電渣爐的種類、結構形式和選擇方法

隋鐵流

(東北特殊鋼集團有限責任公司 116031)

電渣爐的種類、結構形式和選擇方法

隋鐵流

(東北特殊鋼集團有限責任公司 116031)

文章對電渣爐的種類、結構形式以及選擇方法進行了簡要的介紹.著重對大型電渣爐的選型作了的介紹.

電渣爐;結構;種類

近些年來，我國電渣冶金取得了突飛猛進的發(fā)展.新建電渣爐的臺數(shù)之多，速度之快，噸位之大，都已遠遠超出人們的想象.隨著電渣爐建造數(shù)量的不斷增加，電渣爐種類及結構型式的選擇已成為擺在電渣冶金工作者面前的一個重要的、值得思考的問題.

1 電渣爐的種類和結構形式

電渣爐屬于非標準設計，因此有很多種類，以及各種各樣的結構形式.從用電的種類上分，電渣爐可分為:交流電渣爐、直流電渣爐;單相電渣爐、三相電渣爐.從結構形式上分，又可分為單支臂電渣爐、雙支臂電渣爐;單熔位電渣爐、雙熔位電渣爐、三熔位電渣爐;抽錠式電渣爐、固定式電渣爐和抽錠、固定式兩用電渣爐;支臂旋轉式電渣爐、立柱旋轉式電渣爐以及車架式電渣爐.抽錠式電渣爐又分為臺車、電渣錠向下移動和支臂、結晶器向上移動等不同形式.支臂和脫錠臺車的傳動方式有絲杠傳動、鋼絲繩傳動、鏈條傳動和液壓傳動.從爐口氣氛上劃分，有應用最普遍的爐口敞開的常規(guī)電渣爐、氣密型保護氣氛電渣爐、壓力電渣爐和真空電渣爐.從用途上分，除普通的常規(guī)電渣爐外，還有帶有導電結晶器功能的電渣爐、快速電渣重熔電渣爐等.另外，還有雙極串聯(lián)電渣爐和三個單相雙極串聯(lián)電渣爐在同一個結晶器中重熔的組合式電渣爐.從控制系統(tǒng)方面，又可分為自耦變壓器控制、可控硅控制、PLC控制和計算機控制的電渣爐.電源變壓器的形式也有所不同，油冷式變壓器、風冷式變壓器、自冷式變壓器.從調壓方式上分，有載無級調壓、有載有級調壓和無載有級調壓等.電源的頻率除我國普遍采用的工頻外，歐洲還有很多低頻電源的電渣爐.在導電形式上，有原始的“銅辮子線”導電，水冷短網(wǎng)導電，導電立柱導電和“銅軌”導電.有短網(wǎng)通過導電銅牌直接與卡頭連接的方式，也有滑動觸頭與導電立柱連接的同軸導電的方式.總之電渣爐的種類繁多，形式各異.

2 各種電渣爐的特點

直流電渣爐起源于美國，由于需要增加一套整流設備，造價很高.加之脫硫能力和精煉效果差.重熔過程中有時會出現(xiàn)金屬電極“偏吹”或插入金屬熔池等現(xiàn)象.與交流電渣爐相比，直流電渣爐存在著諸多缺點，因此直流電渣爐很少被采用.

目前普遍采用的是交流電源電渣爐.交流電源電渣爐應用最廣泛的是單相電渣爐.單相電渣爐具有設備簡單，便于設計、制造，造價較低，易于操作和檢修維護，冶煉電耗較低以及用途廣泛等一系列優(yōu)點.

圖1 北滿特鋼早期引進海拉斯公司的單相單支臂電渣爐Fig.1 Early ESR furnace in Beiman special steel plant imported from Hellas company

圖2 北滿特鋼單相雙支臂電渣爐Fig.2 Single phase and double column ESR furnace in Beiman special steel plant

單相電渣爐可分為單相單支臂(爐頭)電渣爐(圖1)，單相雙支臂(爐頭)電渣爐(圖2)和雙極串聯(lián)電渣爐.單支臂電渣爐在國內外都比較常見.這種電渣爐沒有石墨電極造渣，一般都是采取本鋼種金屬電極造渣，邊造渣，邊熔煉的方式進行生產(chǎn).在沒有普遍采用預熔渣之前，為了提高電渣鋼的冶金質量，國外曾經(jīng)大力推廣過用化渣爐化渣.化渣爐化渣是在帶有爐襯的鋼包爐中，用石墨電極通電的方法將爐渣熔化，之后將液態(tài)熔渣注入到結晶器中的進行液渣啟動.如今預熔渣的推廣和使用在很大程度上取代了化渣爐和液渣啟動.實踐表明，在沒有采用預熔渣或是液渣啟動，也沒有石墨電極造渣的情況下，單支臂電渣爐的冶金質量很容易出現(xiàn)問題，而且錠型越大，電渣鋼制品的探傷和低倍問題越突出.

另外，單支臂電渣爐都是用一支電極坯料生產(chǎn)一支電渣錠，受大規(guī)格鑄造電極質量和制備條件的限制，通常單支臂電渣爐不適合生產(chǎn)較大規(guī)格的電渣錠.

當前國內外應用最為普遍的還是單相雙支臂(爐頭)電渣爐.雙支臂電渣爐與單支臂電渣爐相比具有更強的生產(chǎn)靈活性，既可以采用預熔渣，也可采用石墨電極化渣，既可以使用一支電極坯料重熔一支電渣錠，也可以使用多支電極坯料交替重熔一支電渣錠，不僅可以重熔較小規(guī)格的電渣錠，也更加適合重熔大規(guī)格的電渣錠.大連特鋼從因泰克公司引進的36 t和100 t電渣爐都是單相雙支臂(爐頭)電渣爐.

另外，在電渣熔鑄異型件方面單相雙支臂電渣爐具有更強的產(chǎn)品適應性.

國內無論是單支臂電渣爐，還是雙支臂電渣爐，大多都是單熔位電渣爐.而國外雙熔位電渣爐，三熔位電渣爐極為普遍.雙熔位和多熔位電渣爐的主要特點是，可以減少熱停時間，提高電渣爐的生產(chǎn)作業(yè)率.

尤其值得一提的是，當前國外雙支臂(爐頭)電渣爐更多采用雙電源變壓器供電.每個爐頭分別配備一臺電源變壓器.可以利用各自的爐頭和電源變壓器，在中心熔位和外側熔位的不同的結晶器中，同時生產(chǎn)兩個一般規(guī)格的電渣錠.也可以將兩個電源變壓器合并使用，在中心熔位的結晶器中生產(chǎn)出大規(guī)格的電渣錠.

近年來，國內雙極串聯(lián)電渣爐的數(shù)量有所增加.雙極串聯(lián)電渣爐是在重熔過程中，兩支電極坯料在同一個結晶器中熔煉.電流通過一支電極和熔渣流向另一支電極，構成串聯(lián)回路.由于兩只電極相距較近，相當于網(wǎng)路的平行布線.因此，網(wǎng)路的感抗損失很小，提高了功率因數(shù)和電效率，使冶煉電耗顯著降低.

不容忽視的是，雙極串聯(lián)電渣爐重熔時，易出現(xiàn)兩支電極熔化速率不一致的所謂“拐腿”現(xiàn)象，使重熔過程無法正常進行.采取變壓器中心抽頭和將電極坯料的形狀制作成兩個半圓型(圖3)，使兩支電極坯料盡可能靠近的方法有利于減輕或消除“拐腿”現(xiàn)象.

圖3 半圓形鑄造電極Fig.3 Semicircular casting electrode

從電極在結晶器中的分布情況來看，雙極串聯(lián)電渣爐更加適合生產(chǎn)扁錠或是板坯.

三相電渣爐通常是3支電極在同一個結晶器中重熔.主要特點是電網(wǎng)平衡，并且易于通過電力部門對新建項目的審批.可用不同化學成分的電極坯料進行組合重熔，挽救化學成分廢品和把化學成分搭配到最佳范圍.因為3支金屬電極在結晶器中均衡分布，熱源較為分散，所以三相電渣爐易于獲得淺平的金屬熔池，冶金質量好.

三相電渣爐的缺點是，設備較為復雜，制作成本相對較高.因為電極與電極之間，電極與結晶器之間要留有適當?shù)陌踩g隙，影響充填比的進一步提高，冶煉電耗略高于單相大充填比電渣爐.

3 電渣錠錠型大型化的電渣爐爐型的選擇

噸位較小的電渣爐設計制作，種類和形式的選擇都相對比較容易.根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)品方向，生產(chǎn)電渣鋼棒材可選擇帶有連續(xù)抽錠功能的快速電渣重熔;產(chǎn)品方向是高端軋輥輥坯，可選擇帶有導電結晶器功能的新型電渣爐;產(chǎn)品方向是扁錠或是板坯，選擇雙極串聯(lián)電渣爐更加合適;生產(chǎn)高含氮量電站用鋼，可選擇壓力電渣爐;要生產(chǎn)通過美國GE公司認證的產(chǎn)品，必須選擇恒熔速電渣爐.

電渣錠錠型大型化是我國電渣重熔發(fā)展的必然趨勢.但較大型電渣爐的選擇是一個十分復雜的問題，不僅涉及到產(chǎn)品的定位和方向，上下工序的工裝水平和能力，本工序的內外環(huán)境，還涉及到企業(yè)的經(jīng)濟實力等一系列問題.尤其是技術質量問題將要變得十分突出.

眾所周知，電渣錠錠型大型化，絕不是電渣爐和電渣錠幾何尺寸的簡單放大.設備機械和電氣的元器件的承載能力，以及電渣鋼的冶金質量都要發(fā)生根本性的、質的變化.電渣重熔的熔化速率和凝固都變得難以控制.而且錠型越大質量問題越加突出.尤其是超大型電渣錠的生產(chǎn)，電渣爐形式選擇不當，將失去電渣重熔應有的特點，廢品出現(xiàn)率將顯著增加.

為德國薩爾鋼廠建造165 t電渣爐的ALD公司的經(jīng)驗認為，電渣錠的直徑以1 800 mm為界.直徑超過1 800 mm，無論是電渣鋼的表面質量，還是內在質量都將發(fā)生很大變化.

為了解決電渣錠大型化帶來的一系列問題，電渣爐的選型問題顯得尤為重要.

3.1 單相電渣爐

單相電渣爐可分為單支臂(爐頭)和雙支臂(爐頭)電渣爐.20 t左右的電渣爐，在有液渣啟動或使用預熔渣的前提下可以制作成單支臂電渣爐.如果沒有液渣啟動，也不采用預熔渣，就必須建造雙支臂電渣爐，采用石墨電極化渣.否則，電渣鋼的質量會出問題.冶金工作者常說的一句話就是“煉好鋼必須煉好渣”.啟動方式對電渣鋼的質量是至關重要的，并且制約了單支臂電渣爐的推廣.

尤其是40～100 t，或是噸位更大的電渣爐，建造成單支臂電渣爐一般不會收到預期的技術經(jīng)濟效果.以100 t電渣爐為例，電渣爐的立柱、絲杠、支臂、料桿，以及傳動機構都要承受超乎尋常的承載力;電源變壓器、大電流開關、滑動接觸器的負荷也會大大增加.

更重要的是生產(chǎn)適應性和電渣鋼的產(chǎn)品質量將出現(xiàn)更加嚴重的問題.按照電渣錠直徑1 750 mm計算，選擇0.8的充填比，電極坯料的直徑為1 400 mm，電極坯料的凈長度為8 300 mm.選擇0.7的充填比，電極坯料的直徑為1 225 mm，電極坯料的凈長度為10 880 mm.如此長的鑄造電極，電極模和中注管的制造，以及鑄錠工序的操作都存在著一定的問題.與之相關的電爐煉鋼工序的廠房和吊車的軌道高度，吊車噸位，廠房的承重，地坑的深度，電極坯料退火爐的長度以及電渣重熔工序的電渣爐的高度，吊車軌道高度，廠房高度都將大大增加.這一系列問題都將造成建設成本的顯著增加.另外，100 t電極坯料的吊運、表面清理、焊接問題也都存在著一定的難度.

最為關鍵的是電渣鋼質量問題.大量的生產(chǎn)實踐表明，電極坯料的質量直接影響電渣鋼的質量，具有很強的質量遺傳性.如此巨大的電極坯料，自身存在的嚴重的夾雜物聚集、偏析和化學成分不均勻的問題，靠電渣重熔是無法徹底消除的.

綜上所述，較大型電渣爐選擇雙支臂，交換電極的形式比單支臂，一支坯煉一支錠的形式更加合理.

另外，選擇大型單相雙支臂電渣爐，應當把當前國際上流行的熔化速率和冶煉過程的全計算機控制系統(tǒng)和帶有高精度重力傳感器的稱重系統(tǒng)、帶有4根導電立柱和采用滑動接觸器導電的同軸導電系統(tǒng)、氣密型保護氣氛系統(tǒng)、高精度X－Y電極調整系統(tǒng)、電極坯料預熱裝置、渣料自動加入器、合金及脫氧劑自動加入器、節(jié)水系統(tǒng)和電渣錠熱屏蔽裝置等先進特點融合到設計當中.

3.2 三相電渣爐

三相電渣爐起源于蘇聯(lián)，1959～1960年蘇聯(lián)建成了電渣重熔歷史上的第一臺三相電渣爐(Э Щ П－2).隨后三相電渣爐逐漸得到推廣.僅英國就有15臺以上三相電渣爐.美國、意大利、德國、瑞典 、澳大利亞、印度、羅馬尼亞等很多國家都有三相電渣爐.

我國三相電渣爐數(shù)量相對較少.由于軍工的需要，1966年北滿特鋼第一臺10 t三相電渣爐建成.該電渣爐是由一個電源變壓器向同在一個支臂上的3支金屬電極供電.低壓繞組采用“星形”連接，變壓器的中心線與底水箱連接，3支金屬電極相互絕緣.電極的極心圓可以通過三個卡頭的伸縮和旋轉進行調整.采用石墨電極造渣和交換電極的方式，可生產(chǎn)3.05～15 t電渣錠.多年來，北滿特鋼用三相電渣爐生產(chǎn)出的130 mm火炮厚壁身管獲得國家金牌獎.并為國外生產(chǎn)出世界上最大口徑的203 mm火炮厚壁身管.生產(chǎn)的86CrMoV7冷軋工作輥輥坯先后獲得國家金牌獎、金杯獎.生產(chǎn)的152、155火炮身管、炮尾、飛機的渦輪盤和起落架，槍管用鋼，坦克曲軸、裝甲車扭力軸、核潛艇用鋼、導彈的殼體等高質量軍工產(chǎn)品，在軍工行業(yè)具有很高的質量信譽.由于冶金質量好，三相電渣爐深受用戶青睞.很多用戶訂貨時明確要求產(chǎn)品要用12#三相電渣爐生產(chǎn).為了進一步擴大產(chǎn)能和提高電渣鋼的產(chǎn)品質量，1990年北滿特鋼又建成了最大可生產(chǎn)26.5 t電渣錠的15#三相電渣爐(圖4).幾十年來，除北京鋼絲繩廠有一些噸位很小的、有襯三相電渣爐外，三相電渣重熔幾乎是北滿特鋼的獨家技術(由三個單相電源變壓器供電，即由三臺單相雙極串聯(lián)電渣爐組合成的電渣爐，不是真正意義上的三相電渣爐，本文不進行討論).

圖4 北滿特鋼三相電渣爐Fig.4 Three phase ESR furnace in Beiman special steel plant

2003年北滿特鋼人把三相電渣重熔技術帶到山東通裕集團，45 t三相電渣爐建成投產(chǎn)后，通裕集團又自行建造了兩臺三相電渣爐.山東煙臺已建成80 t三相電渣爐，無錫、宜興等地也有三相電渣爐相繼建成.最近，大連特鋼的30t三相電渣爐已制作完成，并將進入安裝階段.

近幾年來，我國三相電渣爐的數(shù)量呈逐漸增加的態(tài)勢.尤其是山東通裕集團成功地批量生產(chǎn)出供核電使用的單重為75 t左右的質量優(yōu)異的電渣錠，進一步引起人們對大型電渣爐形式的思考.通裕集團用三相電渣爐生產(chǎn)的75 t電渣錠的直徑約1 750 mm左右，如果生產(chǎn)100 t重的電渣錠，只不過是再延長些冶煉時間，進一步增加電渣錠的高度而已.電渣錠的形狀將更加符合細長化的要求.

三相電渣爐除前面提到的電網(wǎng)平衡，可把化學成分搭配到最佳范圍、易于獲得淺平的金屬熔池等優(yōu)點外，還有電極坯料適應性強的優(yōu)點.大型單相電渣爐，尤其是大型單相單支臂電渣爐，電極坯料只能采用大規(guī)格的鑄造電極.電極坯料制備較為困難.而大型三相電渣爐，可以用多組電極重熔出一支電渣錠.每組電極可以由3支、6支甚至9支小規(guī)格的電極坯料組成(每支假電極上可以焊接1～3支電極坯料，每組電極可以是3～9支電極坯料).電極坯料即可以是鑄造的，也可以是軋制的，或者是連鑄的.電極坯料可以是圓形，也可以是方形，或是長方形.具有很大的靈活性.

更重要的是，電極坯料的質量決定電渣鋼的質量.把大規(guī)格的鑄造電極坯料分散成若干個小電極坯料，可以有效地解決大規(guī)格鑄造電極自身存在著的夾雜物容易聚集、偏析和化學成分的均勻性等問題，這些問題都是電渣重熔很難徹底消除的.另外，如果使用軋制電極或是連鑄坯重熔，電渣鋼的質量會更好.因為軋制電極或是連鑄坯的質量明顯高于鑄造電極坯料.

實踐是檢驗真理的標準.無論是北滿特鋼三相電渣爐近50年的電渣重熔歷程，還是山東通裕集團公司成功批量地生產(chǎn)出重達75 t的，質量優(yōu)異的核電站用鋼，都足以證明三相電渣爐生產(chǎn)較大型及大型電渣錠的可行性和可靠性.

4 結束語

(1)大型電渣爐可選擇單相雙支臂交換電極式電渣爐.本著工裝水平與國際先進水平接軌的思想，應當把當前國際上流行先進技術融合到設計當中.

(2)生產(chǎn)實踐證明，三相電渣爐可以成為大型電渣錠生產(chǎn)的一種新的選擇.

［1］李正邦.電渣冶金的理論與實踐［M］.北京 冶金工業(yè)出版社，2010.

［2］隋鐵流.電渣冶煉項目組赴歐洲考察報告［R］.2008.

［3］烏克蘭巴頓電焊研究所.康薩克公司.ALD公司.因泰克公司等技術交流資料.

［4］李正邦等譯.電渣爐［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1983.

Type，structure and choose method for ESR

SUI Tie-liu

(DongBei special steel group CO.，LTD，116031)

Types，structure and choose method of ESR(electroslag remelting furnace)has been introduced in this paper.The emphasis has been focused on choosing large－ scale ESR furnace.

electroslag furnace;structure;type

TF 748.6

A

1671-6620(2011)S1-0145-05

2010-10-15.

隋鐵流 (1949—)，男，高級工程師.