電爐煉鋼技術(shù)若干問題的實踐與認識

電弧爐煉鋼技術(shù)若干問題的實踐與認識現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)發(fā)軔于19世紀50年代誕生的Bessmer法。電弧爐煉鋼技術(shù)的誕生則同樣可追溯至19世紀70年代由德國人W.Siemens所建造的世界上首臺實驗電弧爐。至20世紀50年代，電弧爐技術(shù)雖有所發(fā)展，但因其生產(chǎn)效率低、能耗高，仍僅用于特殊鋼或特種合金的生產(chǎn)。60年代開始采用吹氧熔煉,特別是超高功率電弧爐的興起，電弧爐煉鋼技術(shù)步入快速發(fā)展時期。至70年代，在歐美一批短流程鋼廠興起，電弧爐煉鋼開始具有了與高爐-轉(zhuǎn)爐流程相競爭的地位。自80年代中后期以來，電弧爐煉鋼技術(shù)又處于新的發(fā)展期，具有標志性意義的是大型直流電弧爐技術(shù)的誕生以及旨在降低能耗、縮短冶煉周期、利用多種資源、提高質(zhì)量、降低環(huán)境負荷的各種電弧爐系統(tǒng)化技術(shù)的出現(xiàn)?？疾旖?0年來最重要的幾項變革性技術(shù)，如薄板坯連鑄連軋技術(shù)、熔融還原煉鐵技術(shù)以及己處于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用前夜的薄帶連鑄技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，緊湊化或短流程化是鋼鐵制造流程優(yōu)化的重要方向。眾所周知，緊湊化或短流程化常常會和電弧爐煉鋼聯(lián)系在一起。換言之若將電弧爐煉鋼放到流程的大環(huán)境中看待，則會意識到電弧爐煉鋼技術(shù)發(fā)展除受其自身的內(nèi)在演化規(guī)律所驅(qū)動外，更受到流程的制約和驅(qū)動。正是要解決流程結(jié)構(gòu)上的某些問題，才對電弧爐提出爐子大型化、縮短冶煉周期等要求，從而驅(qū)動著電弧爐煉鋼技術(shù)不斷向前發(fā)展。從更廣泛的意義上講，地區(qū)發(fā)達程度、文明程度、資源消耗和積累狀況等因素，決定了電弧爐流程長期存在的合理性，同時也為其發(fā)展創(chuàng)新提供了廣闊的空間。然而，一個勿庸置疑的事實是，盡管當(dāng)代電弧爐煉鋼技術(shù)己取得巨大的進步，由于種種原因，全球范圍內(nèi)電弧爐鋼比例卻并未明顯增加，世界電弧爐鋼比例近年來一直穩(wěn)定在30%?35%，而中國的電弧爐鋼產(chǎn)量雖在增加，但自1993年電弧爐鋼比例達到最高的23.2%后一直連續(xù)下降多年，只是在進入21世紀后才有所回升。怎樣增強電弧爐鋼的競爭力，特別是如何通過技術(shù)進步來突破電弧爐煉鋼在流程上的某些瓶頸問題(如冶煉周期偏長、生產(chǎn)率偏低等)，并降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少環(huán)境污染，成為電弧爐煉鋼廠家及技術(shù)工作者十分關(guān)心的問題。寶鋼作為我國最大的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，目前60t以上的大型電弧爐共有6座。2004年全集團公司產(chǎn)鋼2141萬t，其中電弧爐鋼365.1萬t，比例約為17%，剛好與我國當(dāng)前電弧爐鋼比例相差不多,產(chǎn)品范圍也涵蓋了碳鋼、特殊鋼及不銹鋼等各個方面。本文將基于寶鋼的實踐及認識,簡要評述電弧爐煉鋼技術(shù)近年來的發(fā)展趨勢，并對直流電弧爐的若干特性進行分析與討論。1電弧爐煉鋼技術(shù)近20年發(fā)展評述綜觀近20年來電弧爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展，可以理出幾條主要脈絡(luò)。改進供電系統(tǒng)。從傳統(tǒng)的交流爐向直流爐及高阻抗交流爐發(fā)展，在降低電網(wǎng)污染的前提下實現(xiàn)低電流長弧操作,從而大大提高輸入功率，使得冶煉周期大幅縮短。直流爐被認為具有對電網(wǎng)的污染小、電極消耗低、基本上可以無偏弧、噪音相對較小、對熔池有攪拌作用等優(yōu)點。但因其底電極所帶來的問題及電源系統(tǒng)較交流爐復(fù)雜,特別是高阻抗爐的發(fā)展又使直流爐的優(yōu)勢下降，因此,在經(jīng)過20世紀80年代末至90年代中后期直流爐的建設(shè)高潮后便沉寂下來,新近建設(shè)的電弧爐大都為交流爐。多元化的能量利用技術(shù)。為降低電(能)耗，提高能量輸入強度以縮短冶煉周期,多種形式的能量利用技術(shù)被采用，如機械式氧碳槍、二次燃燒、爐壁燒嘴、底吹氣等。同時為利用爐氣中的余熱，各種廢鋼預(yù)熱手段相繼出現(xiàn)。而近年來爐壁燒嘴技術(shù)的長足進步更令人矚目。將傳統(tǒng)燒嘴的亞音速噴吹變?yōu)槌羲俣蔀闋t壁噴槍，并進而通過所謂的集束射流技術(shù)，使得氧氣流股的動能損失減小，實現(xiàn)向熔池高速供氧,極大地改善了脫碳的動力學(xué)條件。主原料多樣化。出少各種目的,相繼采用鐵水、生鐵、DRI/HBI,碳化鐵等作為電弧爐原料，不僅使電弧爐的適應(yīng)性更強,還因稀釋了廢鋼中的殘余元素而提高了鋼水質(zhì)量，并使電弧爐鋼產(chǎn)品范圍得以拓展。特別是隨薄板坯連鑄連軋的興起,短流程鋼廠涉足板帶甚至高品質(zhì)帶鋼產(chǎn)品，主原料的多樣化更具有了特殊的意義。加強環(huán)保措施。三級除塵、綜合利用電弧爐除塵粉、爐渣再利用等己成為常規(guī)的環(huán)保措施。近期受重視的全封閉冶煉有助于進一步降低噪音和控制爐氣散發(fā)，如因采用爐壁噴槍而使爐門在大部分時間關(guān)閉或半關(guān)閉，將所謂的doghouse擴展為elephanthouse等。還有另一極好的例子是ECO-ARC爐該爐型在控制煙塵放散方面采取了專門措施，特別是將二惡英放散的可能性降至最低。電弧爐煉鋼技術(shù)發(fā)展的集中體現(xiàn)，是基于不同的解決方案，各種爐型的不斷涌現(xiàn)。例如為提高變壓器利用效率、縮短非通電時間而采用的雙爐殼被擴展為同時具有頂電極和頂氧槍的適應(yīng)各種廢鋼、鐵水比例的轉(zhuǎn)爐化電弧爐CONARC爐或ARCON爐;雙爐殼與豎爐結(jié)合、連續(xù)裝料與豎爐結(jié)合后形成生產(chǎn)效率及能量利用率更高的電弧爐系統(tǒng)；而所謂DANARC技術(shù)及K-ES技術(shù)則宣稱可根據(jù)不同的當(dāng)?shù)貤l件對電弧爐木身以及相關(guān)的所有輔助設(shè)備進行綜合的優(yōu)化設(shè)計。另外還有EOF,Comelt,CONTIARC,Consteel等，最近又出現(xiàn)了一個嶄新的爐型ECOARC。這些爐型的成功應(yīng)用，均從不同方面推進了電弧爐煉鋼設(shè)備及工藝技術(shù)的發(fā)展。2直流爐運行實踐與再認識普通交流爐存在的問題是眾所周知的，而隨著電弧爐的大型化和超高功率化，所配變壓器額定功率愈來愈高，矛盾更為突出。受短網(wǎng)及石墨電極的限制，不能無限制提高電流，只能通過提高弧電壓的方式來進一步增加輸入功率(水冷爐壁和泡沫渣為提高弧電壓創(chuàng)造了條件)，但電壓提高會導(dǎo)致功率因數(shù)高于合適的工作點而使電弧燃燒變得不穩(wěn)定。正是大型化和超高功率化直接導(dǎo)致了直流爐(及高阻抗爐)的產(chǎn)生和發(fā)展。寶鋼所擁有的6座大型電弧爐中的4座是直流爐，均先后建成投產(chǎn)于20世紀90年代中期。通過多年實踐，筆者對直流爐的特性有了一定體會和認識，以下就數(shù)個問題作一討論。2.1對電網(wǎng)的影響及電源系統(tǒng)寶鋼150t直流爐對電網(wǎng)影響參數(shù)的實測結(jié)果如表1和圖1所示。由表1可見，直流爐對電網(wǎng)的字，染明顯低少交流爐。而且如圖1所示，直流爐的低次諧波電流遠比交流爐小，但高次諧波電流值則比交流爐高。然而，因高次諧波電流比低次諧波電流容易經(jīng)FC濾波器濾除，且低次濾波器運行損耗大、造價高，因此從諧波發(fā)生量和濾波器設(shè)計兩方面考慮，直流爐都優(yōu)于交流爐。表1寶鋼150t直流電弧爐對電網(wǎng)影響參數(shù)實測值對電網(wǎng)影響的參數(shù)無動態(tài)補償(SVC)有動態(tài)補償(SVC)平均功率因數(shù)0.720.99最大無功沖擊/(MV?A)8038110kV最大電壓波動/%2.301.10電弧爐對110kV電網(wǎng)引起的電壓閃變/%0.920.4433kV總進線的負序電流/A19.5014.3033kV母線電壓總諧波畸變率/%7.503.26電弧爐引起的110kV母線電壓總諧波畸變率/%1.700.72直流爐電源系統(tǒng)較為復(fù)雜，對于整流變壓器、整流器等主要部件，若設(shè)計裕量不大，則易產(chǎn)生設(shè)備故障。寶鋼150t電弧爐也遇此問題，自投產(chǎn)以來己對電源系統(tǒng)進行了大量改造。包括整流變壓器、整流器、水冷母排、高壓開關(guān)等均實現(xiàn)了國產(chǎn)化。筆者認為，雖然直流爐電源系統(tǒng)較復(fù)雜，可靠性較差，但通過多年來獲得的經(jīng)驗與教訓(xùn)，筆者己在一定程度上掌握了各主要部件的特性。2.2電極消耗直流爐最初是為解決大型及超高功率電弧爐的電源問題而提出的，當(dāng)其采用單根石墨頂電極時,立即獲得一個顯著的效果即電極消耗大幅下降。早期的經(jīng)驗是，直流爐比同容量超高功率交流爐電極消耗降低30%?50%，這帶來噸鋼數(shù)十元的成本下降，因此成為當(dāng)時人們青睞直流爐的重要理由。隨電弧爐技術(shù)的快速發(fā)展特別是化學(xué)能利用技術(shù)的進步，電耗降低幅度很大，相應(yīng)地電極消耗也大幅降低。調(diào)查表明，目前直流爐電極消耗仍顯著低于交流爐,但降低的絕對值己不如早先那樣大了。加之通常直流爐總是使用直徑更大的電極,其單價會更貴，故直流爐在降低電極消耗方面所帶來的成本優(yōu)勢與交流爐(特別是高阻抗爐)相比不如早期明顯。研究及實踐表明，盡管直流爐通常僅有一根電極，但因電流密度大，其端部損耗并不亞于交流爐三根電極端部損耗之和。換言之，直流爐電極消耗低的主要原因是其側(cè)面氧化損耗低。目前電極噴淋冷卻技術(shù)己被很好掌握，這對降低側(cè)面氧化損耗帶來很大助益，故高阻抗爐的電極消耗可以逼近直流爐的水平。然而技術(shù)的發(fā)展有時會出現(xiàn)某種回歸為進一步提高輸入功率又出現(xiàn)了使用雙電極的直流爐，由于電流密度降低,其電極消耗非常低，則交流爐就難望其項背了。不言而喻，無論是端部損耗還是側(cè)面氧化損耗均與電耗有直接的關(guān)系，故降低電極消耗的根本措施是降低電耗。寶鋼150t直流爐月平均噸鋼電耗己降至220kW?h左右（鐵水比約33%的前提下），相應(yīng)地電極單耗也降至0.74kg/t。另外電極消耗還與電極非正常折斷有關(guān)。通過多年摸索,筆者掌握了一項技術(shù)訣竅,使電極非正常折斷次數(shù)大幅下降（曾有半年無折斷的記錄）。故寶鋼150t電弧爐電極消耗低的原因主要可歸結(jié)為電耗低和非正常折斷少。2.3底電極直流爐的開發(fā)歷史，可以說在很大程度上正是爐底電極的開發(fā)歷史。按底電極的型式，直流爐通常被分為四類，即導(dǎo)電爐底式（ABB）、水冷鋼棒式（Clecim）以及多鋼針式（MAN-GHH）以及多鋼片式（VAI）。導(dǎo)電爐底式底電極的優(yōu)點是爐底壽命長（寶鋼集團浦鋼公司100t直流爐爐底壽命曾超過3000爐，國內(nèi)廣鋼60tABB爐則己超過7000爐），但其維護較為麻煩。另外爐子冷啟動有時會出現(xiàn)問題這緣于鎂碳導(dǎo)電耐材在低溫下電阻很大，若導(dǎo)通嚴重不良，則須倒入熱鋼（鐵）水來啟動。多鋼針式底電極是4種底電極型式中結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的一種。寶鋼集團五鋼公司100t直流爐的空冷觸針式底電極由192根①45mm鋼棒組成。該型式底電極爐底無法修補，其壽命由爐底熔損速率決定。爐齡一般在1000爐左右，也有達到2000爐以上的報道。多鋼針式底電極的冷爐啟動一般無大問題。至于多鋼片式底電極，其結(jié)構(gòu)及操作維護是與多鋼針式底電極相似的。水冷鋼棒式底電極除Clecim的型式外還出現(xiàn)了多種變體,如新日鐵的噴淋式底電極、MANDEMAG的銅鋼復(fù)合底電極、Danieli的內(nèi)冷式銅鋼復(fù)合底電極等。寶鋼150t直流爐采用了Clecim水冷鋼棒式底電極。雖然此種底電極在結(jié)構(gòu)的簡單性、開爐及維護的方便性等方面具有突出的優(yōu)點，但其安全性卻讓人擔(dān)心。為此，多年來筆者在水冷鋼棒式底電極技術(shù)方面進行了不懈的研究。Clecim底電極的安全壽命主要與爐底絕緣狀態(tài)及鋼棒熱狀態(tài)有關(guān)。絕緣損壞的主要誘因在于鉛的沉積，原Clecim導(dǎo)鉛盤設(shè)計存在問題，為此筆者己進行了改進。對鋼棒熱狀態(tài)的認識則經(jīng)歷了一個長期的過程。Clecim早期認為鋼棒熔融面不會穿透爐底進入水冷套，而文獻發(fā)表的所有計算幾乎也得出相同的結(jié)論。然而筆者對大量底電極鋼棒的解剖結(jié)果卻表明熔融而總是深入進水冷套。為此筆者開展了深入的數(shù)值仿真研究，最初的基于純導(dǎo)熱的計算仍然與前人結(jié)果一樣。后來意識到鋼棒通電時產(chǎn)生大量焦耳熱導(dǎo)致內(nèi)部高溫,故會產(chǎn)生對流，因此建立起基于傳熱與自然對流藕合的模型,然而計算結(jié)果仍不能使熔融面進入水冷套。最后終于意識到液體內(nèi)通電時會產(chǎn)生電磁力。至此，筆者首次發(fā)現(xiàn)底電極孔穴內(nèi)存在強烈流動，并發(fā)現(xiàn)電磁力的作用，從而得出很有意義的結(jié)論?？梢哉f,通過多年實踐及研究，筆者己較好地掌握了水冷鋼棒式底電極技術(shù)，目前最高爐齡己達到2360爐。2.4直流爐是否過時大型直流爐的誕生曾被認為是近20年來電弧爐煉鋼領(lǐng)域內(nèi)最重要的變革性技術(shù)之一，在經(jīng)過20世紀90年代的建設(shè)高潮后，卻又逐漸遭受冷遇。筆者試作如下分析。①直流爐所實現(xiàn)的在當(dāng)時最具意義的低電流長弧操作同樣可由高阻抗交流爐實現(xiàn)特別是隨高阻抗爐技術(shù)的不斷進步和成熟，直流爐的這一優(yōu)勢己不復(fù)存在。②直流爐生產(chǎn)成木上的優(yōu)勢己被削弱，在降低電極成本方面與高阻抗爐相比較其絕對值己不大，現(xiàn)在也難以證明直流爐具有較低的噸鋼電耗（以前通常認為有5?10kW?h/t的優(yōu)勢）。③直流爐畢竟有著更復(fù)雜的電源系統(tǒng)，其可靠性不如交流爐;而直流爐底電極維護麻煩、有不安全因素又使得那些不甚熟悉的廠家顧慮重重。④直流爐在降低電網(wǎng)污染方而的優(yōu)勢通常是體現(xiàn)在投資成本的降低上，對于交流爐，原則上只要有足夠容量的補償裝置（SVC,SVG），一般情況下是可以達到電網(wǎng)對電能質(zhì)量的要求的。⑤直流爐在不銹鋼冶煉方面的限制是眾所周知的，長弧問題與高阻抗爐一樣（因此通常認為高阻抗爐也不適合冶煉不銹鋼），但直流爐還多出一個底電極可能會不導(dǎo)通的問題;另一個說法是直流爐冶煉不銹鋼時合金收得率會下降（以熔池為正的單一方向電流加劇了銘等合金元素向渣相的轉(zhuǎn)移）。⑥并非最不重要的是，現(xiàn)今建設(shè)的電弧爐，通常較以前都更趨大型化和高效化，這必然要求更大的輸入功率，單電極直流爐于此己受到限制，雖然可采用雙石墨電極來解決，但底電極電流密度太大也不可取，因此交流爐在此種意義下也許是更好的選擇。筆者認為直流爐未必過時。①直流爐對電網(wǎng)的無功沖擊小、諧波發(fā)生量低，使得有時可以不安裝TCR等動態(tài)補償裝置(僅裝濾波器以補償諧波)，即使像寶鋼裝有SVC,其容量也比交流爐小很多。這樣，雖然直流爐在電源系統(tǒng)多出投資，但在補償裝置上又省了下來，因此投資不會比高阻抗爐高(表2)。②直流爐在