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小议中频电磁感应炉炼钢
小议中频电磁感应炉炼钢
2008-03-2422:
24
典型的中频炉炼钢现场与车间布局。
场景宛如一个大铁匠铺
按:
这是一篇旧作。
因有朋友提出电磁感应炼钢的问题,故将此作小加修改后贴出,与对电磁感应法炼钢有兴趣的朋友交流用。
中频炉炼钢浅识
在钢铁生产的历史上,占主导地位的炼钢方法为平炉炼钢、转炉炼钢、电弧炉炼钢(简称电炉),现平炉已完全淘汰,转炉炼钢与电炉炼钢在钢铁生产中居统治地位。
精炼炉冶炼(即二次冶金)为转炉或电炉炼钢的后续配套工序,已成为提高生产效率、提高质量不可或缺的手段,现已大量采用。
除上述炼钢方法外,还有电子轰击炉、真空感应炉、电渣重熔炉等,这些一般都是冶炼某些具有特殊用途的钢铁产品,在钢产品中所占比例极小,可以忽略。
感应炉炼钢也是炼钢方法的一种,此方法是根据电磁磁场与炉料感应产生的感应热熔化炉料,其原理与电磁灶是完全一样的,只不过以坩埚代替铁锅。
感应炉就其本身来说仅是一种熔化设备,可以熔化钢铁或其它金属类物料如铁合金等,过去主要作为小型铸造厂浇注钢铸件的熔化设备(生铁铸件用化铁炉化铁,钢铸件用感应炉或电炉化钢)。
注:
图片中为一个完整的感应炉实物照片,炉架、倾动机构都有。
可以看见炉子外面围着的铜管(中间水冷),铜管通电后与炉内的废钢产生电磁感应热,熔化废钢。
中频感应熔炼炉是非真空状态下使用中频电源熔炼金属的一种冶金设备。
本设备具有成套性强、操作简单、使用方便可靠、造价低廉等特点。
它主要用于冶炼黑色金属及合金钢,也可用于熔炼铜及铜基合金等有色金属。
主要技术参数
单位
GW0.05-50/2.5
GW0.15-100/2.5
GW0.25-160/1
GW0.5-250/1
GW1-500/1
GW1.5-750/1
GW3-1500/1
GW5-2000/0.5
GW10-6000/0.5
容量
T
0.05
0.15
0.25
0.5
1
1.5
3
5
10
额定温度
℃
1600
1600
1600
1600
1600
1600
1600
1600
1600
中频电源功率
Kw
50
100
160
250
500
750
1500
2000
6000
中频电压
V
750
750
750
1500
1300
1300
2000
2500
2500
中频频率
KHz
2.5
2.5
1
1
1
1
1
0.5
0.5
电耗
Kwh/t
1000
830
820
800
789
650
640
585
520
翻转型式
机械
机械
机械
液压
液压
液压
液压
液压
液压
小的感应炉也作为研究院所做试验时使用,感应炉加真空罩成为真空感应炉,曾是生产高等级金属制品的生产手段之一,如我原来工作过的西宁特钢,拥有半吨容量的真空感应炉,产品用于航空航天。
过去感应炉不用于规模化钢铁生产。
感应炉按照其使用的电流频率,可分为高频感应炉与中频感应炉(简称高频炉、中频炉),工业中以中频炉为主。
这些年大陆钢材市场蓬勃生长,对钢铁产品需求旺盛,因中频炉具有投资小,见效快的特点,因此它有一定的发展。
最早某些制造商用中频炉炼地条钢,成本极为低廉。
[注1]。
地条钢被明令禁止后,产生了用中频炉配连铸机生产连铸坯的方法,这也成为某些工厂的主要炼钢手段。
中频炉得以有一定发展可归咎于如下原因:
1、中频炉设备简单。
与电弧炉比较,中频炉本身不需要大型的炉变设备,不需要大型炉体机械设备(如液压、转动机构等),也不需要庞大的水冷却系统,因此它的单体设备投入是比较低的,其设备也是简单而易于掌握的。
2、因中频炉仅仅具有化钢功能,炼钢中没有氧气吹炼等过程,因此不要制氧机等大型设备,这也可节约投入资金。
3、由于中频炉体积小,高度低,因此其厂房也比其它炼钢厂房低得多,因此在厂房建设上其费用也较其它类型炼钢厂房少。
4、另外中频炉容量小,生产安排上也显得较为机动灵活,特别适合小型单件铸造生产。
5、除此之外,工频炉及其相关工艺技术层次低,短期容易掌握。
6、在市场要求不高的最低端产品中,中频炉综合成本比其它炼钢方法低。
因此中频炉在某些条件下具有一次性投资小,基建时间短,短期见效快,机动灵活,容量掌握这个特点。
由于中频炉的这些特点,该种炼钢方法在钢铁界也能有一定的生存。
但是中频炉也有明显的不足,大致可有如下几点。
1、炉容小,效率低
由于中频炉本身用于盛钢的坩锅不能承受大的压力,因此其炉容一般都在2-3吨,很少超过5吨(极个别的有20吨甚至50吨,廖若晨星,小炼钢根本不可能装备),如此小的炉容就其生产效率来说与电炉是不可比拟的。
目前市场主要接收连铸坯,因此若要形成规模生产或使之与连铸机配套,则必须在一个厂房内安排多台炉子(可达16只或更多),否则不可能与连铸机匹配,而这样的结果就使得投资增加,这样就部分抵消原有的“一次性投资小”这一长处。
也就是说,一台电弧炉可以顶好多台中频炉。
我们曾到安徽省某县与江苏省某市的两家中频炉炼钢厂进行考察,他们都是中频炉配连铸机生产,都配有十多台中频炉。
据厂方介绍,他们的工厂总投资均在8千万元以上,这个投资与投资30吨电弧炉炼钢厂的费用相差无已。
而厂方均露出“后悔”之意,表示“当初不懂”云云。
[注2]
2、电耗高
中频炉炼钢时是敞开操作,大量热量从炉顶直接散发,其冶炼电耗是比较高的,就我们到安徽及江苏某厂现场考查,其耗电量在800度/(吨钢)左右的水平,而在以全废钢条件下的电炉炼钢中,好的电耗指标为350度左右,中等水平在450度左右,一般水平在550-600度左右,相比之下中频炉电耗大大高于电炉电耗。
当然中频炉没有电极、氧气这些消耗,但综合比较它还是属于高消耗的炼钢方法。
就这一点来说中频炉作为一种炼钢方法并不符合节约型社会的方向。
3、难以防治污染
中频炉冶炼车间炉座多,操作时敞口进行,炉顶难以安置集尘装置,目前尚未见有安装除尘装置的厂家。
4、无脱气手段
钢中有害气体是使钢材性能不达标的重要原因,去除有害气体也是炼钢工作中重要的任务,在电炉炼钢中常用的手段是钢中吹氧精炼、炉中造白渣等,对于高要求的钢种还采用吹氩及抽真空,但中频炉仅是一种化钢工具,无任何脱气手段,因此中频炉钢坯轧制的钢材常有屈服点不合、冷弯不合的现象。
5、难以调整成份
在中频炉炼钢中,理想的情况是其原料废钢的成分与所炼钢种的成分相一致,否则在冶炼中是很难对其进行成分调整的。
中频炉冶炼在钢液成分低于规定指标的情况下可采取炉外配加合金,炉外增碳等进行调整,但对于钢液成分高于规格要求的情况只有用不同炉号钢水进行勾兑的办法解决,因此中频炉成品成分往往有很大的波动,甚至成分超标,若是国家有强制要求的钢种,则成分超标就是废品。
就我们使用过的中频炉连铸坯来说,化学成分超标的情况比比皆是,由于中频炉无脱磷、脱硫及脱碳等手段,从而对于低磷、低硫、低碳、或成份范围波动窄的钢种,中频炉一般来说是无法冶炼的。
综上所述,中频炉炼钢本身并不是规模化钢铁生产的方法,虽然它简单,基建费用低,但综合考虑它的环境成本、质量成本及品种的局限性,其市场竞争能力及综合效益是不能与其它炼钢方法相比的,它只有在一定的条件下才具有规模生产的效益,这些条件就是:
1、有成分稳定的废钢。
因中频炉缺乏调整成分的手段,因此只有成分稳定的废钢才能保证冶炼的顺利进行,才能保证产品的稳定。
但一般来说,在规模化生产中,废钢来源繁杂,是很难做到废钢成份稳定的。
2、在上述第一条不能保证的情况下,中频炉只适合生产社会要求不高,国家没有强制性要求的产品——即最普通最低质量要求的民用钢材。
以我们最近考察过的安徽省和江苏省那两家为例,这两家已由原来的螺纹钢产品改为普碳角钢。
3、中频炉炼钢厂只有在能源充足,对环境保护及质量要求低的地区设立,否则有可能面临能源的制约或质量法及环境法的制约。
目前大陆不少地方已对中频炉进行限制,在网页上搜索“中频炉”,就可以找到多条这方面的内容。
因此可以得出这样的结论:
在生产效率、环保、产品质量、产品品种等方面,中频炉炼钢都大大逊色于其它炼钢方法;从长远观点看,中频炉炼钢难以具备可持续发展的条件;中频电磁感应炉作为一种普及型的炼钢方法在中国存在,的确是一种“中国特色”,是“初级阶段”条件下各种不规范因素综合形成的产物,只有在不规范的周边环境(指无能源制约,也无质量法及环境法的制约)条件,并且在市场要求不严的低端产品中,中频炉有高于电炉的投资效益。
以上个人意见仅供参考。
2005年7月14日
注1:
笔者曾在火车上与一位地条钢生产商聊天,他说,他们搞中频炉配地条钢生产,一年不到就收回成本了。
他们根本连厂房都不搞,搭个棚子就行了。
质量怎么办呢?
钢中磷、硫怎么控制呢?
搞化验吗?
我问他。
这位先生哈哈笑起来,他说谁管那个呀。
那有没有人管呢?
这位先生很坦然——“给钱呗。
”他们的厂子建在很偏僻的乡下,每年给当地土皇帝一大笔。
注2:
这几年,中频炉炼钢的厂家的日子过得颇滋润,这并不是中频炉是“先进生产力”所致,重要手段之一是在经营中玩了数不尽的猫腻,如不开票,频繁更换销售公司等等。
一、我国钢铁现状
随着我国经济力量的不断增强,逐渐已成为钢铁大国.在2000-2003年,钢产量与钢材消费量的年增长率平均超过了20%,是1990-2000年平均增长量的4.91倍。
截至2003年,我国钢铁积蓄量为19.5亿吨。
如果2007年以后,我国钢产量稳定在3.5亿吨,则2010年我国供炼钢使用的废钢量可达9883万吨/年。
如果此时将电炉钢的比例提高到25%,即8750万吨/年,电炉使用的废钢量为7000万吨/年。
由于我国人口众多,人均钢铁占有量又是在世界上最少的国家之一。
因此今后对钢铁的需求量还会不断的增长。
尤其对工业中有特别要求的钢的需求量更是迫切要求,如弹簧钢、轴承滚珠钢、不锈钢、高温高强度钢(高锰)等等。
二、电弧炉炼钢
在国际上,电弧炉装备技术的发展大体经历了以下几个价段:
20世纪70年代,常规交流超高功率电炉及其配套技术的开发应用,使电炉的生产效率大大提高,技术经济指标大大改善;20世纪80年代,直流电弧炉得到大规模工业应用;20世纪80年代后期至90年代中期,利用高温废气对废钢和CO进行预热后再燃烧的技术,以及用化学能代替部分电能的各种节能电炉技术被成功开发并应用。
我国电炉炼钢在20世纪80年代以前一直处于落后的状态。
当时,全国有3000多座容量为3吨—30吨的小电炉,功率水平普遍不大于350kVA/t。
这些小电炉多采用落后的“老三段”冶炼工艺(即在电炉内完成熔化、氧化、还原三步冶炼任务),电炉生产效率低、产品质量差、能源消耗高、生产过程污染严重。
我国电炉钢生产能力在90年代得到发展,在90年代中期的2000万吨/年,提高到2002年的4035万吨/年。
与此同时,电炉炼钢产品的技术经济指标也明显改善,如2003年,舞阳钢铁公司90吨电炉的技术经济指标已全面超越了当时国际上指标最先进的德国巴登钢厂。
三、电弧炉用电
电弧炉用电在不同的国家略有不同,如欧美采用1000KVA/吨,日本采用800KVA/吨,我国一般采用600KVA/吨。
若一座20吨电弧炉一般变压器容量为S=600KVA/吨×20吨=12000KVA左右即可。
电弧炉炼钢一般分为熔化期、氧化期和还原期大致三个过程。
氧化期和还原期又可分称为精炼期。
目前电弧炉炼钢一般都采用废钢处理和加工及炉内吹氧和微电子控制电极升降。
因此整个冶炼时间大大缩短,电成本大大减少,一般为450度~550度/吨钢电耗。
四、电弧炉炼钢对供电电网的要求和影响
现代电弧炉的基本功能是将尽可能多的把电功率输入到熔池内,以获得高的生产率和低的物料、能量消耗以及好的环保指标,炼钢电弧炉按每吨钢平均变压器额定容量或单位炉膛面积平均变压器额定容量分普通功率、高功率和超高功率,主要目标是提高生产效率和降低成本。
一般电弧炉变压器容量较大,从几万千伏安到十几万千伏安,为了能输送较大功率和尽量减少损耗,因此电炉变压器一般都采用35KV电压等级进线,上一级总降变电所一般都采用110KV或220KV电源进线,其容量大于电弧炉容量的5倍。
电弧炉从电网获得电能,其中一部分转化为有用的热能,而另一部分为无功能量,电弧炉在正常熔化时功率因数仅为0.78,但在冲击时,功率因数甚至可以降低到0.3,这样会引起母线电压严重降低,电压降低又相应降低电弧炉的有功功率,使生产效率下降。
交流电弧炉在炼钢工程中其电流会产生非正弦畸变和各次谐波,对电网造成干扰。
其主要原因有:
电弧的电阻值不恒定,并且在交流电弧的半个周期中电弧电阻也在变动,这造成电弧电流的非正弦畸变。
交流电的正负半周换相,石墨电极和钢交替作阴极和阳极,因不同材料发射电子能力不一样,故使电流的正负两个半周的波形不对称,造成偶次谐波。
三相电弧不均衡,导致3次谐波。
所以电弧炉产生的谐波主要有2次、3次、4次、5次、7次、11次等高次谐波,谐波含量最严重的是2次和3次,其次是5次。
电弧炉变压器在整个冶炼过程中,频繁的出现冲击过载和进线开关多次地出现跳闸合闸。
在熔化期由于坍料电极经常出现短路,因此电流冲击在额定值的4倍以上,变压器严重过载。
并会产生高伏值的过电压。
常常会使开关和滤波器爆炸烧毁。
同时有电弧炉的电网会出现电压波动闪变,不平衡,严重影响供电电网的电能质量。
五、电弧炉产生谐波的危害
谐波对变压器的影响
谐波对变压器的主要影响是温度的增加和损耗的增大,当负荷含有谐波电流时,通过阻抗形成谐波电压,谐波电压在铁心叠片中将产生涡流电流,使其产生发热和损耗,这部分损耗以引起涡流的谐波电流的频率的平方成正比增加。
进而导致了变压器基波负载容量下降,在早些年运行中的变压器,运行几年都是很正常,但随着近几年电力电子装置的增多,有些变压器的基波容量明显不够,并且发热量和噪声明显增加,这里就有由于谐波的干扰而造成的。
当负载含有大量的三倍频谐波时,即零序谐波时,其谐波电流在变压器的线圈和铁心中形成环流,如果变压器二次没有中性点或中性点不接地,则这些谐波磁链在箱体和铁芯中引起附加发热,如果中性点接地,则会在中性点汇集大量的3倍频谐波电流,引起负载不能正常运行。
谐波对电动机的影响
谐波同样使电动机的温度增加和损耗的增大,主要表现在谐波频率下的铁损和铜损的增加,谐波电压畸变将引起电动机的效率下降、振动和噪音增加。
对于一些多台电动机的传动设备,要求这些电动机的速度和转矩必须保持一致,不同的运行速度和转矩将导致产品质量的下降,更为严重的是使整个工件报废,由于谐波含有各种特殊的频率的谐波电流,所以会产生一定的附加转矩,谐波的干扰就会使上述情况发生。
谐波对电力电容器的影响
早期的无功补偿大部分采用了串联了0.5%、1%、5%、6%电抗率的电抗器,0.5%、1%电抗率的电抗器只是作为限制合闸涌流用,对谐波没有什么吸收作用,5%、6%电抗率的电抗器对5次以上谐波有一定的吸收作用,可是效果不大,并且忽略了3次谐波的影响,电容器补偿装置盲目串接5%、6%电抗率的电抗器后,引起了三次谐波的放大甚至发生谐振,因此经常发生电容器或电抗器烧毁事件,所以在选型设计时一定要小心。
谐波对电能计量和电子设备的影响
谐波对模拟式仪表和电子式仪表在计量方面产生误差。
模拟式仪表在绕组和圆盘中会出现谐波电流或涡流,由于谐波电流或涡流的存在,在圆盘上产生转矩,使电能表反映出谐波功率,进而使计量产生增加,使生产用户会因谐波的存在而增加费用。
电子式仪表会把有害的谐波功率和有益的基波功率同等对待,所以据一些参考资料它的计量误差大于感应式电能表。
谐波对电子设备的影响主要是由于谐波电压或谐波电流的零点和峰值发生变化,即不是真正的零点和峰值,常会使控制电路出现误动,使控制系统控制失败,进而会使整个系统发生崩溃。
六、对电弧炉供电电网的治理
减少电弧炉对供电电网的影响主要有三点:
1、提高供电电源的电压等级,主要目的是提高与电网公共连接点的短路容量,使其对电网和自身的影响在允许的范围内,这一点可以通过设计的角度来解决。
2、装设滤波器,主要原因是滤波器可以很好的吸收谐波和补偿系统的无功。
3、装设限流电抗器,限制电弧炉在冲击时产生的大电流(厂家可根据情况选择)
1点和3点都可以从设计的角度考虑采用,但2点在电弧炉设备中是必须装设的。
我们可以从以下几个方面进行治理和比较各种方案的投资和优缺点,以供客户参考。
各种方案的对比:
类型
调谐补偿
FC
TCR+FC
RSVG
电容补偿
滤波性能
差
好
好
好
无
无功功率控制
分级
分级
连续
连续
分级
灵活性
一般
一般
好
高
一般
故障率
低
低
高
低
低
闪变改善情况
无
无
一般
好
无
项目投资
很少
少
高
高
很少
自身产生谐波
无谐波
无谐波
含高次谐波
很少谐波
放大谐波
电弧炉的谐波成分及含有率
电弧炉的谐波次数
2
3
4
5
7
11
13等高次
谐波含有率(统计)
7.7%
5.8%
2.5%
4.2%
3.1%
2.0%
滤波器的结构
滤波器的结构
串联调谐
由电容、电抗组成。
结构简单,滤波效果好,常用于低频。
2阶滤波器
由电容、电阻、电抗组成,根据系统阻抗可用于7次以上,效果好。
调谐滤波器
由电容、电抗组成。
调谐于低于某个特征谐波频率,效果差。
3阶滤波器
由电容、电阻、电抗组成。
基波无损耗,滤波效果好,常用于高次。
电弧炉
主要用途:
用于熔炼普通钢、优质碳素钢及各种合金钢、不锈钢。
结构介绍:
HX型(炉盖旋开式顶加料结构)
成套范围:
1、炉体炉盖;
2、电极升降机构;
3、液压站及控制阀系统;
4、电气控制系统;
5、变压器及高压开关柜;
主要技术参数
型号
额定
容量
(kVA)
最大
出钢量
(t)
变压器容量
(kVA)
电极
直径
(mm)
炉壳
内径
(mm)
电极升降
速度
(mm)
HX-3
3
5
2500
250
2500
3/2.5
HX-5
5
10
4000
300
3000
3.5/2.5
HX-10
10
15
6300
350
3500
4/3
HX-20
20
25
12500
400
4000
5/3.5
HX-30
30
40
16000/25000
450/500
4200
6/4
HX-40
40
50
20000/25000/31500
450/500
4600
6/4
HX-50
50
60
25000/31500/40000
500/550
5000
6/4
HX-60
60
75
31500/40000/50000
550/600
5400
6/4
HX-80
80
100
40000/50000/63000
600/650
5800
6/4
HX-100
100
125
50000/63000/80000
600/650
6400
6/4
- 配套讲稿:
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