CN115537495B - 一种大型交流电弧炉的供电工艺 - Google Patents

一种大型交流电弧炉的供电工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型交流电弧炉的供电工艺，将废铁原料加入电弧炉后通电点燃电弧进行熔化，供电按时间顺序分为以下四个阶段：1)穿井阶段供电：有功功率50～60WVA/t，功率因素0.74～0.76；2)废钢主熔化阶段供电：有功功率0.6～0.8WVA/t，功率因素根据吨钢毛利与每度电价格比进行选择；3)废钢熔化末期供电：有功功率0.5～0.6WVA/t，功率因素0.66～0.70；4)精炼阶段供电：有功功率0.4～0.5WVA/t，功率因素0.66～0.68。本发明根据不同的电价、吨钢毛利状况制定合理的工艺，实现电弧炉冶炼经济效益最佳。

Description

一种大型交流电弧炉的供电工艺
技术领域
本发明涉及电弧炉炼钢领域，更具体地说，涉及一种大型交流电弧炉的供电工艺。
背景技术
电弧炉炼钢是目前两大炼钢方法之一，随着社会对碳排放要求越来越高，电弧炉炼钢因碳排放远低于转炉流程越来越受到重视。通过电弧供电熔化废钢是电弧炉炼钢的基本特征，电弧供电又分为交流电弧供电和直流电弧供电，交流电弧供电技术更为成熟，是目前普遍采用的供电方式。通过超高功率供电以及提升电炉容量是目前电炉提高生产效率的主要措施，对于交流电弧供电系统来讲，技术进步主要体现在如何提高供电系统的稳定性、提高电能的利用率、降低对炉衬的侵蚀、减轻对电网的冲击和降低噪音。随着电弧炉炉容量的不断加大，变压器的不断加大，电弧稳定性被降低，旨在稳定电弧供电的相关技术被开发。高阻抗交流电弧炉技术在变压器原边回路上添加一个电抗器，以稳定电弧、降低供电对电网的冲击，并能提高功率因素。
在现有的公开技术中，如中国专利CN101636034A提出了一种交流不间断电弧供电装置及方法，开发了一种装置可将交流引弧电源的输出经过升压升频电路升压升频后，始终加载于电弧产生装置，交流电的时候不再受到交流电源过零现象的影响，可以让设备不间断的产生电弧。稳定供电的同时，还需要考虑电弧供电的电耗成本。中国专利200810116995.2提出一种电弧炉能量分段输入控制方法，按金属料的不同配料方式，电弧炉能量分段输入控制，具体首先进行电弧炉炼钢过程的能量分段，以物料衡算与能量衡算模块为基础，定量计算不同段中能量的需求，可降低电耗并防止钢水过氧化。另外，相关学者还对对电弧供电曲线进行了研究，通过对电炉供电操作电抗的测量以及分析电气原图来寻找供电的理想操作点，相关思路是：根据冶炼阶段确定功率输入——选择合适电压——绘制供电特征曲线确定工作点范围——在工作点范围内计算最优的工作点以满足功率需求，限制性条件是电弧稳定燃烧，要求功率因素不能高于0.86，视在功率S不应大于变压器的额定功率，各个电压级别条件下存在电流限制。
然而，上述专利和相关研究仅考虑电弧供电的稳定性或考虑电弧供电的某一两个指标(比如电耗、电极消耗)，均未系统考虑电弧供电对电弧炉冶炼经济性影响。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种大型交流电弧炉的供电工艺，根据不同的电价、吨钢毛利状况制定合理的工艺，实现电弧炉冶炼经济效益最佳。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大型交流电弧炉的供电工艺，将废铁原料加入电弧炉后通电点燃电弧进行熔化，供电按时间顺序分为以下四个阶段：
1)穿井阶段供电：有功功率50～60WVA/t，功率因素0.74～0.76；
2)废钢主熔化阶段供电：有功功率0.6～0.8WVA/t，功率因素根据吨钢毛利与每度电价格比进行选择；
3)废钢熔化末期供电：有功功率0.5～0.6WVA/t，功率因素0.66～0.70；
4)精炼阶段供电：有功功率0.4～0.5WVA/t，功率因素0.66～0.68。
较佳的，所述步骤1)中，穿井阶段供电的时间控制在1～2min。
较佳的，所述步骤2)中，废钢主熔化阶段供电的时间为整个通电时间的0.55～0.65；和/或；
所述功率因素根据吨钢毛利与每度电价格比进行选择具体如下：
当吨钢毛利与每度电价格比小于300时，功率因素0.80～0.82；
当吨钢毛利与每度电价格比在300～500之间时，功率因素0.78～0.80；
当吨钢毛利与每度电价格比大于500时，功率因素0.74～0.78。
较佳的，所述步骤3)中，废钢熔化末期供电的时间为整个通电时间的0.10～0.15；和/或。
所述步骤4)中，精炼阶段供电的时间为总供电时间减去步骤1)、2)、3)的供电时间。
较佳的，所述电弧炉采用噪声计测得A计权噪声值，并以此作为步骤2)的终止判断依据；
当A计权噪声值连续1min小于90分贝时，将步骤2)切换至步骤3)。
较佳的，所述电弧炉的供电系统中变压器原边回路上增设一电抗器；
所述电抗器的电抗值为0～1Ω；
整个供电过程中，所述电抗器的电抗值选定0.4～1Ω运行。
较佳的，所述废钢原料包括30～40％铁水加上废钢；或
20～35％生铁加上废钢。
较佳的，所述废钢原料选用30～40％铁水加上废钢时，在所述电弧炉冶炼前加入，供电过程中不断电。
较佳的，所述废钢原料选用20～35％生铁加上废钢时，在所述电弧炉通电前先加入第一批料，在步骤2)的供电时间为整个通电时间的0.4～0.5时间段内加入余下的料。
较佳的，所述电弧炉的容量为100～180t，变压器容量为0.7～0.9MVA/t，二次侧电压为800～1400V。
本发明所提供的一种大型交流电弧炉的供电工艺，综合考虑了供电成本以及电炉的生产效率，在确保电弧稳定运行前期下可确保电炉冶炼经济效益最佳。相对常规供电方案可使得单体电炉利润增加4％以上。
附图说明
图1是本发明大型交流电弧炉的供电工艺的流程示意图。
具体实施方式
为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
结合图1所示，本发明所提供的一种大型交流电弧炉的供电工艺，主要针对的是大型电弧炉，电弧炉容量在100～180t，为了确保电弧供电的稳定性，配置变压器容量在0.7～0.9MVA/t，二次侧电压在800～1400V，如果配置变压器容量过大，有功功率大于0.9MVA/t或二次侧电压大于1400V，容易造成电弧偏长对耐材辐射烧损过大，且前期投资成本过大和供电系统维护成本偏高；如果配置变压器容量过低，低于0.7MVA/t或二次侧电压小于800V，则供电电弧因功率偏低易造成电炉冶炼周期偏长。
将废铁原料加入电弧炉后通电点燃电弧进行熔化，供电按时间顺序分为以下四个阶段：
1)穿井阶段供电：有功功率50～60WVA/t，功率因素0.74～0.76；
2)废钢主熔化阶段供电：有功功率0.6～0.8WVA/t，功率因素根据吨钢毛利与每度电价格比进行如下选择：
当吨钢毛利与每度电价格比小于300时，功率因素0.80～0.82；
当吨钢毛利与每度电价格比在300～500之间时，功率因素0.78～0.80；
当吨钢毛利与每度电价格比大于500时，功率因素0.74～0.78；
3)废钢熔化末期供电：有功功率0.5～0.6WVA/t，功率因素0.66～0.70；
4)精炼阶段供电：有功功率0.4～0.5WVA/t，功率因素0.66～0.68。
上述所提及的功率因数具体定义为电弧供电系统有功功率与视在功率的比例，有功功率为事实发生的能量消耗速率，而视在功率为占有电网容量的功率。
上述步骤1)中，穿井阶段供电的时间控制在1～2min。
上述步骤2)中，废钢主熔化阶段供电的时间为整个通电时间的0.55～0.65。废钢主熔化阶段持续时间长，其供电方式对电耗成本以及电弧炉冶炼周期影响极大，而电弧炉冶炼周期影响着生产效率，一般的供电方式追求电耗低和冶炼周期短，然而这两个追求目前是一对矛盾，追求电耗低需高功率因数(功率因数一般大于0.8)供电，追求高生产率需将功率因数控制在0.71左右，以实现有功功率最大化。同时，现有的供电方式未考虑钢铁市场盈利情况以及电价在峰值和谷底对供电影响电弧炉效益的影响。本发明通过建立相关模型模拟出电弧长度与相关供电参数二次电压、功率因数关系，从而计算出电弧供电的热效率，建立电弧供电与冶炼进程关系，进一步根据电价以及电弧炉的吨钢毛利计算出单位时间内电弧炉的盈利情况，单位时间内电弧炉的盈利也可称为利润速率。在此基础上，本发明确定了不同钢铁市场影响的吨钢毛利以及电价情况下供电方式：当吨钢毛利与每度电价格比小于300时，表明当前电弧炉盈利情况不好，此时应采取节约电耗方式供电，选定功率因数0.8～0.82；当吨钢毛利与每度电价格比在300～500时，表明电弧炉盈利情况一般，此时综合考虑电耗成本和生产效率，选定功率因数0.78～0.8；当吨钢毛利与每度电价格比在500以上时，表明当前影响情况很好，此时应采取尽可能高的生产效率供电，选定功率因数0.74～0.78。废钢主熔化阶段废钢对电弧的保护较好，此阶段采用高功率供电也可获得较高电弧热效率，所以设定有功功率0.6～0.8WVA/t。
上述步骤3)中，废钢熔化末期供电的时间为整个通电时间的0.10～0.15。因在废钢熔化末期，废钢对电弧的保护降低，为了保证电弧的热效率并防止电弧辐射损坏炉衬，此阶段有功功率下降到0.5～0.6WVA/t，功率因数下调到0.66～0.7，相应电弧长度略微变短而热效率提升，可确保供电获取的利润速率最佳。
上述步骤4)中，精炼阶段供电的时间为总供电时间减去步骤1)、2)、3)的供电时间。因精炼期电弧依赖炉渣保护，电炉泡沫渣高度并不稳定一致，为了确保供电热效率并防止电弧辐射损坏炉衬，此阶段有功功率0.4～0.5WVA/t，功率因数0.66～0.68，确保供电获取的利润速率最佳。
电弧炉采用噪声计测得A计权，并以此作为步骤2)的终止判断依据，当A计权连续1min小于90分贝时，可将步骤2)切换至步骤3)。
根据电弧炉前噪声计判断废钢熔化状态为优选项，因为电弧炉在冶炼过程中炉门是关闭的，人工难以及时判断废钢熔化进程，实际操作仅根据时间节点打开炉门观察，配置噪声计可较为准确判断废钢熔化进程，废钢主熔化过程一般噪音均在90分贝以上，所以，当连续1分钟小于90分贝，可作为主熔化阶段的结束。
在电弧炉的供电系统中变压器原边回路上增设一个电抗器，所述电抗器的电抗值为0～1Ω，整个供电过程中，所述电抗器的电抗值选定0.4～1Ω运行。
主回路串联电抗期主要目的是确保变压器二次侧电弧稳定运行，在需要高阻抗操作时可实现高阻抗操作。
废钢原料包括30～40％铁水加上废钢；或20～35％生铁加上废钢。
若废钢原料选用30～40％铁水加上废钢时，在电弧炉冶炼前加入，供电过程中不断电。
若废钢原料选用20～35％生铁加上废钢时，在电弧炉通电前先加入第一篮料，在步骤2)的供电时间为整个通电时间的0.4～0.5时间段内加入第二篮料，即按两篮料加入。
如上原料结构也是大型电弧炉冶炼普遍采用的原料结构，本发明供电模式主要针对此两种模式原料结构，本发明暂不支持电弧炉连续加料方式(如Consteel)的电弧炉操作模式。
实施例1
本实施例中大型电弧炉容量150吨，变压器容量有功功率125MVA/t，变压器主回路串联电抗0.6Ω，二次侧电压最高1250V，冶炼炉料结构为35％的铁水+65％的废钢，电弧炉冶炼前打开炉盖，先用料篮加入废钢，后续用铁水包快速加入铁水，关上炉盖，开始电弧通电加热并熔化废钢同时提升温度。电弧炉所冶炼钢种当前吨钢毛利400元/t，则供电四个阶段的供电工艺如下:
1)穿井阶段供电，有功功率55WVA/t，功率因数0.74，穿井时间1.5分钟；
2)废钢主熔化阶段供电，电网供电处于峰值阶段，电价0.6元/度，吨钢毛利与每度电价格比666，则变压器二次侧电压调节到1200V，有功功率111WVA/t，功率因数0.77，主熔化供电时间15分钟；
3)废钢熔化末期供电，二次侧电压调节到1000V，有功功率80WVA/t，功率因数0.67，废钢熔化末期供电时间3分钟；
4)精炼期间供电，二次侧电压调节到920V，有功功率70WVA/t，功率因数0.66，精炼供电时间6分钟。
当钢水温度达1620℃，满足出钢要求，则终止供电开始出钢。最终吨钢电耗265KWh/t，供电时间25.5分钟，其中废钢主熔化阶段利润速率为860元/分钟。常规工艺通常在废钢主熔化阶段设定二次侧电压1000～1100V，功率因数0.8以上，虽然最终电耗变化不大，但主熔化时间需延长3～4min，影响了电炉整理冶炼周期，电弧炉冶炼此阶段利润速率仅为700元/分钟，本实施例可降低此阶段利润速率提升23％，综合到整个冶炼周期，电炉利润大约提升5％左右。
实施例2
本实施例中大型电弧炉容量150吨，变压器容量有功功率125MVA/t，变压器主回路串联电抗0.6Ω，二次侧电压最高1250V，冶炼炉料结构为35％的铁水+65％的废钢，电弧炉冶炼前打开炉盖，先用料篮加入废钢，后续用铁水包快速加入铁水，关上炉盖，开始电弧通电加热并熔化废钢同时提升升温。电弧炉所冶炼钢种当前吨钢毛利100元/t，则供电四个阶段的供电工艺如下:
1)穿井阶段供电，有功功率55WVA/t，功率因数0.76，穿井时间1.0分钟；
2)废钢主熔化阶段供电，电网供电处于峰值阶段，电价0.6元/度，吨钢毛利与每度电价格比133，则变压器二次侧电压调节到1150V，有功功率94WVA/t，功率因数0.82，主熔化供电时间17分钟；
3)废钢熔化末期供电，二次侧电压调节到950V，有功功率75WVA/t，功率因数0.67，废钢熔化末期供电时间4分钟；
4)精炼期间供电，二次侧电压调节到920V，有功功率70WVA/t，功率因数0.66，精炼供电时间5分钟。
当钢水温度达1620℃，满足出钢要求，则终止供电开始出钢。最终吨钢电耗250KWh/t，供电时间27.5分钟，其中废钢主熔化阶段利润速率为101元/分钟。本实施例主要考虑当前市场情况不佳，吨钢毛利太低，则供电主要考虑因数是降低电耗以及相关电极消耗，相对常规方案，电耗降低15KWh/t(约9元/t)，综合考虑电极消耗降低的成本，吨钢成本下降约11元/t，相对于吨钢毛利仅100元，而通电时间相对常规方案基本不变，则电耗节约可使电炉利润提升约11％。
实施例3
本实施例中大型电弧炉容量180吨，变压器容量有功功率145MVA/t，变压器主回路串联电抗0.8Ω，二次侧电压最高1400V，冶炼炉料结构为35％的铁水+65％的废钢，电弧炉冶炼前打开炉盖，先用料篮加入废钢，后续用铁水包快速加入铁水，关上炉盖，开始电弧通电加热并熔化废钢同时提升升温。电弧炉所冶炼钢种当前吨钢毛利400元/t，则供电四个阶段的供电工艺如下:
1)穿井阶段供电，有功功率55WVA/t，功率因数0.76，穿井时间1.0分钟；
2)废钢主熔化阶段供电，电网供电处于峰值阶段，电价0.6元/度，吨钢毛利与每度电价格比666，则变压器二次侧电压调节到1350V，有功功率131WVA/t，功率因数0.77，主熔化末期在电弧炉炉前测定噪音，当时间持续到15分钟，A计权噪音持续小于90分贝1分钟，则主熔化供电阶段结束，供电时间16分钟；
3)废钢熔化末期供电，二次侧电压调节到1000V，有功功率83WVA/t，功率因数0.67，废钢熔化末期供电时间5分钟；
4)精炼期间供电，二次侧电压调节到920V，有功功率70WVA/t，功率因数0.66，精炼供电时间6分钟。
当钢水温度达1620℃，满足出钢要求，则终止供电开始出钢。最终吨钢电耗270KWh/t，供电时间28分钟，其中废钢主熔化阶段利润速率为1050元/分钟。本实施例主要考虑当前市场盈利情况不错，废钢主熔化阶段采取的是高功率以及合理功率因数供电，相比常规供电模式，主熔化时间节约了3～4分钟，最终利润提升约5％左右。
实施例4
本实施例中大型电弧炉容量150吨，变压器容量有功功率125MVA/t，变压器主回路串联电抗0.6Ω，二次侧电压最高1250V，冶炼炉料结构为35％的铁水+65％的废钢，电弧炉冶炼前打开炉盖，先用料篮加入废钢，后续用铁水包快速加入铁水，关上炉盖，开始电弧通电加热并熔化废钢同时提升升温。电弧炉所冶炼钢种当前吨钢毛利100元/t，则供电四个阶段的供电工艺如下:
1)穿井阶段供电，有功功率55WVA/t，功率因数0.76，穿井时间1.0分钟；
2)废钢主熔化阶段供电，电网供电处于谷底阶段，电价0.25元/度，吨钢毛利与每度电价格比400，则变压器二次侧电压调节到1150V，有功功率105WVA/t，功率因数0.79，主熔化供电时间16分钟；
3)废钢熔化末期供电，二次侧电压调节到950V，有功功率75WVA/t，功率因数0.67，废钢熔化末期供电时间4分钟；
4)精炼期间供电，二次侧电压调节到920V，有功功率70WVA/t，功率因数0.66，精炼供电时间5分钟。
当钢水温度达1620℃，满足出钢要求，则终止供电开始出钢。最终吨钢电耗260KWh/t，供电时间26分钟，本实施例相对与实施例2，电弧炉在夜间运行，电非常便宜，所以供电模式有所改变，尽管电耗增加了10KWh/t，但因电非常便宜，电耗成本仅增加2.5元/t，但通电时间节约1.5分钟的，可多盈利5元/t，总体可增加利润2.5元/t，相对实施例2利润提升约2.5％左右，相对常规方案利润提升4％以上。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种大型交流电弧炉的供电工艺，其特征在于，将废钢原料加入电弧炉后通电点燃电弧进行熔化，供电按时间顺序分为以下四个阶段：
1)穿井阶段供电：有功功率50～60MVA/t，功率因素0.74～0.76；
2)废钢主熔化阶段供电：有功功率0.6～0.8MVA/t，功率因素根据吨钢毛利与每度电价格比进行选择；
3)废钢熔化末期供电：有功功率0.5～0.6MVA/t，功率因素0.66～0.70；
4)精炼阶段供电：有功功率0.4～0.5MVA/t，功率因素0.66～0.68，
所述功率因素根据吨钢毛利与每度电价格比进行选择具体如下：
当吨钢毛利与每度电价格比小于300时，功率因素0.80～0.82；
当吨钢毛利与每度电价格比在300～500之间时，功率因素0.78～0.80；
当吨钢毛利与每度电价格比大于500时，功率因素0.74～0.78。
2.根据权利要求1所述的大型交流电弧炉的供电工艺，其特征在于：所述步骤1)中，穿井阶段供电的时间控制在1～2min。
3.根据权利要求2所述的大型交流电弧炉的供电工艺，其特征在于，所述步骤2)中，废钢主熔化阶段供电的时间为整个通电时间的0.55～0.65。
4.根据权利要求3所述的大型交流电弧炉的供电工艺，其特征在于：所述步骤3)中，废钢熔化末期供电的时间为整个通电时间的0.10～0.15；和/或
所述步骤4)中，精炼阶段供电的时间为总供电时间减去步骤1)、2)、3)的供电时间。
5.根据权利要求1所述的大型交流电弧炉的供电工艺，其特征在于：所述电弧炉采用噪声计测得A计权噪声值，并以此作为步骤2)的终止判断依据；
当A计权噪声值连续1min小于90分贝时，将步骤2)切换至步骤3)。
6.根据权利要求1所述的大型交流电弧炉的供电工艺，其特征在于：所述电弧炉的供电系统中变压器原边回路上增设一电抗器；
所述电抗器的电抗值为0～1Ω；
整个供电过程中，所述电抗器的电抗值选定0.4～1Ω运行。
7.根据权利要求1所述的大型交流电弧炉的供电工艺，其特征在于：所述废钢原料包括30～40％铁水加上废钢；或
20～35％生铁加上废钢。
8.根据权利要求7所述的大型交流电弧炉的供电工艺，其特征在于：所述废钢原料选用30～40％铁水加上废钢时，在所述电弧炉冶炼前加入，供电过程中不断电。
9.根据权利要求7所述的大型交流电弧炉的供电工艺，其特征在于：所述废钢原料选用20～35％生铁加上废钢时，在所述电弧炉通电前先加入第一批料，在步骤2)的供电时间为整个通电时间的0.4～0.5时间段内加入余下的料。
10.根据权利要求1所述的大型交流电弧炉的供电工艺，其特征在于：所述电弧炉的容量为100～180t，变压器容量为0.7～0.9MVA/t，二次侧电压为800～1400V。
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