电弧炉炼钢专题
《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》指出，钢铁工业是实现绿色低碳发展的重要领域，应有序引导电炉炼钢发展，鼓励有条件的地区开展电炉钢发展示范区建设，探索新技术、新装备应用。力争到2025年，电炉钢产量占粗钢总产量比例提升至15%以上。为助力我国电弧炉炼钢技术的发展，《世界金属导报》策划组织了“电弧炉炼钢”专题，探讨了原料配置、能源优化、减少物料消耗等方面内容，以促进电弧炉炼钢技术进步与创新。
利用科学合理的电弧炉供电制度来协调电力波动和稳定电弧的操作是非常重要的，电极消耗是电弧炉生产成本指标之一，二次短网采用较高电压可以减少电极消耗。然而，电压正比于电弧长度，泡沫渣屏蔽不良会造成电弧辐射炉墙，在设计上必须考虑这点。此外，对于电弧炉炉料的选取采购、耐材的侵蚀和水冷件漏水造成的安全隐患，都需要考虑高电压长弧造成的影响。
本研究描述了泰纳瑞斯钢铁公司（TenarisTamsa）开发的优化电弧炉供电制度的方法：①研发了一个简单的电弧炉控制系统模型，允许创建相应的程序，模拟计算钢水化学成分和供电制度曲线，配置主要关键性能指标（KPIs）；②通过电弧炉冶炼熔化废钢不同阶段水冷件热负荷的特性，监控水冷件水温高事件，并进行统计，计算其供电效果。
电弧炉的特点
泰纳瑞斯钢铁公司电弧炉是典型的三相交流电弧炉，采用偏心炉底出钢系统（EBT），容量为200t钢水（留钢量为40t），变压器功率为135MVA。配置有高压电抗器、4个炉壁氧枪、4个碳枪、2个石灰喷枪、6个氧燃烧嘴、1个超音速炉门氧枪（用来清理渣门和炉门口吹氧）。电弧炉中加入的金属料约为180t，其中约70%为废钢，20%为生铁，10%为还原铁。通过两料篮或三料篮加入废钢和生铁，料篮的体积为80m³；通过炉盖上方传送带加入还原铁。
本研究不考虑三料篮加料情况，因为使用三料篮生产的比例不到1%。通电冶炼过程分为三个主要阶段：第一料篮中的废钢与生铁熔化；第二料篮中的废钢与生铁熔化；形成平熔池后，升温达到出钢要求。
电弧炉水冷件
电弧炉有12个水冷件，每个水冷件在水回路出水端安装有温度传感器，与报警系统相连接，达到一定的高水温数值时，触发报警信号，有三种不同的处理级别：关闭燃烧器、切断水冷件供水和停止电弧炉生产。每一个警报都被登记为一个事件，从中可以收集有价值的统计信息。
供电操作控制
电弧炉供电由自动化系统控制，用户可以操作模块来设定化学能和调节电能输入，将过程分为按特定总能耗（电能+化学能）控制的步骤，在自动操作模式下，主要配置参数：①变压器档位；②电抗器档位；③ 电流大小；④ 燃气和氧气流量；⑤ 吹氧量；⑥喷碳量；⑦喷入石灰量。
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电弧炉炉壳热负荷特性
由于高电压拉弧操作，每当改变配电曲线时，保持对水冷件辐射的控制至关重要，原因如下：
①从过去的经验来看，冶炼一定炉数后，钢质水冷件出现横向裂纹，引起小范围漏水， 如果没有发现，这将导致高风险，造成耐火材料和下炉壳损伤，钢水将泄漏出来。如果检测到裂纹，需要花时间来修复，导致生产率降低。
②电弧光辐射到耐火材料上，例如靠近电极区域的热区，其耐材侵蚀加快，炉龄变短。
③电弧光造成水冷件高温报警，造成频繁停炉处理而影响生产率。
为了衡量电弧辐射效应，使用安装在每个水冷件出水口处的温度传感器，它的信号是完整冶炼一炉钢的水冷件温度曲线。假设任何一个水冷件的水温超过设置的上限值，就会产生警报事件。在设计功率分布时，要考虑辐射特性。例如，当电弧暴露程度较高时，降低电压和功率输出，以减少报警事件发生的可能性，从而降低耐火材料侵蚀和水冷件损伤。
分析水冷件水温高事件的统计数据发现，事件最高概率就是电弧暴露时刻。
这一信息也被用来描述电弧炉内部的热区，通过分析事件的位置来确定温度升高的水冷件。电弧光辐射最为严重的区域，温度不均匀，形成过热的热区。
为了平衡热量的分布，在新的功率分布中，靠近过热电极区域的烧嘴保持关闭状态，取而代之的是石灰喷枪，以保护下炉壳耐材和上炉壳的水冷件，提高电弧传热效率。
新供电制度的设计
新供电制度考虑：①使用尽可能高的电压达到最大输电功率，使得电极消耗最小。② 计算的90MW功率曲线保持类似的正弦功率因数，以保持电弧的稳定性。③电弧暴露时期，保持类似的电弧辐射。④修改吹氧设计，获得类似的电能和化学能消耗。
在此基础上，开发出了新的供电、供氧制度曲线。电弧暴露辐射较少的时刻，是增加功率输入的理想时刻，对辐射指数的影响较小。在电弧暴露阶段，必须降低功率输入。考虑到这些，并使用模拟器模拟，新供电制度的平均功率每炉约为100MW。为了计算潜在效益，产量计算考虑了断电期间出钢量大小等，见表2。
比较了90MW和100MW功率配置和辐射指数计算值，高电弧辐射时刻的辐射指数几乎保持不变，平均仅增加3%，可以忽略不计，将在工业试验中得到证实。
表3显示了在主要技术经济指标上使用新功率的结果和对生产率的好处。排除15min以上中断时间的炉数，就可以排除启动的影响。
新供电制度的亮点在于：①产量增加16.6t/h。②由于提高平均功率和减少断电施加，增加了产量。③ 增加平均功率后，电能和化学能消耗类似，达到预定目标。④ 增加平均功率后，炉壳水冷件高水温报警事件基本相同，实际报警次数还低一些。
本研究以最小的风险平稳地获得积极的结果，产量上升9.8%，高于预期效果，保持了能耗水平不变，水冷件高水温报警率更低，所开发的模拟器和高水温高事件分析功能非常强大。
本文为部分内容，全文请参阅《世界金属导报》10期B03。
▲ 《世界金属导报》10期 B03
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