超高功率双石墨电极直流炼钢电弧炉运行实践

计 宏 寇 君 李可卿 郝宏伟

(西安电炉研究所有限公司 陕西西安710061)

超高功率双石墨电极直流炼钢电弧炉运行实践

计 宏①寇 君 李可卿 郝宏伟

(西安电炉研究所有限公司 陕西西安710061)

世界上最大的420t超高功率双石墨电极直流电弧炉设计年产量260万t钢，此炉型代表最新的市场趋势，即炼钢者越来越关注提高钢厂的生产率和保证钢的高品质。介绍了炉子的主要技术参数、化学能设备的布置、控制和自动化系统。

双石墨电极 超高功率 直流电弧炉 运行实践

近十年由于大功率晶闸管技术的发展和应用，直流电弧炉依其所具备的优点又重新引起人们的重视，以满足钢厂对更高生产率和效率的需求。

最近在东京制钢田原工厂成功投产的420t配备有Consteel®废钢预热技术的超高功率双石墨电极直流电弧炉是迄今为止所建最大的，设计最大出钢量420t/炉,平均出钢量300t/炉。这台EAF具有高效率、低运行成本特点。

1 炉子结构特点

由于对炉容量增大的需求，采用2根，3根顶电极, 4～9根底电极设计，用多根小电极代替单根大电极，来扩大炉容量。

Consteel®废钢预热技术的特点是带有连续供料装置及废钢预热器，从供料装置连续向预热器内加入废钢和造渣材料。预热器利用电炉熔炼时所产生高温烟气的余热及烟气中的CO气体在进行二次燃烧时产生的化学热，可将废钢及造渣材料加热至600℃～800℃，被预热器预热的废钢及造渣材料进入直流电弧炉进行熔炼。与常规直流炉相比．这种炉的生产效率可提高30%以上。电能消耗也可降低30%。其投资随着炉容量的增大而降低[1]。

420t超高功率双石墨电极直流电弧炉综合以上技术特点，代表最新直流电弧炉的优点。其炉子主要技术参数见表1[2]。

对于该炉175MW高功率来说，采用Consteel®废钢预热技术和双石墨电极直流技术是最好的方案。采用Consteel®技术比普通2料筐加料EAF缩短辅助作业时间约4min，通电时间约2min。留钢操作、连续加料和双石墨电极直流供给，使得在通电初始阶段，就能获得稳定、优质的电弧质量，即较高的输入有效功率。高熔化率得益于弧集中在2个电极之间，以及废钢朝着弧集中区域加料。由于直流电弧的阳极效应，使电弧传给熔池的热量，在相同输入功率下，要比交流时大l/3[3]。

表1 420t超高功率双石墨电极直流电弧炉主要技术参数

而电弧稳定性非常好，它产生的电流波动远远小于交流电弧炉，而且很少产生短路和断弧现象,提高了20%～30%的热效率。

因等离子体由阴极流向阳极,所以电弧一直由顶电极底端朝向钢液，热能也一在电极端下部，这就是升温快的原因。按照NKK的经验，精炼期的升温时间相当于交流电弧炉的50%～60%[4]。

通过如图1所示点连续添加造渣剂，可获得所需的渣成分和粘稠度。由于造渣剂熔化的非常快，添加时应靠近弧集中区域和喷氧区，熔化率达到2.1t/h/MW。

直流电弧炉炉型的最大区别在于底电极的不同。此台EAF设计有2个阴极(双石墨电极直流技术)和4个水冷底阳极，同单个阴极设计相比较，功率高，电极直径小，对电网干扰少。主回路接线图如图2所示。

图1 炉子结构图

A1、A2、A3、A4-底电极； C1、C2-顶电极

图2 主回路接线图

在直流电弧炉中，有对冶炼和石墨电极都有利的特点:阳极的发热量和温度比阴极高得多。即：阳极区的温度高，使炉料熔化加快；而阴极区的温度低，使电极消耗减少。所以该炉的石墨电极消耗大幅度降低。该炉功率调节通过独自控制4个阳极的电流传导和分布。具有特殊设计特点的水冷底阳极可以使用普通耐火材料(见图3)。导电体是铜棒，其下部铸有通冷却水的铜套，水冷的效果好，底电极可整体更换，在8h内可更换完毕。水冷底电极安全问题，完全可以解决，只要技术措施严密。水冷底电极安全运用同样有保障[5]。

图3 水冷底阳极示意图

2 炉子化学能设备的布置

一种特殊的氧、碳喷射器设计满足高熔化率、大熔池尺寸要求。最优化的喷射器分布保证恰当的搅拌、钢水温度均质和快速脱碳。特点是：碳喷射器靠近氧气增强了碳的反应能力，提高造泡沫渣效率，这在平熔池操作时是很重要的，可提高弧的覆盖范围、钢水的热转换率、保护炉墙、耐火材料和炉壁块免受热应力侵蚀。

超音速氧枪和碳枪采用Parpi机械手通过炉门进入炉内，可移动朝向熔池层，在初始阶段，增强喷射效率。氧喷嘴和碳管安装在水冷凸出的铜箱内(见图4)，可恰当保护喷射器，缩短喷射器顶部和钢水之间的距离，延长喷射器下部耐火材料寿命。

图4 水冷箱式氧喷嘴和碳管

管式错排水冷炉壁相比密排式增大了面积，降低了单位面积的热流密度，更有利于挂渣，保护了炉壁免受侵蚀，双管层的特殊设计，能使热辐射损失低于25%，达到显著节能目的,同时提高炉壁块寿命(已运行超过20000炉次)。

3 炉子控制和自动化系统

通电时间仅4min后，即达到最大值：废钢加入率9t/min，功率175MW，氧速15000m3/h，废钢加入同时超音速氧枪运行(4000m3/h)，碳喷射慢慢增加是为了在每个阶段获得电能和化学能的最佳平衡，以产生均质的CO气泡。连同喷入的造渣剂，保证足够的泡沫渣，获得了热转换的高效率。

自动化系统包括设备控制(1级)和过程控制(2级)，基于最先进的软、硬件平台。电极控制程序包Hireg®和液压系统设计响应时间非常快。电和化学能参数根据工艺阶段不同，自动变化工作点，保证钢品质和能耗的最佳化。

4 炉子机电一体化程序包

Motank机械装置，其设计牢固，可以在通电其间，安全、持续地保持渣门清洁。自动出钢系统包括红外照相机，可以快速、可靠的远程检测出钢流，其快速热图像反应避免了渣遗留。自动出钢系统还包括高分辨率照相机用于远程EBT控制和EBT自动瞬间再装满系统。

5 结论

1)由420t超高功率双石墨电极直流电弧炉运行的实践经验发现:直流电弧炉技术之所以受到部分国家的重视，是因为它与三相交流电弧炉相比，有下列优点：

(1)石墨电极消耗量减少1/2～2/3；

(2)相同级别电炉的相比，电弧长度长，冶炼全周期热效率较高，熔炼单位电能消耗下降3%～10%；

(3)直流电弧燃烧稳定，对前级电网造成的电压闪烁只是相同功率交流电弧炉的30%～50%，不需要动态补偿装置(SVC)；

(4)噪音水平可降低10dB～15dB；

(5)能够消除偏弧及炉壁热点，耐火材料消耗也减少；

(6)对钢液具有很强的搅拌力。

2)该炉超高功率供给，没有对电网干扰，整个工艺过程采用稳定的高功率。通过化学能结构的最佳化设计和新型、全集成自动化系统的实施，达到了工艺高效率。新型机电一体化程序包缩短了辅助作业时间，提高了操作的安全性和效率。

[1]罗加.直流电弧炉与交流电弧炉的比较及发展概况[J].马钢技术，1997(3)：51.

[2]Toshio Adachi. The Jumbo Size 420t EAF at Tokyo Steel, Japan[J]. MPT International,2012,Vol.35(2):54-62.

[3]蔡刚，刘新文.直流电弧炉的特点及在特钢生产中的应用[J].特钢技术，2003(1)：76.

[4]牧敏道.王晓峰译.直流电弧炉的优越性[J].工业加热，1994(1)：6.

[5]陈文修.直流电弧炉的最近进展.炼钢,1995(5):59.

[6]Romano S.The Largest DC EAF in the World Put into Operation in Japan[J]. Industrial Heating,2010,VLXXVIII,No.9,34.

Operation Practice of Ultra High Power Supply DC Electric Arc Furnace with Twin Graphite Electrodes

Ji Hong Kou Jun Li Keqing Hao Hongwei

(Xi’an Electric Furnace Institute Co.Ltd., Xi’an 710061)

With a designed yearly production of 2.6 million t, the furnace is operated in the Tokyo Steel plant of the world largest ultra high power DC EAF wiht twin graphite electrodes. The design is representative of the recent market trend, which has led steel producers to focus more and more on the increse in meltshop productivity and efficiency for products, while ensuring high quality of the steel produced. Introduced main technical characteristics, arrangement of chemical energy equipment, control and automation system of the EAF.

Twin graphite electrodes Ultra high power DC EAF Operation practice

计宏，女，1969年出生，毕业于陕西师范大学企业管理专业，助理工程师，从事电炉项目管理与科技信息工作

TF748.41

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10.3969/j.issn.1001-1269.2015.05.017

2015-05-24)