电炉冶炼节能(最权威)

理想的交流电弧的电压和电流为正弦波形，其
电压、电流和极性随时间周期性地改变。交流电弧
的电压和电流每一个周期会改变两次方向，若采用
50 Hz电源，其电压及电流在1秒内通过0点的次数 为100次，且改变方向。
源自文库了保证电弧的燃烧，两电极端面之间，应有一定
数量的带电质点之，并要求有一定强度的电场、也就是 应有一定大小的电弧电压。电弧开始燃烧的电压称为起 弧电压或燃弧电压。若外电路电抗x＝0，电弧电流和电 弧电压同相。在外电压U小于起弧电压时，电弧熄灭，电
配加1％的冷生铁 配加1％的热铁水 配加1％的DRI 冶炼电耗减少 冶炼电耗减少 冶炼电耗增加 1.18kWh/t-steel 4.66kWh/t-steel 1.24 kWh/t-steel
3.2 能源构成的讨论
（1）电能是基本的能源 电炉炼钢的重要功能是废钢铁料的回收再利用，二 次精炼的在线化使传统的电炉炼钢三期操作转化为以熔 化功能为主的操作，能量的供应在电炉炼钢技术中所占 的地位进一步凸显。 传统的电炉炼钢炉料以冷废钢为主，配10~15％的 冷生铁，每吨钢水所缺热能约390~ 374 kWh/t-steel。
行曲线，利用该曲线图中可以得出允许工作电流范围。
将炉子变压器各级次级电压下的电气运行情况可绘成
电气圆图，电气圆图定量地给出了电弧炉的操作区间。
2.4 现代电炉炼钢过程的实际电气运行特性
（1）20世纪60年代，超高功率电炉的出现使电弧 炉炼钢得到飞速发展，大型化、超高功率化成为现代 电炉炼钢的主流。现代电炉主变压器容量，达到 60~100MVA。 为了提高炉子的工作效率、避免电极电流过大， 电弧炉的操作方式发生了改变。其特征是：高功率因 数、高电压、低电流操作，如图2-3和图2-4所示。
图2-4 超高功率电炉与小电炉 电气运行特性的比较
现代超高功率电炉炼钢电气操作方式的显著变化 是工作点位置的变化，普通功率小电炉，操作区间的 功率因数小于0.707，如图2-3所示，工作点较接近短
路状态，操作电抗接近短路电抗，传统的电炉运行工
作点的工程计算模型是适用的。 而大型超高功率电炉的操作区间的功率因数接近 于0.86，如图2-4的阴影区域，工作电流不到短路电流 的二分之一，该工况下谐波的影响、非线性操作电抗 的影响不可忽略。现代电炉运行工作点的工程分析必 须建立在非线性工作电抗模型的基础上。
标准差比
1.66%
0.36%
1.76%
2.58%
1.03%
2.3 交流电炉炼钢过程电气运行电工原理
根据电工学原理和电炉主电路的有关数据，对给定的 次级电压、线路电阻和电抗得到电弧功率、变压器有功功 率、无功功率和视在功率及其他有关重要的运行参数随电 极电流变化的曲线图，称之为电炉炼钢过程的理论电气运
（2）增加输入功率，包括电功率和单位时间内其它
物理热和化学热的供应量，提高电炉炼钢的生产速率
（104t/t-a），亦即缩短冶炼周期、提高生产节奏。20世
纪50年代以来，电炉炼钢的冶炼周期由4小时降至1小时
以内，生产速率提高了4倍以上，年出钢炉次由不足 2000次提高至10000次以上，增长5～6倍； （3）提高能量的利用效率，按占用电网的容量来计 算为单位主变压器容量每年生产的合格钢水量，即变压
与之相应的是炼钢过程所需要大量的热能。 从能量利用的角度，可以认为炼钢是以能量换取钢产 量，或者说是以功率换取生产速率。 理论计算指出每
控制。为此，工业化炼钢生产应在高温、熔融状态下进行，
吨1560~1570℃的普通钢液具有的热焓约为380kWh。
电炉炼钢过程的能量状况，取决于炉料结构、能源结
构和炉型三方面的影响。
3.1 炉料结构的讨论
对以下五种特定的炉料状况进行物料衡算和能量 衡算，以便定量的讨论炉料结构的影响。 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 炉料全部为冷低碳废钢 炉料全部为冷生铁 炉料全部为热铁水
Ⅳ
Ⅴ
炉料全部为冷直接还原铁
传统的电炉炼钢炉料结构：炉料中冷废钢占
85％，冷生铁占15％。
由典型炉料结构下的能量状况可以看出：
②交流电的正负半周中石墨电极和钢交替做阴极和阳
极，电流的正负两个半周的波形不对称，形成偶次谐波。
③三相电弧不均匀，导致三次谐波。
④供电系统连结的各种谐波源导致各种谐波的形成。
实测的电流波形和相应的谐波构成
南钢100t/60MVA电弧炉
6.00
谐波电流占基波电流百分比 %
5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 谐波次数
（1）使用冷废钢、冷生铁和冷直接还原铁做原料， 冶炼过程都需要由外热源补充热量；使用热铁水做原料， 炼钢过程能量有富余，约合每吨钢水富余75.8 kWh，即 允许补加近20％的冷废钢。 （2）实际的炼钢过程使用的炉料结构，可认为是上 述理想状况的不同搭配。
炉料中使用其他含铁原料取代1％的冷废钢引起能量 收支的变化，理论数值约为：
8 7 6
功率，MVA
cosφ =0.707 cosφ S
Se=7MVA
4 3 2 1 0 0 2 4 6 8
P Q Parc
10 12 14 16 电流，kA
18 20 22
功率因数
5
1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Isc 0.0
图2-3 10t电炉电气运行特性
电弧炉冶炼节能
徐采栋院士 （北京科技大学） 2010年8月10日
1. 引言 2. 电弧炉炼钢之单元操作——电气运行特性 3. 电炉炼钢之反应工程学——过程的能量状 况 4. 电炉炼钢之过程系统和流程学——流程的 能量状况 5. 结语
1 引言
电是一种方便、清洁的能源，电力工业的发展促 进了电能在炼钢中的应用。用电——热转换技术为炼 钢过程提供热量有多种方法，获得工业应用的主要有： 电弧 电磁感应 等离子炬 电子束 电渣
当前，在炼钢工业生产中占绝对统治地位的是电 弧炉炼钢生产技术，一般情况下“电炉炼钢”即为 “电弧炉炼钢”。
电炉炼钢的功能在于将冷废钢加工成为成份和温度
合格的钢水，其中包括了供能和冶金两方面的操作。 讨论电炉炼钢的能量问题，包括三个工程技术问题： （1）增加能量供应，包括电能和其它物理热和化学 能，换取生产率（104t/a）的增加。电炉的公称容量由
2.6 供电曲线
制定交流电弧炉供电曲线的总的目标是快节奏、低成
本地冶炼出合格钢水。制定的供电曲线要能够安全、稳定
运行，同时兼顾生产节奏，即：保证电炉变压器承受的视 在功率不过载；电弧稳定高效燃烧；电压有载切换次数尽 可能少。 一般来说，制定供电曲线主要从两方面来考虑： ①能量需求； ②能量的有效利用。
某原料状况用的供电曲线 南钢100t/60MVA电弧炉
2.7 高阻抗电弧炉
传统的小型电炉炼钢，常采用“挂电抗”的运行方式： 在电炉变压器之前串联一定阻抗的电抗器，使运行的工作 点移至cos ＝0.65的区间，在该工况下弧光短而稳定。 为了抑制大型现代电炉炼钢对电网产生的电冲击，80 年代出现了高阻抗电弧炉技术——在主电路中串联电抗器 并采用较高的二次侧工作电压，其优点是电炉工作电流降
2.2 三相交流电路
在工程技术中要求交流电弧炉炼钢过程的三相不平衡 均值小于5％，大型三相交流电炉炼钢过程的实测结果表 明：电流、电压和功率均符合三相平衡的工程技术要求。
三相不平衡实测结果，南钢100t/60MVA高阻抗电弧炉
电流，A A相 B相 C相 平均值 标准差 1176.7 1139.2 1165.6 1160.50 19.26 电压，kV 30.68 30.81 30.59 30.69 0.11 有功功率，kW 16501 16064 16608 16391 288.20 无功功率， kVAR 12502 12376 11903 12260 315.81 视在功率，kVA 20762 20343 20494 20533 212.21
20 世 纪 50 年 代 的 3~5 吨 ， 增 至 120~150t 以 上 ， 大 了
40~50 倍 ； 主 变 压 器 容 量 由 2000kVA 左 右 ， 增 至
90~100MVA，也增大了近50倍；单炉的生产率由每年
产钢数千吨增至每年产钢100万吨以上，增大了100倍 以上，与之相应的能量供应也大大增加；
冷废钢、冷生铁比例为85：15，即炉料结构Ⅴ，每吨 成品钢水需补充热能373.8kWh/t。 按出钢量100t计，则总共需向熔池补充37.4MWh的热 能。取有效供能时间为45min（0.75hr），热效率为0.8， 则供热能源功率应为：37.4/（0.8×0.75）=62.3 MW
流为0。在时间横轴上，电源电压过0点的前后就有一段
时间间隔，此时电弧是熄灭的，这就是交流电弧燃烧不 稳定的根源。 为了不灭弧，要求电路有一定的感性，在炼钢情况 下，要求的理论值是功率因数cos ≤0.866。
（2）交流电弧炉炼钢过程中产生谐波的主要原因：
①电弧的电阻不恒定，造成电弧电流的非正弦畸变。
（3）由于操作电抗的非线性，电弧炉炼钢的实际电 气运行曲线与传统的理论曲线已经有所不同。
图2-6 理论电气运行特性图
图2-7 实际电气运行特性图
变压器容量100MVA电压级别865V
Xop=1.2*Xsc
变压器容量100MVA电压级别865V
Xop=3.29*exp（15.871/I2）
2.5 工作点总表和许用工作点总表
（2）根据电工学原理，可知，在交流电弧电路中， 由于高次谐波的存在，实际操作电抗Xop是各高次谐波 产生的感抗的加和，即： Xop＝
2f
i 1
n
i
L
实测操作电抗和电极电流的关系如图2-5。
20 15
XOP (mO)
10
5
0 0 10 20 30 40 50
I2 (KA)
图2-5
操作电抗与电极电流的关系（90MVA）
工作点总表描述了在每个电压级别下各电极工作电
流（点）处的电流功率或有功功率。根据非线性工作电
抗模型得到的工作点总表，更为贴近电炉炼钢的实际情 况。 按两方面指标，对工作点总表予以判别，①功率因
数是否过高，不能稳定运行；②变压器容量或工作电流
是否过载，不宜长期使用；得到许用工作点总表。
表2-2
级 U2(V) Curve 1
低1/3左右，相应的二次电路和石墨电极的几何尺寸减小，
高阻抗电弧炉技术在国内30~60MVA范围内受到欢迎。
设备投资和运行中电损失减小，炉子运行对电网冲击减轻。
其缺点是： （1）增加了一套电抗器，设备投资和运行成本都 有所增加； （2）主电路二次侧电压提高，甚至超过1000伏，
对操作人员人力安全和设备的安全不利。
器利用系数（104t/MVA-a）。每吨钢水所具有的热焓
差异不大，电炉炼钢的节能实际是提高单位能量实现物
质转换的效率。节电，实质上是提高单位电能生产的合
格钢水量。
2 电弧炉炼钢之单元操作
2.1 电弧稳定燃烧条件
（1）按电源性质可将电弧分为直流电弧和交流 电弧两大类，工业应用的电弧大多数是交流电弧。
直流电弧炉的主要缺点是大型整流装置投资较高；运
行中产生的偏弧和谐波对策亦需较多装备；大功率直流电 弧炉石墨电极的制造和底电极装备也是重要的技术限制。 国内一般对直流电弧炉认识较为负面，对此尚需进行
更为充分的工程技术分析。
3 电炉炼钢过程的能量状况
工业化炼钢生产的基本特点一是巨量性，即高的生产
率和高的生产速率；二是重现性，即过程和产品的可精确
许用工作点总表的评价
Curve 2 Curve 3 Curve 4 Curve5 Curve 6
35
892
△△
△
*
*
**
**
34
865
△△
◎
◎
◎
**
**
33
839
△
◎
◎
◎
*
**
32
811
◎
◎
◎
◎
◎
*
31～19级
均可安全稳定运行
表中△△――变压器过载严重，不宜长期使用； △――变压器略有过载； **――cos 太高，不能稳定运行； *――cos 值过高，不宜使用； ◎――可安全、稳定运行。
因此，对大于70MVA的电炉供电是否采用高阻抗技
术尚需慎重考虑。
2.8 直流电弧炉
最早见诸报道的电弧炼钢炉就是采用直流电弧，二 十世纪80年代，大型整流技术的工程应用促进了直流电 炉炼钢技术的发展，见图2-9。
图2--9
直流电弧炉的发展
交流电弧炉炼钢过程中种种问题源于交流电每秒100
次通过零点，阴极和阳极频繁互换。显然，直流电弧的稳 定性要优越得多；直流电穿透熔池并引起熔池强烈搅拌， 导致熔池传热效率提高。直流电弧的电压、电流、功率的 可操控性较好等，都是直流电弧的明显优点。