023/2/8东北大学/阎立懿29图图5-
22、28高阻抗电弧炉主电路高阻抗电弧炉主电路2023/2/8东北大学/阎立懿30高阻抗电弧炉的优点：高阻抗电弧炉的优点：高阻抗电弧炉发挥长弧的优势，具有如下优点：高阻抗电弧炉发挥长弧的优势，具有如下优点：n因电流大为减小，电耗与电极消耗降低；因电流大为减小，电耗与电极消耗降低；n因提高电抗及电抗百分数，电弧稳定性高，；因提高电抗及电抗百分数，电弧稳定性高，；n因因电电流流波波动动小小，减减少少电电压压闪闪烁烁约约30%，这这样样根根据据电电网网条条件件可可省省去去SVC装置或减小补偿的容量；装置或减小补偿的容量；n因短路电流小，降低回路电动应力，保证设备使用。因短路电流小，降低回路电动应力，保证设
23、备使用。下下面面以以ZT公公司司40吨吨高高阻阻抗抗电电炉炉设设计计为为例例（表表5-7），说说明明高高阻阻抗抗电弧炉的优越性。电弧炉的优越性。2023/2/8东北大学/阎立懿31电气参数电气参数单位单位A组组B组组C组组D组组最高二次电压最高二次电压V489.0600.5625.6645.8短路电抗值短路电抗值m3.55.96.57.0电弧电流电弧电流kA37.78130.76729.53228.607表观功率表观功率MVA32.032.032.032.0电弧功率电弧功率MW25.27525.27525.25725.257损失功率损失功率MW2.9981.9881.8311.719功率因数功
24、率因数0.8580.8190.8130.809电效率电效率0.8940.9270.9320.936电弧电压电弧电压V223.0273.8285.3294.5短路电流短路电流kA79.158.455.253.0电流波动电流波动kA/V0.39130.23120.20930.1939电抗器容量电抗器容量kVar0.06815.77849.28592.62023/2/8东北大学/阎立懿32表表5-7说明不同电抗时的操作情况及高阻抗优点：说明不同电抗时的操作情况及高阻抗优点：nB、C及及D组分别串联相当组分别串联相当2.4、3.0和和3.5m的电抗器；的电抗器；n与与A比比较较，B、C及及D组组增增加
25、加电电抗抗后后，使使电电流流能能低低下下来来、电电压压能能高高上上去，在保证电弧功率不变情况下实现长弧。去，在保证电弧功率不变情况下实现长弧。n电电流流大大幅幅度度减减少少，使使得得电电耗耗、电电极极消消耗耗降降低低；短短路路电电流流大大幅幅度度降降低低，减少电动应力，提高设备寿命。减少电动应力，提高设备寿命。n电电流流波波动动由由A组组的的0.3913减减少少至至D组组的的0.1939，电电流流波波动动减减少少了了50%，大幅度地减少电压闪烁，降低对电网的要求。，大幅度地减少电压闪烁，降低对电网的要求。2023/2/8东北大学/阎立懿333）高阻抗电弧炉操作要点）高阻抗电弧炉操作要点n总原则
26、为：高阻抗总原则为：高阻抗高电压高电压埋弧。埋弧。n高高阻阻抗抗供供电电有有许许多多优优越越性性，尽尽量量长长时时间间采采用用高高阻阻抗抗供供电电。但但高高阻阻抗抗高高电电压压供供电电电电弧弧长长度度增增加加，在在熔熔化化后后期期，当当炉炉衬衬暴暴露露给给电电弧弧后后，必必须造泡沫渣埋弧操作，否则应降低电压，以防止炉衬损坏严重。须造泡沫渣埋弧操作，否则应降低电压，以防止炉衬损坏严重。n主主熔熔化化期期，一一定定要要带带抗抗操操作作，即即主主熔熔化化期期一一定定要要采采用用高高阻阻抗抗、高高电电压压；熔熔末末电电弧弧暴暴露露后后，炉炉渣渣发发泡泡性性能能良良好好，可可实实现现埋埋弧弧操操作作时时，可可采用高阻抗、高电压，否则应采用低电压、大电流。采用高阻抗、高电压，否则应采用低电压、大电流。2023/2/8东北大学/阎立懿34课后思考题课后思考题924）直直流流电电弧弧炉炉炉炉底底电电极极的的种种类类，直直流流电电弧弧炉炉的的主主要要优优点与不足。点与不足。25）何何谓谓高高阻阻抗抗电电炉炉，高高阻阻抗抗电电炉炉优优点点及及与与长长弧弧泡泡沫沫渣渣的关系。的关系。