电炉技术

缩短熔化时间，提高生产率； 提高电、热效率，降低电耗； 易于与炉外精炼、连铸相配合，实现高产、优质、低耗。
指标 普通功率（RP）
额定功率 /MVA 20
熔化/ 冶炼时间 /min 129 / 156
熔化电耗 /总电耗 /kWh/t 538 / 595
生产率 /t/h 27
超高功率（UHP）
C2 P2 t 2 P t3 S1 S 2 3 Pn (t 2 t3 ) S
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t 't" W G 60 60 W t P cos C2 C1 cos C2 n
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分析上三式可知，提高变压器利用率，缩短冶炼周 期、提高生产率的措施如下：
电炉真正作为高速熔器。 t ) t (t 2 t3 ) (t1 4
t 't" W G 60 60 W t P cos C2 C1 cos C2 n
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5.5.3.3 电炉炼钢工艺及其流程优化
超高功率电炉在完善电炉本体的同时，注重与炉外精
HOT
HOT HOT
OFFGAS
HOT
Before
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为减少电弧对热点区炉衬 的高温辐射、防止钢水局部过 烧，而被迫降低功率，“等待” 冷 点 区 废 钢 的 熔 化 。 UHP 电 炉 为 解 决 “ 冷 点 ” 区废钢的熔化，采用氧-燃烧咀，
HO T
OFFGAS
逐步解决了超高功率带来的一系列的问题。尤其UHP电
炉与炉外精炼、连铸相配合显示出高功率、高效率的优 越性，给电炉炼钢带来生机与活力。 UHP电炉的出现，使得电炉结束了只冶炼特殊钢、 高合金钢的使命，成为一个高速熔化金属容器——高速
熔器。
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2）UHP电炉及其主要优点 超高功率，一般指电炉变压器的功率是同吨位普通 电炉功率的2～3倍。—— UHP电炉主要优点：
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（1）合理供电技术
UHP电炉投入初期，由于输入功率成倍提高，RE 增
加许多，炉衬热点区损坏严重，炉衬寿命大幅度降低。为
此，首先在供电上采用低电压、大电流的粗短弧供电。 粗短弧供电的优点：

减少电弧对炉衬辐射，降低RE值，保证炉衬寿命； 增加熔池的搅拌与传热效率；
稳定电弧，提高实际输入功率。
炼等装置相配合，真正使电炉成为“高速熔器”，取代
“ 老 三 期 ” 一 统 到底 的 落 后冶 炼 工 艺 ， 变 成 废钢 预 热 （SPH）—超高功率电炉（UHP）—炉外精炼（SR）—
连铸或连轧（CC or CR），形成高效节能的“短流程”。
电炉作用的改变带来明显的效果，这一变革过程，日 本人称之为“电炉的功能分化”（图5-19）。 而其中扮演重要角色的是UHP电炉，它的出现使功能 分化成为现实，它的完善和发展促进了“三位一体”、
冶金学—炼钢篇 阎立懿
东北大学钢铁冶金研究所
2010年4月27日～6月29日/逸夫楼405 （No15）
主要内容

炼钢学概述 炼钢基础理论


炼钢用原材料
转炉炼钢法
电炉炼钢法
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第五章 电炉炼钢法

电炉炼钢及其发展 电炉设备及其电热特性 电炉炼钢冶炼工艺 超高功率电炉相关技术
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5.5 超高功率电炉相关技术（思考题）
5.5.1 超高功率电炉发展背景
二十世纪60年代后期：

LD转炉的出现及迅速发展，使得废钢平炉钢产量锐减， 提出了多余废钢如何利用的问题。

电力工业的高速发展，尤其北美。
科技发展对钢的数量和质量要求日益提高。 加之，当时的电炉装备水平低、功率低、生产率更低，

合理供电，降低电极消耗，短网改造，水冷炉壁、炉盖，
氧-燃助熔，长弧泡沫渣，二次燃烧，偏心底出钢，底吹 搅拌，直流电弧炉，废钢预热，高阻抗（高电压）技术。

UHP电炉技术逐年发展见图5-21：
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图5-21Hale Waihona Puke BaiduUHP电炉炼钢技术的发展
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功率水平（ 1） C 变压器额定容量（ VA） k , kVA / t 公称容量或实际出钢量 t） （
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Parc 3I U
2
2 Ix Ir
在UHP电炉发展过程，曾出现过许多分类方法，如
1967年施维博提出以电弧功率大小，即以Parc／Vm、Parc／ Sm 或 Parc／Gm的大小来区分高功率、超高功率。 由于采用电弧功率很不直观，判断也不方便，故没有 得到普遍采用。后来许多国家都采用功率水平表示方法。
cos
xI 2 1 ( ) U
x xI X% sin , Z U
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K Parc
Pmax Pmin 100% Pmean
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（2）氧-燃助熔技术
炉壁采用水冷后，“热点”
问题得到基本解决，但“冷点”
问题突出了。大功率供电废钢 熔化迅速，热点区废钢很快熔 化，并暴露给电弧，而此时冷 点区的废钢还没有熔化，炉内 温度分布极为不均，见图5-22。
的交变电流冲击而引起的电网扰动。电压波动可使白炽灯 光和电视机萤屏高度闪烁，电压闪烁由此得名。 UHP电炉加剧了闪烁的发生。当闪烁超过一定值（限 度）时，如0.1～30Hz，特别是1～10Hz闪烁，会使人感到
烦躁，这属于一种公害，要加以抑制。
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P 80P 4 n 80P n n 网短
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上回讲过：

电炉炼钢工艺——电炉传统氧化法冶炼工艺，冶炼操
作过程阶段组成，三期各期的主要任务……

现代电炉冶炼工艺，操作要点：快速熔化、升温，提 早脱磷，快速去碳，氧化性钢水无渣出钢，实现高效、 节能。

合金化操作及其加入时间原则，介绍合金加入量计算
方法——“n元合金计算公式” 。
时间利用率：指一炉钢总通电时间与总冶炼时间 （冶炼周期）之比，用Tu表示。 功率利用率：指一炉钢实际输入能量与变压器额定 能量的比值，用Ｃ2表示。
t2 t3 t' t' Tu＝ ＝ t (t 2 t3 ) (t1 t 4 ) ＝ t1 t2 t3 t4 t 't" t
实际上，电网公害的抑制常采取闪烁、谐波综合抑 制，即静止式动态无功补偿装置——SVC装置，见图520。但SVC装置价格很贵，使得电炉投资成本大为提高。
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图5-20 静止式动态无功补偿装置
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5.5.5 超高功率电炉相关技术
UHP电炉的出现和发展伴随着新技术的广泛采用。 这些新技术包括UHP电炉生产必须解决的问题，否 则将限制生产的关键技术，又包括高效、节能进一步降低 成本的深化技术。
解决的办法有两种：

一是要有足够大的电网，即电炉变压器要与足够大的电 压、短路容量的电网相联，有的国家规定如下：
一般认为，若供电电网公共连接点（PCC）的短路 容量是变压器额定容量的80倍，就可视为足够大。 二是采取无功补偿装置进行抑制，如采用晶体管控制的 电抗器（TCR）。这是治本的办法（国家标准GB123262000规定，≤ 35kV时，电压波动限值2%），它使电炉对 电网和自身影响的各种量值大部分就地消除了，因而受 到广泛地应用。
1981年IISI在巴西会议上，提出具体的分类方法，对
于50 吨以上电炉的分类见下表：
类 别 C1/kVA／t
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RP ＜400
HP 400～700
UHP ＞700
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5.5.3.2 变压器利用率要高
变压器利用率指时间利用率与功率利用率。它反映 出电炉车间的生产组织、管理、操作及技术水平。
消耗高、电耗更高现实……
……这些为电炉的发展提供了契机。
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5.5.2 超高功率电炉及其优点 1）超高功率电炉概念的提出
超高功率电炉这一概念早在二十世纪60年代后期由美 国联合碳化物公司的施维博（W.E.Schwabe）与西北钢线 材公司的罗宾逊（C.G.Robinson）两个人提出的，目的是 利用废钢原料，提高钢产量，发展电炉炼钢。 超高功率原文：Ultra High Power，简称“UHP”。
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2）高次谐波（或谐波电流）
由于电弧电阻的非线性特性等原因，使得电弧电流 波形产生严重畸变，除基波电流外，还包含各高次谐波。
谐波电流注入电网，将危害共网电气设备的正常运 行，如使发电机过热，使仪器、仪表、电器误操作等。 抑制的措施是：采取并联谐波滤波器，即采取Ｌ、 Ｃ串联电路。
噪音/ dB 影响 程度 ＞50 影响睡眠 与休息
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＞70 干扰谈话 影响工作
＞90 影响听力，引起神经衰 弱、头疼、血压升高
＞150 鼓膜出血 失去听力
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（2）电网公害
电炉产生的电网公害主要包括电压闪烁与高次谐波。
1）电压闪烁（或电压波动）
电压闪烁实质上是一种快速的电压波动。它是由较大
首先在美国的一座135t 电炉上进行了提高变压器功率， 增加二次导体截面等一系列改造。
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由于其经济效果显著，使得西方主要产钢国纷纷建 UHP电炉。整个70～80年代，世界范围大力发展UHP电 炉，几乎不再建普通功率电炉。 在实践过程中，UHP电炉技术得到不断完善和发展，
“四个一”电炉流程的进步。
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图5-19 电炉的功能分化与现代电炉流程
熔化期 氧化期 扒渣 还原期 出钢
废钢预热
熔氧期
出 钢
精炼
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5.5.3.4 电炉产生的公害要进行抑制
（1）烟尘与噪音 即将出台的“钢铁工业大气污染物排放标准”，对 烟尘排放浓度限值为：35／20 mg／m3 ；对二恶英排放 限值为：0.2ng-TEQ/ m3。 UHP电炉产生噪音高达110dB，噪音对环境的影响程 度见下表。许多国家都制订标准，如德国要求，距噪声 源300m处的噪音强度为Ｎ.Ｉ 300≤60dB（白天），≤45dB （夜晚）。 GB12348-90规定为45～70dB。采用电炉全密 闭罩可以满足，罩外的噪音强度能达80～90dB。
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插入炉内“冷点”区进行助熔，
实现废钢的同步熔化，解决炉 内温度分布不均，见右图。
当时把这种供电叫作“UHP供电”、“合理供电”。
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但这种早期“UHP供电”，相当于牺牲电气方面的利 益，换取热工方面的改善。它存在诸多不足： 超高功率、大电流，使电极消耗大为增加，Wdj ∝I2 ； 大电流，使电损失功率增加， Pr ＝３I2r ； 低电压、大电流，使X%增加，cosφ大为降低； 低电压、大电流，使三相电弧功率不平衡严重， KＰ ∝I/U 。

减少非通电时间，如缩短补炉、装料、出钢以及过程热 停工时间，均能提高时间利用率，缩短冶炼周期、提高 生产率。 减少低功率的精炼期时间，如取消还原期、缩短氧化期， 采取炉外精炼，缩短电炉冶炼周期，提高功率利用率， 充分发挥变压器的能力。

t2 t3 t' t' Tu＝ ＝ ＝ t1 t2 t3 t4 t 't" t
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40 / 70
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417 / 465
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5.5.3 超高功率电炉技术特征
衡量一座电炉是不是UHP电炉，不仅要看功率的高 低，还要看变压器利用率的高低，工艺流程是否优化，
公害抑制的如何等。
5.5.3.1 功率水平要高
这是UHP电炉的主要技术特征，它是以每吨钢占有 的变压器额定容量，并以此来区分高功率、超高功率。 即：
P2 t 2 P t3 S1 S 2 3 C2 Pn (t 2 t3 ) S
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提高功率水平（C1=Pn／G），提高功率利用率以及降 低电耗，均能减少通电时间，缩短冶炼周期，提高生 产率。 目前，对于UHP电炉要求Tu与C2 均大于0.75，把