淺談柔性直流電弧爐技術

石秋強，張豫川，談存真，楊寧川，黃其明，龍海洋

(1.中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122；2. 西安電爐研究所有限公司，陜西 西安 710061；3.中冶賽迪技術研究中心有限公司，重慶 401122)

隨著電弧爐煉鋼技術的發展，廢鋼連續加入、連續預熱及連續熔化的技術，實現平熔池和長時間不開蓋冶煉，節約電能和化學能，降低了對電網產生的沖擊，降低了車間內噪音，改善了工作環境。在此背景下，為了進一步的縮短冶煉周期和降低能耗、電極消耗，現將柔性直流電弧爐技術，介紹其主要工藝、技術特點。

1 柔性直流電弧爐技術總述

柔性直流電弧爐技術是基于直流電弧爐和水平連續加料技術而開發出的，該技術主要包括三部分的內容：雙電極直流電弧爐技術、廢鋼連續加料及預熱技術、柔性直流電源技術；柔性直流電弧爐設備主要組成詳見圖1所示。

圖1 柔性直流電弧爐設備組成示意圖

柔性直流電弧爐技術的特點如下：

(1)柔性直流電弧爐熱效率高，柔性直流電源的功率因素高，直流電流穿透式加熱特點，熔化速度快，使得電能消耗比交流電弧爐更低；直流電沒有感應損耗，因而大電流線路損耗減少。

(2)直流電弧比較穩定，石墨電極在溫度相對較低的陰極，電極端部的開裂、剝落和升華等消耗減少，電極數量較交流電弧爐少，且沒有肌膚效應，電極表面氧化消耗也大為減少[1]。

(3)強大的直流電流通過爐底電極流入鋼液再通過電弧流到頂電極，這種形式的電弧電流產生一個強大的磁場，帶電鋼液在磁場作用下受到電動力作用。電磁攪拌能力強，可實現鋼液溫度和成分的快速均勻；大功率輸入能力強，熱效率高等多方面優勢，可將冶煉周期控制在30 min以內，大幅提高了電爐的生產效率。

(4)直流電弧爐電極數量少，電弧與爐壁距離遠，爐壁熱負荷均勻，爐襯燒損均勻，耐火材料消耗降低，使用壽命更長。

(5)直流電弧較交流穩定且能量集中，熔池形成快，電弧很快穿入爐料，有效的抑制了電弧噪音。

(6)直流電弧穩定，有功功率波動減少，無功功率的絕對值變化量大為減小，對電網干擾和沖擊小，電壓閃變降低。

(7)采用柔性直流電源技術后，其網側功率因素可高達0.95以上，無需配置SVC補償和諧波治理裝置。

(8)柔性直流電源采用模塊化、抽屜式并聯設計，在生產過程中若某一模塊出現故障，可以立即切出，不會導致直流電源整體停電，可繼續投入生產，且模塊更快非常便捷，可提高直流電源的作業時間，減少因電源故障導致的生產停工時間，從而有效提高電爐的作業率。

(9)采用“階梯分料”專利技術，廢鋼輸送過程中經過翻滾后預熱更加充分，有利于改善廢鋼預熱效果，降低冶煉電耗；同時連續加入廢鋼，減少了常規電爐旋開爐蓋的操作環節，減少了爐蓋打開后的熱損失。

2 柔性直流電弧爐技術介紹

2.1 雙電極直流電弧爐技術

直流電弧爐與交流電弧爐相比降低電極消耗明顯，但是經驗表明， 單石墨電極的直流電弧爐與高阻抗的交流電弧爐相比，電極消耗的降低很有限，尤其是在超高功率的情況下。但是，直流電弧爐若采用雙石墨電極， 與單石墨電極的直流電弧爐相比，電極消耗可降低達40%。另外，電極也可采用規格小一點的。對大的超高功率的直流電弧爐來說，因為現有電極的電流限制，雙石墨電極是唯一可行、經濟的方案[2]。

柔性直流電弧爐采用了雙電極直流電弧供電和控制技術。雙石墨電極通過兩組直流電源單獨供電，冶煉過程中，通過閉環控制實現雙石墨電極的調節，從而達到分流分控的效果，進一步提高冶煉效率，具體原理詳如圖2所示。

圖2 雙電極直流電弧爐示意圖

采用風冷式針式底電極技術[3]，爐底電極由多根圓形鋼質觸針構成。末端加工成螺紋狀固定在爐底集電板上，并與陽極短網導體連接構成爐底陽極。鋼棒下段與集電板的連接處實施強制風冷，以防止埋在爐底耐材中的底電極鋼棒因溫度過高而燒損，爐底電極鋼棒內安裝有測溫元件，實時檢測鋼棒及耐材溫度，當溫度到達設定溫度時將發出報警以便提醒操作人員迅速采取措施檢查更換爐底電極及修補耐材，防止發生穿爐漏鋼事故。解決了傳統水冷底電極的系統安全風險問題。目前該技術已普遍在國內外直流電弧爐上應用并得到認可，如美國大河、石鋼、興澄特鋼、大冶特鋼等企業。

2.2 廢鋼連續加料及預熱技術

廢鋼連續加料及預熱技術具有廢鋼預熱、不開蓋連續加料、平熔池冶煉等特點，能降低冶煉電耗、縮短冶煉周期、提高生產效率，生產過程中的粉塵、噪聲、諧波閃變等也顯著降低[4]。

柔性直流電弧爐系統中考慮充分利用各企業的現有能源情況，從而在水平加料基礎上，考慮了強化預熱的手段，進一步提高廢鋼預熱效果，使得企業生產的經濟效果進一步提升。

2.2.1 廢鋼連續加料

連續加料，是通過振動輸送系統向電弧爐連續加入廢鋼。振動輸送系統利用料槽“慢進快退”的原理，實現廢鋼原料的連續輸送。

振動輸送系統主要由料槽、激振器、懸掛三部分組成；激振器是振動輸送的核心，決定了振動輸送系統效率和品質。激振器工況惡劣，其軸承壽命往往較短。柔性直流電弧爐系統采用分布式激振器技術，利用有限元仿真分析的方法，了解各參數與廢鋼運行速度之間關系，選取最優的設計參數，詳見圖3。通過合理的載荷分配，同等情況下軸承載荷降低50%，壽命提高10倍。

圖3 激振器仿真設計程序

2.2.2 廢鋼強化預熱

水平連續加料技術實現了電弧爐連續加料的平熔池冶煉，推廣應用較多。但其廢鋼預熱效果不佳，節能效果有限，這是因為只有表層廢鋼物料被加熱，料層中部及底部廢鋼物料預熱溫度有限。針對上述問題，柔性直流電弧爐系統采用了廢鋼強化預熱技術。

廢鋼強化預熱工藝原理是高效使用電爐煙氣作為主熱源，以高速燃氣燒嘴作為輔助熱源，利用高速燒嘴射流沖擊廢鋼料層，強烈攪拌并帶動電爐煙氣，共同預熱通道內的廢鋼(見圖4、圖5)。該工藝采用水平連續加料和廢鋼擾動輸送技術，通過煙氣三通調節閥動態調節兩個除塵口的煙氣量實現煙氣分流調控，除塵口旋流設計使煙氣中較大粉塵顆粒沉降在預熱通道內，與廢鋼一起輸送返回爐內，回收部分灰塵中的金屬且減少除塵灰量，避免冷空氣進入預熱通道(見圖6)，提高廢鋼與煙氣的接觸面積和換熱效率，從而提高廢鋼預熱平均溫度至約500 ℃[5]，并且將匯合后的煙氣溫度控制在850～900 ℃，滿足二噁英類物質充分分解所需的溫度條件，無需煙氣補燃，降低治理二噁英成本。該工藝對煙氣中的顯熱和一氧化碳燃燒產生的化學熱、燒嘴提供的化學熱以及廢鋼中攜帶可燃物燃燒釋放的化學熱進行優化使用，取得最佳的廢鋼預熱效果。

圖4 預熱通道剖面溫度云圖

圖5 燒嘴速度云圖

圖6 預熱通道空氣質量百分數云圖

2.3 柔性直流電源技術

當前，直流電弧爐普遍采用的晶閘管整流電源系統，采用晶閘管整流供電直流電弧爐的供電電源系統結構如圖7所示，為了降低電弧爐冶煉時對電網的負荷沖擊，在網側仍配置了大容量無功補償裝置(SVC或SVG)和濾波裝置；晶閘管本身特性導致直流電源裝置抗沖擊能力差，在電弧爐冶煉的大電流工況下，晶閘管老化速度較快，每年需進行晶閘管閥組的更換，且晶閘管整流電源供電的直流電弧爐電熱能源轉化效率較低，占地面積較大、容易出現過補償等問題，使得投資成本、運營維護費用較高。

圖7 晶閘管整流供電直流電弧爐的供電電源系統結構

鑒于上述情況，柔性直流電弧爐系統采用了自主研發設計的柔性直流供電的技術路線，其供電系統結構如圖8所示，以解決現有直流電弧爐供電裝置對電網沖擊大、輸出電壓電流調節能力低、抗沖擊能力弱、母線電容能量無法回收、電源裝置過壓過流保護能力弱的問題。

圖8 柔性整流供電直流電弧爐的供電電源系統結構

2.3.1 柔性直流電源的工作原理

柔性整流電源采用移相變壓器，輸出端采用二極管，不控整流后用母線電容儲能，然后利用IGBT器件進行直流斬波快速調節電弧兩端輸出電壓，IGBT器件關斷后，輸出端利用二極管進行續流工作，完全舍棄了變壓器抽頭調壓的環節，同時將電抗器小型化集成在單個電源模塊內，避免了大型平波電抗器引起的無功損耗大需要配備大容量無功補償裝置的問題，節省了用戶初期經濟投資成本。

新型柔性直流電源拓撲結構如圖9所示，從拓撲結構上對電源裝置的整體布局進行了優化，采用模塊化集成，可讓用戶后期運行維護工作量大幅減小，實現在線維護、操作簡便，大幅降低檢修停產時間；直流母線電容中間儲能環節從根本上解決電弧爐負載劇烈變化導致并網點電壓波動的問題。

圖9 柔性整流直流電源拓撲結構

表1所示為柔性直流電源裝置與晶閘管整流電源裝置的電氣性能對比結果。與晶閘管整流電源相比，理論上柔性直流電源裝置在電氣性能上應具有如下優點。

表1 柔性直流電源裝置與晶閘管整流電源裝置的電氣性能

(1)柔性直流電源全功率運行范圍內運行時，網側功率因素均可達0.95以上，網側無需配置無功補償設備，節省動態無功補償投資。

(2)電源裝置輸出采用IGBT斬波調壓，可快速響應電弧爐內的冶煉供能需求和應對短路過流沖擊工況，確保電源裝置工作在安全區域內。

(3)高能源轉化效率，電源裝置整體損耗可控制在3%以內，變壓器加短網損耗可控制在10%以內，整體全部損耗可控制在15%以內。

(4)電源裝置運行時可長時間滿功率運行，1小時內過20%負荷運行。

2.3.2 柔性直流電源的測試情況

通過對研制的一套600 kW的柔性直流電源樣機，進行了中試實驗，并與晶閘管整流電源裝置的樣機實驗結果(見圖10和表2)進行了對比。

表2 柔性直流電源裝置與晶閘管整流電源裝置的測試對比結果

圖10 柔性和晶閘管直流電源電弧爐實驗測試曲線對比

實測數據顯示，采用柔性直流電源裝置供電的直流電弧爐各方面電氣性能指標均優于傳統采用晶閘管整流的直流爐，尤其在網側功率因數、有功功率波動、單位時間供電能力指標方面，柔性直流爐實測實驗數據均遠遠優于傳統晶閘管直流爐。由于柔性直流爐的功率因素高，單位時間輸入爐內的電能更多，冶煉過程中在各個溫度區間更容易打破電弧爐與空氣對流換熱的熱平衡狀態，尤其在熔末升溫期電弧爐內的溫度上升速度更快，因此在相同物料重量，相同冶煉工況下柔性直流爐的冶煉時長更短。

2.4 柔性直流電弧爐運行指標

根據直流電弧爐與交流電弧爐的運行指標差異，結合柔性直流電弧爐的自身特點，按全廢鋼冶煉條件下進行了電爐運行指標大的對比，詳見表3。

表3 全廢鋼冶煉條件下的電爐運行指標對比

從上述對比可知，柔性直流電弧爐在電能消耗、電極消耗、耐材消耗等方面的指標優勢明顯。按照表3數據，在同等條件下測算對比，采用柔性直流電弧爐相對于常規料籃式加料交流電爐的生產成本低215.38元/t鋼，相比水平連續加料交流電爐生產成本低79.53元/t鋼。

3 結 論

柔性直流電弧爐技術集成了雙石墨電極直流電弧爐技術、廢鋼連續加料及預熱技術和柔性直流電源技術，相比其他電弧爐有如下顯著優點：

(1)與單電極的直流電弧爐相比，雙電極直流電弧爐的電極消耗可降低達40%；另外，雙電極的載流量將大大提升，更加適應于大噸位的超高功率的直流電弧爐的需求。

(2)采用風冷式針式底電極技術，實時監測爐底電極鋼棒鋼棒及耐材溫度，當溫度到達設定溫度時將發出報警以便提醒操作人員迅速采取措施檢查更換爐底電極及修補耐材，防止發生穿爐漏鋼事故；有效的解決了傳統水冷底電極的系統安全風險問題。

(3)采用廢鋼連續“階梯分料”專利技術和強化預熱技術，充分有效的最大限度的利用輔助能源，提高廢鋼與煙氣的接觸面積和換熱效率，改善了廢鋼預熱效果，減少除塵灰量，提高金屬收得率，避免冷空氣進入預熱通道，無需煙氣補燃，降低治理二噁英成本。

(4)柔性直流電源，采用IGBT斬波調壓，可以有效快速的控制輸出電流的大小和抑制電流的波動，使電弧燃燒更加平穩，避免了斷弧和短路，同時直流電的電磁力攪拌鋼液，使熱量能迅速的傳導到鋼液中，大幅提高了電能轉換效率，有效降低電能消耗。網側功率因素≥0.95，無需SVC，減少網側電纜無功損耗和SVC的損耗，節省電費。

(5)按照1座100 t柔性直流電弧爐的年生產能力144萬t鋼水測算，柔性直流電弧爐相比常規料籃式加料交流電爐每年可為企業新增效益3.1億元；相比水平連續加料交流電爐每年可為企業新增效益1.15億元。