单斗加料电弧炉的升级改造
2014-03-05 09:17 来源： 我的钢铁网
SDI Butler钢厂是一座由紧凑型带钢生产线（CSP）、冷轧和精整设备组成的小钢厂。工厂的CSP段由2座双炉壳交流电弧炉（AC-EAF）、3座钢包冶金站（LMS）、2台板坯连铸机和1台7机架轧机组成。年产钢270万t。为配合已升级的连铸机改造工程，公司计划将工厂年产量提高到300万t，于是决定对2座电弧炉进行升级改造。
每座双炉壳电弧炉配1台120MVA变压器供电。电炉升级改造前的平均供电能力为100-105MW。每台变压器次级（低压端）可在766.7-1352V之间进行17级电压变化。每台变压器初级（高压端）安装有1台扼流圈。1号变压器扼流圈有5级抽头，最高电阻为2.5欧，标准运行电阻为1.75欧。2号变压器的扼流圈无抽头切换功能，但有旁路。假如2号变压器通路电阻为2.5欧，旁路电阻则为0欧。
为提高和强化燃烧功能，每座电弧炉炉壳装有3支氧燃料燃烧器，1支池式燃烧器和1支炉门喷枪。3支侧壁燃烧器每支功率为5MW，超音速喷氧能力为1300英尺3/min。池式燃烧器一般作为高功率气体燃烧器，超音速喷氧能力为900英尺3/min。每座电弧炉还装有3支喷碳器，且用直径为1.5英寸的管道输送喷碳材料。每支喷碳器连接到燃烧器外壳上的出口。每个炉壳渣门正前方装有自动温度取样装置。
电弧炉冶炼用原材料包括各种质量的废钢、生铁块、HBI 和铁水。混合金属主要由低杂质的捆卷料、碎熟铁热熔结块、生铁/铁水组成。混合金属使用配比根据市场变化而定。目前，已采用30t铁水，分配给两炉子替代生铁块以增加炉内热量和提高生产率。
电弧炉升级改造前，两篮加料典型运行模式是：加入第一篮废钢→在第一篮废钢顶部倒入铁水→触发电弧（2.5MWhs）→开启炉顶→加入第二篮炉料→调整供热和吹氧以达到目标温度→摆动电极在第二炉壳上起弧→出钢。
电弧炉冶炼大多数断电时间的延长与第二篮炉料装料和过量装料有关。由于废钢密度太低，为严密关闭炉顶不得不用料篮将炉内废钢“打碎”（压实）造成过量装料，从而耽误进料延迟断电时间。
用3台废钢吊车将火车或载重汽车运送的废钢装入料篮。钢厂使用的大部分废钢采用火车运至工厂。最佳的装料法是用吊车直接从火车上将废钢装入废钢料篮。废钢通过载重汽车运到钢厂也是一种很好的选择，特别是更换废钢跨的空火车皮期间或废钢进入废钢跨期间确保电炉连续装篮入炉非常重要。
1 电炉升级改造
电炉升级改造是继早期完成连铸机升级改造后为全面提高生产率和产能的又一个重要改造项目。2006年连铸机完成升级改造后，薄板坯长度从6.5m增加到9.7m，浇铸速度从200英寸/min提高到230英寸/min。为进一步提高铸机产能，又将薄板坯浇铸厚度从58mm增加到60mm。薄板厚度增加，必然要求轧制力矩增大，于是对轧机第一机座的传动系统进行了改造。
SDI钢厂计划炉子升级改造后能实现一次开启炉顶将全部炉料连续加入炉内以实现如下目标：
① 减少因加入第二篮炉料造成的断电时间延误3.5min或缩短冶炼时间3.7%；
② 更有效输入电力实现一次穿井和消除第二篮加料导致的不稳定穿井现象发生；
③ 保证炉顶密封，节约能源（预计节能量达20kWh/t钢）和实现对下一炉废钢预热。
此外，炉子升级改造后希望炉内残余钢水量更加合理，有利于下一炉冶炼和减少出钢时带入钢包中的炉渣量。
炉子改造后可能会出现负作用，那就是因水冷板的增高和石墨电极的加长将会导致热损失增大和电极破断次数增多。
由于炉子为双炉壳配置而又未对废钢料篮进行修改，所以，执行两篮加料可利用现有的两套抓斗式料篮和铁水包完成。因为第一个炉壳加料、出钢或执行维护时，另一个同样的炉壳可执行起弧/熔化。因此，这种方案不会造成生产过程的时间耽误。
2 新炉子设计
①考虑到炉子车间空间限制因素，比如管道位置和翻转平台，决定新炉子不加大直径，只增加炉壳高度，以允许钢厂再利用现有炉顶。为增加第二篮废钢的装料量和炉内残余钢水，决定将炉壳容积扩大到2260-6000英尺3。为此，对新电炉结构进行了如下改进：首先对下部炉壳进行了三方面修改：
下部炉壳高度增加6英寸；
② 改变炉壳底盘形状，增加残存钢液容积，使残存钢液从22t增加到70t（炉子总容量从187t增加到235t）；
③ 将炉门线到金属线的距离从13英寸增加到19英寸，以便容纳更多炉渣。其次是给新的线性出钢（口）滑动水口阀安装1台空气冷却气缸。三是利用新的出钢侧支枪强化翻转平台以扩大下部的偏心炉底出钢口（EBT）。四是将新的上部炉壳高度设计成4.5英尺（比现有上部炉壳稍高），故增高旧炉壳板顶部，SDI公司现有侧壁板仍可使用。利用新炉壳结合水冷拱边支柱设计可简化炉壳板管道布置。应用箱式炉渣门可使停产维修时间减至最少。由于炉壳高度的增加可能使刚性变弱，故在上部炉壳周围增装了安全拉杆。五是为适应炉壳高度增加了5英尺，给炉顶和电极上部结构龙门起重架设计了新轴承座。为给轴承座增加的载荷进行补偿，将地脚螺栓长度延长到新的中间法兰盘（位于底部法兰盘上3英尺）且利用新角板（位于原底部法兰盘与新的中间法兰盘之间）增加炉壳强度。同时在现有装置正下方安装垫片将电极龙门起重架摆动锁升高5英尺。
由于炉子上述变化，排气管道系统也必须随之变化才能适应新的高度。为此，将排气管道段集中在两个炉壳之间。SDI钢厂给排气管道装备了调风闸门的水冷T型管道且隔离了非起弧炉壳与布袋除尘器之间的连接。T型管道出口与位于燃烧室/降尘箱上方的方型垂直水冷排气管相连接。除此之外，炉子升级改造工程还将T型管道垂直段和燃烧室进气管道垂直段进行了延长，同时将燃烧室/降尘箱从部分耐材炉衬配置转换到全水冷。
由于炉子高度增加，石墨电极柱的长度也必须增加。因此，夹持器以下长达290英寸（旧炉子电极夹持以下为175英寸）的电极破坏次数会随之增加。炉子升级改造前，SDI公司的电极运行长度大约为3×110英寸（直径24英寸），当电极长度降低到2×110英寸时更换新电极。比较290英寸与175英寸可知，新炉子电极长度的增加超过旧炉子电极长度的1/2节。经与其他长电极用户和不同电极供应商讨论后，SDI公司确信，采用长销螺纹接套设计，电炉使用加长后的新电极炼钢，其破坏率是完全可以接受的。
为更好适应长电极，根据SDI公司更换电极的经验，最好是给3台高架起重机各装1台新的15t高速手推车以增加提升高度，而不是在电炉顶上部增加电极长度。
水冷板高度增加导致冷却水用量增大。实践表明，每个炉壳冷却水需增加约5.67t/min，加上高的T型管，燃烧室进气管和燃烧室转换为全水冷将另外增加约11.34t/min。因此，总冷却水量将增加约22.68t/min。
3 设备安装和试生产
1号炉子投产期间，较长的低压电缆引起电极龙门起重架感应加热，使电极出现极严重振动从而造成电极破断和生产时间的延长。
为了消除感应加热，决定去掉平衡环、减短低压电缆。结果证明，想通过在低压系统中制造不平衡以消除感应加热的效果并不理想。即使在解决了电极龙门起重架的涡流加热，由于电极产生振动，电弧炉运行仍然不稳定。以下就SDI钢厂电极振动产生的原因和消除振动做一简要介绍。
起弧后由于电极支架系统的机电共振，使A、C相电极立即出现共振（也称感应振动其频率为2.5Hz）。此时系统中的电极、电极臂和电极支架将产生机械回复力。电极振动时，改变电极尖端位置可有效增加电弧长度和改变低压系统阻抗。当电弧较短时，电流通过电极臂和电极的电磁力将产生强大的排斥力。这种振动会增大无效电力输入，在一定时候导致夹持器以下的电极破坏。
为防止电极振动可采取以下措施：
① 尽可能在每炉冶炼初期，增加电弧长度和调整用电计划使进入最高抽头（17级）。使与电极振动有着密切关系的电抗波动率减至最小，同时减少留在炉墙上的废钢量以延长废钢塌陷；
② 调整高压端扼流圈，使电阻从1.75欧升高至2.5欧，以降低电流峰值；
③ 将电极直径和电极与电极间的距离从49.2英寸增加到52.2英寸以减小A、C相之间，电极与电极臂之间的电磁力；
④ 为抵偿由于长电极立柱使电极上部结构产生的机械挠曲，设计了一种液压冲击将其安装在龙门起重架正前方下侧。
4 炉子正式生产
炉子升级改造后废钢加入有些变化，即降低了重废钢在炉内的装入高度，以减少废钢塌陷和电极破坏。如将全部重废钢如盘卷废钢、钢板、结构钢和渣壳均装入第一篮；仅将碎熟铁熔接块、碎废钢加在炉料顶部；第一篮废钢的尺寸也减小到允许铁水灌入炉料下部以防止渣壳在炉内形成等。炉子投产运行证明，高密度盘卷废钢的数量对炉子冶炼的影响不敏感。经过一段时间试用后，SDI公司电炉炉料中盘卷废钢量已增加到30%。记录显示，电极破断率较低。
为了提高废钢料篮的装料速度以便及时发运到炉子，SDI公司安装了废钢起重机磁性优选器，使磁性吊车起重能力平均增加7%，装料速度从70英尺/min增加到80英尺/min。为了保证废钢供应，需在增加废钢跨的废钢量时用载重汽车装卸，以免在更换废钢跨空火车皮时影响废钢供应。
炉子升级改造后初期，增强吹氧强度引起的通电时间的缩短和减轻后期废钢塌陷的效果比炉子改造前更加显著。然而，这种吹氧活性导致炉渣中FeO含量升高，从而造成喷碳量的浪费。减轻吹氧强度后，氧消耗量降低到炉子升级改造前的约1100英尺3/t钢的水平。
为了防止渣壳形成和后期废钢塌陷，在炉子第四孔和渣门之间的部位安装2支后燃烧器。SDI公司利用这些综合措施成功防止了废钢塌陷，同时显著地减少了炉子结壳，保持了侧壁的清洁。此外，SDI公司还给炉子安装了1支长池式燃烧器。实验证明，它比以前任何一种池式燃烧器的燃烧效果都好，不仅使超音速喷氧能力达到900英尺3/min，而且减少了耐火材料磨损和熔池区域废钢塌陷数量。为了优化废钢熔化和使炉子侧壁废钢逐渐滑动，在2号炉子安装了第4支主燃烧器进行效果试验。结果证实，因燃烧效果良好，不仅降低能耗达2MW，而且使电极破坏率下降了16%。为此，SDI公司决定，2011年在所有电炉上安装第4支燃烧器。
生产表明，炉内合理的残余钢水量特别重要。新的下部炉壳设计很容易使炉内残留钢水太多（高达100-200t）导致热损失和吨钢能耗大幅增加。
炉子升级改造后，吨钢总电耗明显下降，废钢熔化能耗降低了30kWh/t钢，超出预计降低值 10kWh/t钢。为评估节能效果，已开发了一种改变废钢混合比的简单模型。从炉子升级改造后电力消耗可以看出，使用铁水炼钢可降低吨钢电耗，用HBI调节能耗。节能的主要原因是消除了开启炉顶加料导致的热损失和对废钢进行了有效预热。
电炉升级改造后由于石墨电极长度的增加，使电极破坏率明显增多，平均达到每天一次。通过对燃烧器设计、供电计划、新的废钢加料配置、增大电极直径、电极龙门起重架加装减振器和增加电极连接销长度等优化措施，终于使电极破坏率降至最低。为了强化电极连接，直径为24英寸的电极连接销的长度达到14.75英寸。采用上述措施后，SDI公司即使投产初期经历了过于频繁的电极破坏，但是由于每天冶炼炉数从20炉增加到24.5炉，因而，电极的总消耗量仍然降低到了2.8磅/t钢以下。2010年1月，SDI公司使用改造后的炉壳炼钢创造了新成绩，即生产267546t热带钢电极仅破断8次。几乎与炉子升级改造前短炉壳生产255817t热带钢，电极破坏7次的水平相当。
1号电炉升级改造计划开始之前，金属材料进入渣锅中的量为1.75%。因为渣中金属含铁较高，因此，必须回收后返回到电炉冶炼。2号电炉完成升级改造后，进入渣锅中的金属含量降至0.6%。两座电炉升级改造后由于提升了金属线到炉门坎的高度，所以，使金属进入渣锅中的含量降低了1.15%。
此外，由于上部炉壳的增高和废钢量的增多，以及金属线与第四孔弯管之间距离的增大使燃烧室降落材料减少了一半。
另外还可看到，因炉顶耐材与熔池和炉门喷枪之间距离的增大，使炉顶耐材寿命提高，给生产商带来可观的经济效益。由于炉子升级改造后，炉顶耐材与熔池和炉门喷枪之间的距离增加到现在的5英尺，因此，炉顶耐材寿命由炉子升级改造前的445炉提高到目前的945炉。于是，水冷圈由炉子升级改造前的每次必须与炉顶耐材同时更换改为间隔一次更换。
炉子升级改造后6个月，热轧机第一机座传动系统完成升级和连铸板坯厚度增加，生产同步达到300万t/a。2010年1月，SDI公司生产热轧带钢达到267546t。
5 结论
5 结论
两座双炉壳电弧炉完成升级改造和实现单斗加料使能耗减少了30kWh/t钢，通电时间从40min减少到35min。炉渣中的金属损失减少了31.0%，电极消耗降低到2.8磅/t钢以下（有电极破坏）和2.6磅/t钢以下（无电极破坏）。工厂年生产能力增加到300万t以上。
