直流电孤炉炼钢行业分析

由于目前全世界钢铁积蓄量很大，已超过10O亿吨，每年回收的废钢也达数亿吨，因而采用电炉炼钢不仅仅降低能耗，而且还促进了废钢的回收利用。

从目前情况来看，电炉钢产量逐年增加。1994年全世界电炉钢产量占钢总产量的比例达32.5%，接近1975年的两倍，显示出良好的发展势头。

但电炉炼钢也有明显的不足之处，主要有：一是吨钢耗电量较大，不利于节能降耗；二是要求电网容量大，不利于在一些电网容量较小的国家和地区推广。主要原因是，在超高功率电炉上，熔化初期引起的闪烁对电网影响较大，因此，一般认为，当母线接点处的短路电容超过电炉变压器的80倍以上时，电网电压的稳定性好。这就要求有较大的电网容量。

80年代中期，国外开发出直流电弧炉炼钢技术。该技术与交流电弧炉炼钢技术相比，有以下优势：

l）电极消耗降低50%以上；

2）吨钢能耗降低5%～10%；

3）炉衬寿命延长30%以上；

4）熔池温度均匀，出钢温度波动小；

5）噪音降低10分贝左右；

6）减少闪烁50%，对电网电压干扰小，电网容量是使用交流电弧炉时的1/2，就能满足要求。

从结构上看，直流电弧炉与交流电弧炉的主要不同之处，是增加了一套整流设备，将输入的电源由交流变为直流；炉顶石墨电极由三根减少为一根，炉底增加了一个底电极。从投资效益上看，直流电弧炉基建投资虽然比交流电弧炉提高20%左右，但回收期大大缩短。如我国利用原交流电弧炉的旧设备改造成直流电弧炉，其所需费用约在半年左右的时间收回。

综上所述，直流电弧炉有着较多的优点，发展直流电弧炉炼钢技术已成为共识。最近10年，全世界已有40多台50吨以上的直流电弧炉投入生产，其最大吨位为150吨。日本正在建设250吨直流电弧炉，力图走在世界前列。我国自行设计与制造的30吨直流电弧炉已在成都、北京等地投入生产，所引进的100吨直流电弧炉也已在上海建成。预计到2000年，我国建成投产的大型直流电弧炉将达10多座。这将为发展现代炼钢技术打下良好的基础。

1 直流电弧炉优化控制模型

1.1 弧流优化控制模型

弧流控制模型是在常规PID控制的基础上，增加了弧流预报和增益自适应功能，即依据所检测到的弧流、弧压信号及吹氧、喷碳量等参数，预报下一时刻的实际弧流。根据预报弧流确定下一时刻的PID控制参数值，以达到弧流实时动态控制、实现提高弧流稳定性的目的。考虑到实际中存在许多不能被检测到的复杂因素以及冶炼不同阶段的不同炉况特点，弧流预报模型中采用神经元网络技术，以求取得控制的最佳效果。

1.2 弧压优化控制（电极升降控制）模型

弧压即弧长由电极调节系统来保持恒定，通过阀放大器、比或伺服阀、液压缸来实现。

系统采用的电极升降控制模型，根据冶炼炉况和冶炼的不同阶段，调整 控制器增益，使得前期的动态特性和后期的调节精度得到兼顾。同时，要根据设定、输出与检测反馈信号之间的差值、时滞和时间变化率等中间变量的分析，确定执行机构、炉况、料况的影响，进行前馈，用以改善控制品质。

相对于弧流控制而言，弧压（弧长）控制（电极升降系统）的响应时间要慢得多。而且在直流电炉的不同冶炼阶段，影响弧压（弧长）稳定的因素也不相同，所以在设计极升降系统，即弧压、弧长控制时，需要依据冶炼所处的不同阶段，动态调整控制参数，以求取得电极控制的最佳性能。

1.3 功率优化设定模型

功率优化设定模型可归结为态地选择合理的决策变量（弧压和弧流），在满足一定约束条件下，使得输入至EAF内的功率满足工艺要求。

对于直流电弧言，弧流由晶闸管的触发角控制，其控制灵敏度很高，响应快；而弧压（或弧长）是由电极升降系统控制的，其控制灵敏度低，响应慢。也就是说，弧流与弧压是分别进行控制的，且各自可调整的范围宽，不像交流电弧炉，其弧流与弧压的调节是相互制约的，即存在所谓的功率圆的限制。

2 应用结果简要分析

通过对优化控制模型的在线调试，收集模型投入前后的系统数据，并对数据分析处理，对模型投运实际效果做了对比与分析。

2.1 弧流统计数据对比与分析

2.2功率统计数据对比与分析

该模型可依据不同的冶炼阶段及不同的冶炼特性动态设定弧流和弧压，提高电能输入的较率及提高热效率，从而达到减少电能消耗、缩短通电时间等目的。由于影响功率设定的因素非常多，而且其中一些重要的因素很难进行定量化，因此功率优化模型的效果不如弧流控制优化模型的效果大。功率优化模型应综合考虑以下因素：（1）视在功率小于变压器许用容量；（2）工作弧流不超过变压器的许用弧流；（3）电弧弧长控制；（4）较高的用电效率和热效率；（5）冶炼钢种；（6）泡沫渣、吹氧强度；（7）耐材指数；（8）冶炼工艺和生产节奏对出钢温度和冶炼时间的要求等等。2100433B

为了克服空气侧吹转炉炼钢热效率低、钢中含氮量高的缺点，用氧气代替空气吹炼是惟一的出路，但一般耐火材料喷嘴承受不了吹氧炼钢时的强烈侵蚀。1973年，中国东北工学院(冶金系、沈阳第一钢厂、唐山钢厂参照氧气底吹转炉使用油、氧喷嘴的经验，将侧吹转炉的风嘴改为油、氧喷嘴，解决了吹氧炼钢的喷嘴寿命问题。于是空气侧吹碱性转炉炼钢法被改造成为氧气侧吹转炉炼钢法。氧气侧吹转炉炼钢的工艺操作和空气侧吹碱性转炉炼钢基本相同。只是由于不再把空气中大量的氮吹入炉内，热效率提高，原料中废钢比可达10%～25%，钢铁料消耗降低30～100kg/t钢，铁损减少使炉龄也有了提高。油、氧喷嘴的构造如图4所示。它由两根同心套管组成，外管为无缝钢管，内管为紫铜管。铜管内通氧气，外壁切削出几条细的螺旋油槽，和外层钢管构成轻柴油的通路。轻柴油和氧同时吹入炉内，轻柴油在喷嘴出口受热气化和裂解，吸收了很多热量，使喷嘴受到冷却，喷嘴出口温度保持在200～250℃，使喷嘴能正常吹氧而保持较长的寿命。

从1974年到1976年，中国有26座空气侧吹碱性转炉改造成氧气侧吹转炉，总容量达150_t。在推广应用吹氧后，发现氧气侧吹转炉容量仍然不能增大。侧吹转炉的除尘设备大(因为需要在吹炼时倾动炉身，8t侧吹转炉和25t顶吹转炉的除尘设备相当);氧气侧吹转炉消耗轻柴油4～8L/t;钢铁料消耗比顶吹转炉高10～20kg/t。由于存在这些缺点，到90年代初，除唐山钢厂一个氧气侧吹转炉车间还在继续生产外，其余的氧气侧吹转炉或改为顶吹氧气转炉，或者停止了生产。

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转炉炼钢的原材料分为金属料、非金属料和气体。金属料包括铁水、废钢、铁合金，非金属料包括造渣料、熔剂、冷却剂，气体包括氧气、氮气、氩气、二氧化碳等。非金属料是在转炉炼钢过程 中为了去除磷、硫等杂质，控制好过程温度而加入的材料。主要有造渣料（石灰、白云石），熔剂（萤石、氧化铁皮），冷却剂（铁矿石、石灰石、废钢），增碳剂和燃料（焦炭、石墨籽、煤块、重油）。

我国超大型直流电弧炉炼钢生产线于l996年9月在上海浦东钢铁(集团)公司建成并投产。该生产线由两座l00t超高功率电弧炉、两台LF在线钢包精炼炉、一台双工位真空冶炼炉和一台300mm×2000mm大板坯连铸机组成。并与该公司4200mm×3300mm双机架宽厚钢板生产线相匹配，组成一条国内外一流水平的电弧炉生产宽厚板短流程生产线，年生产能力80×104t。