现代电弧炉冶炼周期综合控制理论及应用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2004.06.032 第26卷第6期 北京科技大学学报 Vol.26 No.6 2004年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2004 现代电弧炉冶炼周期综合控制理论及应用 傅杰 北京科技大学，北京100083 摘要在分析40年来国内外现代电弧炉炼钢技术发展特点的基础上，指出现代电弧炉炼 钢技术是围绕缩短冶炼周期以满足高效连铸节奏要求这一核心发展起来的，提出了现代电 弧炉冶炼周期的综合控制理论.简要地介绍了这一理论以及在这一理论指导下开发的包括 电炉加铁水冶炼等-·系列高效化电弧炉炼钢技术和在中国电炉钢生产中的应用效果。这一 理论指导和推动了钢铁冶金及我国电炉钢生产的发展. 关键词现代电弧炉：冶炼周期：综合控制理论：加铁水 分类号TF741.5:TF4 1993年6月殷瑞钰院士和徐匡迪院士代表 著降低.电炉流程为提高市场竞争力，必须改模 当时的治金部在上海举办了“当代电炉流程和电 铸为连铸，为满足连铸节奏要求，必须缩短冶炼 炉工程问题研讨会”，会上他们分别作了题为“当 周期，相应地开发了一系列的电炉技术.从20世 代电炉流程的工程进展评价”和“现代电弧炉炼 纪60年代至80年代中期主要发展了超高功率供 钢的发展趋势”的学术报告..这次会议对我国 电及其相关技术，使电弧炉治炼周期从3h缩短 现代电炉流程的发展起了指导和推动作用.10多 到60min,基本上能满足连铸的节奏要求，1989 年来，我国在现代电炉流程与电炉工程技术方面 年第一条电弧炉薄板坯（厚50mm)连铸连轧生产 取得了长足进步，主要体现在：形成了电炉冶炼 线在美国的纽柯公司投产：80年代末期至90年 一炉外精炼一连铸“三位一体”或电炉冶炼一炉 代，由于小方坯连铸单流产量的提高以及一机多 外精炼一连铸一连轧“四位一体”的现代化电炉 流技术的发展、薄板坯连铸铸坯厚度的增加（由 流程群体，目前中国的电炉钢主要是现代电炉流 50mm增至70~90mm),要求电弧炉小时产量增 程生产的：电炉生产技术指标大幅度提高，不少 加，解决的办法一是增大炉容量，二是增加单位 厂的电炉冶炼周期、电耗、电炉利用系数、生产率 时间输入能量，进一步缩短冶炼周期，为此，在超 等已达到国际先进水平，近年来，中国电炉钢产 高功率供电的基础上重点发展了强化供氧及废 量飞速增长：在消化吸收引进国外先进技术的基 钢预热和加铁水冶炼等增加化学热和物理热的 础上有所创新可.本文综合阐述了创新成果之一 现代电弧炉冶炼技术，这些技术的发展大大地缩 一现代电弧炉冶炼周期综合控制理论及应用. 短了冶炼周期，降低了电耗及电极消耗”，系统 分析这些技术的发展特点和开发过程，可以得出 1现代电弧炉炼钢技术是围绕缩 结论：现代电弧炉炼钢技术是围绕着缩短冶炼周 短冶炼周期以满足高效连铸节奏 期以满足高效连铸节奏要求这一核心而发展起 来的.我国应在消化吸收引进国外先进技术的基 要求这一核心发展起来的 础上围绕缩短冶炼周期这一核心发展具有自主 20世纪60年代初，连铸技术开始了工业应 知识产权的现代电弧炉冶炼技术.考虑到当前我 用，使转炉流程金属收得率大幅度提高，成本显 国废钢资源短缺、电力供应紧张、价格较高的具 收稿日期200406-01傅杰男，67岁，教投 体情况，推广我国自创的现代电弧炉炼钢技术， *国家自然科学基金资助项目No.50334010) 进一步缩短电弧炉治炼周期，提高电弧炉生产

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 心 刊 现代 电弧炉冶炼周 期综合控制理论及应用 傅 杰 北 京科技 大学 ， 匕京 摘 要 在 分 析 年 来 国 内外 现 代 电弧 炉 炼 钢 技 术 发 展 特 点 的基 础 上 ， 指 出现 代 电弧 炉 炼 钢 技 术 是 围绕 缩 短 冶 炼 周 期 以满足 高 效 连 铸 节 奏 要 求 这 一 核 心 发 展起 来 的 ， 提 出 了现 代 电 弧 炉 冶 炼 周 期 的 综 合 控 制 理 论 简要 地 介 绍 了这 一 理 论 以及 在 这 一 理 论 指 导 下开 发 的包 括 电炉 加 铁 水 冶 炼 等 ， 系列 高效 化 电弧 炉炼 钢 技 术和 在 中 国 电炉钢 生 产 中的应 用 效 果 这 一 理 论 指 导和 推动 了钢 铁 冶 金 及 我 国 电炉钢 生 产 的 发 展 关键 词 现 代 电弧 炉 冶 炼 周 期 综 合 控 制 理 论 加 铁 水 分 类号 年 月 殷 瑞 饪 院 士 和 徐 匡 迪 院士 代 表 当时 的冶 金部 在 上 海 举 办 了 “ 当代 电炉 流 程 和 电 炉 工 程 问题研 讨 会 ” ， 会 上 他 们 分 别 作 了题 为 “ 当 代 电炉 流 程 的工 程 进 展 评 价 ” 和 “ 现 代 电弧 炉 炼 钢 的发 展 趋 势 ” 的学 术 报 告 ‘， ， ” 这 次会 议 对 我 国 现 代 电炉流程 的发展起 了指 导和 推 动 作 用 多 年 来 ， 我 国在 现 代 电炉 流 程 与 电炉 工 程 技 术 方面 取 得 了长 足 进 步 ， 主 要 体 现 在 形 成 了 电炉 冶 炼 一炉 外 精 炼一连 铸 “ 三 位 一 体 ” 或 电炉 冶 炼一炉 外 精 炼一连 铸一连 轧 “ 四位 一 体 ” 的现 代 化 电炉 流 程 群 体 ， 目前 中 国 的 电炉钢 主 要 是现 代 电炉 流 程 生 产 的 电炉 生 产 技 术 指 标 大 幅度 提 高 ， 不 少 厂 的 电炉 冶炼 周 期 、 电耗 、 电炉 利 用 系数 、 生产 率 等 已 达 到 国 际 先 进 水 平 ， 近 年 来 ， 中 国 电炉 钢 产 量 飞速 增 长 在 消化 吸 收 引进 国外 先 进 技 术 的基 础 上 有 所 创 新 ‘ 本 文 综 合 阐述 了创 新 成 果 之 一 — 现 代 电弧 炉 冶 炼 周 期 综 合控 制 理 论 及 应 用 现 代 电弧 炉 炼 钢 技 术 是 围 绕 缩 短 冶 炼 周 期 以 满 足 高效 连 铸 节 奏 要 求这 一 核 心 发 展 起 来 的 世 纪 年 代 初 ， 连 铸 技 术 开 始 了 工 业 应 用 ， 使 转 炉 流 程 金 属 收 得 率 大 幅度 提 高 ， 成 本 显 收稿 日期 刊 刊 傅 杰 男 ， 岁 ， 教授 国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 。 著 降低 电炉 流 程 为提 高市 场 竞 争 力 ， 必 须 改模 铸 为连 铸 ， 为满足 连 铸 节 奏 要 求 ， 必 须 缩 短 冶 炼 周 期 ， 相 应 地 开 发 了一 系列 的 电炉 技 术 从 世 纪 年 代 至 年 代 中期 主 要 发展 了超 高 功 率供 电及 其 相 关技 术 ， 使 电弧 炉 冶 炼 周 期 从 缩 短 到 ， 基 本 上 能满 足 连 铸 的节 奏 要 求 ， 年 第 一 条 电弧 炉 薄 板 坯 厚 连 铸 连 轧 生产 线 在 美 国 的纽柯 公 司 投 产 年 代 末 期 至 年 代 ， 由于 小方 坯连 铸 单流 产 量 的提 高 以及 一 机 多 流 技 术 的发 展 、 薄 板 坯 连 铸 铸 坯 厚 度 的增 加 由 增 至 一 ， 要 求 电弧 炉 小 时产 量 增 加 ， 解 决 的办法 一 是 增 大 炉 容 量 ， 二 是 增 加 单位 时 间输入 能量 ， 进 一 步缩 短冶 炼 周 期 ， 为此 ， 在超 高 功 率 供 电 的基 础 上 重 点 发 展 了 强 化 供 氧 及 废 钢 预 热 和 加 铁 水 冶 炼 等 增 加 化 学 热 和 物 理 热 的 现 代 电弧 炉 冶炼 技 术 ， 这 些 技 术 的发 展 大大地 缩 短 了冶 炼 周 期 ， 降低 了 电耗 及 电极 消耗 『一 系 统 分 析这 些 技 术 的发展特 点和 开 发 过程 ， 可 以得 出 结 论 现代 电弧炉 炼 钢 技 术是 围绕着 缩短 冶炼 周 期 以满 足 高 效 连 铸 节 奏 要 求 这 一 核 心 而 发 展 起 来 的 我 国应 在 消化 吸 收 引进 国外 先 进 技 术 的基 础 上 围绕 缩 短 冶 炼 周 期 这 一 核 心 发 展 具 有 自主 知识 产 权 的现 代 电弧 炉 冶 炼 技 术 考 虑 到 当前 我 国废 钢 资源 短 缺 、 电力 供 应 紧张 、 价 格 较 高 的具 体 情 况 ， 推 广 我 国 自创 的现 代 电弧 炉 炼 钢 技 术 ， 进 一 步 缩 短 电弧 炉 冶 炼 周 期 ， 提 高 电弧 炉 生 产 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．2004．06．032

Vol.26 No.6 傅杰：现代电孤炉冶炼周期综合控制理论及应用 ·589. 率，这对我国目前在不大量新增设备的条件下发 当一次燃烧率高时，比例还会更大些：其中氧燃 展电炉钢生产具有十分重要的意义， 烧咀提供的化学热占总能量的10%~15%. (3)提高P,有利于缩短冶炼周期.P。主要是 2电弧炉冶炼周期综合控制理论 由废钢预热后废钢的显热及加铁水操作时铁水 21电弧炉冶炼周期的理论计算公式 的显热提供的. (4)提高7cos0,可缩短冶炼周期.提高ncoso的 井口光哉提出了电弧炉冶炼周期与各设备 和操作因素之间的关系式1： 措施包括供电制度合理化（优化供电曲线、人工 智能电弧炉、采用导电横臂、优化短网结构及泡 1=(CW×60)/(Tn cos8+1' (1) 沫渣操作等. 其中，t为冶炼周期，min:C为吨钢电耗，kWht:W (5)增加化学热和物理热，可以收到节电效 为削水质量（电炉容量），t:T为变压器额定功举， kVA:cos0为功率因素：n为电效率：t'为非通电时 果.理论计算和实践结果表明，目前每增加1m 间. 氧(l01.3kPa下)，可以节电约46kwh/t:每增加 1%铁水量，可以节电45kWht.具体采用何种能 为缩短冶炼周期，需采取以下对策：(1)降低 电耗：(2)提高吨钢变压器功率和电能输入功率： 源结构，要根据不同厂的电价、氧气和燃料价格 及能源条件而定. (3)提高功率因素和电效率：(4)缩短非通电时间， (6)t',C,W一定时，PEn cos0,P,P的比例可 式(1)是在20世纪80年代中期提出的，当时 以变化，即电能、化学热和物理热可以相互转换 电炉炼钢技术主要是超高功率供电.80年代中期 它们的效率不同，在安钢电弧炉冶炼条件下分别 以后，发展了系列旨在增加化学热和物理热的 为59%，72%和100%.从表1质量平衡及表2能量 电炉炼钢技术.考虑到供电、增加化学热和增加 平衡数据可知：电能约占总输入能量的34%，化 物理热，基于能量平衡，电抓炉治炼周期应该用 学热占40%，物理热占26%.根据这一点，可以不 下述公式计算： 采用过大的变压器额定功率.全世界16台Con- t=T+T" (2) steel电炉平均吨钢变压器额定功率为477kV·A t'=(C Wx60)/(P:n cos+Pc+P:) (3) '=CE Wx60/(P:n cos) 四在PEn coso,C,W不变的条件下，增加化学热和 (4) 物理热，减小'，可提高生产率，这-·点对于我国 C=CE-C-C (5) 目前在废钢及电力资源短缺、价格高的条件下发 其中，τ为电弧炉冶炼周期（第一次出钢到第二次 展电炉钢生产具有重要的指导意义， 出钢的时间)，min:t'为供能时间，min;t"为热停工 (7)为缩短治炼周期，必须缩短热停⊥工时间 时间，min:P为表观输入电功率，kW:7为综合电 ”.由于在化学热和物理热供量较大的条件下， 效率：cosp为功率因数：Pc为由化学热换算成的 例如在供氧强度较大的烟道竖炉电炉冶炼过程 有效电功率，kW:P,为由物理热换算成的有效电 功率，kW;C为有效电耗，kWh/t:CE为Ce与C,为0 表】冶炼吨钢的物料平衡表 时的有效电耗，kWh1:Cc为由于化学热导致的节 Table 1 Mass balance per ton steel 电，kWh/t:C,为由于物理热导致的节电，kWht. 输入项 质量/kg输出项质量/kg 由式(2)(5)可见： 废钢 798.25 钢水 1000.00 ()为了缩短治炼周期，必须提高吨钢输入电 改性生铁 52.63 液 106.14 铁水 263.16 炉气 82.24 功率，P与变压器额定功率有关，变压器额定功 石灰 47.95 烟小 44.56 率大，可输入电弧炉的电功率大，P大.通常将吨 氧枪供氧气 29.70 灰分 14.39 钢变压器额定功率大于700kV·A的电弧炉称为 燃烧喷嘴供氧‘气 27.33 超高功率电弧炉，80年代末，超高功率电弧炉的 燃烧喷嘴供1业柴油 5.89 变压器额定功率高达700~1200kV·A1. 空气 20.54 (2)提高Pc,有利于缩短冶炼周期.P主要来 电极碳 1.44 自钢中元素氧化的化学热及氧燃烧嘴提供的化 炉村侵蚀 0.44 学热.化学热可占炼钢所需总能量的40%左右， 输入合计 1247.33输出合计1247.33

傅 杰 现 代 电弧 炉 冶炼 周 期 综 合 控 制 理 论 及 应 用 一 · 率 ， 这对 我 国 目前 在 不 大 量新 增 设 备 的条 件 下 发 展 电炉钢 生 产 具 有 十 分重 要 的意 义 当 二 次燃烧 率 高 时 ， 比例 还 会 更 大些 其 中氧 燃 烧 咀 提 供 的化 学 热 占总 能量 的 一 巧 提 高尸 ， 有 利 于 缩 短 冶 炼 周 期 ， ， 主 要 是 由 废 钢 预 热 后 废 钢 的显 热 及 加 铁 水 操 作 时 铁 水 的显 热 提 供 的 提 高叮 沪 ， 可 缩 短 冶炼 周 期 提 高叮 职的 措 施 包 括 供 电制度 合 理 化 优 化 供 电 曲线 、 人 工 智 能 电弧 炉 、 采 用 导 电横 臂 、 优 化 短 网 结 构及 泡 沫 渣 操 作 等 增 加 化 学 热 和 物 理 热 ， 可 以收 到 节 电效 果 理 论 计 算 和 实 践 结 果 表 明 ， 目前 每 增 加 耐 氧 廿 下 ， 可 以节 电约 小 侮 增 加 铁 水 量 ， 可 以节 电 一 具 体 采用 何种 能 源 结构 ， 要 根 据 不 同 厂 的 电价 、 氧 气 和 燃 料 价 格 及 能源 条件 而 定 认 ， 砰 一 定 时 ， 尸 叮 沪 ， 只 ， 尸 。 的 比 例 可 以变 化 ， 即 电能 、 化 学 热 和 物 理 热 可 以相 互 转 换 它们 的效 率 小 同 ， 在 安钢 电弧 炉 冶炼 条件 下 分 别 为 ， 和 从 表 质 量 平 衡 及 表 能量 平 衡 数 据 可 知 电能约 占总输 入 能量 的 ， 化 学 热 占 ， 物 理 热 占 根 据 这 一 点 ， 可 以不 采 用 过 大 的变 压 器 额 定 功 率 全 世 界 台 电炉 平 均 吨 钢 变 压 器 额 定 功 率 为 · 在尸 叮 卯 ， ， 甲小 变 的条件 下 ， 增 加 化 学热 和 物 理 热 ， 减 小 ，， 可 提 高 生 产 率 ， 这 一 点 对 于 我 国 目前 在废钢 及 电力资源 短 缺 、 价格 高 的条件 下 发 展 电炉 钢 生 产 具 有 重 要 的指 导 意 义 为缩 短 冶炼 周 期 ， 必 须缩 短 热 停 工 时 间 ” ， 由于 在 化 学 热 和 物理 热 供 量 较 大 的条件 下 ， 例 如 在 供 氧 强 度 较 大 的烟 道 竖 炉 电炉 冶 炼 过 程 气小 渣烟炉 电 弧 炉 冶 炼 周 期 综 合 控 制 理 论 电弧 炉 冶炼 周 期 的理 论 计 算 公 式 井 日 光 哉 提 出 了 电弧 炉 冶 炼 周 期 与 各 设 备 和 操 作 因 素 之 间 的 关 系 式〔， ‘ ， 渺 叮 的 ‘ 其 中 ， 为冶 炼 周 期 ， 为 吨 钢 电耗 ， 勺 砰 为钢 水质 量 电炉 容 量 ， 为变 压 器 额 定功 率 ， · 为功 率 因素 叩为 电效 率 ‘为 非通 电时 日〕 为缩 短 冶 炼 周 期 ， 需 采 取 以下 对 策 降低 电耗 提 高 吨 钢 变 压 器 功 率和 电能输 入 功 率 提 高功 率 因 素和 电效 率 缩 短 非通 电时 间 式 是 在 世 纪 年 代 中期 提 出 的 ， 当 时 电炉 炼 钢 技 术 主 要 是超 高功 率供 电 年代 中期 以后 ， 发展 了 系 列 旨在增 加化 学热和 物 理 热 的 电炉炼 钢 技 术 考 虑 到 供 电 、 增 加 化 学热 和 增 加 物 理 热 ， 基 于 能量 平 衡 ， 电弧 炉 冶炼 周 期应 该 用 一 下述 公 式 计 算 ， “ ， 万 。 粉 切 ， 尸 触 。 叩 切 一 一 其 中 ， 为 电弧 炉 冶炼 周 期 第 一 次 出钢 到第 二 次 出钢 的时 间 ， ‘为供 能 时 间 ， ’ 尸为热 停 工 时 间 ， 八 为表观 输 入 电功 率 ， 粉为综 合 电 效 率 职为 功 率 因 数 为 由化 学 热 换 算 成 的 有效 电功 率 ， 尸 为 由物 理 热 换 算成 的有 效 电 功 率 ， 为有 效 电耗 ， 门 为 与 为 时 的有效 电耗 ， 为 由于 化 学热 导致 的节 电 ， 认叭 为 山于 物 理 热 导致 的 节 电 ， 习 由式 一 可 见 为 了缩 短冶炼 周 期 ， 必 须 提 高吨钢 输 入 电 功率 尸 与变 压 器 额 定 功 率有 关 ， 变 压 器 额 定 功 率 大 ， 可 输 入 电弧炉 的 电功率 大 ， 尸 大 通 常将 吨 钢 变压 器 额 定功 率 大 于 · 的 电弧 炉 称 为 超 高 功 率 电弧 炉 年 代 末 ， 超 高 功 率 电弧 炉 的 变 压 器 额 定 功 率 高 达 一 · 提 高 ， 有 利 于 缩 短 冶 炼 周 期 主 要 来 自钢 中元 素 氧 化 的 化 学 热 及 氧 燃 烧 嘴 提 供 的化 学 热 化 学 热 可 占炼 钢所 需总 能 量 的 左 右 ， 表 冶 炼 吨 钢 的 物 料 平衡 表 输 入 项 质 量 废 钢 改性 生 铁 铁 水 石 灰 月 氧枪供 氧 气 燃烧 喷 嘴 供 氧 气 燃 烧 喷 嘴 供 业 柴 油 空 气 电极 碳 炉 衬 侵 蚀 输 入 合 计 输 出项 钢 水 灰分 质 量 输 出 合 训

590 北京科技大学学报 2004年第6期 表2冶炼吨钢的能量平衡表 射能，Q”为从渣面向冷却区的辐射能，Em为钢液 Table 2 Energy balance per ton steel 和熔渣吸收的热量，Q22为氧燃烧嘴提供的能 输入项 能量kWh输出项 能量kWh 量，2为元素氧化反应提供的能量，274为废钢 预热金属料物理热 78.33钢水物理热 377.89 和铁水显热提供的能量，O为熔池中元素氧化反 铁水物理热 8737炉渣物理热 60.18 应所需氧气总量，Vo7o为氧枪提供的氧量，V66 燃烧喷嘴供化学热 87.72炉气物理热 30.96 为氧燃烧嘴提供的供熔池中元素氧化反应的氧 炉内化学反应化学热165.38烟尘物理热 14.47 电能 223.68冷却水吸热 135.96 量， 电路系统损失热15.88 式(7)表明：t取决于.十t和xo中较大的一项. 其他 10.53 当t+忆。=to时，t'最小.根据式(8)，(9)计算的100t烟 输入合计 642.28输出合计 642.32 道竖炉电炉的冶炼周期与铁水加入比的关系示 于图1. 和加铁水的Consteel冶炼过程中，可以有一段停 电操作，这时Pc和P不等于0，此外，在安钢的电 % 弧炉冶炼过程中，有一段吹氧不通电时间.所以 60 t"称为热停工时间较合适（在过去的文献中称为 非通电时间)，是指通常的装废钢时间、加铁水时 间（对顶装铁水而言）、接电极时间、出钢时间、补 炉时间. 20 (8)由式(3)可见：提高P:n coso+Pc+P,可缩短 t':但随着Pen cos0+P+P,特别是随着铁水加入 10 203040 5060 比的提高，[C]提高，在一定的供氧和脱碳速率条 铁水加入比% 件下，导致t延长，在t与P:n cosp+-P+P,的关系图 图】计算的100t烟道竖炉电炉冶炼周期与铁水加入 上应具有最低点， 比的关系 Fig.1 Relationship between tap-to-tap time calculated and (9)从式(3)导出： bot metal proportion of a 100 t shaft furnace C=(PEncosp+Pc+P)t'/(Wx60) (6) 由式(6)可见：在一定条件下，提高Pen cosp+ 23以工序效益最大化为目标的现代电弧炉冶炼 Pe+P,可能增加电耗：但随着P:n cosp+Pc+P,提高 工艺优化模型 又会导致t'缩短，降低电耗；由于C与P:ncos+-Pc 现代电弧炉冶炼是电炉钢生产流程中的一 +P,的关系（例如在电耗与铁水加入比的关系图 个重要工序，钢水成本占成品钢成本的主要部 上)可能具有最低点，降低电耗的基本途径是缩 分，此工序的效益将直接影响整个流程的效益. 短冶炼周期. 电弧炉冶炼工序效益（单位时间利润）可以表示 (10)从治金质量控制考虑，现代电弧炉冶炼 为： 周期的综合控制还应包括电弧炉冶炼终点控制 =[E-E(P.C)]/t (10) (温度及成分控制).，1，见本文第3部分 22电弧炉冶炼周期的计算模型 式中，p为工序效益，元h;E为一炉钢水的价格， 基于能量平衡及现代电弧炉炼钢工艺特征， 元；PC)为一炉钢水的成本，元；P.为消耗的价 建立了能够描述现代电弧炉炼钢冶炼周期、电耗 格；C,为的消耗量. 及工艺参数之间关系的能量结构模型，根据这 当最大时，经济效益最显著.以P达最大或 一模型，电弧炉冶炼周期可用下式计算： 接近最大为目标，通过建立优化计算模型，确定 t'=max[(te+te),to] (7) 优化后的6个冶炼工艺参数，主要包括废钢和铁 6=242+E-0b-2B-2 (8) 水及改性生铁加入量、有功功率、主氧枪吹氧流 Pencoso O 速以及碳粉的配入量，为此，首先计算出冶炼一 to-Vo no+Vono (9) 炉钢水所有的消耗量以及冶炼周期，消耗量包括 式中，t为通电时间，o为总的供氧时间，为最佳 铁水量1、废钢量2、改性生铁量3、电耗4、氧耗 供氧不供电时间，为从炉壁外表面向大气的辐 5、水耗6、轻柴油消耗7、碳粉消耗8、电极消耗9

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 表 冶 炼 吨 钢 的 能 量 平衡 表 输入 项 能 量瓜 输 出项 能量瓜 预 热 金属 料物 理 热 铁水 物 理 热 燃 烧 喷嘴 供化 学热 炉 内化 学 反 应 化 学 热 电能 输 入 合 计 钢 水 物 理热 炉渣 物 理热 炉 气 物 理 热 烟 尘 物 理热 冷 却 水 吸 热 电路 系 统 损 失热 巧 其 他 输 出合 计 射 能 ， ‘为 从 渣 面 向冷 却 区 的辐 射 能 ， 几 为钢 液 和 熔 渣 吸 收 的 热 量 ， 必 粉 为 氧 燃 烧 嘴 提 供 的 能 量 ， ， 叮 为元 素氧化 反应 提 供 的能量 ， 小 为废 钢 和 铁 水 显热 提 供 的能量 ， 氏 为熔 池 中元 素 氧 化 反 应 所 需 氧 气 总 量 ， 叮。 为 氧 枪 提 供 的氧 量 ， 瑞 那 为 氧 燃 烧 嘴 提 供 的供 熔 池 中元 素 氧 化 反 应 的氧 里 ‘ 。 式 表 明 尸取 决 于 爪 和 中较 大 的一 项 ， 当 时 ， ，最 小 根 据 式 ， 计 算 的 烟 道 竖 炉 电炉 的冶 炼 周 期 与 铁 水 加 入 比 的 关 系 示 于 图 八 线哭呢史月遏 和 加 铁 水 的 冶 炼 过 程 中 ， 可 以有 一 段 停 电操 作 ， 这 时 和凡不 等 于 ， 此 外 ， 在 安钢 的 电 弧 炉 冶 炼 过 程 中 ， 有 一 段 吹氧 不 通 电时 间 所 以 ” 称 为 热 停 工 时 间较 合 适 在 过 去 的文 献 中称 为 非通 电时 间 ， 是 指 通 常 的装 废 钢 时 间 、 加 铁 水 时 间 对 顶 装 铁 水 而 言 、 接 电极 时 间 、 出钢 时 间 、 补 炉 时 间 由式 可 见 提 高八 叮 切十尸 可 缩 短 了 但 随着凡 叮 尹十尸亡 尸 ， 特 别 是 随着 铁 水 加 入 比 的提 高 ， 提 高 ， 在 一 定 的供 氧 和 脱 碳 速 率 条 件 下 ， 导 致 延 长 ， 在 与凡 粉 十几 尸 的关 系 图 上 应 具 有最 低 点 从 式 导 出 叮 沪十只 十尸 渺 由式 可 见 在 一 定 条 件 下 ， 提 高凡 叮 尹 ，可 能 增 加 电耗 但 随着八 叮 沪 只 尸 提 高 又 会 导 致 ‘缩 短 ， 降低 电耗 由于 与凡 叮 尹 尸 〔 十尸 的关 系 例 如 在 电耗 与 铁水 加 入 比 的关 系 图 上 可 能 具 有 最 低 点 ， 降低 电耗 的基 本 途 径 是 缩 短 冶 炼 周 期 从 冶 金 质 量 控 制 考 虑 ， 现 代 电弧 炉 冶 炼 周 期 的综 合 控制 还 应 包 括 电弧 炉 冶 炼 终 点控 制 温 度及 成 分控 制 户 ’， ” ，， 见 本 文 第 部 分 ， 电弧 炉 冶炼 周 期 的计 算模 型 基 于 能 量平 衡 及 现 代 电弧 炉 炼 钢 工 艺特 征 ， 建 立 了能够 描 述 现 代 电弧炉 炼钢 冶 炼 周 期 、 电耗 及 工 艺 参 数 之 间关 系 的 能量 结 构 模 型 ‘ 根 据 这 一模 型 ， 电弧 炉 冶 炼 周 期 可 用 下 式 计 算 一一一一日 一 ‘ 一 一占 一一一一二一 日‘ 一曰 铁 水 加 入 比 图 计 算 的 烟 道 竖 炉 电炉 冶炼 周 期 与铁 水 加 入 比 的 关系 一 一 以工 序 效 益 最 大 化 为 目标 的现代 电弧 炉 冶炼 工 艺 优 化模 型 现 代 电弧 炉 冶 炼 是 电炉 钢 生 产 流 程 中 的 一 个 重 要 工 序 ， 钢 水 成 本 占成 品钢 成 本 的主 要 部 分 ， 此 工 序 的效 益 将 直 接 影 响 整 个 流 程 的效 益 电弧 炉 冶 炼 工 序 效 益 诚单 位 时 间利 润 可 以表 示 为‘，，， 尹一 一互，， 式 中 ， 沪为 工 序 效 益 ， 元奴 为 一 炉 钢 水 的价 格 ， 元 谷仍 为 一 炉钢 水 的成 本 ， 元 只 为消耗‘的价 格 为 的消耗 量 ， 气 ， 」 八 叮 势 氏 叮。 玲 叮占 式 中 ， 为通 电时 间 ， 而 为 总 的供 氧 时 间 ， 为最 佳 供 氧 不 供 电时 间 ， 为从 炉 壁 外 表 面 向大 气 的辐 接 近 最 大 为 目标 ， 通 过 建 立 优 化 计 算 模 型 ， 确 定 优 化 后 的 个 冶炼 工 艺参 数 ， 主 要 包 括废 钢 和 铁 水 及 改性 生 铁 加 入 量 、 有 功 功 率 、 主 氧 枪 吹氧 流 速 以及 碳 粉 的配 入 量 ， 为此 ， 首 先 计 算 出冶 炼 一 炉 钢 水所 有 的消耗 量 以及 冶 炼 周 期 ， 消耗 量包 括 铁 水 量 、 废 钢 量 、 改性 生 铁 量 、 电耗 、 氧 耗 、 水 耗 、 轻 柴 油 消耗 、 碳 粉 消耗 、 电极 消耗 、 了入行︸了产、、了户、 了、了、 迷生竖丛」脸泣卫 上生业生

Vol.26 No.6 傅杰：现代电弧炉冶炼周期综合控制理论及应用 ·591· 渣料消耗10、耐材消耗11，以及人工成本、设备维 5.8 护及折旧成本、还货率及销售、采购成本12等， 5.6 在已知消耗量具体市场价格的条件下，就可以计 算出治炼一炉钢水所需要的成本，这样就可以根 5.4 据钢水的价格、冶炼成本以及冶炼周期计算出p 5.2 再用计算机编程，求出达最大或接近最大时上 5.0 述6个优化的参数的具体解. 茶团 4.5 从这一模型可以进一步看出，电弧炉治炼周 0 10 20 30 40 期的综合控制理论还具有以下特征： 铁水加入比% ()在我国目前废钢及电力资源短缺、价格高 图325t电弧炉吨钢冶炼时间与铁水加入比的关系 的条件下，要使电炉钢能够盈利，获得发展，必须 Fig.3 Relationship between melting time per tonconsump- 生产高附加值产品（增大E)和缩短冶炼周期，降 tion and hot metal proportion of 25t EAF 低消耗（减少x,∑(P,C,): 践证明这一比值为30%~35%. (2)当原材料、能源、产品价格变化时，可确定 热装铁水可以有效地降低电耗，由图47可 新形势下优化的工艺参数. 见，热装30%铁水，可降低电耗100kWh/t左右. 铁水比过高时冶炼周期有所延长（图3，图4）：电 3以现代电弧炉冶炼周期综合控 耗随铁水比的增加（达50%）对小炉子有一最低值 制理论为指导开发高效化电弧炉 (图2)，对大炉子则一直在降低（图5），后者是因为 供氧强度大，脱碳速度高，化学热增加，有一段时 炼钢技术 间是停电工作的，故铁水加入量从0到50%范围 3.1电孤炉加铁水冶炼技术 内可使电耗不断降低. 根据式(3)，为缩短冶炼周期，应增加P,主要 60 技术措施之一是加铁水冶炼， 安阳钢铁公司（安钢）一炼钢从1993年开始 在出钢量为25t的电弧炉（公称容量10）上率先 50 系统地对电弧炉热装部分铁水工艺及理论进行 了研究，在国内外首次发现有一个最佳铁水加入 40 比，见图2和图3.通过生产试验，发现100t 级现代电弧炉加铁水冶炼亦存在一个最佳铁水 30 0 102030405060 加入比，这一比值随供氧强度及除尘能力可在 铁水加入比% 定范围内变化，安钢条件下，理论计算和生产实 图4100t烟道竖炉电炉冶炼周期与铁水加入比的关系 430 Fig.4 Relationship between tap-to-tap time and hot metal proportion of a 100 t shaft furace 390 这-一规律并为韶钢、八一钢厂、南钢、宝钢、 沙钢、淮钢、石横特钢等的生产实践所证实，生产 350 实践结果与前述理论分析相符，也证明了前述理 论的正确性， 安钢采用1251天车吊65t铁水罐通过铁水 310 15 25 35 45 流槽往电弧炉内连续加铁水，加铁水速度为5~10 铁水加入比% tmin,加铁水时不开启炉盖，不影响电弧炉送电. 图225t电弧炉平均吨钢电耗与铁水加入比的关系 3.2优化供电制度，提高P7cosp Fig.2 Relationship between average electric energy and hot metal proportion of a 25 t EAF 根据式(3)，为缩短冶炼周期，必须提高

〕 傅 杰 现 代 电弧 炉冶 炼周 期综 合控 制理 论 及 应 用 渣 料 消耗 、 耐材 消耗 ， 以及 人 工 成 本 、 设备 维 护 及 折 旧 成 本 、 还 货 率及 销 售 、 采 购 成 本 等 ， 在 已 知 消耗 量 具体 市场 价格 的条件 下 ， 就 可 以计 算 出冶炼 一 炉钢 水 所 需要 的成 本 这 样 就可 以根 据钢 水 的价格 、 冶炼 成 本 以及 冶炼 周 期计 算 出必 再 用 计 算机 编 程 ， 求 出毋达 最 大或 接 近 最 大 时 上 述 个 优 化 的参 数 的具 体 解 从 这 一 模 型 可 以进 一 步看 出 ， 电弧 炉 冶 炼 周 期 的综 合控制 理 论 还 具有 以下 特 征 在 我 国 目前废 钢 及 电力 资源 短 缺 、 价格 高 的条件 下 ， 要 使 电炉钢 能够 盈 利 ， 获得 发展 ， 必 须 生 产 高 附加 值 产 品 增 大习 和 缩 短 冶 炼 周 期 ， 降 低 消耗 减 少 ， 艺 只 当原材料 、 能源 、 产 品价格 变 化 时 ， 可确 定 新 形 势 下 优 化 的土 艺参 数 ， 一 一 厂 、 ’ ’ 丫 ︵ · 续营言妇基月︾‘ 铁 水 加 入 比 图 电弧 炉 吨 钢 冶 炼 时 间 与铁 水 加 入 比 的 关 系 以 现 代 电弧 炉 冶 炼 周 期 综 合 控 制 理 论 为 指 导 开 发 高 效 化 电 弧 炉 炼 钢 技 术 电弧 炉加 铁 水 冶炼 技 术 根据 式 ， 为缩 短 冶炼 周 期 ， 应 增 加尸 ， 主 要 技 术 措 施 之 一 是 加 铁 水 冶 炼 安 阳钢 铁 公 司 安钢 一 炼 钢 从 年 开 始 在 出钢 量 为 的 电弧 炉 公 称 容量 上 率 先 系 统 地 对 电弧 炉 热 装 部 分 铁 水 工 艺 及 理 论 进 行 了研 究 ， 在 国 内外 首次 发现 有 一 个 最佳 铁 水 加 入 比 ， 见 图 和 图 ， ， ” ， 通 过 生 产试 验 ， 发 现 级 现 代 电弧 炉 加 铁 水 冶 炼 亦 存 在 一 个 最 佳 铁 水 加 入 比 ， 这 一 比值 随供氧 强度 及 除尘 能 力可 在 一 定 范 围 内变 化 ， 安钢 条件 下 ， 理 论 计 算 和 生 产 实 践 证 明这 一 比值 为 一 热 装铁 水 可 以有 效 地 降低 电耗 ， 由 图 一 可 见 ， 热 装 铁 水 ， 可 降低 电耗 左 右 铁 水 比过 高 时冶 炼 周 期 有所 延 长 图 ， 图 电 耗 随铁 水 比 的增 加 达 对 小炉 子 有 一 最 低值 图 ， 对 大 炉子 则一 直 在 降低 图 ， 后 者 是 因 为 供氧 强度 大 ， 脱碳 速度 高 ， 化 学热 增 加 ， 有一 段 时 间 是 停 电工 作 的 ， 故 铁 水 加 入 量 从 到 范 围 内可 使 电耗 不 断 降低 【， ， 今特 ‘ 电 ‘ 一 黑场 下 ‘口一、︸ 曰︸ 续载里好层、日 。 匕一一一一一一兰一 口 铁 水 加 入 比 图 烟 道 竖 炉 电炉 冶炼 周 期 与铁 水 加 入 比的 关 系 一 一 勺 铁 水 加 入 比 图 电弧 炉 平 均 吨 钢 电耗 与铁 水 加 入 比 的 关 系 这 一 规 律 并 为韶 钢 、 八 一 钢 厂 、 南 钢 、 宝 钢 、 沙钢 、 淮 钢 、 石 横特 钢 等 的生产 实践所 证 实 生产 实践 结果 与前 述 理 论 分析 相 符 ， 也 证 明 了前述 理 论 的正 确 性 安钢 采 用 天 车 吊 铁 水 罐通 过 铁 水 流槽 往 电弧 炉 内连 续加 铁水 ， 加 铁 水速度 为 一 灯 ， 加铁水 时不 开 启炉 盖 ， 不 影 响 电弧 炉送 电 优 化 供 电制 度 ， 提 高八泞 势 根 据 式 ， 为 缩 短 冶 炼 周 期 ， 必 须 提 高 二钾军刃多己乡︵州

592 北京科技大学学报 2004年第6期 400 压器设计电压为550-990V,操作中，在有功功率 350 高达60MW时，电压只有670V.实际是采用中电 压、较大电流的供电制度，这可能是加铁水操作 300 条件下的供电特点.对比加35%铁水条件下，原 250 设计供电曲线（图7），有功功率增加了13以上. 200 3.3强化用氧，增加化学热 提高Pc,有利于缩短冶炼周期.P主要来自 150 0 10 2030 40 50 60 钢中元素氧化的化学热以及氧油烧嘴提供的化 铁水加入比% 学热 图5100t烟道竖炉电炉平均吨钢电耗与铁水加入比的 (1)新的氧油烧嘴操作.安钢电弧炉操作的 关系 ·个特点是在第二篮加料及出钢过程中，停电不 Fig.5 Relationship between electric energy consumption 停油，氧油烧嘴仍然工作，见图6，原设计的供氧 and hot metal proportion of a 100 t shaft furnace 和供油曲线见图8， Pencosp. (2)氧压控制.表3示出了不同氧压对治炼周 根据电弧炉留钢留渣、热装铁水等工艺情 期和能耗的影响，由表可见，氧压过低对缩短冶 况，安钢100t烟道竖炉电炉现用优化后的有功 炼周期和降低能耗不利， 功率供电曲线见图6 (3)采用改性生铁，提供辅助氧源，造好泡沫 由图6可见，安钢1001电弧炉供电有功功率 渣.泡沫渣的好坏直接关系到综合电效率及吹氧 高达55-60MW,相应的表观功率为66-~68MW, 强度的大小，安钢首创了采用改性生铁造泡沫渣 变压器功率应用较充分（额定功率为72MW).变 的技术 60人 供电有功功奉 单个烧嘴油流量 % BN街aa 000 30 10 08 兑入铁水 测温取样 F-- 0 10 1416 20 37 90 45 时间min 图6FSF生产工艺 Fig.6 Production technology curves of FSF 0 20 蓝 加铁水 0 10 20 30 40 50 时间min 图7原设计供电曲线 Fig.7 Electric supply curve designed by EAF suppliers

， 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 系 气伟，‘、 ︵ 一州 一上渭︾雍钾暴渗官 匕一一一 一 一一习 一 一一 一一一一二 一一 一目 铁 水 加 入 匕 图 烟 道 竖 炉 电 炉 平 均 吨 钢 电耗 与铁 水 加 入 比的 关系 · 叮 切 · 根 据 电弧 炉 留钢 留渣 、 热 装 铁 水 等 工 艺 情 况 ， 安 钢 烟 道 竖 炉 电炉 现 用 优 化 后 的有 功 功 率 供 电 曲线 见 图 创 由 图 可 见 ， 安钢 电弧 炉 供 电有 功 功 率 高达 一 ， 相 应 的表 观 功 率 为 一 ， 变 压 器 功 率 应 用 较 充 分 额 定 功 率 为 变 压 器 设 计 电压 为 一 ， 操 作 中 ， 在有 功 功 率 高达 时 ， 电压 只 有 实 际 是采 用 中 电 压 、 较 大 电流 的供 电制 度 ， 这 可 能 是 加 铁 水 操 作 条 件 下 的供 电特 点 对 比 加 铁 水 条件 下 ， 原 设 计 供 电 曲线 图 ， 有 功 功 率 增 加 了 以上 强 化 用 氧 ， 增 加 化 学 热 提 高 ， 有 利 于 缩 短 冶 炼 周 期 主 要 来 自 钢 中元 素 氧 化 的化 学 热 以及 氧 油 烧 嘴 提 供 的化 学 热 新 的氧 油烧 嘴 操 作 〔 安钢 电弧 炉操 作 的 一 个特 点 是在 第 二 篮 加 料 及 出钢 过 程 中 ， 停 电不 停 油 ， 氧 油烧 嘴 仍 然 工 作 ， 见 图 ， 原 设 计 的供 氧 和 供 油 曲线 见 图 氧 压 控 制 表 示 出 了不 同氧 压 对 冶 炼 周 期 和 能耗 的影 响 ， 由表 可 见 ， 氧 压 过 低 对 缩 短 冶 炼 周 期 和 降低 能耗 不 利 采 用 改性 生 铁 ， 提 供 辅 助 氧 源 ， 造 好 泡 沫 渣 泡 沫 渣 的好 坏 直 接 关 系 到 综合 电效率及 吹氧 强度 的大 小 ， 安钢 首 创 了采 用 改性 生 铁 造 泡 沫 渣 的技 术 单个烧嘴油流量 ︵ 一警令哥蛛澳瑕喇召络 ，乙内，， 厂 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ， 一 ‘ 广 一 兑入铁水 一 一 一 一 一 ， 时 间 图 生 产 工 艺 啥 · 越裁袱袂军职软塞丈嗽口 象‘怜及回负终塞田二 斗，︸︶气亡、 仁哥俘乏污 幕圳 · 袱名取只卜口 肖阵罗。 加铁水 派象宾祠月岑工二 袱宾具影线酬叫 扭挥望叶冲巾吕妈 擎暴匀吴叹帐酬口 塞书 提潺崛、长沐芝 时 间 图 原 设 计 供 电 曲线