电炉炼钢第五部分.ppt

现代冶金学（钢铁冶金卷）现代冶金学（钢铁冶金卷）炼钢篇炼钢篇：电炉炼钢电炉炼钢东北大学钢铁冶金研究所东北大学钢铁冶金研究所（No7）主讲：阎立懿主讲：阎立懿5/13/20231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电炉炼钢冶炼工艺电炉炼钢冶炼工艺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中国电炉钢厂及其现状中国电炉钢厂及其现状5/13/20232第五章第五章 超高功率电炉及其技术特征超高功率电炉及其技术特征n超高功率电炉发展背景超高功率电炉发展背景n超高功率电炉及其优点超高功率电炉及其优点n超高功率电炉技术特征超高功率电炉技术特征n超高功率电炉技术效果超高功率电炉技术效果5/13/202335.1超高功率电炉发展背景超高功率电炉发展背景二十世纪二十世纪60年代后期：年代后期：nLD转炉的出现及迅速发展，使得废钢平炉钢产量锐减，提转炉的出现及迅速发展，使得废钢平炉钢产量锐减，提出了出了多余废钢如何利用多余废钢如何利用的问题。的问题。n科技发展对钢的数量和质量要求日益提高。科技发展对钢的数量和质量要求日益提高。n电力工业的发展，尤其北美。电力工业的发展，尤其北美。n电炉装备水平低、功率低、生产率更低，消耗高、电耗更电炉装备水平低、功率低、生产率更低，消耗高、电耗更高，阻碍了电炉的发展。高，阻碍了电炉的发展。这就为电炉的发展提供了契机。这就为电炉的发展提供了契机。5/13/202345.2 超高功率电炉及其优点超高功率电炉及其优点 超高功率电炉概念的提出超高功率电炉概念的提出超高功率电炉这一概念早在超高功率电炉这一概念早在1964年由美国联合碳化年由美国联合碳化物公司的施维博（）与西北钢线材公司的罗宾逊（）两个物公司的施维博（）与西北钢线材公司的罗宾逊（）两个人提出的，人提出的，目的是利用废钢原料，提高钢产量，发展电炉目的是利用废钢原料，提高钢产量，发展电炉炼钢炼钢。超高功率原文：超高功率原文：UltraHighPower，简称，简称“UHP”。首先在美国的一座首先在美国的一座135t电炉上进行了提高变压器功电炉上进行了提高变压器功率，增加二次导体截面等一系列改造。率，增加二次导体截面等一系列改造。5/13/20235由于其经济效果显著，使得西方主要产钢国，如美、由于其经济效果显著，使得西方主要产钢国，如美、德、英、意、瑞典等纷纷建德、英、意、瑞典等纷纷建UHP电炉。整个电炉。整个7080年代，年代，世界范围大力发展世界范围大力发展UHP电炉，几乎不再建普通功率电炉。电炉，几乎不再建普通功率电炉。在实践过程中，在实践过程中，UHP电炉技术得到不断完善和发展，电炉技术得到不断完善和发展，逐步解决了超高功率带来的一系列的问题。尤其逐步解决了超高功率带来的一系列的问题。尤其UHP电炉电炉与炉外精炼，连铸相配合显示出高功率、高效率的优越性，与炉外精炼，连铸相配合显示出高功率、高效率的优越性，给电炉炼钢带来生机。给电炉炼钢带来生机。UHP电炉的出现，使得电炉结束了只冶炼特殊钢、电炉的出现，使得电炉结束了只冶炼特殊钢、高合金钢的使命，成为一个高速熔化金属容器高合金钢的使命，成为一个高速熔化金属容器高速熔高速熔器。器。5/13/20236对对“UHP”的几种解释：的几种解释：n应为超高性能（应为超高性能（Ultra-HighPerformance），因为一），因为一台合格的超高功率电炉并不只意味着比功率级别的提高，台合格的超高功率电炉并不只意味着比功率级别的提高，而是综合性能的改善；而是综合性能的改善；n应为超高生产率（应为超高生产率（Ultra-HighProductivity），因为超），因为超高功率电炉的目的就是缩短冶炼时间，提高生产率；高功率电炉的目的就是缩短冶炼时间，提高生产率；n应改为超高效率，即应改为超高效率，即“UHE”（Ultra-HighEfficiency），因为超高功率电炉的许多新技术都），因为超高功率电炉的许多新技术都围绕节能降耗、有效利用能源而展开。围绕节能降耗、有效利用能源而展开。5/13/20237 等等这些说法，都没有得到冶金界一致公认，等等这些说法，都没有得到冶金界一致公认，因为他们只反映了超高功率电炉及其配套技术发因为他们只反映了超高功率电炉及其配套技术发展的某些方向或趋势。展的某些方向或趋势。而超高功率（而超高功率（UHP，Ultra-HighPower）反映了电炉发展最本质、最具代表性的特点，这反映了电炉发展最本质、最具代表性的特点，这也表明也表明电气运行电气运行一直是电炉发展的原动力和技术一直是电炉发展的原动力和技术保障。保障。5/13/202385.2.2UHP电炉及其主要优点电炉及其主要优点超高功率，一般指电炉变压器的功率是同超高功率，一般指电炉变压器的功率是同吨位普通电炉功率的吨位普通电炉功率的23倍。倍。UHP电炉主要优点：电炉主要优点：n缩短熔化时间，提高生产率；缩短熔化时间，提高生产率；n提高电、热效率，降低电耗；提高电、热效率，降低电耗；n易于与炉外精炼，连铸相配合，实现高产、优质、易于与炉外精炼，连铸相配合，实现高产、优质、低耗。低耗。5/13/20239表表5-1电炉超高功率化的效果电炉超高功率化的效果指标指标额定功率，额定功率，MVA熔化熔化冶炼时间冶炼时间,min熔化电耗熔化电耗总电耗，总电耗，kWht生产率，生产率，th普通功率普通功率（RP）2012915653859527超高功率超高功率（UHP）504070417465625/13/2023105.3超高超高功率电炉技术特征功率电炉技术特征 衡量一座电炉是不是衡量一座电炉是不是UHP电炉，不仅要看电炉，不仅要看功率的高低，还要看变压器利用率，工艺流程优功率的高低，还要看变压器利用率，工艺流程优化否，公害抑制的如何，以及是否高效节能。化否，公害抑制的如何，以及是否高效节能。5.3.1功率水平要高功率水平要高这是这是UHP电炉的主要技术特征，它是以每吨电炉的主要技术特征，它是以每吨钢占有的变压器额定容量，并以此来区分高功率、钢占有的变压器额定容量，并以此来区分高功率、超高功率。即：超高功率。即：5/13/202311在超高功率电炉发展过程，曾出现过许多分类方法，在超高功率电炉发展过程，曾出现过许多分类方法，如如1967年施维博提出以年施维博提出以ParcVm、ParcSm或或ParcGm的大小来区分高功率、超高功率。的大小来区分高功率、超高功率。由于采用电弧功率很不直观，判断也不方便，故没由于采用电弧功率很不直观，判断也不方便，故没有得到普遍采用。后来许多国家都采用功率水平表示方法。有得到普遍采用。后来许多国家都采用功率水平表示方法。1981年国际钢铁协会（年国际钢铁协会（IISI）在巴西会议上，提出）在巴西会议上，提出具体的分类方法见表具体的分类方法见表5-2。5/13/202312表表5-2按电炉的功率水平分类按电炉的功率水平分类注：注：n表中数据主要指表中数据主要指50t炉子；炉子；nUHP电炉功率水平没有上限，目前已达电炉功率水平没有上限，目前已达1000kVAt，并还在增加，故出现，并还在增加，故出现SUHP一说。一说。类类别别RPHPUHPC1/kVAt4004007007005/13/2023135.3.2变压器利用率要高变压器利用率要高 变压器利用率指时间利用率与功率利用率。变压器利用率指时间利用率与功率利用率。它反映出电炉车间的生产组织、管理、操作及技术它反映出电炉车间的生产组织、管理、操作及技术水平。水平。时间利用率：指一炉钢总通电时间与总冶炼时间利用率：指一炉钢总通电时间与总冶炼时间之比，用时间之比，用Tu表示。表示。功率利用率：指一炉钢实际输入能量与变压功率利用率：指一炉钢实际输入能量与变压器额定能量的比值，或指一炉钢总的有功能耗与变器额定能量的比值，或指一炉钢总的有功能耗与变压器额定的有功能耗的比值，用压器额定的有功能耗的比值，用2表示。表示。5/13/2023145/13/202315分析上三式可知，提高变压器利用率，分析上三式可知，提高变压器利用率，缩短冶炼周期、提高生产率的措施如下：缩短冶炼周期、提高生产率的措施如下：n减少非通电时间减少非通电时间，如缩短补炉、装料、出钢以及，如缩短补炉、装料、出钢以及过程热停工时间，均能提高时间利用率，缩短冶过程热停工时间，均能提高时间利用率，缩短冶炼周期，提高生产率。炼周期，提高生产率。5/13/202316n减少低功率的精炼期时间减少低功率的精炼期时间，如缩短或取消还原期，如缩短或取消还原期，采取炉外精炼，缩短冶炼周期，提高功率利用率，采取炉外精炼，缩短冶炼周期，提高功率利用率，充分发挥变压器的能力。充分发挥变压器的能力。5/13/202317n提高功率水平（提高功率水平（C1=n），），提高功率利用率提高功率利用率以及降低电耗，均能减少通电时间，缩短冶炼周期，以及降低电耗，均能减少通电时间，缩短冶炼周期，提高生产率。提高生产率。UHP电炉要求电炉要求Tu与与2均大于均大于0.7，把电炉真，把电炉真正作为高速熔器。正作为高速熔器。5/13/2023185.3.3电炉炼钢工艺及其流程优电炉炼钢工艺及其流程优化化传统电炉冶炼工艺操作集熔化、精炼和合金传统电炉冶炼工艺操作集熔化、精炼和合金化于一炉，包括熔化期、氧化期和还原期（老三期）化于一炉，包括熔化期、氧化期和还原期（老三期），在炉内既要完成废钢的熔化，钢液的脱磷、脱碳、，在炉内既要完成废钢的熔化，钢液的脱磷、脱碳、去气、去除夹杂物以及升温，又要进行钢液的脱氧、去气、去除夹杂物以及升温，又要进行钢液的脱氧、脱硫，以及温度、成分的调整，因而冶炼周期很长。脱硫，以及温度、成分的调整，因而冶炼周期很长。这既难以保证对钢材越来越严格的质量要求，这既难以保证对钢材越来越严格的质量要求，又限制了电炉生产率的提高，需要又限制了电炉生产率的提高，需要优化优化。5/13/202319（1）电炉功能分化）电炉功能分化在完善电炉本体的同时，注重与炉外精炼等装置相配合，在完善电炉本体的同时，注重与炉外精炼等装置相配合，真正真正使电炉成为使电炉成为“高速熔器高速熔器”，取代，取代“老三期老三期”一统到底的落一统到底的落后冶炼工艺，变成废钢预热（后冶炼工艺，变成废钢预热（SPH）超高功率电炉超高功率电炉（UHP）炉外精炼（炉外精炼（SR）连铸或连轧（连铸或连轧（CCorCR），形），形成高效节能的成高效节能的“短流程短流程”，见，见图图5-1。电炉作用的改变带来明显的效果，这一变革过程，日本电炉作用的改变带来明显的效果，这一变革过程，日本人称之为人称之为“电炉的功能分化电炉的功能分化”。而其中扮演重要角色的是超高功率电炉，它的出现使功而其中扮演重要角色的是超高功率电炉，它的出现使功能分化成为现实，它的完善和发展促进了能分化成为现实，它的完善和发展促进了“三位一体三位一体”、“四四个一个一”电炉流程的进步。电炉流程的进步。5/13/202320图图5-1电炉的功能分化与现代电炉流程电炉的功能分化与现代电炉流程熔化期熔化期氧化期氧化期扒渣扒渣还原期还原期出钢出钢废钢预热废钢预热熔氧期熔氧期出出钢钢精炼精炼5/13/202321（2）超高功率电炉冶炼工艺）超高功率电炉冶炼工艺现代电炉炼钢冶炼工艺现代电炉炼钢冶炼工艺功能分化的结果使电炉仅保留熔化、升温功能分化的结果使电炉仅保留熔化、升温和必要精炼功能（脱和必要精炼功能（脱P、C），而其余的任务都移），而其余的任务都移至钢包中进行。至钢包中进行。从提高生产率和降低消耗方面考虑，要求从提高生产率和降低消耗方面考虑，要求UHP电炉电炉具有最短的熔化时间和最快的升温速度具有最短的熔化时间和最快的升温速度以及最少的辅助时间，以期达到最佳经济效益以及最少的辅助时间，以期达到最佳经济效益。5/13/202322UHP电炉的工艺操作要点：电炉的工艺操作要点：1）快速熔化与升温操作）快速熔化与升温操作快速熔化和升温是快速熔化和升温是UHP电炉最重要的功能，电炉最重要的功能，将预热好的第一篮废钢加入炉内后，这一过程即将预热好的第一篮废钢加入炉内后，这一过程即开始进行。开始进行。为了快速熔化和升温，为了快速熔化和升温，UHP电炉以最大可电炉以最大可能的功率供电，采用氧能的功率供电，采用氧-燃烧咀助熔，强化吹氧去燃烧咀助熔，强化吹氧去碳，底吹搅拌，泡沫渣埋弧操作等技术。碳，底吹搅拌，泡沫渣埋弧操作等技术。5/13/2023232）脱磷操作）脱磷操作UHP要求尽可能把脱磷，甚至少部分脱碳提前到熔化要求尽可能把脱磷，甚至少部分脱碳提前到熔化期进行。期进行。脱磷三要素：炉渣氧化性、炉渣碱度及温度。脱磷三要素：炉渣氧化性、炉渣碱度及温度。采取的主要工艺操作如下：采取的主要工艺操作如下：n强化吹氧和氧强化吹氧和氧-燃助熔，提高初渣的氧化性；燃助熔，提高初渣的氧化性；n提前造成氧化性强、碱度高的泡沫渣，并充分利用熔化期温提前造成氧化性强、碱度高的泡沫渣，并充分利用熔化期温度较低的有利条件，提高炉渣脱磷的能力；度较低的有利条件，提高炉渣脱磷的能力；n及时放掉磷含量高的初渣，并补充新渣，防止温度升高后和及时放掉磷含量高的初渣，并补充新渣，防止温度升高后和出钢时下渣回磷；出钢时下渣回磷；n采用无渣（或少渣）出钢技术，如采用无渣（或少渣）出钢技术，如EBT，严格控制下渣量，严格控制下渣量，把出钢后磷降至最低（防止回磷）。把出钢后磷降至最低（防止回磷）。5/13/2023243）脱碳操作）脱碳操作UHP要求把脱磷任务，甚至少部分脱碳任务要求把脱磷任务，甚至少部分脱碳任务提前到熔化期进行，而熔化后的氧化精炼和升温期提前到熔化期进行，而熔化后的氧化精炼和升温期只进行碳的控制。只进行碳的控制。电炉就是通过高配碳，利用吹氧脱碳这一电炉就是通过高配碳，利用吹氧脱碳这一手段，来达到加速反应，去除气体和夹杂的目的。手段，来达到加速反应，去除气体和夹杂的目的。UHP电炉采用炉门氧枪、炉壁烧咀等强化吹氧去电炉采用炉门氧枪、炉壁烧咀等强化吹氧去碳。碳。5/13/202325脱碳反应的作用：脱碳反应的作用：n熔化期吹氧助熔时，碳先于铁氧化，减少了铁的烧损；熔化期吹氧助熔时，碳先于铁氧化，减少了铁的烧损；n渗碳作用可使废钢熔点降低，加速熔化；渗碳作用可使废钢熔点降低，加速熔化；n碳碳-氧反应造成熔池搅动，促进了渣氧反应造成熔池搅动，促进了渣-钢反应，有利于早期脱钢反应，有利于早期脱磷；磷；n在精炼升温期，活跃的碳在精炼升温期，活跃的碳-氧反应，扩大了渣氧反应，扩大了渣-钢界面，有利钢界面，有利于进一步脱磷，有利于钢液成分和温度的均匀化和气体、于进一步脱磷，有利于钢液成分和温度的均匀化和气体、夹杂物的上浮；夹杂物的上浮；n泡沫渣的形成，提高传热效率，加速升温过程。泡沫渣的形成，提高传热效率，加速升温过程。5/13/2023265.3.4电炉产生的公害要进行抑制电炉产生的公害要进行抑制 （1）烟尘与噪音）烟尘与噪音UHP电炉在炼钢过程中产生烟尘电炉在炼钢过程中产生烟尘20000mgm3，而国家对排放粉尘含量的标准为，而国家对排放粉尘含量的标准为50100mgNm3。因此，电炉必须配备排烟除尘装置，使排放粉尘含量达。因此，电炉必须配备排烟除尘装置，使排放粉尘含量达到标准要求。到标准要求。目前较普遍的办法是采用炉顶第四孔目前较普遍的办法是采用炉顶第四孔+封闭罩或封闭罩或/和屋顶大罩结合排烟法，除尘采用布袋除尘。和屋顶大罩结合排烟法，除尘采用布袋除尘。UHP电炉产生噪音高达电炉产生噪音高达110dB，要求设法降低。噪，要求设法降低。噪音对环境的影响，据科学家证明如表音对环境的影响，据科学家证明如表5-3。5/13/202327为此，许多国家都制订标准，如德国标准要为此，许多国家都制订标准，如德国标准要求，距噪声源求，距噪声源300m处的噪音强度为处的噪音强度为.30060dB（白天），（白天），45dB（夜晚）。（夜晚）。采用电炉封闭罩可以满足，罩外的噪音强采用电炉封闭罩可以满足，罩外的噪音强度能达度能达8090dB。噪音噪音/dB507090150影响影响程度程度影响睡眠影响睡眠与休息与休息干扰谈话干扰谈话影响工作影响工作影响听力，引起神经衰影响听力，引起神经衰弱、头疼、血压升高弱、头疼、血压升高鼓膜出血，鼓膜出血，失去听力失去听力5/13/202328（2）电网公害）电网公害电炉产生的电网公害主要包括电压闪烁与高次谐波。电炉产生的电网公害主要包括电压闪烁与高次谐波。1）电压闪烁（或电压波动）电压闪烁（或电压波动）电压闪烁实质上是一种快速的电压波动。它是由较大电压闪烁实质上是一种快速的电压波动。它是由较大的交变电流冲击而引起的电网扰动。电压波动可使白炽灯的交变电流冲击而引起的电网扰动。电压波动可使白炽灯光和电视机萤屏高度闪烁，电压闪烁由此得名。光和电视机萤屏高度闪烁，电压闪烁由此得名。UHP电炉加剧了闪烁的发生。当闪烁超过一定值（限电炉加剧了闪烁的发生。当闪烁超过一定值（限度）时，如度）时，如0.130Hz，特别是，特别是110Hz闪烁，会使人感闪烁，会使人感到烦躁，这属于一种公害，要加以抑制。到烦躁，这属于一种公害，要加以抑制。5/13/202329n解决的办法有两种：解决的办法有两种：一是要有足够大的电网，即电炉变压器要与足够大的一是要有足够大的电网，即电炉变压器要与足够大的电压、短路容量的电网相联，德国规定：电压、短路容量的电网相联，德国规定：一般认为，若供电电网公共连接点（一般认为，若供电电网公共连接点（PCC）的短路容）的短路容量是变压器额定容量的量是变压器额定容量的80倍，就可视为足够大。倍，就可视为足够大。二是采取无功补偿装置进行抑制，二是采取无功补偿装置进行抑制，如采用晶体管控制如采用晶体管控制的电抗器（的电抗器（TCR）。（国家标准规定，）。（国家标准规定，35kV时，电压时，电压波动限值波动限值2%）5/13/202330 两种途径相比，途径一是治标的方法，因为电炉对电网两种途径相比，途径一是治标的方法，因为电炉对电网和自身影响的各种量值并未消除，而是送到更高电压级的和自身影响的各种量值并未消除，而是送到更高电压级的电网去扩散。电网去扩散。随着电炉及大容量用电设备的不断建设发展，这些量随着电炉及大容量用电设备的不断建设发展，这些量值在电网中增加积累，泛滥成灾，将会形成电网所不能接值在电网中增加积累，泛滥成灾，将会形成电网所不能接受的程度，而增加了对广大用户的影响，因此，使用范围受的程度，而增加了对广大用户的影响，因此，使用范围越来越小。越来越小。途径二是治本的办法，它使电炉对电网和自身影响的途径二是治本的办法，它使电炉对电网和自身影响的各种量值大部分就地消除了，故其使用范围越来越大，前各种量值大部分就地消除了，故其使用范围越来越大，前途广阔。途广阔。5/13/2023312）高次谐波（或谐波电流）高次谐波（或谐波电流）由于电弧电阻的非线性特性等原因，使得电弧电流由于电弧电阻的非线性特性等原因，使得电弧电流波形产生严重畸变，除基波电流外，还包含各高次谐波。波形产生严重畸变，除基波电流外，还包含各高次谐波。谐波电流注入电网，将危害共网电气设备的正常运谐波电流注入电网，将危害共网电气设备的正常运行，如使发电机过热，使仪器、仪表、电器误操作等。行，如使发电机过热，使仪器、仪表、电器误操作等。抑制的措施是：采取并联谐波滤波器，即采取、抑制的措施是：采取并联谐波滤波器，即采取、串联电路。串联电路。实际上，电网公害的抑制常采取闪烁、谐波综合抑制，实际上，电网公害的抑制常采取闪烁、谐波综合抑制，即静止式动态无功补偿装置即静止式动态无功补偿装置SVC装置，见图装置，见图5-2。但。但SVC装置价格昂贵，使得电炉投资成本大为提高。装置价格昂贵，使得电炉投资成本大为提高。5/13/202332图图5-2静止式动态无功补偿装置静止式动态无功补偿装置5/13/2023335.4超高功率电炉技术效果超高功率电炉技术效果UHP电炉冶炼工艺的基本指导思想是高效、节能、电炉冶炼工艺的基本指导思想是高效、节能、低消耗。而应用于低消耗。而应用于UHP电炉的各项技术，如电炉的各项技术，如UHP供电，强供电，强化吹氧（含氧化吹氧（含氧-燃助熔），水冷炉壁与水冷炉盖，底吹搅拌，燃助熔），水冷炉壁与水冷炉盖，底吹搅拌，长弧泡沫渣，无渣出钢及废钢预热等都是在这种思想指导长弧泡沫渣，无渣出钢及废钢预热等都是在这种思想指导下开发出来的。下开发出来的。综合应用这些技术，与计算机控制、管理和炉外精炼综合应用这些技术，与计算机控制、管理和炉外精炼相配合，已经使得电炉的平均冶炼周期达到相配合，已经使得电炉的平均冶炼周期达到60min，平均，平均电耗达到电耗达到400kWh/t，平均电极消耗达到，平均电极消耗达到2kgt的高水平，的高水平，即即“642”。5/13/202334直流电弧炉、新式废钢预热及二次燃烧等直流电弧炉、新式废钢预热及二次燃烧等技术的实施又使电炉技术水平达到了一个新的高度，技术的实施又使电炉技术水平达到了一个新的高度，进一步缩短了冶炼周期，降低了冶炼电耗和电极消进一步缩短了冶炼周期，降低了冶炼电耗和电极消耗，见图耗，见图5-3，而且闪烁、噪声、耐材消耗都明显，而且闪烁、噪声、耐材消耗都明显得到改善。得到改善。5/13/202335图5-3 电炉炼钢技术的发展5/13/2023365.5结束语结束语UHP电炉不仅变压器额定功率要高，功率水平要高，电炉不仅变压器额定功率要高，功率水平要高，而且变压器利用率要高，工艺及工艺流程要优化，电炉产而且变压器利用率要高，工艺及工艺流程要优化，电炉产生的公害要得到有效的抑制。生的公害要得到有效的抑制。UHP电炉工艺突出一个电炉工艺突出一个“快快”字，即快速熔化、提字，即快速熔化、提前脱磷以及强化脱碳，而不是简单地将原有工艺一分为二。前脱磷以及强化脱碳，而不是简单地将原有工艺一分为二。从提高生产率和降低消耗方面考虑，要求从提高生产率和降低消耗方面考虑，要求UHP电炉电炉具有最短的熔化时间和最快的升温速度以及最少的辅助时具有最短的熔化时间和最快的升温速度以及最少的辅助时间，以期达到最佳经济效益。间，以期达到最佳经济效益。5/13/202337