馮勝山，楊太平，嚴(yán)加孟

（1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)電研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430070；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，江蘇 南京 21000）

三相交流電弧爐和感應(yīng)電爐是鑄鋼的兩種主要熔煉設(shè)備。與感應(yīng)電爐比較，三相交流電弧爐具有如下主要優(yōu)點(diǎn)：電弧爐爐渣參與冶金反應(yīng)，可有效去除硫和磷；對(duì)原材料的要求較低，可以使用廢鋼和鑄造回爐料以任何比例組成的爐料；鋼水質(zhì)量容易得到保證，適于生產(chǎn)各種鑄鋼件。但是也有不足，例如：元素?zé)龘p較多；無(wú)電磁攪拌作用，不利于鋼液溫度均勻和夾渣上??；加熱速度較慢，熱效率較低，能耗較高。據(jù)測(cè)算：輸入電弧爐的能量只有約57%直接用于煉鋼，其余43%左右為損失熱量，其中約12.5%為爐蓋和爐壁冷卻水的熱損失，約23%為廢氣帶走的熱損失，約7.5%為爐渣帶走的熱損失。因此，電弧爐節(jié)能是一個(gè)重要課題。

電弧爐節(jié)能可從以下四個(gè)方面著手：1）采用熔煉新技術(shù)減少熱損失；2）降低電弧爐有關(guān)電氣設(shè)備的電能損耗；3）采用直流電弧爐；4）加強(qiáng)生產(chǎn)管理，降低能耗。

1 采用熔煉新技術(shù)

1.1 高功率煉鋼法

高功率煉鋼法是通過(guò)增大熔化功率，加大熔化電流，縮短熔化時(shí)間，來(lái)達(dá)到節(jié)能目的。許多企業(yè)采用這項(xiàng)技術(shù)后，取得了較好的節(jié)能效果。如某廠的3 t電弧爐，原變壓器容量為650kVA，在變壓器容量改為1250kVA后，熔化期時(shí)間縮短了一半左右，噸鋼電耗也隨之降低。

但在采用高功率煉鋼法時(shí)，應(yīng)注意供電曲線的合理選用，不能整個(gè)過(guò)程都采用高功率煉鋼，否則不但不會(huì)使煉鋼單耗降低，反而會(huì)使單耗增加。如某廠一臺(tái)5t電弧爐，變壓器擴(kuò)容后，整個(gè)過(guò)程都采用高功率煉鋼，結(jié)果煉鋼單耗反而上升了46kW·h/t。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)電弧爐的特性曲線確定作業(yè)電流，同時(shí)按熔煉各時(shí)期的特點(diǎn)確立用電規(guī)范。

目前，我國(guó)鑄鋼行業(yè)所用的電弧爐數(shù)量很多，卻很少有測(cè)定電弧爐用電特性曲線的。圖1是電弧煉鋼爐的用電特性曲線示意圖[1]。

從圖1可見(jiàn)：

1）電壓一定時(shí)，隨電流增大，來(lái)自電網(wǎng)的功率P1增大。到達(dá)P曲線的峰值以后，由于設(shè)備的功率因數(shù)COS降低，無(wú)功功率P3增大，P1不但不增大，反而急劇下降。可見(jiàn)，盲目增大電流不僅無(wú)益，而且對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備都非常有害。

2）實(shí)際上用于煉鋼的有用功率P2的峰值與P1峰值所對(duì)應(yīng)的電流并不一致。P2峰值對(duì)應(yīng)的電流I0，一般都小于P1峰值所對(duì)應(yīng)的電流I0′。Pl最大時(shí)，由于電器設(shè)備的阻抗而損失的無(wú)功功率P3增大，電效率η下降，有用功率P2并不最大。因此，電弧爐運(yùn)行的作業(yè)電流應(yīng)該是I0，無(wú)論如何也不應(yīng)超過(guò)I0′。

3）目前還不可能用儀表顯示有用功率P2并用以控制電爐的供電，一般都用電流控制。電流控制是靈敏的，但如無(wú)特性曲線為依據(jù)，就可能導(dǎo)致效率降低，電耗增大。例如：當(dāng)作業(yè)電流為I1時(shí)，認(rèn)為功率不足而增大電流，當(dāng)然是正常的，但如簡(jiǎn)單地將作業(yè)電流增大到I2，輸入的功率大幅度增加，而有用功率并未增加。

電弧爐煉鋼過(guò)程中，由于各熔煉階段具有不同的特點(diǎn)，所以還應(yīng)根據(jù)每一熔煉階段的爐況確定各自的作業(yè)電壓，以便在充分發(fā)揮變壓器的供電能力的同時(shí)，減少熱損失，并提高爐襯壽命。

作業(yè)電壓愈高，則輸入功率愈大。但電壓愈高，電弧也會(huì)愈長(zhǎng)，對(duì)爐墻、爐蓋的輻射也增強(qiáng)，熱損失增大。只有在熔化期間，電弧埋入爐料后，才可用最高電壓，正好這時(shí)需要最大的功率。氧化期間，鋼液處于沸騰狀態(tài)，而且爐渣的黑度系數(shù)大，易于吸熱，電弧的能量較易于傳遞到爐渣和鋼液，可用適中的作業(yè)電壓。由于此時(shí)電弧是裸露的，不宜用最高電壓。還原期間，鋼液靜止，不利于提溫，且此時(shí)爐渣黑度系數(shù)小，易反射電弧熱量于爐襯、爐蓋，故應(yīng)避免電弧太長(zhǎng)，宜用低電壓作業(yè)。

每一臺(tái)電弧煉鋼爐安裝完畢后，都應(yīng)根據(jù)電氣設(shè)備配置的具體情況，通過(guò)短路試驗(yàn)測(cè)定線路的基本參數(shù)，再計(jì)算每一電壓下線路的平均參數(shù)，畫(huà)出每一級(jí)電壓下的用電特性曲線。每一鑄鋼廠都應(yīng)按照電爐設(shè)備特點(diǎn)和所煉鋼種冶煉要求，制定合理用電規(guī)范，規(guī)定冶煉各階段作業(yè)電壓；再根據(jù)電爐在每一種電壓下作業(yè)時(shí)的特性曲線，規(guī)定作業(yè)電流。據(jù)初步估算，如采用合理用電規(guī)范，熔煉電耗至少可降低5%。

前述5 t電弧爐，在重新合理選用供電曲線后，單耗下降了104 kW·h/t，取得了較好的節(jié)能效益。

1.2 泡沫渣埋弧冶煉技術(shù)

泡沫渣埋弧冶煉技術(shù)是指：在電弧爐冶煉過(guò)程中，吹氧的同時(shí)向熔池內(nèi)噴碳粉或碳化硅粉，加劇碳氧反應(yīng)，在渣層內(nèi)形成大量的CO氣體泡沫，使渣層厚度達(dá)到電弧長(zhǎng)度的2.5～3.0倍，電弧完全被屏蔽，從而減少電弧輻射，提高電弧爐的熱效率，縮短冶煉時(shí)間，降低電能消耗，延長(zhǎng)爐襯和爐頂?shù)氖褂脡勖?，大幅度地提高生產(chǎn)率。

實(shí)現(xiàn)泡沫渣冶煉的方法很多. 但無(wú)論哪種方法都是使渣中的FeO與C反應(yīng)生成CO氣體，彌散在渣中，形成液渣膜分隔的密集排列的氣孔狀結(jié)構(gòu)，CO氣泡緩慢地從渣中溢出，使?fàn)t渣保持泡沫化的狀態(tài)。

泡沫渣的堿度、渣中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)等是影響發(fā)泡性能的重要參數(shù)。

圖2、圖3分別表明了泡沫渣堿度和成分對(duì)泡沫渣高度的影響[2]。

爐渣的黏度也影響泡沫渣的形成。熔渣黏度低，發(fā)泡性能差。隨黏度的升高，熔渣發(fā)泡幅度增大，黏度為8 Pa·s時(shí)達(dá)到最大值。主要原因是：當(dāng)熔渣黏度適當(dāng)增大，氣泡聚集長(zhǎng)大上浮逸出的速度減慢，而使泡沫渣穩(wěn)定時(shí)間持續(xù)延長(zhǎng)。若熔渣黏度過(guò)高，彈性較差，液渣膜易破裂，使氣泡穩(wěn)定性減小，故爐渣泡沫化的程度反而降低。

電弧爐煉鋼采用泡沫渣埋弧冶煉工藝，能有效節(jié)能降耗。其具體使用效果如下：

1）提高傳熱效率

電弧爐煉鋼是靠電弧加熱。若電弧過(guò)長(zhǎng)，則對(duì)爐襯和爐頂?shù)臒彷椛湓黾?，使熱損失增大，同時(shí)也使?fàn)t襯和爐頂?shù)膲勖档?，耐火材料消耗增加，生產(chǎn)率受到影響。為克服上述缺點(diǎn)，不得不采用短電弧和大電流供電。但是，電流過(guò)大會(huì)使電能消耗增加。而泡沫渣冶煉工藝可使電弧被泡沫渣屏蔽，故可采用長(zhǎng)電弧高電壓供電，因而使電能消耗減少，同時(shí)也使傳熱效率得到提高，功率因數(shù)由0.63提高到0.88。由于沒(méi)有劇烈的沸騰，熔池的升溫速度持續(xù)穩(wěn)定，可達(dá)6℃/min～12℃/min。

圖4為國(guó)內(nèi)某廠5 t電弧爐采用泡沫渣冶煉工藝與普通渣工藝的升溫速度的關(guān)系曲線。又由于電弧被屏蔽，使電弧穩(wěn)定，電壓和電流的波動(dòng)減小，電弧閃爍亦相應(yīng)減小，變壓器的功率得以充分發(fā)揮，并能穩(wěn)定電網(wǎng)，使傳熱效率由30%提高到60%。

圖4 氧化期泡沫渣工藝與普通渣工藝升溫過(guò)程比較

2）降低電能消耗

用長(zhǎng)電弧高電壓供電，可使電能消耗降低。采用泡沫渣冶煉工藝，必須向熔池內(nèi)大量吹氧，形成以氧代電。據(jù)某廠統(tǒng)計(jì)：采用泡沫渣冶煉工藝后，可使每爐鋼的平均冶煉時(shí)間縮短17 min，每噸鋼節(jié)電116.3 kW·h，爐襯壽命提高65%。另外，由于加入碳粉等還原劑，使渣中FeO的還原率可達(dá)60%，使金屬收得率得到提高。

3）降低電極消耗

采用泡沫渣埋弧冶煉工藝后，由于電弧被渣層屏蔽，電弧的輻射熱相對(duì)于普通渣工藝減少，環(huán)境溫度相對(duì)較低，因而可減少電極的氧化，又有利于提高二次電壓，降低二次電流，使電能消耗減少，電極消耗減少2 kg/t鋼以上，使生產(chǎn)成本降低，生產(chǎn)率提高，同時(shí)也使噪音減小，噪聲污染得到控制。

造泡沫渣的手段也在不斷完善，從最初的僅在電爐配料中增加焦炭的用量發(fā)展到用噴射設(shè)備向爐內(nèi)噴入碳粉或其他的泡沫渣制劑。噴吹手段也從最初的手持吹氧管發(fā)展到目前采用機(jī)械化自動(dòng)控制的噴吹裝置，使泡沫渣冶煉工藝趨于完善。泡沫渣制劑也由單獨(dú)的含碳型向復(fù)合型發(fā)展，其功能也趨于多樣化。

1.3 輔助熔化技術(shù)及設(shè)備

隨著電弧爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展，輔助熔化技術(shù)及設(shè)備越來(lái)越完善。常見(jiàn)的輔助熔化技術(shù)有吹氧助熔、煤氣或油助熔和底氣攪拌等。

在電弧爐冶煉過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)化用氧的目的除了加快脫碳速度以外，還充分利用氧氣與原料中易氧化元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所放出的熱量，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。吹氧助熔可以使熔化期縮短20min～30min，鋼水熔煉能耗可下降80kW·h/t～100kW·h/t。強(qiáng)化用氧技術(shù)已經(jīng)成為電弧爐煉鋼重要的技術(shù)方向。

合理的吹氧助熔時(shí)間，不但可以達(dá)到快速化料的目的，還可以節(jié)約氧氣，減少爐料燒損。

一般應(yīng)在爐料大部分發(fā)紅、爐底出現(xiàn)熔池時(shí)，開(kāi)始吹氧助熔，壓力掌握在0.4mPa～0.6 MPa?？刹捎脧U電極塊、焦炭提高配碳量，適當(dāng)提高用氧強(qiáng)度。在鋼中磷含量不高的情況下，盡量不要使用礦石，因?yàn)榈V石氧化是吸熱反應(yīng)，受影響環(huán)節(jié)多，脫碳速度慢，而氧氣氧化是放熱反應(yīng)，脫碳速度快，明顯縮短熔氧時(shí)間。如每噸鋼氧化掉0.1%碳，用氧氣氧化比用礦石氧化省電16 kW·h。

煤氣助熔是將煤氣和氧氣由噴槍送入爐內(nèi)，在爐膛內(nèi)燃燒以加熱爐料。噴槍的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，即用2根不同直徑的不銹鋼管，同心地套在一起而成，并安裝在爐前一側(cè)的旋轉(zhuǎn)架上。油氧噴槍可安裝在爐膛的低溫區(qū)，渣線以上150mm～200mm的爐墻上與水平線成13°～18°夾角。一般采用煤氣助熔后，可節(jié)電15%～20%，效果顯著。

電爐煉鋼中應(yīng)用噴粉技術(shù)，在國(guó)外已十分普遍。部分輔料如石灰粉、碳粉、鐵合金粉、鋁渣粉劑、脫硫劑等，依靠設(shè)置在爐前的料罐和粉體輸送計(jì)量裝置，以壓縮空氣或氮?dú)庾鬏d體，直接噴吹到電爐溶池里。粉狀料的噴吹輸送強(qiáng)化了冶煉過(guò)程，可有效地控制爐況，提高脫磷、脫硫反應(yīng)速度，對(duì)節(jié)電、縮短冶煉時(shí)間均有良好的效果，同時(shí)改善了作業(yè)環(huán)境。

底氣攪拌等技術(shù)可使熔化時(shí)間由原先的3 h～4 h降至50min～60min，也有著較好的節(jié)能效益。

1.4 偏心爐底出鋼技術(shù)

電弧爐偏心爐底出鋼的基本特征是：取消原有電弧爐的出鋼槽，在毗鄰原出鋼側(cè)的外殼另設(shè)一個(gè)出鋼箱，其內(nèi)部砌筑耐火材料，構(gòu)成一個(gè)具有一定空間的小熔池，與原有大熔池經(jīng)圓滑過(guò)渡而相互連通。出鋼口垂直地安裝在小熔池底部，利用出鋼口開(kāi)閉機(jī)構(gòu)和爐底傾動(dòng)裝置，不僅能順利出鋼，而且還能將部分鋼水和全部爐渣留在爐內(nèi)。

電弧爐采用偏心爐底方式出鋼，與槽式出鋼方式相比有諸多優(yōu)點(diǎn)：

1）可以做到無(wú)渣出鋼，可進(jìn)行留鋼、留渣操作（留渣量10%～15%），從而有效地利用能源預(yù)熱廢鋼，縮短冶煉時(shí)間，降低電耗。

2）減小了電弧爐傾動(dòng)出鋼的角度（約15°），可以縮短大電流電纜長(zhǎng)度，電路電抗值也因此減小，從而減小功率耗損，同時(shí)可以擴(kuò)大水冷爐壁的面積，減少熱態(tài)補(bǔ)修工作量和爐體熱損失。

3）爐子輸出功率因電抗減小而增加5%，因增加水冷爐壁面積又可增加5%。

4）粗而短的出鋼鋼流，加速了出鋼進(jìn)程，出鋼時(shí)間減少近4min，減少溫降50℃左右。

某鋼廠3 t電弧爐試驗(yàn)結(jié)果表明：電弧爐采用偏心爐底方式出鋼后，電耗降低63 kW·h/t，冶煉時(shí)間減少40min，節(jié)能效果明顯。

1.5 合理超裝爐料技術(shù)

煉鋼電弧爐的電耗指標(biāo)與裝料量有關(guān)。其過(guò)載超裝量取決于電爐變壓器容量、爐膛尺寸和爐襯壽命。對(duì)于已有的電弧爐來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)這些因素的具體情況選擇其合理的過(guò)載超裝量。經(jīng)過(guò)調(diào)查研究表明：對(duì)于我國(guó)已有的電弧爐來(lái)說(shuō)，其合理超裝量應(yīng)與表1所列數(shù)據(jù)相符。

表1 電弧爐的合理超裝量

在熔化初期，爐中裝入冷料，電弧被爐料所包圍，爐料吸收電弧熱量的條件最好，水冷構(gòu)件被遮蔽，爐氣溫度不高，量也不大。因此，這階段爐子的熱損失功率大大減小了。這時(shí)，電弧直接向固體爐料傳熱，爐襯與爐料的熱交換量非常小。

隨著爐料熔化，電弧開(kāi)始暴露在熔池面上，爐氣溫度增高，水冷物件的熱損失功率增加，爐襯受電弧直接輻射。這時(shí)電弧能量只有約三分之一直接傳向熔池，而三分之二要間接地通過(guò)爐襯再傳給熔池。所以爐襯溫度大大提高了。這階段爐子的熱損失功率要比前階段大得多。

所以，要提高爐子的熱效率，減少熱損失，就要延長(zhǎng)前一階段的時(shí)間。采用超裝的辦法，就使電弧被爐料包圍的時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)了，也即使?fàn)t子在較低熱損失功率下的工作時(shí)間延長(zhǎng)了，從而降低了熔化期的平均熱損失功率，提高了平均熱效率，電弧功率的平均值也增大了。

這里要特別指出的是：每一臺(tái)電弧爐，變壓器和相關(guān)的供電設(shè)施都是按爐子的額定容量配置的，電壓不可能隨意改變；如果過(guò)分?jǐn)U容超裝，勢(shì)必要增加能量輸入，電壓變不了，只能盡量增大電流；而盲目增大電流，必然導(dǎo)致無(wú)功功率增大，電效率降低，單位產(chǎn)品能耗大增，而且會(huì)使?fàn)t襯壽命縮短。偶爾生產(chǎn)一、兩件較大鑄件，不得不超過(guò)合理的超裝容量，以提供足夠鋼液，作為權(quán)宜之計(jì)可以。把過(guò)分?jǐn)U容超裝作為常規(guī)，是很不應(yīng)該的。此外，這種做法，實(shí)際上是以低功率、超低功率進(jìn)行冶煉，與當(dāng)前為降低電耗而向高功率、超高功率發(fā)展的趨勢(shì)背道而馳。其他國(guó)家的電弧爐擴(kuò)容，一般都不超過(guò)額定容量20%。

另外，擴(kuò)容超裝過(guò)多會(huì)降低鋼液的冶金質(zhì)量。電弧爐煉鋼過(guò)程中，一些主要的冶金過(guò)程，如鋼液的升溫、脫磷、脫硫、脫氧、脫除非金屬夾雜物等，都通過(guò)鋼液／爐渣界面進(jìn)行。鋼液與爐渣間的界面面積越大，越利于各種冶金反應(yīng)進(jìn)行。為此，渣線處的爐缸直徑與熔池深度之比應(yīng)保持一個(gè)合理的值，一般應(yīng)該是5∶1左右。若熔池太深，則不利于鋼液溫度的控制，脫磷、脫硫、脫氧、脫除非金屬夾雜物等過(guò)程也都受到制約，勢(shì)必使鋼液冶金質(zhì)量低下。由于爐殼直徑固定，擴(kuò)大容量只能靠增大爐缸深度。過(guò)分?jǐn)U容超裝，必然大幅度減少鋼液／爐渣界面面積，使熔煉過(guò)程接近于簡(jiǎn)單的熔化。這樣做，實(shí)際上是舍質(zhì)而求量。

1.6 余熱利用技術(shù)

1.6.1 化學(xué)熱再利用技術(shù)——二次燃燒

二次燃燒技術(shù)是通過(guò)二次燃燒裝置噴射適量的輔助氧氣來(lái)燃燒CO和操作中產(chǎn)生的其他氣體，放出大量的熱量預(yù)熱周圍的廢鋼并返回熔池內(nèi)部，從而縮短冶煉時(shí)間，增加電弧爐的生產(chǎn)率，取得節(jié)能降耗的效果，還可提高爐料的配碳量，也有利于廢氣處理。

德、意、法等國(guó)采用二次燃燒技術(shù)的電弧爐可縮短從通電到出鋼時(shí)間的8%～15%。德國(guó)BCW公司的大量試驗(yàn)結(jié)果表明：用于二次燃燒的氧量為16.8 m3/t，實(shí)際節(jié)電62 kW·h/t；若能將冶煉過(guò)程中來(lái)自吹氧和泡沫渣中產(chǎn)生的CO完全燃燒成CO2，可節(jié)電80kW·h/t。美國(guó)Nucor公司在一座60t電弧爐上實(shí)測(cè)得到每爐冶煉時(shí)間從58 min降為54min，電耗從 380kW·h/t～400kW·h/t降為 332 kW·h/t[3]。

二次燃燒技術(shù)主要包括三項(xiàng)技術(shù)：水冷氧槍、氧氣流量控制和氣體分析系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)某公司在應(yīng)用二次燃燒技術(shù)時(shí)主要技術(shù)方案是：找到電弧爐內(nèi)富CO區(qū)及CO在電弧爐煉鋼過(guò)程中生成CO2的規(guī)律；在不改變超高功率電弧爐原配置的MORE型超音速碳氧噴槍主體結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)二次燃燒的槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，自行研制出具有獨(dú)特功能的復(fù)合槍；通過(guò)復(fù)合槍將90%～94%純度的氧氣輸入到爐內(nèi)富CO區(qū)，與CO充分混合燃燒放出大量化學(xué)能，直接傳給廢鋼和鋼液。該技術(shù)燃燒區(qū)域集中，傳熱效率高，以化學(xué)能代替電能，減少CO向大氣排放，節(jié)約能源。該公司的生產(chǎn)實(shí)踐表明[3]：與未進(jìn)行二次燃燒的爐次相比，電耗降低了約28 kW·h/t；電弧爐同等出鋼量的出鋼時(shí)間可以縮短約7.5min，明顯提高了生產(chǎn)率；可加大高碳爐料的入爐量，可使?fàn)t料中的碳變成經(jīng)濟(jì)的燃料，并降低生產(chǎn)成本；爐內(nèi)CO的排出量可減少至原來(lái)的1/4，減少了爐氣對(duì)環(huán)境的污染。

1.6.2 物理余熱利用技術(shù)——廢鋼預(yù)熱

如果在電弧熔化廢鋼前，將爐氣的顯熱和化學(xué)熱回用于廢鋼預(yù)熱，可顯著節(jié)省爐內(nèi)輸入能量，縮短熔化時(shí)間，降低輸入功率，提高爐子生產(chǎn)率和金屬收得率，節(jié)省電極和耐火材料，減輕環(huán)境污染。研究表明：電爐廢氣的溫度約300℃～700℃；利用這些熱量將廢鋼進(jìn)行預(yù)熱，可以降低冶煉電耗20kW·h/t～25 kW·h/t，熔化時(shí)間縮短 8 min～10min，電極消耗降低0.2 kg/t～0.6 kg/t，耐火材料消耗降低15%。

圖8、圖9為采用廢氣預(yù)熱爐料技術(shù)前后的能量平衡對(duì)比圖[4]。采用爐料廢氣預(yù)熱技術(shù)后，廢氣帶走的熱損失僅占8.5%，比例下降了14.5%，電耗下降了 95 kW·h/t。

圖8 采用廢氣預(yù)熱技術(shù)前能量平衡圖

圖9 采用廢氣預(yù)熱技術(shù)后能量平衡圖

目前，常用爐料預(yù)熱設(shè)備有三種，如圖10、圖11、圖12所示。

國(guó)外能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢鋼預(yù)熱的典型電弧爐有Funchs豎式電弧爐和Constee1橫式電弧爐。它們采用連續(xù)和半連續(xù)加料，一方面可回收廢氣帶走的熱能，另一方面還可使物流順暢。

圖10 預(yù)熱爐式電弧爐

圖11 單料罐預(yù)熱式電弧爐

圖12 雙料罐式電弧爐

Funchs豎爐電弧爐是將傳統(tǒng)的爐外廢鋼預(yù)熱裝置移到爐子上部，進(jìn)行爐內(nèi)廢鋼預(yù)熱，充分進(jìn)行二次燃燒化學(xué)能的轉(zhuǎn)換和高溫爐氣的物理余熱回收，兼顧過(guò)濾煙塵。

Constee1橫式電弧爐的廢鋼預(yù)熱裝置為水平式，布置在電弧爐側(cè)面的上部，見(jiàn)圖13[5]。

對(duì)于有富余煤氣或煤等燃料的企業(yè)，將廢鋼加熱到700℃～1100℃，使帶有大量物理熱的廢鋼裝入爐中，也能顯著地縮短熔化時(shí)間，降低電耗。如將廢鋼加熱到800℃，至少能使煉鋼的耗電量降低120kW·h/t～130kW·h/t。

2 降低電氣設(shè)備的損耗

煉鋼電弧爐電氣設(shè)備的電耗占總電能損耗的25%左右。因此，有必要采取相關(guān)技術(shù)措施，來(lái)控制這部分電耗，以降低總的煉鋼單耗。

2.1 電爐變壓器的節(jié)能改造

電爐變壓器的容量如選擇過(guò)小，會(huì)降低功率因數(shù)，影響變壓器效率，同時(shí)超載運(yùn)行又會(huì)使變壓器銅耗增加，致使變壓器發(fā)熱加劇。如某廠5 t電弧爐，原變壓器容量2250kVA，額定銅耗43.58 kW，超載運(yùn)行后，銅耗為73 kW，增加了近30kW。合理選擇容量后，變壓器的溫度從改造前的75℃降至35℃，銅耗明顯下降。重新更換變壓器能達(dá)到節(jié)能降耗的目的，但資金困難的企業(yè)難以實(shí)現(xiàn)。這時(shí)可采用保容改造的方法，既能達(dá)到節(jié)能降耗的目的，又能緩解資金困難。

保容改造主要是通過(guò)鐵芯和線圈改造來(lái)降低變壓器的內(nèi)損耗，降低工作溫升，提高工作電流，縮短熔煉期，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。某3t電弧爐保容改造后，熔煉期縮短了30min，噸鋼節(jié)電28.58kW·h，一年半即可收回投資。

2.2 短網(wǎng)改造

短網(wǎng)是指電爐變壓器低壓端至電爐電極的一段導(dǎo)線。它主要由矩形銅母線排、補(bǔ)償器、撓性電纜、水冷銅管、電極夾頭和石墨電極等部件組成。其中撓性電纜一般采用銅芯電纜，容量大的電爐可用水冷電纜。由于短網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通過(guò)電流大等原因，電能損耗較大，一般約占傳輸總電量的9%～13%。因此，進(jìn)行短網(wǎng)改造，降低短網(wǎng)損耗是節(jié)電的一個(gè)有效途徑。

2.2.1 降低短網(wǎng)電阻

短網(wǎng)電阻主要由有效電阻、接觸電阻和附加電阻三部分組成。

短網(wǎng)有效電阻與短網(wǎng)長(zhǎng)度和截面有關(guān)。有效電阻可通過(guò)合理選擇導(dǎo)線截面和根數(shù)等措施來(lái)降低。在選擇導(dǎo)線截面時(shí)，主要應(yīng)考慮減少集膚效應(yīng)的影響，當(dāng)導(dǎo)線截面超過(guò)600mm2時(shí)，應(yīng)選用兩根以上的導(dǎo)體。5 t電弧爐在10kA運(yùn)行時(shí)，短網(wǎng)減短1m，可減少功率20kW，每噸鋼可節(jié)電15 kW·h左右。

縮短短網(wǎng)的具體措施有：移動(dòng)電爐變壓器使其盡量靠近電爐；在變壓器下加支持底座，使各段短網(wǎng)處于同一水平面上；在保證電弧爐正常工作的前提下，減少電纜長(zhǎng)度。為了避免因變壓器靠近電爐而引起輻射熱增加，可在爐上加循環(huán)水冷卻爐或在變壓器和電爐之間設(shè)置防護(hù)罩。

電弧爐短網(wǎng)的接頭較多，而通過(guò)短網(wǎng)的電流很大，如果接頭連接不良，就會(huì)使接觸電阻增大，不但會(huì)增大短網(wǎng)的功率損耗，而且還可能燒毀接頭。因此，應(yīng)盡量減少接頭，對(duì)不拆卸的接頭應(yīng)采用焊接的方法或增大接觸面積，接觸面應(yīng)保持清潔平整，使之有足夠的接觸壓力。近年來(lái)，隨著電接觸導(dǎo)電膏的問(wèn)世，在接頭處涂抹導(dǎo)電膏又成為降低接觸電阻的新方法。

導(dǎo)電膏是一種含導(dǎo)電填料和膠粘劑的具有流動(dòng)性的糊狀導(dǎo)電涂料。使用導(dǎo)電膏不僅可以降低接頭的接觸電阻值，而且還可以降低溫升。據(jù)資料介紹：使用導(dǎo)電膏后，可使接頭的接觸電阻下降25%～75%，溫升下降25%～75%。

附加電阻的產(chǎn)生與短網(wǎng)附近的鐵磁構(gòu)件在電磁感應(yīng)作用下產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗有關(guān)。這些構(gòu)件的損失約占總電阻損失的15%～20%。

降低附加電阻的辦法是：在短網(wǎng)周圍盡量避免使用鐵磁材料；鋼質(zhì)物體應(yīng)離短網(wǎng)遠(yuǎn)些；在閉合的鋼性物體中建立空氣隙和加絕緣墊。

2.2.2 減少短網(wǎng)電抗和三相阻抗的不平衡

短網(wǎng)在接線時(shí)，應(yīng)盡量采用雙線布置方式。這種布線方式可實(shí)現(xiàn)磁通補(bǔ)償，降低短網(wǎng)電抗，增加三相阻抗平衡系數(shù)。三相短網(wǎng)在空間布局時(shí)，應(yīng)將中間相抬高，使其呈正三角形布置。這樣也有助于三相電抗平衡系數(shù)的改善。某廠在采取雙線布置后，功率因數(shù)從0.76提至0.84左右，取得了較好的節(jié)電效果。

2.2.3 采用新型水冷導(dǎo)電橫臂改造短網(wǎng)

近年來(lái)，隨著電弧爐的大型化與高功率化，整個(gè)短網(wǎng)部分的電阻與電抗值不斷加大，惡化了電弧爐主回路的電效率和功率因數(shù)；另一方面，隨著電弧爐工作電流的不斷加大，也給短網(wǎng)的導(dǎo)電銅管段帶來(lái)了許多麻煩問(wèn)題。新型的電極橫臂—水冷導(dǎo)電橫臂把原來(lái)水冷銅管的導(dǎo)電功能和橫臂的支撐功能合而為一，并配有大截面水冷電纜，其短網(wǎng)阻抗較低，有著較好的節(jié)能效益。水冷導(dǎo)電橫臂如圖14所示，它取消了傳統(tǒng)的導(dǎo)電銅管及其支撐結(jié)構(gòu)，全部裝置均安裝在整體的箱形橫臂之內(nèi)。

圖14 水冷導(dǎo)電橫臂

中小型電弧爐的短網(wǎng)軟纜多數(shù)為空冷裸纜，造成接觸電阻大、使用壽命短、維修工作量大、增加熱停工時(shí)間和三相電抗不平衡等缺點(diǎn)。大截面水冷電纜吸收了國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，導(dǎo)線絞纜成股，各股線與銅連接采用一次壓接工藝，電纜兩端為平面接頭，減少接觸電阻；各股纜線用軟絕緣材料隔開(kāi)，避免相互摩擦，電纜壽命可延長(zhǎng)2～3倍。它可充分發(fā)揮變壓器能力，提高變壓器輸出功率10%。采用大截面水冷電纜可節(jié)電2%～5%。

短網(wǎng)電阻隨著溫度升高會(huì)增大，使短網(wǎng)的功率損耗增加。如在10kA運(yùn)行下的短網(wǎng)，溫度每升高1℃，每米母線約增加3 W～6 W損耗，因此，降低短網(wǎng)的溫度也可減少電能損耗。

某廠采用新型水冷導(dǎo)電橫臂改造電弧爐，熔化率提高了13.3%，冶煉電耗下降了12.7%。中鐵寶橋股份有限公司鑄鋼車間采用新型水冷導(dǎo)電橫臂改造6 t電弧爐，取得如下的效果：改造后平均每爐鋼水（10t鋼水）比改造前冶煉時(shí)間縮短18 min左右；噸鋼耗電量降低31 kW·h左右；電極消耗可降低 0.9 kg/t左右[6]。

2.2.4 采用微機(jī)控制變頻式電極調(diào)節(jié)器

輸入電弧爐內(nèi)的功率與電弧長(zhǎng)短有關(guān)。冶煉時(shí)，要求在最佳輸入功率曲線下維持規(guī)定的電弧長(zhǎng)度。但由于種種原因，煉鋼時(shí)電弧長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，電弧功率偏離最佳輸入曲線，致使電能損耗加大。這就要求電極能及時(shí)調(diào)整位置，維持規(guī)定電弧長(zhǎng)度。

微機(jī)控制變頻式電極調(diào)節(jié)器具有良好的快速性、準(zhǔn)確性及可靠性。它能迅速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)地自動(dòng)控制電極升降，調(diào)整電弧長(zhǎng)度，達(dá)到自動(dòng)控制電弧功率的目的；而且系統(tǒng)控制精度高，電流穩(wěn)定，故障率低，熱停時(shí)間少，縮短了冶煉時(shí)間，降低了電極消耗，并減少對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷沖擊。據(jù)國(guó)內(nèi)20余家企業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐證明：微機(jī)控制變頻式電極調(diào)節(jié)器平均可縮短冶煉周期約20min，節(jié)省電耗約50kW·h/t，節(jié)約電極0.5 kg/t～1 kg/t，一年左右就能回收技術(shù)改造費(fèi)用，節(jié)能效果顯著。

日本大同鋼管公司采用ARMS-MARK-11計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制電極調(diào)節(jié)器，對(duì)電耗在500kW·h/t以上的電弧爐，電耗可降低10%；對(duì)電耗在450kW·h/t～500kW·h/t的電弧爐，電耗則可降低5%左右。

此外，采用小慣性電極驅(qū)動(dòng)裝置改造原有系統(tǒng)，也可取得較好的節(jié)能效益。如某廠改用晶閘管小慣量電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置后，噸鋼電耗下降了25kW·h～30kW·h。

3 采用直流電弧爐

直流電弧爐具有電弧穩(wěn)定、電弧熱交換率高、磁路渦流損耗小等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)直流電弧爐發(fā)展迅速，主要是由于與三相交流電弧爐相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)[7]：

1）石墨電極消耗可降低1/2～1/3；

2）冶煉電耗可降低5%～10%；

3）噪聲可下降10dB～15 dB；

4）單電極直流電弧爐可以消除電弧偏吹和爐壁熱點(diǎn)現(xiàn)象，降低耐火材料消耗；

5）熔液攪動(dòng)激烈，能縮短熔化時(shí)間，升溫速度快，并促進(jìn)冶金反應(yīng)的進(jìn)行。

某廠把一臺(tái)普通三相交流電弧爐改成磁鏡直流電弧爐后，平均單耗由改造前的679 kW·h/t降至584.6 kW·h/t，且電弧穩(wěn)定，噪聲降低。

4 加強(qiáng)生產(chǎn)管理

爐料管理不科學(xué)、不能集中連續(xù)生產(chǎn)等因素也是造成電弧爐煉鋼能耗高的因素。加強(qiáng)生產(chǎn)管理，可降低這方面原因造成的能耗。具體可從改善爐料管理和生產(chǎn)組織方式等方面著手。

4.1 加強(qiáng)爐料管理

廢鋼質(zhì)量差、輕薄料多、夾雜嚴(yán)重等原因，易導(dǎo)致裝料不密實(shí)、每爐鋼進(jìn)料次數(shù)多。根據(jù)監(jiān)測(cè)，每多進(jìn)一次料，需要延長(zhǎng)冶煉時(shí)間25min，增加電耗50kW·h/t[8]。

廢鋼尺寸超長(zhǎng)易造成爐蓋蓋不嚴(yán)，大量熱氣、火焰冒出而損失熱能。導(dǎo)電不良的渣鋼及大塊廢鋼裝料位置不正確，易導(dǎo)致冶煉時(shí)搭橋塌料而打斷電極，使電極消耗量增加，冶煉時(shí)間延長(zhǎng)。

因此，應(yīng)對(duì)廢鋼進(jìn)行如下處理：過(guò)長(zhǎng)的廢鋼應(yīng)割斷，使其不超過(guò)0.5m；大塊廢鋼不得超過(guò)500kg；對(duì)特殊輕薄料須進(jìn)行打包處理；廢鋼原料應(yīng)按大、中、小分別堆放。

爐料裝得密實(shí)，不僅可以減少裝料次數(shù)，還可以提高爐料導(dǎo)電性能，使電弧燃燒穩(wěn)定，熱能利用率高。要想減少裝料次數(shù)，提高裝料密實(shí)程度，就必須保證大、中、小爐料有恰當(dāng)?shù)谋壤?。?duì)于中小型電弧爐，可按表5配比裝料。

表5 中小型電弧爐爐料配比表

在保證爐料配比的同時(shí)，要合理布料，做到上疏松、下密實(shí)、中間高、四周低、“穿井”快、不搭橋，爐口無(wú)大料。

裝料的順序?yàn)椋合仍诘撞夸佉话胄×?，小料上面輔大料，大料集中在電弧高溫區(qū)，中料可以加在大料上部和四周以填滿空隙，最上面再鋪剩余的小料，以利于電極迅速“穿井”。

4.2 控制出鋼溫度、渣量和留鋼量

據(jù)計(jì)算：鋼水溫度每提高10℃，冶煉電耗將上升4 kW·h/t。所以在熔煉生產(chǎn)操作中，應(yīng)嚴(yán)格控制出鋼溫度，采用紅包出鋼，在保證澆注順利的情況下適當(dāng)降低出鋼溫度，減少鋼水帶走的熱量。

由于現(xiàn)在電爐煉鋼所用廢鋼條件較好，在滿足冶金反應(yīng)的前提下，適當(dāng)降低渣量，也是節(jié)電的一個(gè)有效途徑。因?yàn)闊崞胶夥治霰砻鳎喝墼鼛ё邿崃勘壤哌_(dá)7.5%左右。如果在普通鋼中采用單渣操作，可使?fàn)t渣熱損失減少60%，相當(dāng)于每噸鋼節(jié)電40kW·h[9]。

還應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)定的留鋼量。留鋼量越多，越有利于提前形成熔池，具有穩(wěn)定電弧的作用，有助于造泡沫渣和熔化廢鋼。但留鋼量過(guò)多，會(huì)因這部分鋼水反復(fù)升降溫而引起電耗增加。

4.3 改善生產(chǎn)組織方式

4.3.1 采用集中連續(xù)生產(chǎn)

電弧爐熱容量很大，如果不連續(xù)運(yùn)行，就會(huì)浪費(fèi)爐襯、電極等部件的蓄積熱量，使冶煉時(shí)間加長(zhǎng)，噸鋼電耗升高，同時(shí)增加爐襯和電極的消耗。因此安排生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)使電弧爐集中連續(xù)運(yùn)行。如果由于鑄件生產(chǎn)的隨機(jī)性等原因，電弧爐不能完全連續(xù)生產(chǎn)，也要做到相對(duì)集中連續(xù)生產(chǎn)。采用連續(xù)生產(chǎn)不僅可使平均冶煉時(shí)間和平均噸鋼單耗下降，還能使生產(chǎn)率提高。某公司加強(qiáng)生產(chǎn)管理后，其平均噸鋼電耗由 805.3 kW·h/t降為 713.0kW·h/t，下降了11.5%；平均生產(chǎn)率提高約4%。

4.3.2 選擇夜間開(kāi)爐

夜間用電具有高次諧波少、電壓穩(wěn)定、無(wú)功影響小、電價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。在夜間開(kāi)爐運(yùn)行，可使電弧爐高效運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

此外，還應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)調(diào)度，盡量縮短出鋼等待時(shí)間，杜絕不必要的能源浪費(fèi)。

綜上所述：從節(jié)約能源和材料角度考慮，吹氧助熔技術(shù)、泡沫渣埋弧冶煉技術(shù)、余熱回收技術(shù)和直流電弧爐的推廣使用是電弧爐煉鋼的幾個(gè)重要發(fā)展方向。

電弧爐熔煉節(jié)能工作是一個(gè)系統(tǒng)工程，單靠一兩項(xiàng)節(jié)能措施是不夠的，需要綜合應(yīng)用各種技術(shù)方法。企業(yè)在選擇節(jié)能方法時(shí)，應(yīng)先根據(jù)設(shè)備的具體能耗分析，找出能耗高的主要原因，然后選用合適的節(jié)能措施，并且將技術(shù)節(jié)能與管理節(jié)能進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，才能取得更好的節(jié)能效果。

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