电炉冶炼节能最权威

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1、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

2、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，

3、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

4、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。

5、 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

6、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

7、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X

8、op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

9、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

10、； 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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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、F