５６ 童加熟 ２０１３年第４２卷第４期 ＶＯ１．４２ ＮＯ．４ ２０１ ３ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＨＥＡＴＩＮＧ ＤＯＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００２—１６３９．２０１３．０４．０１７ 炼钢电弧炉加热工艺的革新 马亚刚，史建宏，刘 征，屈光亚 （西安桃园冶金设备工程有限公司，陕西西安７１００７７） 摘要：介绍了炼钢电弧炉炉料预热的重要性和加大留钢量的优越性。在大留钢量的钢水中熔化废钢炉料会形成纯平熔池操作，这 种操作方式能降低电压闪变和提高热效率。固体废钢炉料和钢水之间的热交换是靠炉底吹氩搅拌来改善的。最后，给出了不同加 热方式的加热效果。 关键词：电弧炉；炉料预热；连续加料；纯平熔池操作 中图分类号：ＴＦ７４１．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２－１６３９（２０１３）０４－００５６—０３ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ ＥＡＦ ＭＡ Ｙａｇａｎｇ，ＳＨＩ Ｊｉａｎｈｏｎｇ，ＬＩＵ Ｚｈｅｎｇ，ＱＵ Ｇｕａｎｇｙａ （Ｘｉ’ａｎＴａｏｙｕａｎＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ ７１００７７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆｓｃｒａｐ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆｔｈｅ ｂｉｇ ｖｏｌｕｍｅ ｈｏｔ ｈｅｅｌ ｉｎ ｓｕｐｅｒｓｉｚｅｄ ＥＡＦ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｍｅｌｔｉｎｇ ｏｆ ｓｃｒａｐ ｉｎ ｔｈｅ ｂｉｇ ｖｏｌｕｍｅ ｌｉｑｕｉｄ ｈｅｅｌ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｐｕｒｅ ｆｉａｔ ｂａｔｈ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌｏｗｅｓｔ ｆｌｉｃｋｅｒ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｈｅｅｌ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｅｈｅａｔｅｄ ｓｃｒａｐ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｂｏｔｔｏｍ ｓｔｉｒｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａｒｇｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｈｅａｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｅａｔｉｎｇ ｍｏｄｅ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＥＡＦ；ｓｃｒａｐ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｈａｒｇｉｎｇ；ｐｕｒｅ ｆｌａｔ ｂａｔｈ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ 当前，世界上越来越多的国家为了提高能源效率、 降低Ｃ０２及其他有害气体排放量，提高了对电弧炉炼钢 的环保要求。因此，电弧炉炼钢厂需要实行低成本、高 生产率和环保型的生产工艺。所以，近十几年来，高效 率的炉料预热和大量留钢操作工艺在电弧炉炼钢行业逐 渐得到推广，并且将该种工艺称为炼钢电弧炉加热工艺 的革新。 态钢水）工艺，满足高效率、高生产率、低成本、低有 害气体排放的要求。由于电弧加热区和竖井加料区分开 布置，使得加料时不断电，这样就能减少电压闪变对电 网的冲击。运行结果证明：这种新加热工艺的效果满足 了较低生产成本、较高生产率和环保要求。无疑，它是 炼钢电弧炉加热工艺的发展方向。 西门子－奥钢联公司设计的炉料预热和大量留钢操作 电弧炉（当出钢量为１００ｔ时，留钢量为７０ｔ）获得了良 好的技术经济指标：当利用电弧炉排出的烟气预热１００％ 的废钢炉料时，从出钢到出钢的时间降至３３ ｍｉｎ以内， 吨钢电耗低于２８０ ｋＷ・ｈ。这种新型电弧炉具有以下优 点：①由于采用了固定的竖井结构和可移动的下炉壳，使 １ 电弧炉加热工艺革新概念 由于近十几年来，电弧炉容量和炉壳直径的不断扩 大以及泡沫渣操作的实践，电弧始终被泡沫渣所覆盖， 只有电弧直下方的废钢炉料能被快速熔化，对距离较远 处的炉料辐射热较弱，使得电弧对较远处炉料的熔化能 力大大减弱。因此，在大型电弧炉中，只利用电弧辐射 热的方法来熔化整个电弧炉中的废钢炉料的方法不够理 想，最好的方法就是将被预热好的废钢炉料，加到炉内 的热态钢水中实现快速熔化。从传热原理来看，就是采 用热传导和热对流机理。具体办法是在出钢后，在熔池 得密封性非常好，因而杜绝了外部冷空气进入炉内；②改 进了的梯形竖井设计，使竖井中炉料分布处于最佳状态， 从而达到最佳炉料预热效果，此特点对于较低堆密度的 废钢料而言，提高预热效率更为明显；③新设计的炉料 缓冲系统，可以调整和延缓废钢炉料加入炉中的进给速 度，从而可以减少废钢炉料对炉衬的冲击。 中保留有大留钢量的钢水，利用传导热和对流热，加速 对废钢的熔化。这种新型电弧炉炼钢工艺已经在世界各 地开始运行。西门子一奥钢联公司率先研制成功的新型 １００ ｔ电弧炉就是采用炉料预热和大留钢量操作（浇余热 收稿日期：２０１３—０３—２３；修回日期：２０１３－０４—０３ 作者简介：马亚刚（１９７２一），男，工程师，从事炼钢设备的设计工 作． ２新型电弧炉加热工艺的革新措施 ２．１炉料预热 为了提高炉料（废钢或海绵铁）的熔化速度、提高 炼钢效率和能源效率、降低ＣＯｚ及其他有害气体排放量， 利用炼钢电弧炉排出的高温烟气对１００％的废钢炉料进行 预热，是节能降耗和提高生产率的一个非常重要的手段。 炉料预热系统是利用电弧炉炼钢所产生的高温烟气，流 ２０１３年第４２卷第４期 ＶＯ１．４２ ＮＯ．４ ２０ｌ ３ 童 熟 ５７ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＨＥＡＴＩＮＧ 经中间有空隙的废钢原料预热区来对废钢进行预热。这 种废钢预热装置是由一个梯形竖井结构和炉料阻挡机构 来组成的。这种结构设计能使炉料分布均匀，而且能使 流经被预热炉料中的烟气气流流向获得最佳效果。当炉 料被预热后，需要加入炉内时，只要将竖井中的诸多手 指缩回至竖井的侧墙中，加料口被打开，预热好的炉料 就能加至电弧炉中。 ２．２加大留钢量 当采用大型电弧炉冶炼时，电弧一直被泡沫渣所覆 盖和包围，电能被高效率地传输到液态熔池和泡沫渣中， 电弧在泡沫渣中实现埋弧燃烧、从而导致炉子在较高功 率因数下运行，使有功功率加大、无功功率减小。但是， 另一方面却减少了电弧对较远处废钢的热幅射，所以， 在大型电弧炉中，由于炉壳直径加大，采用传统的电弧 炉炼钢工艺，仅仅利用电弧辐射的方法来熔化整个炉子 中的废钢炉料就有一定的弊端。为解决这一弊端而加大 留钢量（余留钢水量为出钢量的６０％ ７０％最好）后， 炉料的熔化都在高温钢水中进行。采用这种炼钢工艺， 首先，废钢炉料在预热室内被预热到６００℃以上；其次， 当将其加入到电弧炉熔池中之后，它便被１ ５６０～１ ５８０℃ 的钢水包围，承受了高温传导热和对流热，从而加快了 熔化速度。 在传统的电弧炉炼钢工艺中，由于电弧始终被泡沫 渣所覆盖，只有电弧直下方的废钢炉料被快速熔化，而 对较远处的炉料辐射热较弱。对远处炉料熔化速度较慢 的原因，可由电弧辐射强度Ｑ 公式来解释，即 Ｑ ＝Ｉａ ／ｄ （１） 式中：厶为电极电流，Ａ； 为电弧电压，Ｖ；妫电极至 炉墙之间的距离，ｍ。 由式（１）可以看出：电弧热辐射强度Ｑ 和电弧电压 的平方成正比，和距离ｄ的平方成反比，距离越远，辐 射强度就越弱。在大留钢量操作工艺中，由于炉内始终 保持有大量的液态高温钢水，加入到熔池中的废钢不是 完全依靠电弧的辐射热来熔化的，而是借助于高温的液 态钢水和废钢之间的热传导和热对流来熔化的，这种加 热方法，熔化炉料速度非常快，热效率非常高。 ２．３纯平熔池操作 大量留钢操作工艺使炼钢一开始就容易造泡沫渣和 埋弧操作，起弧也比较平稳，减少了电弧电流的波动和 电极震动，这种工艺也可称作纯平熔池操作，纯平熔池 操作可以提高加热效率。同时，这种冶炼工艺有效地减 少了电弧辐射对耐火材料的烧损，而且与同等能力的电 弧炉相比，配备的变压器容量可减小２５％４０％左右。 纯平熔池操作使得加料、出钢和第四孑Ｌ加合金料都是在 不断电状态下进行的，因而能获得高生产率和缩短熔炼 时间的良好效果。另外，在设备功能方面还采用了炉底 吹氩搅拌系统，使熔池内钢液化学成分和温度场均匀化。 总之，采用大量留钢操作工艺，形成新的加热机理，可 以连续输入电能，能显著提高炼钢生产率，并且还具有 低电压闪变、低谐波发生量、对供电电网冲击小等优点。 具有３次装料的新型电弧炉工作时间模式图如图１ 所示［１１９４。 ● 删 输入电功率一一氧枪吹氧 图１ 具有３次装料的新型电弧炉工作时间模式图 ３满足新工艺的电弧炉设计 由于炼钢厂要求不断地提高生产率和提高产品质量， 所以电弧炉的操作工艺也在不断地改进之中，为了适应 这种需求，电弧炉的设计必须要做相应的革新，以满足 炼钢工艺改进的要求。但是，由于已有的电弧炉设备结 构设计的局限性制约了炼钢工艺的改进，例如原有电弧 炉炉体结构部分的几何尺寸与新工艺不相适应等，为了 实现大留钢量操作工艺，需要对电弧炉炉体结构作以下 改进设计：①加大下炉壳的直径和深度，增大熔池容积， 以便容纳大量留钢量；②炉膛应有充分空间能容纳大量 泡沫渣，并使泡沫渣能完全淹没电弧，以提高炉衬耐火 材料使用寿命；③整个炉内渣的成分和浓度要均匀，以 便使炉渣全部泡沫化。 图２示出了新型电弧炉出钢工艺过程画面。由图２ 中可看出，在出钢槽上方一直有钢水存在，并且没有炉 渣进人钢包中（无渣出钢）［１１９４ ｏ 图２新型电弧炉出钢过程画面 美国Ａｕｂｕｒｎ市纽柯钢厂改进设计的电弧炉为了容纳 ５８ 童加 ２０１３年第４２卷第４期 ＶＯ１．４２ ＮＯ．４ ２０１ ３ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＨＥＡＴＩＮＧ 大量留钢量（浇余钢水），而采取加大下炉壳设计的电弧 炉，其结构图如图３所示 ］ 。 图３纽柯钢厂的加大下炉壳电弧炉结构图 纽柯钢厂加大下炉壳的目的，是为了加大留钢（浇 余钢水）量和容纳大量泡沫渣。由于下炉壳加大，新炉 子中心线向出钢方向移出１．６５ ｍ。改造后，加快了熔炼 速度，提高了热效率和产量。 ４不同型式电弧炉的主要指标对比 不同型式电弧炉的主要技术数据及消耗指标对比示 于表ｌｌｌｌ９ 。 表１ 不同型式电弧炉的主要技术数据及消耗指标对比 参数／单位 常规电弧炉具有大留钢量的新型电弧炉 出钢量（平均）／ｔ １ｏ０ 留钢量（剩余热态金属）／ｔ ｌ５ 下炉壳直径／ｍ ６．２ 每炉加料次数 ２ 变压器容量／ＭＶＡ １００ 碳、氧枪参数 氧气／ｍ ・ｈ ４×１ ８００ 碳粉／ｋｇ・ｍｉｎ ６０ 喷嘴功率／ＭＷ ５ Ｘ ３．５ 生产率和时间 通电ｌｔ￣ｌｈｑ／ｍｉｎ ３５ 每炉总断电时间／ｍｉｎ １２ 出钢到出钢时间／ｍｉｎ ４７ 小时生产率／ｔ・ｈ＿。 １２８ 年生产率／１０ ｔ・Ｙ ９６ 消耗量数字（出钢温度：１ ６１０℃） 电能消耗爪ｗ・ｈ・ｔ ３７０ 电极消耗／ｋｇ・ｔ １．４ 氧气消耗／ｍ ・ｔ ４０ 天然气消耗／ｍ ・ｔ ６ 碳（加入和喷射）／ｋｇ・ｔ ２５ ＣＯ２排放量（按德国标准）／％ １Ｏ１ 在电弧炉炼钢当中，最大的能量损耗就是出现在排 出的高温废烟气中带走的能量，因此，提高电弧炉效率 的方法之一就是对高温烟气回收和利用，减少这一部分 损失。本文介绍的新炼钢工艺和结构提供了解决这一问 题的好方法，它能降低电能消耗和电极消耗，减少约３０％ 的ＣＯ２排放量。 炉料预热和留钢操作工艺不仅适用于大型高生产率 的电弧炉炼钢厂，也适用于小型特钢厂，都能达到节能、 降耗、减排的目的。 此外，由于全自动化操作和在电弧炉区域没有天车 加 ，舳移动，又不需要料筐，所以安全性非常高。由于排烟除 尘系统的容量可以减小，炼钢成本就降低了。再者，这 种新炼钢工艺的炉料可用废钢、直接还原铁（ＤＲＩ）以及 一部分热装铁水。其突出特点是：无渣出钢、实行大留 钢量操作、纯平熔池操作，不产生电压闪变，对电网冲 击小，既使较小容量电网也能使用。所以该种电弧炉新 加热工艺不失为电弧炉加热工艺的发展方向，应予以大 力应用和推广。 ５结论 本文介绍的电弧炉冶炼新工艺经实践证明具有全方 位的优点，它们是： （１）电耗低，吨钢电能消耗低于２８０ ｋＷ．ｈ； （２）炼钢速度快，出钢到出钢时间在３３ ｍｉｎ以内； （３）生产率高，一台１００ ｔ电弧炉，年产钢量为１３６ 万ｔ： （４）加料、出钢、炉顶加合金料均在带电状态下进行； （５）变压器容量小于常规电弧炉； （６）废烟气处理方法新颖，是最佳环境友好型； （７）由于采用炉料预热、炉料在大留钢量钢水中熔 化、纯平熔池操作，则熔化速度快、热效率高，对电网 冲击小； （８）电极消耗比常规电弧炉小３０％； （９）总运行成本比常规电弧炉低２０％； （１０）电弧炉排出烟气量降低３０％。 参考文献： 【１］ＭＡＲＫＵＳ Ａ，ＭＩＣＨＥＬ Ｈ，ＨＡＮＳＪＯＲＧ Ｈ．Ｈｉｇｈｌｙ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ ａｔ Ｅｘｔｒａ Ｌｏｗ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｓｔｓ［Ｊ１＿ＭＰＴ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１ １（３）：９２—９６． ［２］ＫＥＶ１Ｎ Ｃ，ＥＲＮＥＳＴ Ｍ．Ｒｅｃｅｎｔ Ａｒｃ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｒｅｖａｍｐｓ ｆｏｒ Ｉｍ— ｐｒｏｖｅｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１（１）： ５２—５８． ２×
