采用新传热机理的现代化电弧炉

罗玉镯 花 皑 赵世杰

(1：西安桃园冶金设备工程有限公司 陕西西安710075；2：西安电炉研究所有限公司 陕西西安710061；3：西安奥杰电热设备工程有限责任公司 陕西西安710065)

·设计与研究·

采用新传热机理的现代化电弧炉

罗玉镯①1花 皑2赵世杰3

(1：西安桃园冶金设备工程有限公司 陕西西安710075；2：西安电炉研究所有限公司 陕西西安710061；3：西安奥杰电热设备工程有限责任公司 陕西西安710065)

为了满足节能、减排和环保要求，开发出一种新型现代化电弧炉，这就是本文介绍的炉料预热和大留钢操作的新型电弧炉。最后给出了新型现代化电弧炉的工作原理和具体实践效果。

电弧炉 大留钢量操作 炉料预热 连续加料

自从1906年4月5日，第一座工业性的炼钢电弧炉(出钢量为4t)在美国纽约的哈尔柯柏钢厂投产后的一百多年来，电弧炉的加热原理一直是利用电弧热来加热和熔化炉料的。可是，随着电弧炉容量越来越大，在大型电弧炉中，电弧一直被泡沫渣所覆盖和包围，电能被高效率地传输到直下方的液态熔池和渣中。但是，电弧却减少了对较远处钢水的幅射能力，距离电极远的冷区炉料很难熔化，所以利用电弧辐射的方法来熔化整个炉子中的固体炉料，目前来看已经是不可取的方法了。

为了满足现代化电弧炉车间的高生产率、节能、环保要求，世界上越来越多的国家为了提高能源效率、降低CO2及其它有害气体排放量，而执行新的更严格的规章和标准。即电炉炼钢厂需要实行低成本、采用高生产率和环境友好型的生产工艺。所以采取炉料预热和大留钢量操作(炉内留存大量浇余钢水)工艺，在国外非常盛行。为什么出现这种工艺现象呢？这是因为被预热的炉料(600℃左右)直接加到1600℃左右的钢水中，炉料直接接受高温钢水的传导热和不同区域钢水之间的对流热效应来工作的，而不是依靠电弧的辐射热(第一炉除外)。由于钢水温度特别高，所以炉料很快被熔化，这既缩短熔炼时间，又节省大量电能。所以，近年来，在国外炉料预热和大留钢水量操作工艺，如雨后春笋般地发展起来。

1 炉料预热和大留钢操作新工艺

1.1 大留钢操作工艺的理论依据

介绍留钢操作新工艺的传热机理是非常新鲜的。首先，在预热室内预热好了的炉料，被倾倒入温度为1600℃左右的平熔池钢水中。这时传到炉料上的热量不是依靠电弧辐射热。而是依靠围绕炉料的高温钢水(1600℃)的传导热和对流热来快速熔化炉料，熔化速度非常快。

采取大留钢量操作模式，势必造成平熔池操作，就是在电弧炉内熔池一直保持液态钢水状态，见不到固体炉料。炉料的熔化是完全在浇余的高温钢水中进行的，为了了解留钢操作的作用，介绍该种工艺的基本传热机理是非常重要的。首先，废钢炉料在预热室中被预热到600℃以上。一旦将它加到电弧炉中之后，它便被1560℃～1580℃的钢水所包围。由于电弧始终被泡沫渣所覆盖，只有电弧直下方的废钢炉料被快速熔化，较远处的炉料辐射热较弱，这可由辐射强度Qa公式来看出，即：

Qa=IeUarc2/d2

(1)

式中Ie—电极电流，A；Uarc—电弧电压，V；d—电极至炉墙之间的距离，m。

由式(1)可知：热辐射强度和电弧电压的平方成正比，和距离的平方成反比，距离越远，辐射强度越小。可是，在大留钢量操作工艺中，废钢的快速熔化是借助于液态钢水和废钢之间的传导热和对流热来进行的，这种加热方法，熔化废钢非常快，效率非常高。所以，在这里，加入到熔池中的废钢主要不是依靠电弧的辐射热来熔化的， 而是借助于高温的液态钢水和废钢之间的传导热和对流热来熔化废钢的，这种加热方法，熔化废钢速度快，效率非常高。而且这种工艺还具有低电压闪变、低谐波发生量，因而对供电电网冲击小的优点。，国外大型钢厂和大型电炉制造公司都竞向研制大留钢量电弧炉，当前，正方兴未艾，下面分别进行介绍。

1.2 炉料预热—既节能又减排

为了提高废钢熔化速度，提高炼钢效率、减少能源消耗、降低CO2及其它有害气体排放，利用电弧炉排出的废热烟气对废钢原料进行100%的炉料预热，也是节能，降耗和提高生产率不可缺少的重要环节。即：炉料预热系统是利用电弧炉炼钢所产生的高温烟气，在特殊设计的预热室内进行炉料预热。

1.3 大留钢量势必造成平熔池操作

纯平熔池操作是来源于大留钢量操作工艺，因为在电弧炉中浇余钢水量非常大，它使熔池表面一直处于液态状态，看不到固体炉料，好像是一直处于精炼期，它起弧平稳，减少了电极的抖动，并且一直保持高的加热效率。而且相对于同容量的电弧炉而言，变压器容量可减小大约25%～40% ，这种设计概念，使得加料、出钢和第4孔加合金料都是在不断电状态下进行的，因而能获得生产率最高、熔炼时间最短的效果。

2 加大留钢量应采取的措施

要想加大留钢量(浇余钢水量)，必须加大加深下炉壳尺寸，下面介绍这方面的范例。

2.1 美国北极星钢厂加深加大下炉壳

1)美国俄亥俄州北极星钢厂于2012年5月开始将原有的200t电弧炉的下炉壳进行了加大容积改造，加大出钢量和加大留钢量(浇余钢水为60t～70t)和容纳大量泡沫渣(泡沫渣厚度为558mm)。图1示出了原有的电弧炉下炉壳设计示意图。

图1 美国北极星钢厂原有的电弧炉下炉壳设计示意图

图2示出了北极星钢厂加大下炉壳后的下炉壳示意图[1]57。

2)由图2可看出：改造后的电弧炉渣门处炉墙的弯曲度减小了；而炉身处的炉墙坡度加大了。

图2 北极星钢厂的电弧炉加大下炉壳设计示意图

加大下炉壳容积是有理论根据的，它可加大留钢量并使电弧稳定，而最主要的是加大下炉壳容积后可缩短炼钢时间，这是因为：

(1)加大泡沫渣的厚度——厚的泡沫渣可使电弧稳定、延长炉墙和炉盖寿命，可提高能源使用效率；

(2)加快了烧嘴—喷射器的气体流速、流量——因而提高了烧嘴—喷射器的效率；

(3)缩短炼钢时间——采用大留钢量、平熔池操作，可使被预热的炉料，直接进入钢水中，它承受1600℃左右温度钢水的传导热和对流热，很快被熔化，大大地缩短了炼钢时间。

3)北极星钢厂电弧炉下炉壳于2012年5月开始加大改造， 通过加大后，经过50炉次的对比运行试验获得了如下效果：

(1)通电时间缩短2.5min～3min；

(2)有功功率提高900kW～1200kW；

(3)电弧稳定性提高4.2%；

(4)出钢质量增加2t(1%)；

(5)氧气消耗量减少741Nm3/每炉(9%)；

(6)电耗降低15kWh/t；

(7)电压闪变降低、谐波电流很小。

2.2 美国Steel Dynamics钢厂加深加大下炉壳改造

1)美国Steel Dynamics钢厂原有一台120MW高阻抗电弧炉，其有功功率为105MW，变压器二次电压从767V到1352V，二次电压共有17档位，一次侧电抗器的电抗值为2.5Ω。该厂为了加大容纳留钢量(浇余钢水量)和容纳大量泡沫渣、加快熔炼及提高钢产量，于2011年2月开始，对这台炉子进行加深加大下炉壳尺寸改造,改造成加大的下炉壳电弧炉，计划将炉壳容积由64m3增加到179m3。为了达到这一目的，对原有的下炉壳必须进行以下改造：

(1)整个炉壳高度增加150mm；

(2)为了容纳大的留钢量，必须加大盘形炉底尺寸，以便保证留钢量从原来的22t增加到70t；即：总的容纳钢水量由原来的187t增加到235t；

(3) 将下门槛线到钢水表面之间的距离由原来的330mm增加到480mm，以便容纳更多的泡沫渣。该炉子的旧下炉壳尺寸和新下炉壳对比尺寸示于图3中[2]43。

图3 美国Steel Dynamics钢厂，改造成加大下炉壳的电弧炉

2)综上所述，美国Steel Dynamics钢厂的一台120MW(有功功率105MW)高阻抗电弧炉经过加大下炉壳改造后，经过三年多的运行考验，获得了如下效果：吨钢电耗节省30 kWh/t；每炉通电时间减少为40min；电极消耗减少1.3kg/t；金属损失减少1%；该炉子每年生产超过300万t合格钢水。

3 特诺恩公司采用留钢操作的300t康斯迪电弧炉

康斯迪电弧炉在通电期间，电弧一直被泡沫渣所覆盖和包围。电能被高效率地传输到直下方的液态熔池和渣中，电弧在泡沫渣气体氛围中稳定地燃烧。但是，电弧却减少了对较远处钢水的幅射。有鉴于此，特诺恩公司于2011年3月对康斯迪电弧炉进行了改造，采用加大下炉壳、留钢操作(浇余钢水)的工艺。为了了解在康斯迪电弧炉中采用留钢操作(浇余钢水)的重要性，讨论一下该种新工艺的传热机理是非常重要的。首先，炉料在隧道内被预热，当这些被预热好了的炉料，被传送到电弧炉炉墙侧，并被倒入温度为1560℃～1580℃的平熔池钢水中。这时，电弧热已不可能辐射到落入钢水中的炉料上。此时，传到炉料上的热量是依靠围绕炉料的1600℃左右的钢水的传导热和对流热来快速熔化炉料的。下面介绍的这台炉子就是由意大利特诺恩公司制造的。它采用炉料预热、连续加料、加大下炉壳尺寸和平熔池操作。在泰国GJ钢厂使用的300t康斯迪电弧炉连续加料，熔炼示意图示于图4[3]83。

图4 被预热的炉料连续加入电弧炉中示意图

表1给出了安装在泰国 GJ钢厂的300t康斯迪电弧炉参数[3]84。

表1 泰国 GJ钢厂的300t康斯迪电弧炉参数

加大留钢量的实际效果：这台300t康斯迪电弧炉采用大量浇余钢水的优越性可从下面的能量消耗曲线中看出。即：总能量消耗和浇余钢水之间关系如图5所示(出钢温度为1620℃)。

由图5中可看出：当浇余热态钢水量为出钢量的46.5%时，总能量消耗设为1(363kWh/t)；当浇余热态钢水量增加到60%时，总能量消耗只有上述设定值的0.88倍，此时总能量消耗最低。泰国GJ钢厂的热态浇余钢水量始终保持在出钢量的50%以上。

图5 总能量消耗和留钢量之间关系曲线

康斯迪工艺通过在世界各地的实践证明：由于采用了炉料预热、连续加料，和大留钢操作工艺，它是当前效率最高、生产率最高的电弧炉新工艺。并通过多炉次实践证明：从电弧炉效率最高和生产率最高的观点出发，最佳留钢水量是出钢量的55%～60%时为最佳数据。

4 西门子—奥钢联公司推出大留钢操作的量子电弧炉

1)西门子—奥钢联金属技术公司于2011年3月研制成功一种叫做量子电弧炉的新型电弧炉，该种电弧炉的实质就是采用炉料预热和大留钢操作(大量浇余热态钢水)工艺。这就是将被预热好的炉料投放到高温的浇余钢水中，来快速熔化炉料。即采用新的传热理论，热传导和热对流理论，来满足高能源效率、高生产率、低成本、低有害气体发射的划时代的新电弧炉产品。

2)该新型电弧炉产品是该公司积20年炉料预热丰富经验的顶峰产物。采用新加热工艺的电弧炉概念是保证最低转换成本、最高生产率和满足环保要求的新产品。在冶炼周期内，通过利用电弧炉排出烟气，预热100%的废钢炉料，从出钢到出钢时间降至33min以内，吨钢电耗低于280kWh/t。这种新型电弧炉具有以下优点：

(1)由于采用了固定的竖井结构和可移动的下炉壳，使得密封性非常好，杜绝外部冷空气进入；

(2)改进了的梯形竖井设计，使竖井中炉料分布最佳和炉料预热效率最佳；

(3)新设计的炉料缓冲系统，改进了炉料向炉中进给速度，减少了冲击；

(4)在炉中保持有大量残留钢水，即浇余钢水(出钢量100t时，残留钢水70t)，利用热传导和热对流传热，改进了传热效率，加速了废钢熔化；

(5)电弧加热区和竖井加料区分开布置，使得加料时不断电，实现对电网无冲击。该炉料预热系统是采用梯形竖井设计、结合新开发的炉料阻挡系统来完成的，这样就能使炉料分布均匀，并使得用于预热炉料的的烟气气流的流向为最佳。炉料被预热之后，竖井中的诸多手指撤回至竖井的侧墙中，打开加料口，则被预热好的炉料加至炉中。

3)由于采用了新设计的手指形打开机构和大型的马蹄形炉壳结构，使得被预热好的炉料能很快地被加到70t的剩余钢水中(出钢量为100t)。加好炉料后，诸多手指立即前进、闭合，进行下一炉加料和开始预热下一炉炉料。整个竖井和手指系统被安装在坚固的炉顶上面，在设计时，还考虑到避免加料时的冲击力，不冲击水冷部件，以杜绝产生漏水事故。炉料可用废钢、直接还原铁(DRI)，以及一部分热装铁水均可以。其突出特点是：实行大留钢量、纯平熔池操作，使得加料、出钢和第4孔加合金料都是在不断电状态下进行的，因而能获得生产率最高、熔炼时间最短的效果。

4)图6示出了西门子-奥钢联的量子电弧炉出钢过程画面。由图中可看出，在出钢槽上方一直有钢水存在，并且没有钢渣进入钢包中[4]94。

图6 西门子—奥钢联的量子电弧炉出钢画面

西门子—奥钢联开发的新型量子电弧炉与常规电弧炉的技术数据及消耗指标对比数据示于表2[4]96。

炉料预热和留钢操作工艺不仅适用于大型高生产率的电弧炉炼钢厂，也适用于小型特钢厂。大量浇余钢水留钢操作实践对加速熔化、提高生产率是非常有用的。根据几个大型钢厂的实践证明：浇余钢水数量为出钢数量的 60%～70% 时，生产率和效率最高。所以该种电弧炉操作工艺无疑是将来电弧炉操作工艺的发展方向。

表2 不同型式电弧炉的主要技术数据及消耗指标

5 结论

介绍的留钢操作新工艺传热机理是非常新鲜的。在预热室内被预热好的炉料，倾倒入温度为1600℃左右的平熔池钢水中。这时传到炉料上的热量是依靠围绕炉料的高温钢水的传导热和对流热来快速熔化炉料的，熔化速度非常快。实践证明，它若与传统电弧炉相比，具有以下优点：

1)电耗低，单位电能消耗低于280kWh/t。

2)炼钢速度快，出钢到出钢时间为33min。

3)生产率高；一台100t电弧炉，年产钢量为135万t。

4)加料、出钢、炉顶加合金料均在带电状态下进行。

5)电弧稳定，对电网冲击小，所以容量较小的电网也能用，变压器容量小于常规电弧炉的。

6)电极消耗比常规电弧炉降低30%。

7)电弧炉排出烟气量降低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.

[3]MARIO M, MARTA G.The Evolution of Preheating and the Importance of the Hot Heel in Supersized EAF Systems[J]. MPT International, 2011, No.3, P.82-91.

[4]MARKUS A, MICHEL H, HANSJORG H.Highly Productive Electric Steelmaking at Extra Low Conversion Costs[J]. MPT International, 2011, Vol.34, No.3, P.92-96.

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

罗玉镯，女，1981年出生，毕业于陕西科技大学，大专，助理工程师，主要从事电炉行业电气及自动化设计

TF748.41

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.001

2014-07-12)