电渣炉的种类、结构形式和选择方法

隋铁流

(东北特殊钢集团有限责任公司 116031)

电渣炉的种类、结构形式和选择方法

隋铁流

(东北特殊钢集团有限责任公司 116031)

文章对电渣炉的种类、结构形式以及选择方法进行了简要的介绍.着重对大型电渣炉的选型作了的介绍.

电渣炉;结构;种类

近些年来，我国电渣冶金取得了突飞猛进的发展.新建电渣炉的台数之多，速度之快，吨位之大，都已远远超出人们的想象.随着电渣炉建造数量的不断增加，电渣炉种类及结构型式的选择已成为摆在电渣冶金工作者面前的一个重要的、值得思考的问题.

1 电渣炉的种类和结构形式

电渣炉属于非标准设计，因此有很多种类，以及各种各样的结构形式.从用电的种类上分，电渣炉可分为:交流电渣炉、直流电渣炉;单相电渣炉、三相电渣炉.从结构形式上分，又可分为单支臂电渣炉、双支臂电渣炉;单熔位电渣炉、双熔位电渣炉、三熔位电渣炉;抽锭式电渣炉、固定式电渣炉和抽锭、固定式两用电渣炉;支臂旋转式电渣炉、立柱旋转式电渣炉以及车架式电渣炉.抽锭式电渣炉又分为台车、电渣锭向下移动和支臂、结晶器向上移动等不同形式.支臂和脱锭台车的传动方式有丝杠传动、钢丝绳传动、链条传动和液压传动.从炉口气氛上划分，有应用最普遍的炉口敞开的常规电渣炉、气密型保护气氛电渣炉、压力电渣炉和真空电渣炉.从用途上分，除普通的常规电渣炉外，还有带有导电结晶器功能的电渣炉、快速电渣重熔电渣炉等.另外，还有双极串联电渣炉和三个单相双极串联电渣炉在同一个结晶器中重熔的组合式电渣炉.从控制系统方面，又可分为自耦变压器控制、可控硅控制、PLC控制和计算机控制的电渣炉.电源变压器的形式也有所不同，油冷式变压器、风冷式变压器、自冷式变压器.从调压方式上分，有载无级调压、有载有级调压和无载有级调压等.电源的频率除我国普遍采用的工频外，欧洲还有很多低频电源的电渣炉.在导电形式上，有原始的“铜辫子线”导电，水冷短网导电，导电立柱导电和“铜轨”导电.有短网通过导电铜牌直接与卡头连接的方式，也有滑动触头与导电立柱连接的同轴导电的方式.总之电渣炉的种类繁多，形式各异.

2 各种电渣炉的特点

直流电渣炉起源于美国，由于需要增加一套整流设备，造价很高.加之脱硫能力和精炼效果差.重熔过程中有时会出现金属电极“偏吹”或插入金属熔池等现象.与交流电渣炉相比，直流电渣炉存在着诸多缺点，因此直流电渣炉很少被采用.

目前普遍采用的是交流电源电渣炉.交流电源电渣炉应用最广泛的是单相电渣炉.单相电渣炉具有设备简单，便于设计、制造，造价较低，易于操作和检修维护，冶炼电耗较低以及用途广泛等一系列优点.

图1 北满特钢早期引进海拉斯公司的单相单支臂电渣炉Fig.1 Early ESR furnace in Beiman special steel plant imported from Hellas company

图2 北满特钢单相双支臂电渣炉Fig.2 Single phase and double column ESR furnace in Beiman special steel plant

单相电渣炉可分为单相单支臂(炉头)电渣炉(图1)，单相双支臂(炉头)电渣炉(图2)和双极串联电渣炉.单支臂电渣炉在国内外都比较常见.这种电渣炉没有石墨电极造渣，一般都是采取本钢种金属电极造渣，边造渣，边熔炼的方式进行生产.在没有普遍采用预熔渣之前，为了提高电渣钢的冶金质量，国外曾经大力推广过用化渣炉化渣.化渣炉化渣是在带有炉衬的钢包炉中，用石墨电极通电的方法将炉渣熔化，之后将液态熔渣注入到结晶器中的进行液渣启动.如今预熔渣的推广和使用在很大程度上取代了化渣炉和液渣启动.实践表明，在没有采用预熔渣或是液渣启动，也没有石墨电极造渣的情况下，单支臂电渣炉的冶金质量很容易出现问题，而且锭型越大，电渣钢制品的探伤和低倍问题越突出.

另外，单支臂电渣炉都是用一支电极坯料生产一支电渣锭，受大规格铸造电极质量和制备条件的限制，通常单支臂电渣炉不适合生产较大规格的电渣锭.

当前国内外应用最为普遍的还是单相双支臂(炉头)电渣炉.双支臂电渣炉与单支臂电渣炉相比具有更强的生产灵活性，既可以采用预熔渣，也可采用石墨电极化渣，既可以使用一支电极坯料重熔一支电渣锭，也可以使用多支电极坯料交替重熔一支电渣锭，不仅可以重熔较小规格的电渣锭，也更加适合重熔大规格的电渣锭.大连特钢从因泰克公司引进的36 t和100 t电渣炉都是单相双支臂(炉头)电渣炉.

另外，在电渣熔铸异型件方面单相双支臂电渣炉具有更强的产品适应性.

国内无论是单支臂电渣炉，还是双支臂电渣炉，大多都是单熔位电渣炉.而国外双熔位电渣炉，三熔位电渣炉极为普遍.双熔位和多熔位电渣炉的主要特点是，可以减少热停时间，提高电渣炉的生产作业率.

尤其值得一提的是，当前国外双支臂(炉头)电渣炉更多采用双电源变压器供电.每个炉头分别配备一台电源变压器.可以利用各自的炉头和电源变压器，在中心熔位和外侧熔位的不同的结晶器中，同时生产两个一般规格的电渣锭.也可以将两个电源变压器合并使用，在中心熔位的结晶器中生产出大规格的电渣锭.

近年来，国内双极串联电渣炉的数量有所增加.双极串联电渣炉是在重熔过程中，两支电极坯料在同一个结晶器中熔炼.电流通过一支电极和熔渣流向另一支电极，构成串联回路.由于两只电极相距较近，相当于网路的平行布线.因此，网路的感抗损失很小，提高了功率因数和电效率，使冶炼电耗显著降低.

不容忽视的是，双极串联电渣炉重熔时，易出现两支电极熔化速率不一致的所谓“拐腿”现象，使重熔过程无法正常进行.采取变压器中心抽头和将电极坯料的形状制作成两个半圆型(图3)，使两支电极坯料尽可能靠近的方法有利于减轻或消除“拐腿”现象.

图3 半圆形铸造电极Fig.3 Semicircular casting electrode

从电极在结晶器中的分布情况来看，双极串联电渣炉更加适合生产扁锭或是板坯.

三相电渣炉通常是3支电极在同一个结晶器中重熔.主要特点是电网平衡，并且易于通过电力部门对新建项目的审批.可用不同化学成分的电极坯料进行组合重熔，挽救化学成分废品和把化学成分搭配到最佳范围.因为3支金属电极在结晶器中均衡分布，热源较为分散，所以三相电渣炉易于获得浅平的金属熔池，冶金质量好.

三相电渣炉的缺点是，设备较为复杂，制作成本相对较高.因为电极与电极之间，电极与结晶器之间要留有适当的安全间隙，影响充填比的进一步提高，冶炼电耗略高于单相大充填比电渣炉.

3 电渣锭锭型大型化的电渣炉炉型的选择

吨位较小的电渣炉设计制作，种类和形式的选择都相对比较容易.根据企业的产品方向，生产电渣钢棒材可选择带有连续抽锭功能的快速电渣重熔;产品方向是高端轧辊辊坯，可选择带有导电结晶器功能的新型电渣炉;产品方向是扁锭或是板坯，选择双极串联电渣炉更加合适;生产高含氮量电站用钢，可选择压力电渣炉;要生产通过美国GE公司认证的产品，必须选择恒熔速电渣炉.

电渣锭锭型大型化是我国电渣重熔发展的必然趋势.但较大型电渣炉的选择是一个十分复杂的问题，不仅涉及到产品的定位和方向，上下工序的工装水平和能力，本工序的内外环境，还涉及到企业的经济实力等一系列问题.尤其是技术质量问题将要变得十分突出.

众所周知，电渣锭锭型大型化，绝不是电渣炉和电渣锭几何尺寸的简单放大.设备机械和电气的元器件的承载能力，以及电渣钢的冶金质量都要发生根本性的、质的变化.电渣重熔的熔化速率和凝固都变得难以控制.而且锭型越大质量问题越加突出.尤其是超大型电渣锭的生产，电渣炉形式选择不当，将失去电渣重熔应有的特点，废品出现率将显著增加.

为德国萨尔钢厂建造165 t电渣炉的ALD公司的经验认为，电渣锭的直径以1 800 mm为界.直径超过1 800 mm，无论是电渣钢的表面质量，还是内在质量都将发生很大变化.

为了解决电渣锭大型化带来的一系列问题，电渣炉的选型问题显得尤为重要.

3.1 单相电渣炉

单相电渣炉可分为单支臂(炉头)和双支臂(炉头)电渣炉.20 t左右的电渣炉，在有液渣启动或使用预熔渣的前提下可以制作成单支臂电渣炉.如果没有液渣启动，也不采用预熔渣，就必须建造双支臂电渣炉，采用石墨电极化渣.否则，电渣钢的质量会出问题.冶金工作者常说的一句话就是“炼好钢必须炼好渣”.启动方式对电渣钢的质量是至关重要的，并且制约了单支臂电渣炉的推广.

尤其是40～100 t，或是吨位更大的电渣炉，建造成单支臂电渣炉一般不会收到预期的技术经济效果.以100 t电渣炉为例，电渣炉的立柱、丝杠、支臂、料杆，以及传动机构都要承受超乎寻常的承载力;电源变压器、大电流开关、滑动接触器的负荷也会大大增加.

更重要的是生产适应性和电渣钢的产品质量将出现更加严重的问题.按照电渣锭直径1 750 mm计算，选择0.8的充填比，电极坯料的直径为1 400 mm，电极坯料的净长度为8 300 mm.选择0.7的充填比，电极坯料的直径为1 225 mm，电极坯料的净长度为10 880 mm.如此长的铸造电极，电极模和中注管的制造，以及铸锭工序的操作都存在着一定的问题.与之相关的电炉炼钢工序的厂房和吊车的轨道高度，吊车吨位，厂房的承重，地坑的深度，电极坯料退火炉的长度以及电渣重熔工序的电渣炉的高度，吊车轨道高度，厂房高度都将大大增加.这一系列问题都将造成建设成本的显著增加.另外，100 t电极坯料的吊运、表面清理、焊接问题也都存在着一定的难度.

最为关键的是电渣钢质量问题.大量的生产实践表明，电极坯料的质量直接影响电渣钢的质量，具有很强的质量遗传性.如此巨大的电极坯料，自身存在的严重的夹杂物聚集、偏析和化学成分不均匀的问题，靠电渣重熔是无法彻底消除的.

综上所述，较大型电渣炉选择双支臂，交换电极的形式比单支臂，一支坯炼一支锭的形式更加合理.

另外，选择大型单相双支臂电渣炉，应当把当前国际上流行的熔化速率和冶炼过程的全计算机控制系统和带有高精度重力传感器的称重系统、带有4根导电立柱和采用滑动接触器导电的同轴导电系统、气密型保护气氛系统、高精度X－Y电极调整系统、电极坯料预热装置、渣料自动加入器、合金及脱氧剂自动加入器、节水系统和电渣锭热屏蔽装置等先进特点融合到设计当中.

3.2 三相电渣炉

三相电渣炉起源于苏联，1959～1960年苏联建成了电渣重熔历史上的第一台三相电渣炉(Э Щ П－2).随后三相电渣炉逐渐得到推广.仅英国就有15台以上三相电渣炉.美国、意大利、德国、瑞典 、澳大利亚、印度、罗马尼亚等很多国家都有三相电渣炉.

我国三相电渣炉数量相对较少.由于军工的需要，1966年北满特钢第一台10 t三相电渣炉建成.该电渣炉是由一个电源变压器向同在一个支臂上的3支金属电极供电.低压绕组采用“星形”连接，变压器的中心线与底水箱连接，3支金属电极相互绝缘.电极的极心圆可以通过三个卡头的伸缩和旋转进行调整.采用石墨电极造渣和交换电极的方式，可生产3.05～15 t电渣锭.多年来，北满特钢用三相电渣炉生产出的130 mm火炮厚壁身管获得国家金牌奖.并为国外生产出世界上最大口径的203 mm火炮厚壁身管.生产的86CrMoV7冷轧工作辊辊坯先后获得国家金牌奖、金杯奖.生产的152、155火炮身管、炮尾、飞机的涡轮盘和起落架，枪管用钢，坦克曲轴、装甲车扭力轴、核潜艇用钢、导弹的壳体等高质量军工产品，在军工行业具有很高的质量信誉.由于冶金质量好，三相电渣炉深受用户青睐.很多用户订货时明确要求产品要用12#三相电渣炉生产.为了进一步扩大产能和提高电渣钢的产品质量，1990年北满特钢又建成了最大可生产26.5 t电渣锭的15#三相电渣炉(图4).几十年来，除北京钢丝绳厂有一些吨位很小的、有衬三相电渣炉外，三相电渣重熔几乎是北满特钢的独家技术(由三个单相电源变压器供电，即由三台单相双极串联电渣炉组合成的电渣炉，不是真正意义上的三相电渣炉，本文不进行讨论).

图4 北满特钢三相电渣炉Fig.4 Three phase ESR furnace in Beiman special steel plant

2003年北满特钢人把三相电渣重熔技术带到山东通裕集团，45 t三相电渣炉建成投产后，通裕集团又自行建造了两台三相电渣炉.山东烟台已建成80 t三相电渣炉，无锡、宜兴等地也有三相电渣炉相继建成.最近，大连特钢的30t三相电渣炉已制作完成，并将进入安装阶段.

近几年来，我国三相电渣炉的数量呈逐渐增加的态势.尤其是山东通裕集团成功地批量生产出供核电使用的单重为75 t左右的质量优异的电渣锭，进一步引起人们对大型电渣炉形式的思考.通裕集团用三相电渣炉生产的75 t电渣锭的直径约1 750 mm左右，如果生产100 t重的电渣锭，只不过是再延长些冶炼时间，进一步增加电渣锭的高度而已.电渣锭的形状将更加符合细长化的要求.

三相电渣炉除前面提到的电网平衡，可把化学成分搭配到最佳范围、易于获得浅平的金属熔池等优点外，还有电极坯料适应性强的优点.大型单相电渣炉，尤其是大型单相单支臂电渣炉，电极坯料只能采用大规格的铸造电极.电极坯料制备较为困难.而大型三相电渣炉，可以用多组电极重熔出一支电渣锭.每组电极可以由3支、6支甚至9支小规格的电极坯料组成(每支假电极上可以焊接1～3支电极坯料，每组电极可以是3～9支电极坯料).电极坯料即可以是铸造的，也可以是轧制的，或者是连铸的.电极坯料可以是圆形，也可以是方形，或是长方形.具有很大的灵活性.

更重要的是，电极坯料的质量决定电渣钢的质量.把大规格的铸造电极坯料分散成若干个小电极坯料，可以有效地解决大规格铸造电极自身存在着的夹杂物容易聚集、偏析和化学成分的均匀性等问题，这些问题都是电渣重熔很难彻底消除的.另外，如果使用轧制电极或是连铸坯重熔，电渣钢的质量会更好.因为轧制电极或是连铸坯的质量明显高于铸造电极坯料.

实践是检验真理的标准.无论是北满特钢三相电渣炉近50年的电渣重熔历程，还是山东通裕集团公司成功批量地生产出重达75 t的，质量优异的核电站用钢，都足以证明三相电渣炉生产较大型及大型电渣锭的可行性和可靠性.

4 结束语

(1)大型电渣炉可选择单相双支臂交换电极式电渣炉.本着工装水平与国际先进水平接轨的思想，应当把当前国际上流行先进技术融合到设计当中.

(2)生产实践证明，三相电渣炉可以成为大型电渣锭生产的一种新的选择.

［1］李正邦.电渣冶金的理论与实践［M］.北京 冶金工业出版社，2010.

［2］隋铁流.电渣冶炼项目组赴欧洲考察报告［R］.2008.

［3］乌克兰巴顿电焊研究所.康萨克公司.ALD公司.因泰克公司等技术交流资料.

［4］李正邦等译.电渣炉［M］.北京:国防工业出版社，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.

隋铁流 (1949—)，男，高级工程师.