一文了解｜顶装料电炉的发展

1 变压器容量的扩大和超高功率操作的普及

顶装料（Top-charge）电炉是1960年由W.E.Schwabe倡导的。超高功率操作在日本平成年间（1989.1.8-2019.4.30）得到了进一步的发展。初期的UHP操作是配备500kVA/t以上的变压器，这是一种以低电压、大电流进行作业的方法，以使电弧电力最大。因此，随着生产率飞跃提高，电力、电极单耗恶化，要求对应增加无效电力等。伴随电流的增加，电路损失和无效电力增加，电极的尖端消耗与电弧电流的平方成比例。因为这些原因，高电力操作逐渐向高电压、低电流操作变化，日本是1100V电压，海外为1200V，实施了超过1200V二次电压的操作。在该高电压操作实现时，除了造渣操作的发展之外，随着作为电源设备的平滑扼流圈和闪变抑制装置等的普及，有关电力投入的装置和控制理论的进步贡献很大。进而，电极板排水温度个别测量和熔蚀判断系统等的监控设备的发展，以及炉体旋转式电炉的开发等热点控制、抑制技术的提高也作了很大的贡献。

日本电炉的投入电力与生产率有明了的关系，富氧操作普及对提高生产率、增加投入电力是有效的。

因此，在日本海外，每吨炉容的变压器容量的增大在加剧。近年，有很多建设超过1MVA/t的电炉的报道。另一方面，关于日本厂商的每吨炉容变压器容量，与海外电炉比较，多数为小事业所的状况。推测这是除了日本近年新建的电炉少之外，从世界范围来看日本的电力单价高，所以与海外比较，通过更积极地使用氧化反应热来降低对电能的依存率，以及引进废钢预热型电炉的原因。

2 氧化反应热的积极利用

电炉的氧化反应热的积极利用，是从1970年代富氧操作实用化后开始的。以前为了脱碳等向钢水中吹氧，而富氧操作是概念不同的技术，将装入的铁源和炭材等作为燃料，用其氧化热促进废钢熔化，为的是降低电力单耗。富氧的方法一般是将消耗式氧枪或非消耗式氧枪通过作业孔向废钢和钢水中供给氧气，促进切割和氧化反应。此外，也有利用助燃燃烧器，将过剩的氧吹入炉内的情况。

富氧操作时，氧气单耗与电力单耗之间存在明确的相关关系。通过增加氧气单耗，电力单耗降低。

为了解决上述问题，1995年左右，开发了运用装在炉体的超音速燃烧器，积极利用氧化反应热的操作方法，并逐渐普及到日本及海外。这种燃烧器被称为“多功能燃烧器”或“相干燃烧器”，从燃烧器本体中心部将主要的氧气、燃料和燃烧用氧配成同心圆状，为抑制中心部分的氧气流速降低的结构。在电炉分别设有炭粉和石灰吹入功能，也设有在炉体上部二次燃烧用氧的吹入孔的情况。图1是多功能燃烧器结构图。该形式的燃烧器固定安装在炉壁上使用，因此，与用枪从作业孔喷吹氧比较，有减少操作波动的特征。由于多功能燃烧器的普及，2000年以后，大容量变压器和多功能燃烧器配套的顶装料电炉在日本海外建设的较多。

近年来，电炉废气分析装置也得到了普及。该装置于2000年前后开发，是将从电炉排出的废气在炉顶弯管和滑动管等靠近电炉的位置吸引后，在线连续分析的装置。这样，就可以定量且实时掌握电炉废气中含有的未燃气体（CO和H₂）的比例，实现投入能量的优化及提高热效率。关于分析结果，通过分析不仅可以改善原料配比和投入时机等操作方法，还可以根据分析结果动态控制多功能燃烧器等，均取得很大效果。

2005年初，日本引进废气分析系统，2021年就引入到10座以上的电炉中。现在，通过运用包括废气分析装置的各种传感器，各设备制造厂开始尝试对电炉进行综合控制。

3 其他措施

1）减少装入次数

顶装料电炉的废钢装入，因为有冶炼周期时间延长和炉盖旋转导致能量损失的缺点，希望尽量减少装入次数。因此，提出并引进了可以一次装入的顶装料电炉。装入次数减少，一般采用扩大炉内容积的方法，也有提出并引入随着废钢的熔化而使炉盖高度变化的炉型。

2）炉体旋转

解除热点和冷点不均匀熔化，以解决热点的热损失为目的，大同特殊钢开发并引进了炉体旋转式电炉。2013年初1号电炉运行后，2021年第2座电炉开始运行。

4 新型顶装料电炉事例

1）高效率顶装料电炉

现在，顶装料电炉是标准形态，是大容量变压器、多功能燃烧器和废气连续分析装置的最新技术组合的电炉。表1示出了高效率顶装料电炉的主要特征和各个能力目标。由于包括厂房的设备投资费用低、确立的技术组合的操作难易度低、生产率高等，现在也依然有很多厂在新建或更新这种形式的电炉。许多设备制造商在销售同样概念的电炉，表2示出了其代表性设备规格。

2）TILESCOPID FUANACE

TILESCOPID FUANACE以解决具有普通的一次装入炉的缺点为目的，是奥地利的Fuchs Technology AG公司（现在的因泰克公司：INTECO Melting & Casting Technologies GmbH）开发的电炉，首台机于2010年在土耳其运行。

该电炉的特征是除了高效率顶装料电炉之外，还有上部炉壳和炉盖是可以重叠的结构，由于炉盖的升降行程非常大，伴随废钢的熔化，炉盖下降，可以变化炉内容积。因此，一次装入特征除了非通电时间缩短和降低炉盖打开导致的能量损失外，还实现了通常一次装入炉易引起的电极头下长度延长导致的电极折损风险降低，以及钢水后期和升温期的热效率提高。此外，有报告显示，对于二次装入炉的TILESCOPID FUANACE电力单耗降低效果为40-70kWh/t。

图2是TILESCOPID FUANACE的概念图。

3）炉体旋转式电炉（STARQ）

炉体旋转式电炉从根本上消除了传统技术中不能解决的交流电炉中的不均匀熔化问题，是大同特殊钢开发的电炉。首台机于2013年在大同特殊钢知多厂开始运行。

该电炉的特征是，由于三角配置的电极与炉壁的距离不同，产生的热点和冷点消除了不均匀熔化状态，因此以炉体的轴心为基准，使炉体旋转，热点和冷点可以进行交替。表3示出了炉体旋转式电炉首台机的基本规格。

有报告指出，炉体旋转式电炉具有旋转的均匀熔化效果，冷却水和炉体放散热减少。与传统炉对比，炉壁散热损失率平均降低7.8%，因此通电时间缩短5.2%，电力单耗降低约4.9%。

该炉体旋转式电炉与废钢预热式电炉不同，厂房等已有设备不需要进行大的改造就可以引进。    

《世界金属导报》

2023年第38期 B08

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