炼钢电弧炉

利用电弧热熔炼废钢等炉料产出液态钢的设备。炼钢电弧炉包括炉体、机械设备和电器系统3部分。

炼钢电弧炉炉体

电弧炉炉体呈茶壶形，是炼钢反应容器。炉体由炉身和炉盖(炉顶)组成。炉身外壳用钢板制作，其内为炉衬。炉墙由镁砖(MgO)或铬镁砖(Cr2O3、MgO)砌筑。炉底呈盆形，黏土砖和镁砖之上有镁砂烧(打)结层。酸性炉炉衬用石英砖(SiO2)及石英砂修砌。对炉衬耐火材料除有强度、耐高温及绝热的基本要求外，还要求能承受炉渣的化学侵蚀，炉温反复急变的热冲击及炉料块和操作机械的碰撞。炉门和出钢槽分别设在炉身直径的两端。炉门框和炉门盖都通水冷却，两者之间接触严密以便保持炉内还原气氛。出钢口用碎白云石堵塞，出钢时用钢钎凿开。大容量的电弧炉为了操作方便，开设第2个炉门，与第1个门成90。设置。炉盖用高铝砖或铬镁砖嵌砌于钢制炉盖圈内，呈拱形。炉盖圈坐于炉壁上面，与炉身外壳相接触的地方有沙封，其作用也是为保持炉子的密封，并便于炉盖的对位。三根电极经由炉盖中央三个互相等距的水冷密封圈(电极孔)伸入炉内。电极应具有良好导电性、足够的机械强度和抗热震的稳定结构，并且含杂质少，实际生产中多采用优质石墨电极。每根电极两端分别制成阴、阳螺纹，以便于电极的接续。由于不可避免的高温氧化、热崩及机械损伤等原因，每吨钢平均消耗电极3～7kg。

炼钢电弧炉机械设备

炉子的机械设备按炼钢操作的需要和便利，设计并配置于炉体的上方、下部和侧面。炉子出钢槽一侧称为炉后，炉门一侧则称炉前，炉身的一旁有3根电极支柱，每根支柱上均备有一个电极升降柱，升降柱上带有水平电极横臂，其末端为水冷电极夹持器，夹住伸入炉内的电极。电极升降柱的作用是调整炉内电弧长度(改变功率)，对影响炉内电弧功率的偶然因素作出及时、快速的反应，保持各工艺阶段给定电弧功率的稳定。升降柱的驱动及方向根据实际功率与给定功率之偏差，通过自动控制系统给出的指令进行。炉盖和电极横臂之间有一悬臂式或龙门式的小平台，在此进行电极的接续和放置炉顶的启闭机构，小炉子则无此平台，电极接续在炉顶上进行。炉体置于其下部的倾动式炉座上。炉座的上平台即为炼钢操作平台。炉座载于混凝土基础上，通过弧形梁与基础上的水平轨梁相啮合。运作倾动机构可使炉体连同电极柱系统作为一个整体向炉后倾动出钢或向炉前倾动出渣。混凝土基础之间敷设铁路线，钢包车和渣车沿此线出入。

机械设备的设计和配置随炉子容量不同有明显差异。小炉子通常可由炉门用人工或装料机装料；而大炉子一般均用料筐自炉子顶部装入。

(1)炉身开出式。提起炉盖及电极，炉身沿平台轨道向炉前开出，桥式吊车将料筐自炉顶将料装入炉内。此种加料方式要求炉座内有炉身推出装置且炉前平台亦应有部分能移动；

(2)炉顶开出式。炉顶及电极升起，电极支柱系统及平台向炉后开出，然后吊车装料，此类炉子的上部机构通常置于龙门式平台上，使电极和炉顶运行平稳；

(3)炉顶旋转式。炉盖和电极提升后，以三根电极的共同基础的中心点为轴，将炉顶旋开进行装料。

供电系统 电弧炉炼钢时要耗用巨大电能，设有完备的供电系统方能保证熔炼的正常进行和安全。主回路上设有隔离开关、高压开关、塞流线圈(电抗器)、塞流线圈的分流开关及炉用变压器。主回路上还连接有电压、电流互感器，将其与检测、指示、记录仪表及调控装置相连接。隔离开关用于高压线路有电压载荷时的切断和闭合，只在高压开关断开之后才能动作。电弧炉工作要求多次反复地通电和断电，为了保证高压开关工作的可靠无误，还配置有油断路器或空气断路器。

变压器是电弧炉供电系统的核心设备，它要求能承受较大的过载；高温、高压下具有良好的绝缘；有较高的机械强度；变压比大；副边电压可变换的级数多，并能在负载下变换，以便适时有效地调控输入炉内的电能。

塞流线圈的功能是：增加电弧燃烧时的稳定性；控制电极与炉料接触短路时电流的冲击强度。塞流线圈做成变压器形状，置于单独的油箱中，也应具有较高的机械强度。当电弧稳定、不易发生短路时，应及时将它从电路中切掉。

短网是指由变压器副边引出线至电极夹持器这一段线路，由于通过数万安培以上的电流，短网需采用特殊结构以减少线路的电阻和感抗。

调节电极升降的自动控制系统必须具有高灵敏度。常用的自动调节装置有：电机放大机一直流电动机式；可控硅一直流电动机式；可控硅电磁转差离合式以及电动随动阀一液压差动式等。液压差动式的电动随动阀具有调节速度快，灵敏度高的优点，其系统滞后时间仅有0.15～0.3s，且传送功率大。

20世纪30年代电弧炉的最大容量为100吨,50年代为200吨，70年代初已有400吨的电弧炉投入生产。

高功率电弧炉(HP)和超高功率电弧炉 (UHP)是相对于一般的普通功率电弧炉(RP)而言的。它们主要是按每吨炉容量所配变压器容量的多少来区分。20吨以上的炉子,普通功率电弧炉每吨炉容量的变压器容量约300千伏安，高功率电弧炉约450千伏安,而超高功率电弧炉则为600千伏安以上,而且有越来越高的趋势。这意味着单位时间内输入电弧炉的热能大幅度增加，使熔化时间显著缩短，从而提高生产能力，降低电极消耗，减少热损失，降低电能消耗，结果是使生产成本下降。例如日本的一座70吨超高功率电弧炉，变压器容量60000千伏安,炼滚珠钢，配上炉外精炼，冶炼周期仅70分钟，相当于每分钟产钢1吨的高水平。为使炉子能在最佳的电制度(最充分和最经济地使用电能)下工作,许多超高功率电弧炉采用电子计算机控制。超高功率电弧炉的功率大，单位时间内输入炉中的热量也大，耐火材料便成了一个薄弱的环节。研究和使用了涂有耐火材料的钢制水冷炉壁和炉盖 。

超高功率电弧炉有突出的优点，但必须具有下列条件，才能充分发挥作用：①强大的供电网。短路容量应为最大炉子变压器容量的80倍以上。或是安设巨大的电容补偿装置（这样做费用很高），以减小网路上的电压波动，免得影响其他用电设备的正常工作。②超高功率电极。超高功率电弧炉在单位时间内输入的电能比普通功率电弧炉高得多，这是同等断面的普通功率电极不能胜任的。加大电极断面会使其支承、传动甚至整个炉子的结构笨重，还会对控制系统造成困难。超高功率电极的原料是针状沥青，电极的结晶组织具有方向性。其导电性、热传导性、抗氧化性、强度等性能都优于同等断面的普通功率电极。③高效的生产管理制度。对19座超高功率电炉的调查结果指出，约20%达到了超高功率的效果，60%只发挥了60～70%的能力，另外的20%则未发挥作用。其中，生产组织管理极为重要，不能简单地认为，电弧炉配备一个大容量变压器就能达到预期目的。

由于超高功率电弧炉和各种炉外精炼法的出现，电弧炉有作为单纯熔化设备的趋势；并配置与所生产钢种相适应的炉外精炼设备，以便充分利用炉子变压器的能力，提高炼钢产量。

超高功率电弧炉是指单位时间输入到电炉中的能量比普通电弧炉大2～3倍。主要优点是：大大缩短了熔化时间，提高了劳动生产率；改善了热效率，进一步降低了电耗；使用大电流短电弧，热量集中，电弧稳定，对电网的影响小等。配套设备和相关技术有：采用大容量变压器，可在有载情况下变换电压；在炉体上大面积使用水冷炉壁和水冷炉盖；采用油一氧喷枪助熔死角冷区；使用计算机控制等。

电弧炉偏心炉底出钢

1979年德国首先将传统的50t超高功率电弧炉改为中心炉底出钢，后又将其 改为更完善的偏心炉底出钢。偏心炉底出钢的最大特点是将出钢口移到炉壳外边，便于维修与检修。偏心炉底出钢与超高功率相匹配，在发达国家发展及推广很快，特别是对于无渣操作的大型电弧炉，其优越性尤其明显，主要为：

(1)熔池中可以保留98%以上的熔渣；

(2)耐火材料消耗可降低25%左右；

(3)出钢时钢水温度一般只下降25℃左右；

(4)出钢时间短，60t电弧炉的出钢时间仅80s左右；

(5)每吨钢电耗可下降20kW·h左右；

(6)每吨钢电极消耗可降低0．5kg左右；

(7)出钢口耐火材料内衬寿命可达250次左右。

偏心炉底出钢的一个最大缺点是要求电弧炉为高架式结构。我国电弧炉结构多为地坑式，高架式较少，再加上炉容量较小、车间设备老化，改造困难，发展和推广偏心炉底出钢还将有一个长期的过程。

直流电弧炉

1982年，世界上第一台用于实际生产的直流电弧炉在德国制造，其中心石墨电极作为阴极接入电路，底电极是阳极，由两块水平金属组成，金属板上装有导气冷却片，许多触针附在金属板上，触针之间筑入镁砂填充。电流经炉底水平金属板导入触针，然后通入熔池。直流电弧炉的操作与交流电弧炉差别不大，只是为保证炉料与底电极之间保持良好接触，出钢时要保留一部分钢水。若要更换钢种，必须将炉内钢水出净。

对于直流电弧炉来说，偏心炉底出钢、水冷炉壁、水冷炉盖、氧-燃烧嘴、废钢预热等新技术，均比较合适，且效果较好。

直流电弧炉主要优点是：电极消耗较低，只有三相交流电弧炉的一半左右；生产成本较低。但因其仍处于不断完善过程中，也存在不少问题：底电极与炉料接触不良；钢棒式底电极产生氧化和产生沸腾；钢销式(针状)底电极维修困难；石墨—镁砖易增碳；炉内温度不均匀；底电极散热不良等。其缺点是电价较高时，地方成本较高。

如用微机控制热处理电炉的升温曲线、作业时间，炼钢电弧炉的配电曲线，电阻电弧炉投料配电和出炉的时间，可缩短工作时间或冶炼时间,提高产品质量，节约电能。

具有较高的机械强度，耐热性能，工作温度在600°C-850°C内长期使用。并广泛用于电热设备、炼钢电弧炉、电石、铁合金、矿冶电炉等。云母法兰厚度为0.2-180mm，直径可以按客户需求，可以按图纸加工。是良好的衬垫绝缘材料。