电炉炼钢电气运行与电炉技术的发展  

    超高功率电弧炉作为电弧炉发展的基本方向，为实现其高产、低耗、优质的目标，就必须具备快速而准确的生产控制，全面而优化的综合管理。单凭经验或依据普通电弧炉的控制和管理方法，已不能适应生产需要，而在生产过程控制中，电气运行是极为关键的技术。
　　电弧炉电气运行是电炉冶炼生产最基本的保障，它关系到冶炼工艺、原料、电气、设备等诸多方面的问题，直接影响电炉炼钢生产的各项技术经济指标，因此对其进行最佳化的研究意义重大，不但可保障冶炼工艺的顺行、充分有利于设备资源，还能提高生产率、节能降耗。

1　电气运行与电炉技术发展

　　50年代，为了提高电弧炉生产率，当时采用加大电炉变压器提高电压的方法来增加输入功率，即采用“高电压、大功率”的运行制度。到60年代，当时炉子容量还不很大，功率级别也不很高，约为400kVA/t，变压器总容量在30MVA左右。这一时期，电炉主要生产特殊钢、合金钢，流程为电炉出钢后模铸。
　　随着炉子供电功率的增大，电弧对炉衬的辐射侵蚀大大增强。在70年代中后期，一度推崇高功率、大电流、短电弧操作方式。因而，功率因数值较低，特别是在最大电弧功率处工作，功率因数仅为0.72左右。因为短而粗的电弧，对炉衬热辐射减少，减轻了因提高功率对炉衬耐火材料的强烈侵蚀，也提高了热效率；同时由于电弧电流加大，对钢渣的搅拌加强，强化了熔池的传热；此外，大电流短电弧稳定性高，对电网的冲击小。这一时期，典型的炉子变压器容量大约在50MVA左右，功率级别约为500kVA/t，典型的流程为电炉、钢包炉、连铸、棒线材轧机。
　　所谓“低电压”和“短电弧”都只是相对于相同的变压器容量而言。实际上，如果把1台普通功率电弧炉改造成为超高功率电弧炉，由于功率大大增加，变压器的二次电压和电弧长度都比原来普通功率电弧炉的大。这种短弧操作法，在美国又称为“滑动功率因数法”。其要点是整个熔炼过程自始至终只采用一档相当低的电压而连续改变电流工作点。若用平衡的回路特性理论来描述工作点的“滑动”，那就是功率因数先由电弧功率最大点(0.72～0.75)逐渐平缓地过渡到有功功率最大点(0.707)，再减少到0.68。这种情况适应于美国的条件：废钢行业发达，可保证入炉废钢块度小且均匀。这种方法的难点是判断何时由相对长弧改为短弧。
　　上述低功率因数的运行方式不利于变压器能力的充分利用，且电极消耗很大。随着水冷炉壁、水冷炉盖尤其是泡沫渣技术的出现和成功，使“高电压、低电流、长电弧、泡沫渣”操作有了可能，这类超高功率电弧炉是80年代中期的先进技术。在这个时期，炉子容量进一步大型化，功率级别又有所提高，炉子变压器容量达到了70MVA以上，电炉钢进入扁平材、管材市场。其运行特点是高功率因数操作，使变压器的能力较充分地发挥。
　　到了90年代，电炉的容量进一步加大，炉子变压器容量达到了100MVA左右，功率级别已超过800kVA/t。
　　在炉子电气运行特点方面出现了高阻抗和变阻抗技术；另外由于神经网络技术的成功应用，使电弧炉的电气运行工作点的识别和控制有了很大改善。这一时期的电炉电气运行采用“更高电压、更小电流、更长电弧”的操作制度。原料条件的改善、薄板坯连铸连轧技术的出现使得电炉钢向管材、板带等纯净钢领域进展。
　　电炉技术的进步和电炉流程的发展与电炉电气的运行密切相关：一方面随着对超高功率电弧炉电气运行研究的不断深入，开发了许多新技术、设备及相关操作工艺，如直流电弧炉、导电电极臂、高阻抗电炉、智能电弧炉、水冷电缆、水冷/中空/浸渍/镀层电极等等；另一方面也保障了超高功率电炉炼钢其配套技术的开发和应用，如海绵铁等废钢代用品的使用、泡沫渣操作、替代能源的利用等等。图1示出了电炉技术进步与电气运行发展等情况。

2　电气运行是电炉炼钢最基本的保障

2.1　超高功率电弧炉是以电气特征命名
　　由美国人W.E.Schwabe提出的超高功率电弧炉是在60年代电炉炉型增大、电炉变压器水平提高的背景下产生的［1，2］，近年来，超高功率电弧炉及其配套技术的飞速发展，表现出许多优异特性和竞争力。一些冶金工作者认为“UHP”应为超高性能(Ultra-HighPerformance)［3，4］，因为1台合格的超高功率电弧炉并不只意味着比功率级别的提高，而是综合性能的改善；也有一些冶金工作者认为，“UHP”应为超高生产率(Ultra-HighProductivity)，因为超高功率电弧炉的目的就是缩短冶炼时间，提高生产率；还有一些冶金工作者认为应将“UHP”改为“UHE”(Ultra-HighEfficiency)［5，6］，因为超高功率电弧炉的许多新技术都围绕节能降耗、有效利用能源而展开。此外，还有最佳节能炉“EOF”(EnergyOptimiseFurnace)、电转炉“EAOF”(ElectricArcOxygenFurnace)［7］等说法，但都没有得到冶金界一致公认，因为这些提法或过于笼统、或过于偏重，只反映了超高功率电弧炉及其配套技术发展的某些方向或趋势。超高功率(UHP，Ultra-High-Power)还反映了电弧炉发展最本质、最具代表性的特点，这也表明电气运行一直是电弧炉发展的原动力和技术保障。
2.2　电气运行是制定冶炼制度的基础和保障
　　冶炼一炉钢首先要确定需要多少能量，以电能为主要能源的电弧炉炼钢首先要保证安全、稳定的提供电能。电弧炉是巨大的电能用户，三相电弧炉变压器的容量可达几十兆伏安，且所需功率数值在炉子工作期间急剧地大幅度地波动。这就有一个怎样提供电能的电气运行问题。
　　在制定工艺制度时，要考虑变压器容量、变压器的利用系数、对电网的干扰(闪烁、谐波)、功率因数等电气问题，因为这关系到冶炼时间、冶炼反应、出钢温度等工艺基本问题。采取合理的供电制度不但可保证工艺的顺行，还可缩短冶炼时间、降低吨钢电耗、减少对电网干扰。
　　一台正常工作的超高功率电弧炉，必须有合理的电气运行制度与之相匹配，如果电气运行制度不合理，不仅会使电耗增高、电极损耗加大、耐材侵蚀严重、冶炼周期延长，甚至可能造成操作无法进行。
2.3　电气运行与电炉炼钢配套技术密切相关
　　不但电炉本身的技术发展与电气运行密不可分，许多电炉配套新技术也都围绕电炉的电气运行而展开，不少配套技术的实现，需要电气运行做相应的改变。
3　讨论与分析
　　据统计，目前全世界粗钢产量的30由电炉生产，我国电炉钢也约占总钢产量的20左右。国内外电炉炼钢的发展一方面推动我国电炉炼钢技术的进步和变革，同时也对电炉工作者提出更高的要求。特别是在当前日益激烈的市场竞争下，我国电炉炼钢企业面临着严峻的形势和巨大的压力，因此进一步降低成本、节能降耗，成为冶金企业特别是电炉炼钢企业增强竞争力的主要手段之一。
　　我国在优化供电、导电电极臂、电极调节器、直流电弧炉等方面取得了不同程度的进展。近年来，我国还陆续从国外引进多台各种炉型的大型超高功率电弧炉，如仅江苏省地区就引进11台超高功率电弧炉。但是，虽然引进电炉的设备达到国际先进水平，但操作和生产运行还远未达到相应水平，因此，对引进的设备还存在合理使用的问题。
　　以往，国内有关交流电弧炉炼钢电气运行的研究还很大程度上局限于小变压器容量、小炉子(＜30MVA)的水平上，对超高功率电弧炉尤其是大型超高功率交流炼钢电弧炉的认识和研究都不多。因此，对大型交流电弧炉电气运行进行合理化研究，不仅具有实用价值，还具有广泛的指导意义，有助于迅速提高我国炼钢技术水平。

本文部分研究内容属国家计委“九五”攻关项目子课题，1998年3月通过原冶金部技术鉴定。