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电弧炉冶炼节能,徐采栋院士 （北京科技大学） 2010年8月10日,引言 电弧炉炼钢之单元操作电气运行特性 电炉炼钢之反应工程学过程的能量状况 电炉炼钢之过程系统和流程学流程的能量状况 结语,1 引言,电是一种方便、清洁的能源，电力工业的发展促进了电能在炼钢中的应用。用电热转换技术为炼钢过程提供热量有多种方法，获得工业应用的主要有： 电弧 电磁感应 等离子炬 电子束 电渣 当前，在炼钢工业生产中占绝对统治地位的是电弧炉炼钢生产技术，一般情况下“电炉炼钢”即为“电弧炉炼钢”。,电炉炼钢的功能在于将冷废钢加工成为成份和温度合格的钢水，其中包括了供能和冶金两方面的操作。讨论电炉炼钢的能量问题，包括三个工程技术问题： （1）增加能量供应，包括电能和其它物理热和化学能，换取生产率（104t/a）的增加。电炉的公称容量由20世纪50年代的35吨，增至120150t以上，大了4050倍；主变压器容量由2000kVA左右，增至90100MVA，也增大了近50倍；单炉的生产率由每年产钢数千吨增至每年产钢100万吨以上，增大了100倍以上，与之相应的能量供应也大大增加；,（2）增加输入功率，包括电功率和单位时间内其它物理热和化学热的供应量，提高电炉炼钢的生产速率（104t/t-a），亦即缩短冶炼周期、提高生产节奏。20世纪50年代以来，电炉炼钢的冶炼周期由4小时降至1小时以内，生产速率提高了4倍以上，年出钢炉次由不足2000次提高至10000次以上，增长56倍； （3）提高能量的利用效率，按占用电网的容量来计算为单位主变压器容量每年生产的合格钢水量，即变压器利用系数（104t/MVA-a）。每吨钢水所具有的热焓差异不大，电炉炼钢的节能实际是提高单位能量实现物质转换的效率。节电，实质上是提高单位电能生产的合格钢水量。,2 电弧炉炼钢之单元操作,2.1 电弧稳定燃烧条件 （1）按电源性质可将电弧分为直流电弧和交流电弧两大类，工业应用的电弧大多数是交流电弧。 理想的交流电弧的电压和电流为正弦波形，其电压、电流和极性随时间周期性地改变。交流电弧的电压和电流每一个周期会改变两次方向，若采用50 Hz电源，其电压及电流在1秒内通过0点的次数为100次，且改变方向。,为了保证电弧的燃烧，两电极端面之间，应有一定数量的带电质点之，并要求有一定强度的电场、也就是应有一定大小的电弧电压。电弧开始燃烧的电压称为起弧电压或燃弧电压。若外电路电抗x0，电弧电流和电弧电压同相。在外电压U小于起弧电压时，电弧熄灭，电流为0。在时间横轴上，电源电压过0点的前后就有一段时间间隔，此时电弧是熄灭的，这就是交流电弧燃烧不稳定的根源。 为了不灭弧，要求电路有一定的感性，在炼钢情况下，要求的理论值是功率因数cos 0.866。,（2）交流电弧炉炼钢过程中产生谐波的主要原因： 电弧的电阻不恒定，造成电弧电流的非正弦畸变。 交流电的正负半周中石墨电极和钢交替做阴极和阳极，电流的正负两个半周的波形不对称，形成偶次谐波。 三相电弧不均匀，导致三次谐波。 供电系统连结的各种谐波源导致各种谐波的形成。,实测的电流波形和相应的谐波构成 南钢100t/60MVA电弧炉,2.2 三相交流电路 在工程技术中要求交流电弧炉炼钢过程的三相不平衡均值小于5，大型三相交流电炉炼钢过程的实测结果表明：电流、电压和功率均符合三相平衡的工程技术要求。 三相不平衡实测结果，南钢100t/60MVA高阻抗电弧炉,2.3 交流电炉炼钢过程电气运行电工原理 根据电工学原理和电炉主电路的有关数据，对给定的次级电压、线路电阻和电抗得到电弧功率、变压器有功功率、无功功率和视在功率及其他有关重要的运行参数随电极电流变化的曲线图，称之为电炉炼钢过程的理论电气运行曲线，利用该曲线图中可以得出允许工作电流范围。 将炉子变压器各级次级电压下的电气运行情况可绘成电气圆图，电气圆图定量地给出了电弧炉的操作区间。,2.4 现代电炉炼钢过程的实际电气运行特性 （1）20世纪60年代，超高功率电炉的出现使电弧炉炼钢得到飞速发展，大型化、超高功率化成为现代电炉炼钢的主流。现代电炉主变压器容量，达到60100MVA。 为了提高炉子的工作效率、避免电极电流过大，电弧炉的操作方式发生了改变。其特征是：高功率因数、高电压、低电流操作，如图2-3和图2-4所示。,图2-4 超高功率电炉与小电炉 电气运行特性的比较,图2-3 10t电炉电气运行特性,现代超高功率电炉炼钢电气操作方式的显著变化是工作点位置的变化，普通功率小电炉，操作区间的功率因数小于0.707，如图2-3所示，工作点较接近短路状态，操作电抗接近短路电抗，传统的电炉运行工作点的工程计算模型是适用的。 而大型超高功率电炉的操作区间的功率因数接近于0.86，如图2-4的阴影区域，工作电流不到短路电流的二分之一，该工况下谐波的影响、非线性操作电抗的影响不可忽略。现代电炉运行工作点的工程分析必须建立在非线性工作电抗模型的基础上。,（2）根据电工学原理，可知，在交流电弧电路中，由于高次谐波的存在，实际操作电抗Xop是各高次谐波产生的感抗的加和，即：,Xop,实测操作电抗和电极电流的关系如图2-5。,图2-5 操作电抗与电极电流的关系（90MVA）,（3）由于操作电抗的非线性，电弧炉炼钢的实际电气运行曲线与传统的理论曲线已经有所不同。,图2-6 理论电气运行特性图 图2-7 实际电气运行特性图 变压器容量100MVA电压级别865V 变压器容量100MVA电压级别865V Xop=1.2*Xsc Xop=3.29*exp（15.871/I2）,2.5 工作点总表和许用工作点总表 工作点总表描述了在每个电压级别下各电极工作电流（点）处的电流功率或有功功率。根据非线性工作电抗模型得到的工作点总表，更为贴近电炉炼钢的实际情况。 按两方面指标，对工作点总表予以判别，功率因数是否过高，不能稳定运行；变压器容量或工作电流是否过载，不宜长期使用；得到许用工作点总表。,表中变压器过载严重，不宜长期使用； 变压器略有过载； *cos 太高，不能稳定运行； *cos 值过高，不宜使用； 可安全、稳定运行。,表2-2 许用工作点总表的评价,2.6 供电曲线 制定交流电弧炉供电曲线的总的目标是快节奏、低成本地冶炼出合格钢水。制定的供电曲线要能够安全、稳定运行，同时兼顾生产节奏，即：保证电炉变压器承受的视在功率不过载；电弧稳定高效燃烧；电压有载切换次数尽可能少。 一般来说，制定供电曲线主要从两方面来考虑： 能量需求； 能量的有效利用。,某原料状况用的供电曲线 南钢100t/60MVA电弧炉,2.7 高阻抗电弧炉 传统的小型电炉炼钢，常采用“挂电抗”的运行方式：在电炉变压器之前串联一定阻抗的电抗器，使运行的工作点移至cos 0.65的区间，在该工况下弧光短而稳定。 为了抑制大型现代电炉炼钢对电网产生的电冲击，80年代出现了高阻抗电弧炉技术在主电路中串联电抗器并采用较高的二次侧工作电压，其优点是电炉工作电流降低1/3左右，相应的二次电路和石墨电极的几何尺寸减小，设备投资和运行中电损失减小，炉子运行对电网冲击减轻。高阻抗电弧炉技术在国内3060MVA范围内受到欢迎。,其缺点是： （1）增加了一套电抗器，设备投资和运行成本都有所增加； （2）主电路二次侧电压提高，甚至超过1000伏，对操作人员人力安全和设备的安全不利。 因此，对大于70MVA的电炉供电是否采用高阻抗技术尚需慎重考虑。,2.8 直流电弧炉 最早见诸报道的电弧炼钢炉就是采用直流电弧，二十世纪80年代，大型整流技术的工程应用促进了直流电炉炼钢技术的发展，见图2-9。,图2-9 直流电弧炉的发展,交流电弧炉炼钢过程中种种问题源于交流电每秒100次通过零点，阴极和阳极频繁互换。显然，直流电弧的稳定性要优越得多；直流电穿透熔池并引起熔池强烈搅拌，导致熔池传热效率提高。直流电弧的电压、电流、功率的可操控性较好等，都是直流电弧的明显优点。 直流电弧炉的主要缺点是大型整流装置投资较高；运行中产生的偏弧和谐波对策亦需较多装备；大功率直流电弧炉石墨电极的制造和底电极装备也是重要的技术限制。 国内一般对直流电弧炉认识较为负面，对此尚需进行更为充分的工程技术分析。,工业化炼钢生产的基本特点一是巨量性，即高的生产率和高的生产速率；二是重现性，即过程和产品的可精确控制。为此，工业化炼钢生产应在高温、熔融状态下进行，与之相应的是炼钢过程所需要大量的热能。 从能量利用的角度，可以认为炼钢是以能量换取钢产量，或者说是以功率换取生产速率。 理论计算指出每吨15601570的普通钢液具有的热焓约为380kWh。 电炉炼钢过程的能量状况，取决于炉料结构、能源结构和炉型三方面的影响。,3 电炉炼钢过程的能量状况,3.1 炉料结构的讨论 对以下五种特定的炉料状况进行物料衡算和能量衡算，以便定量的讨论炉料结构的影响。 炉料全部为冷低碳废钢 炉料全部为冷生铁 炉料全部为热铁水 炉料全部为冷直接还原铁 传统的电炉炼钢炉料结构：炉料中冷废钢占85，冷生铁占15。,由典型炉料结构下的能量状况可以看出： （1）使用冷废钢、冷生铁和冷直接还原铁做原料，冶炼过程都需要由外热源补充热量；使用热铁水做原料，炼钢过程能量有富余，约合每吨钢水富余75.8 kWh，即允许补加近20的冷废钢。 （2）实际的炼钢过程使用的炉料结构，可认为是上述理想状况的不同搭配。 炉料中使用其他含铁原料取代1的冷废钢引起能量收支的变化，理论数值约为： 配加1的冷生铁 冶炼电耗减少 1.18 kWh/t-steel 配加1的热铁水 冶炼电耗减少 4.66 kWh/t-steel 配加1的DRI 冶炼电耗增加 1.24 kWh/t-steel,3.2 能源构成的讨论 （1）电能是基本的能源 电炉炼钢的重要功能是废钢铁料的回收再利用，二次精炼的在线化使传统的电炉炼钢三期操作转化为以熔化功能为主的操作，能量的供应在电炉炼钢技术中所占的地位进一步凸显。 传统的电炉炼钢炉料以冷废钢为主，配1015的冷生铁，每吨钢水所缺热能约390 374 kWh/t-steel。,冷废钢、冷生铁比例为85：15，即炉料结构，每吨成品钢水需补充热能373.8kWh/t。 按出钢量100t计，则总共需向熔池补充37.4MWh的热能。取有效供能时间为45min（0.75hr），热效率为0.8，则供热能源功率应为：37.4/（0.80.75）=62.3 MW 在现有的工程技术条件下，每支氧燃烧嘴的功率仅为23MW，可见较为合适的大功率热源首选是电弧。用化学能为热源的尝试，如EOF技术，都未能获得成功的生产应用效果。,（2）提高变压器功率级别 不考虑其他能源，全部由交流电弧供热，可求出变压器容量应为：82.4 MVA。 若按传统的小电炉炼钢电气运行的概念操作，变压器容量应为：106.5 MVA 可见，大容量、高生产率的现代电炉，其电气运行状态必须是：高的变压器功率级别；高的功率因数运行；相应的较高电压级别，尽量低的工作电流。否则，变压器容量太大、电极工作电流太大，电网能力利用率太低。这一点，已于前文2中讨论。,（3）辅助能源和强化用氧 电炉炼钢中辅助能源的利用首先是吹氧助熔、切割炉料、加热冷区、活跃熔池。随着电炉容量的增加、生产速率的加快，电炉炼钢过程中使用辅助能源日益受到重视。辅助能源以化学能为主，其效果有： 补充电能的不足，提高电炉炼钢生产率和生产效率； 用较廉价的化学能，部分代替电能； 用氧气和氧燃烧嘴加热冷区、改善传热、提高热效率 二次燃烧。 按德国巴登钢厂数据核算结果和按天津钢管公司的生产数据核算结果（2003年）列于表3-2和表3-3。,（4）利用余热预热废钢 用炼钢过程产生的废气预热废钢是真正意义的“节能”，80年代以后才有成功的工程应用，如双炉壳、Fuchs炉以及Consteel炉等。,电能400kwh/t(63.5%),烧嘴供热 40kwh/t(6.5%),反应放热190kwh/t(30%),总能量 630kwh/t,废气带走热135kwh/t (21%),其它热损失10kwh(2%),冷却水带走热50kwh/t(8%),渣需热 50kwh(8%),钢水需热 385 kwh/t(61%),电能 285kwh/t（49%）,烧嘴供热 50kwh/t(9%),反应放热 190kwh/t(32.5%),预热炉料带入热 55kwh/t(9.5%),废气带走热 65kwh/t(11%),其它热损失 10kwh/t(2%),冷却水带走热70kwh/t(12%),渣需热 50kwh/t(9%),总能量 580kwh/t (100%) 525kwh/t (90.5%),钢水需热385kwh/t(66%),图3-1 Fuchs能量利用图,（5）后燃烧(Post) 电炉炼钢过程可利用的“废弃”能量还有逸出的炉气中的CO所携带的化学余热，CO氧化生成CO2的二次燃烧所释放出的热能约是碳氧化生成CO的两倍。然而，电炉炼钢过程产生的炉气的收集、后燃烧技术以及二次燃烧产生的热量的回收尚有较大的节能潜力。在废钢预热装置中回收二次燃烧产生的热量是一个合理的考虑。 按前文2所述工况，炉气带走的化学预热约为10 kWh/t。,3.3 炉型结构 炼钢电炉炉型基于以电弧为高温热源，较少考虑熔池中的反应热，形状较为扁平，与氧气转炉有较大的区别。,电炉：熔池体积V13.9m3 转炉：熔池体积V13.9m3 熔池深度h880mm 熔池深度h1170mm 熔池直径D5988mm 熔池直径D4372mm 熔池径深比：D/h6.805 熔池径深比：D/h3.737 熔池上表面积S27.21m2 熔池上表面积S15m2 比上表面积S/V2.13m-1 比上表面积S/V1.18m-1,100t,2.994,100t,4.1 电炉炼钢与流程下游工序的匹配 电炉炼钢在流程中的功能：以一定的速率将原料加工成成份和温度都合格的钢液，主要特征有两点： （1）电炉炼钢过程是间歇性操作，为保证实现多炉连浇，能量输入应与之匹配。冶炼周期的缩短使通电时间相应缩短、非通电时间所占比例增大。这对电源能力的利用是不合理的。在当前，每座电炉每年出钢次数应为7000至10000次，即0.71.0104t/t-a。,4 电炉炼钢流程的能量状况,（2）电炉炼钢提供的合格钢水是保证下游各工序高效、流畅运行的物质基础，电炉炼钢的生产率应与热轧生产率相匹配。在6070年代，长型材的热连轧机组的生产率约为30万t/a，若电炉炼钢的年生产速率为0.5104 t/a-t，相应的电炉容量为60 t。当前长型材热连轧机组的生产率已提高至7080104 t/t-a，相应的电炉容量应为70100 t。单流的薄板坯连铸连轧流程生产率为100120104 t/a，炼钢电炉的容量可取120150t。 热连轧生产率达到200104 t/a以上，炼钢电炉容量将超过200t，由于电炉变压器、石墨电极等技术条件所限，已不合理，故热轧宽带企业不宜配用电炉炼钢。,4.2 电炉炼钢与流程上游工序的匹配 （1）如前所述，传统的电炉炼钢使用废钢为主要原料，配入1015的生铁块以保证一定的配碳量。在吹氧助熔的条件下，冷炉料产生的化学热量也不多，冶炼过程需要外界大量的热能。 电炉炼钢工序能耗约为250300 kgce，略高于国际钢铁协会IISI的结果。 （2）使用不同比例的热铁水作为原料，电炉炼钢工序取得了明显的效益，其主要原因是热铁水是具有很高的物理热和化学热的载能体，且成本较低。,热铁水所携带的物理热和化学热来自于前道高炉炼铁工序。根据某些企业300380m3高炉的实际数据计算，生产一吨热铁水，高炉炼铁工序的能耗大约是377 kgce，折合3080 kWh/t-iron。 考虑烧结、球团和焦化等工序，折合到每吨热铁水的能耗大约是500550 kgce/t-iron，即40844493kWh/t-iron，而热装铁水带到电炉炼钢过程中的物理热和化学能共计只有600650 kWh/t-iron。,（3）目前国内电炉配加热铁水的比例约为2530左右。按年产100万吨钢计，需铁水3035万吨/年，所配高炉容积为300350m3。 （4）直接还原铁的使用 使用直接还原铁为电炉炼钢提供纯净铁源是近年来国际上重要的发展方向。世界范围内各种直接还原铁的产量自1990年以来已增加了一倍多，近年来产量与电炉钢产量之比大约为15，已成为电炉炼钢重要的铁源。 当前，国内最大的直接还原铁生产厂属天津钢管有限公司，每吨直接还原铁的能耗约为9001000kgce。,4.3 电炉炼钢流程是再生流程 将电炉炼钢置于铁元素利用的大循环之中，得到图4-1。可以看出： （1）电炉炼钢流程主要以社会废钢为原料，是一类再生流程、静脉流程。由于废钢不足而补充的直接还原铁和热铁水则取自矿物，属于不可再生资源。 （2）与高炉/转炉流程相比，电炉炼钢流程在炼钢工序之前工序很少，因之称为“短流程”或“再生流程”、或“静脉流程”、或“废钢电炉流程”。,提取流程（动脉）,再生流程（静脉）,（3）废钢电炉炼钢连铸热连轧形成的单通道生产流程短而紧凑，称之为“小钢厂”。其后年生产率逐渐增加至5080万吨/年，甚至达到100万吨/年以上。小钢厂的大量出现是60年代以后电炉钢产量和比重持续增长的重要原因。,（4）国际钢铁工业协会IISI给出的两类流程的能量的数据，列于表4-1。,4.4 我国大电炉炼钢生产实绩 本文选用四家不同工况的电炉的炼钢生产实绩来说明我国电炉炼钢的能量状况。 （1）基本情况，见表4-2。,（2）主要工况，见表4-3。 表4-3 各厂原料结构和有关指标（2003年至2004年月报）,（3）基本的评价 天津、安阳的电炉两年的年平均产钢量达到100万吨，韶关和兴澄的单台电炉年平均产钢量也达到了7587万吨/年。表明我国大型电炉炼钢的生产率已接近国际先进水平，我国电炉炼钢流程实现单通道的高效化生产已具备了基本的工程技术基础。 电炉炼钢的生产速率达到了7000次9500次，分别按年日历作业时间8760小时和年额定工作时间7000小时计算，平均冶炼周期如表所列。大型电炉炼钢的平均生产节奏已居国际先进水平。我国大型电炉炼钢生产技术、管理水平和流程的通畅都达到了很高的水平。,表4-4 三家电炉炼钢的平均冶炼周期,三座交流电弧炉的单位变压器容量的年利用系数达到1100014000 t/MVA-a，已居国际领先水平（直流炉变压器容量较大，不可比）。该指标描述的是单位供电容量一年所生产的合格钢坯（水）量，表述了用能量换取产量的效率，由于各厂使用的原料结构不同，这项指标尚缺乏可比性。 考虑到热铁水带入的热能较多，折算结果一并列于表4-5。折算后的利用系数数值虽然有所降低，但仍能在10000 t/MVA-a左右，表明我国大电炉炼钢的能量利用水平也已达到国际先进水平。,表4-5 折算后的各项指标,四座电炉炼钢冶炼电能消耗为193379 kWh/t-坯，直观上已达到国际领先水平。 由于所用原料结构不同，为此，利用本文第3部分中的数据进行修正，折算后的结果为每吨钢坯的冶炼电耗约为370430 kWh/t，与国际先进水平相当。,（4）电耗与热铁水配比的关系 四座电炉共95个月的冶炼电耗与热铁水配比数据的简单相关关系绘于图4-2。线性回归式为： SEC417.5-5.17（iron） 该式表明炉料中热铁水配比增加1，相应的吨坯电耗减少5.17 kWh，与前文中的理论分析，大致可相互印证。,四厂电炉原料中铁水比例与实际冶炼电耗的关系 (n=95 R=0.8746 * ) 图4-2 原料中铁水比例与实际电耗的关系图,四厂电炉原料中铁水比例与折算冶炼电耗的关系 (n=95 R=0.135 ) 4-3 原料中铁水比例与折算电耗的关系,考虑到炉料结构的影响，采用折算电耗，得到散点图4-3，其相关性的信度水准很差，这表明：热铁水配比增加，能量利用没有改善。,（5）电耗与利用系数之间的关系 冶炼电耗与炉容利用系数及变压器利用系数的简单相关关系如图，线性相关的显著性水准都非常高，表明冶炼速率提高、生产节奏加快，有利于电耗降低。,三厂电炉变压器利用系数与冶炼电耗的关系 四厂炉容利用系数与折算冶炼电耗的关系 (n=71 R=0.637 * ) (n=95 R=0.6793 * )