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1、UHCP（超高化学能）电炉的设计与性能?14?2007年第4期UHCP(超高化学能)电炉的设计与性能王贵平译岳喜全校l前言建造有超高化学能输入的电弧炉是一个趋势,这种电炉约有40%的能量由烧嘴提供.为r更完全地利用这些化学能需要对炉壳设计进行改进,减少熔池及炉墙表面积,以降低向炉壳的辐射散热量,从而提高传热效率和废钢使用量,还需要基于烟气成分分析对过程实施动态反馈控制.最近完成的项目及新的电弧炉(EAF)订单表明在电炉设计上的一种趋势,即采用更高的化学能以提高生产率.根据基本指标分析,对运行结果进行评估,可以看出,目前的这种设计标准要优于几年前的最好水平.影响这种工艺的关键因素在于:?使用高化
2、学能;?炉壳设计.EAF上的烧嘴及超音速氧气喷吹量大大增加.吨钢氧气喷吹量接近于氧气转炉.这种高能量输入要求采用不同的炉型设计和不同的有效过程控制设备.而这种不同设计概念的结果就是超高化学能电弧炉UHCPEAF.2高生产率电炉ConcastAG是SMS集团的子公司,它是一家集技术,工程,安装及设备的全面供应商,提供用于生产长材(用废钢和直接还原铁生产的大方坯,异形坯,圆坯及小方坯)的电炉,钢包炉及连铸设备.最近,Concast已新建或改造了多台电炉,这些电炉都采用了已被现场实际操作验证的统一数据库.近三年来的电炉性能趋势显示,电炉生产正在发生一些变化.在为土耳其IcdasCelikEnerji
3、TersaneveUlasimSayayiAS(Icdas)新建一座炼钢厂时(该厂于2003年11月投产)出现了一个新情况一座电炉显示出出众的表现.Icdas厂的电炉公称容量为175t,能量输入需要达到较高的水平(变压器功率为168MVA,吹氧量21000Nm/h,天然气输入功率39MW),并需对其带有废钢预热装置的综合烟气系统在设计,结构和实际操作上进行全面改进.Icdas厂电炉生产优质小方坯时的一般指标为:?生产率:230t/h;?耗电量:325kWh/t(使用冷废钢);?耗电量:290kWh/t(使用预热至200cI=的废钢);?总氧耗:47Nm/i;?总天然气消耗:6Nm/t;?电极消
4、耗:0.9kg/t.这座电炉表现出与几年前的普通电炉相反的出众性能.普通电炉在公称容量为80t时效率最高,炉容再增大效率就会降低.这.太钢译文?l5?说明该电炉在今后有投资价值.我们注意到,在Icdas之后建造的其它炉容量较小的电炉也显示出优良的性能.这种新电炉的主要特点就是采用了UHCPEAF设计.3基本指标分析要对UHCPEAF的基本特性进行对比分析,需要两组不同数据:历史数据和当前数据.历史电炉数据主要来源于10年前ABB(ABB电炉部在1997年被Concast兼并,并入Concast电炉部)的电炉数据及1997年后Concast的电炉数据.为使分析能够涵盖全部炉容范围,对比了4座UH
5、CP电炉(这4座电炉的炉容量分别为60t,80t,100t和175t)的数据.图中画圈的是UHCPEAFs的数据,其余为Concast其它电炉的数据.当今的新电炉的趋势是较大的炉壳直径以及产能和消耗指标的明显改善.对小电炉进行改造的目的就是要进一步缩短冶炼周期,降低单位消耗值.两方面的市场原因迫使生产商去大大提高电能和化学能的输入功率.缩短冶炼周期通常意味着非常高的电能输入功率.UHP指数(图1)的提高主要是出于产量增长的需求,但会大大影响电极侧炉壳及耐材的寿命.图1目前ConeastEAF的UHP指数(画圈的点为UHCP电炉)短短几年,辐射指数R1就从130kW/cm提高到250kwV/cm
6、,增长了近90%.UHP指数平均为1.0MVA/t,但在一次性装料情况下的峰值会达到1.5MVA/t.在化学能使用更便利的国家普遍要求降低电能消耗,加上快速冶炼的需求,导致了新一代燃烧器及氧气喷嘴的产生.烧嘴及吹氧管的快速安装自动提高了对化学能输入的要求,如图2所示.图2烧嘴能量(红色)及电能输入(画圈的点为UHCP电炉)有两种不同的选择:?增加烧嘴和吹氧管数量;?增大烧嘴和吹氧管的功率.为减少维修,简化电炉设备,Concast选择了第二种方法,同时引入了有效的过程控制设备.UHCPEAF的烧嘴能量输入约占电能输入的40%,也就是说,比总能量输入多30%.一般而言,要改善电炉性能,化学能输入量
7、与电能输入量的比值要高.对大电炉来说,不仅要考虑相对能量输入,也要考虑绝对能量输入:而这些又导致能量输入控制及其实现手段的选择.近几年电炉技术和设计的革新显示正在发生着一些变化,我们将在后面讨论这一话题.UHCP电炉还需要选择不同的力学设计参数.其中之一就是炉容指数(VI)=面y,/容积)m/m.降低VI可以延长废气在炉内的停留时间,从而提高炉气与废钢间的传?l6?2007年第4期热效率.此外,增大炉容有利于增多废钢的填充量和优化废钢在炉内的分布.而且在开炉盖及浅熔池操作时,熔池表面的辐射散热减少,同时减少了水冷炉壳面积,从而降低了水冷炉壳散热量.降低VI的主要缺点是,提高了电弧辐射指数(砒)
8、及水冷炉壁的理论热应力.另一个缺点是在冶金学方面,它减少了钢液熔池表面积,从而减少了钢一渣反应面积.图3,图4所示分别为熔池钢液表面积与电炉容积的比(三角形数据点)及炉墙总面积与电炉容积的比(方形数据点).不同颜色的圆形的数据点分别为4个UHCP电炉的指标值.图3为10年前的电炉数据,图4为近lO年来的电炉数据.图31O年前不同炉容量电炉的几何指数数据点:菱形为熔池表面积炉容积,方形为炉墙总面炉容积,圆形为UHCP数据摇j?.ctm.:一-0i?.S薹?0/.-lCqmR.,1?一谕.一i耐赫一一.妒量/t图4近lO年来不同炉容量电炉的几何指数一般而言,新型UHCP电炉的指数比老式电炉低20%
9、以上.过去l0年中安装的电炉与早期电炉炉型不同,主要原因是需要分两篮装入轻型废钢.从机械性能角度而言,我们有必要对水冷炉壁(WCP)进行讨论.在现在的电炉中,由于电弧及烧嘴和吹氧管的作用,水冷炉壁所受的热应力很大.输入功率的提高直接影响了水冷炉壁,目前一般采用具有独立水循环系统的两片式(一片为铜板,一片为钢板)结构制造.根据热负荷的不同,对每块水冷板设定相应的冷却水流速.由于安装了吹氧管,在喷吹超音速氧气流时热负荷会急剧增加:在很短的时间内冷却水温度会提高一倍.近几年的水冷炉壁技术发展,降低了冷却造成的热损失.开发了多层或双层水冷炉壁这是一种内部采用低导热系数惰性材料的复合水冷炉壁.采用这种绝
10、热性高的炉壁,降低了向冷却水的传热量.较高的绝热性能使炉壁内表面的温度更高(约达l100),从而使炉气温度更高,改善了向炉料的传热.4过程控制系统炉型是影响电炉性能的重要因素,但安装的过程控制系统则是更加重要的影响因素.UHCP电炉的主要过程控制系统为:?可稳定电弧操作的先进电极调节系统(ERS);?为降低过热期裸电弧的危害,采用了带有碳粉喷嘴的炉渣控制系统(SCAD);?使用高效喷嘴的高功率烧嘴及超音速吹氧管(ConsoTech);?氧气和碳粉喷枪采用实时烟气分析,反馈控制系统(teD).这些过程控制系统是有效的功率输入控制所必需的,是UHCP电炉实现最佳性能的保障.太钢译文?17?例如,E
11、RS和SCAD与电弧控制密切相关,能够确保电弧稳定和埋弧良好.良好的电极控制能够改善电能输入(即时功率)和电极消耗,并且影响精炼期的电耗和耐材寿命.同样,氧气利用技术也会影响电炉效率.ConsoTech和IPD会直接影响化学热的传递效率,并影响电极消耗和耐材寿命.烧嘴效率对化钢期有重要影响,能够实珊决速化钢并保证熔池均匀.而吹氧效率则与电极消耗,熔池喷溅或耐材消耗有间接关系.由于有了IPD系统的烟气实时激光分析系统,可以实时确定氧气利用率,并对吹氧操作进行控制.如前所述,冶炼周期的缩短也大大改变了化学能输入的方法.5基本指标电炉性能基本指标中最重要也最常用的一个就是单位电耗.图5为生产小方坯时
12、的单位电耗(红线)及总电能消耗(黑线),单位为kWh/t.此数据为目前Concast电炉的数据.划圈的是UHCP电炉的数据,它们都显示出卓越的性能.图51O年前不同炉容量电炉的几何指数第二个基本指标是单位生产率与输入总能量(化学能+电能)之比(见图6).应强调的是,送电功率对生产率的影响很大(炉子毕竟是电炉),因此图6应与图1中的UHP指数结合起来一起看.UHP指数越大,单位生产率越高.L鲫L6oLL20囊n6onG姗吼电炉的性能指教单位生产事与总l芑量2,aclg(t/WkW)图6单位生产率与总能耗之比画圈的为UHCP电炉两台UHCP电炉的指标均达到最佳,它们的UHP指数都在1MVA/t以上
13、.这说明大炉容量有利于生产率的提高.这一指标值的单位为t/h/MW.另一个常用指标是单位氧耗.普通电炉平均单位氧耗为3540Nm/t,而UHCP电炉则要高出20%一30%.这些数据来自采用全废钢的电炉,因此可以认为化钢期操作基本是相似的(图7).I丫:;l图7总氧耗(画圈的为UHCP电炉)更重要的指标是供氧强度,见图8.它是考查操作及电炉本身的重要指标.值得指出的是,氧气转炉的供氧强度极限约为180Nm/h/t,而UHCP电炉的供氧强度极限可达到150Nm/h/t.这个指标的计算方法是,吹氧管氧气流速与出钢量之比Nm/h/t.采用废钢的电炉很少能够达到150Nm/h/t的极限值,仅在?18?2
14、007年第4期.采用DRI或铁水的电炉中能够达到这一水平.羹Idr1/.;3-_.图8供氧强度(画圈的为UHCP电炉)如前所述,当冶炼周期缩短到约30min时,必须提高氧气浓度.采用目前的吹氧技术,可在5rain的过热时间内达到要求的脱碳率.可通过熔池表面供氧强度对这一指标做进一步分析(图9).该图显示,当氧气利用率较高时,这一指标值达到较高水平.这一指标值比传统电炉高出近三倍.指标的计算方法为,吹氧管的氧气流速比熔池表面积Nm/h/m.:.卜一5;-.-.-旱:.一;.;_/.?.一i.l!;f;T图9熔池表面供氧强度(画圈的为UHCP电炉)6化学能效率最后一个需要讨论的问题是输入化学能的利用率(和化学能的传热效率).这是一个很难回答的问题,因为它们不易被测定.电能是连续测定的;同样,也能够对天然气(或液化石油气)和碳粉提供的总能量进行估算,
