100t电弧炉汽化冷却成套设备的开发

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1项目的研究背景、目的和意义

电弧炉是国际普遍应用的高效、节能、降耗的先进炼钢设备。发达国家采用超高功率电弧炉炼钢率超过50％以上，而我国为23％。我国大型超高功率电弧炉普遍采用的配套水冷技术特点是大型、高效、节能、环保。1995年我国就掌握了大型超高功率电弧炉水冷成套设备的开发生产技术，在引进国外电弧炉项目中，对其设备进行消化、吸收、创新，研制出具有我国自主知识产权、国际先进水平的150t 超高功率电弧炉成套水冷设备，冶炼周期由240min 降低至60min ，吨钢电耗由1000kW ・h 降低到250kW ・h ，钢的生产率由20t/h 提高到100t/h ，炉衬寿命提高到3000～5000炉次。完全可以替代进口设备。随着社会的发展和科技的进步，节约用水越来越显得重要。在工业生产中冷却水循环率并不高，约为30％。在这种情况下提出了使用汽化冷却来达到更为科学合理的电弧炉冷却方式。

汽化冷却是利用水的汽化吸热原理带走被冷却对象热量的一种冷却方式，其特点：

（1）由于单位质量水的汽化热(2253J/（g ・℃）

)远大于水的比热容(约4.18J/g ・℃)，因此汽化冷却较通常的水冷却具有显著的节水效益。例如，在一般情况下，对于同一冷却系统，用汽化冷却所需的水量仅为温升为10℃时冷却水量的2％～4%，且仅需约0.6％的补充水量，而水冷却则需5％左右的补充水量。显然，受水汽化条件的限制，在常规条件下汽化冷却只适用于高温冷却对象。

（2）汽化冷却还具有节电、节省投资、改善操作条件等优点。按汽化冷却系统中水的循环方式，汽化冷却系统可分为自然循环与强制循环两种。与水冷却比较，汽化冷却产生的蒸汽可供生产、生活使用，而水冷却构件带走的热量却无法有效利用。当冷却系统发生泄漏时，汽化冷却系统处于沸腾点的水受燃烧气体的辐射可立即汽化，因此泄漏的水量和由此而引起的热损失同水冷系统相比是微不足道的，而水冷系统的泄漏将会带来严重的后果；汽化冷却系统的配置可以大大提高炉子操作的安全性，如在供水系统发生故障或停电引起断水时，汽冷系统的汽包可以维持一段时间的供水，并可用自身生产

的蒸汽驱动水泵，以保证汽冷系统继续循环。

（3）汽化冷却使用软水作为冷却水，避免了常规水冷却导致的结垢现象。

（4）汽化冷却系统的耗电量及能源消耗要比水冷系统低得多。

汽化冷却装置的运行是否安全可靠不仅直接影响蒸汽的产生，更重要的是将影响散热装置的生产和安全，因此保证安全可靠十分重要。在汽化冷却装置中，只有辐射管受热，其热强度较大，又是垂直布置，因此热辐射管的冷却是整个装置安全可靠的最主要一环。实际运行中，汽化冷却装置的故障以热辐射管的烧坏及爆管占多数，其次是循环管道的震动。这些都是热辐射管中循环流动不正常引起的。所谓流动不正常就是出现循环停滞、倒转、汽水分层等现象。设计时最主要的是防止汽水分层，同时从结构上避免循环倒转。

综上所述，在电弧炉冷却方式的选择上，汽化冷却系统较水冷却具有明显的优势，开展此项研究，对于节约水资源、提高我国超高功率电弧炉生产效率、设备寿命、促进钢铁工业持续发展以及加快国外先进技术国产化进程都具有深远意义。

2国内外研究状况

欧洲的电炉采用汽化冷却方式比较多，德国的OS-CHATZ 公司在80年代已经为欧洲一些钢铁厂的4座电炉设计和制造了汽化冷却系统。

在前苏联时期，汽化冷却被普遍采用，不论是炼钢电炉还是铁合金电炉，不论是开放式还是闭式，都有采用汽化冷却技术的，但其主要冷却构件只限于电极、炉盖等。德国OSCHATZ 公司在120～140t 超高功率电弧炉的炉体、炉盖和烟气导管上都成功地实现了汽化冷却，蒸汽压力为1.8～2.5MPa ，汽化冷却系统可以根据现场条件采用自然循环和强制循环。如德国克虏伯公司的150t 超高功率电炉的烟气导管和炉壳的汽化冷却装置采用自然/强制循环系统，蒸汽压力1～2.5MPa ，可生产蒸汽10～13t/h 。

纵观国内外发展状况，汽化冷却的节能意义为国内外公认。20多年来国内已有几十座步进式加热炉，采用

100t 电弧炉汽化冷却成套设备的开发

孙立国1，黄聪仕1，王

良1，韩文春1，刘承军2

（1.烟台国冶冶金水冷设备有限公司，山东

烟台265500；2.东北大学，辽宁

沈阳110006）

摘要:描述研制100t 电弧炉汽化冷却成套设备的背景、目的和意义；介绍国内外研究现状并预测其市场需求及推广前景。

关键词：电弧炉；汽化冷却；蒸汽中图分类号：TM724.4文献标识码：B 文章编号：1002-1639(2005)02-0067-02

The Research and Development of 100t EAF V apor-cooled Complete Equipment SUN Li-guo 1,HUANG Cong-shi 1,W ANG Liang 1,HAN Wen-chun 1,LIU Cheng-jun 2

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汽化冷却装置。但是，超高功率电弧炉安装汽化冷却系

统还处于起步阶段。

2000年，为北满特殊钢有限公司电弧炉车间转化及部分设计并制造了一套90t 超高功率电弧炉成套汽化冷却系统，其工作原理是沸腾的热水利用循环泵将水从汽包中补给水冷板和废气烟道的冷却部分，部分水在恒温下汽化，经管道返回汽包的汽水混合物在汽包内分离成饱和蒸汽和水，水经过循环泵再循环使用；而蒸汽通过排放管从汽包中排出并进入蒸汽网，剩余的蒸汽储存在蓄热器内，用以保持恒定的蒸汽量。该汽化冷却成套设

备自投入使用以来，超高功率电弧炉炉盖和炉体寿命显著提高。同时，产生的蒸汽为北满特钢厂带来了一定的经济效益，并节约了大量的水资源及能源。

3市场需要及推广应用前景

随着技术的不断进步，超高功率电弧炉已经成为大型钢铁企业普遍采用的新设备。根据国际最新发展动态及国家本世纪工业发展规划，超高功率电弧炉配套的水冷设备，无论在国际市场还是国内市场都具有巨大的需求空间。

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150mA ）。此种形式的控制系统稳定性受到元件性能的影响，因而可靠性差。在实际运行中常常因系统故障需停机检修，因此造成生产成本增大，生产效率较低。（2）电极升降控制速度不平稳，起弧时间长，且容易断弧，过流频繁，从而引起高压开关跳闸频繁，加重了电气设备的负担。

（3）由于起弧时间延长，因而其控制元件中的核心元件运算放大器易损坏，备件消耗大，可靠性差。（4）由于频繁起弧及过流，因而增大了电极材料的消耗，最终导致其噪声大、能耗高，总体效益差。（5）在电炉变压器供电电路中，按工作情况要求，采用无励磁电动调压变压器。但对于较早无励磁电动调压开关的控制操作部分而言，其和高压开关的连锁保护，并不完善。它要求操作人员必须按照顺序：先分高压开关—再进行调压操作—调压开关调压完全到位—再合高压开关—供电。但在实际操作中，常有等不到调压开关完全到位，就合上高压开关。而引起调压开关或调压线圈因触头没有完全到位而起弧烧损，导致变压器出现重瓦斯故障而跳闸。其结果必然要停产返修变压器。

3改进措施

改进后的电极升降系统框图见图2。

图2PLC 控制电极调节框图

经过改造后的系统原理及特点：

以C200H 为核心装置，采用两套PLC ，其中一套控制电极升降系统。同样采集电极电流及各自弧压等参数，然后通过对PLC 进行程序设计，将采样数值进行整理，综合计算后，经PLC 模拟板（D/A ）输出驱动液压伺服阀的信号，实现电极自动升降控制。另一套控制液压及炉体全部动作。实现设备全部动作的自动控制。

改进后的系统特点如下：

（1）采用PLC 控制，采样值可进行多次滤波处理，因而控制正确，基本无误操作，跟踪效果好，可靠性高。

（2）采用弧流控制为主，弧压控制为辅（即根据正、负电极所处的位置，分别进行调节）。因而起弧快，弧流稳定，输出功率稳定、平衡，熔化时间短。

（3）加入电弧弧流过流保护，以及弧压过高、过低保护，减少故障跳闸，延长电气设备寿命。

（4）控制设备元件及线路简洁，明了。因而结构更加合理。

（5）对变压器调压开关控制和高压供电开关分、合闸控制部分，增加设计一个保护电路。此电路可保证即使在调压过程中，或者调压不到位的情况下，即使强行高压合闸，开关也不会有合闸的实际操作，从而完全避免了损坏设备事故的发生。

现在的无励磁电动调压开关已增加了此种保护电路。设备控制主要改造措施：

（1）彻底淘汰原控制设备，制造全新的操作台和控制柜以及PLC 系统。

（2）对炉体各部分的动作（倾炉、出钢、出渣、旋转等）同时实现PLC 控制，使其各个系统控制协调性加强。

（3）对液压系统全套控制分别采用第2套PLC 进行控制，使其控制独立可靠，自动运行更加稳定。

（4）将原开关保护、变压器调压保护，全部经PLC 和电极升降控制系统合并控制，从而提高了高压系统及变压器系统的可靠性和安全性。

经过改进，现已安全可靠地满足了直流电弧炉控制要求。经过实际运行，设备未发生任何故障，确认升温速度快，运行稳定，节电效果明显，电极材料消耗下降，

炉衬消耗降低，为企业带来了良好的效益。