三相電渣爐設計應用實踐

陳順家

（東北特殊鋼集團大連基地特冶廠）

摘  要：文章對三相電渣爐結構形式以及選擇方法進行了簡要的介紹。著重對三相大型電渣爐的優化設計作簡要分析及相關對策。

關鍵詞：電渣爐；三相電渣爐；短網優化；強力電極夾持器

Three-phase ESR furnace design application practice

Chen shunjia

（ESR works,Dalian base, Dongbei Special Steel Group Co.,Ltd）

Abstract：The article briefly introduces the structure and selection method of three-phase ESR furnaces. Focus on the three-phase large ESR furnace optimization design for a brief analysis and related countermeasures.

Key words： ESR furnace，Three-phase ESR furnace，Large current circuit optimization，Strong electrode holder

近些年來，國內外電渣冶金設備取得了飛速發展，各地中小爐型眾多；大型電渣爐有國內通裕重工的三相爐群、上重及海鹽的三相爐群各為代表；國外大型電渣爐如INTECO特種冶金公司的大型單相電渣爐：如東特大連基地的100t抽錠式電渣爐、意大利維也納鋼廠的250t固定式電渣爐。

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。常用的一般為交流工頻電渣爐，從供電分為單相單電極、單相雙電極(雙極串聯)、三相三電極、三相六電極電渣爐等。結構上分為單臂固定式或雙臂交換式電渣爐；機械傳動方式主要有滾珠絲杠式，電極驅動傳動主要有直流式、交流變頻及伺服電機等；鋼錠平臺傳動方式主要有絲杠傳動、鋼絲繩傳動、鏈條傳動及液壓傳動；從爐口氣氛分為爐口敞開的常規電渣爐、半封閉保護罩。

2 三相電渣爐特點

目前普遍采用的單相電渣爐較多。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點；缺點是爐子數量少時電網難以平衡。

單相電渣爐小噸位(5T以下級別)單臂較多，較大的錠型坯料均勻性難以保證，一般采用雙臂交換式冶煉。如今預熔渣的推廣和使用在很大程度上提高了單臂電渣爐的電渣冶金質量，使單臂電渣爐越來越多。

三相電渣爐采用三相交流冶煉變壓器三相供電，冶煉時采用三只電極同時進入同一個結晶器熔煉。常采用雙臂交替冶煉以生產較大噸位的鋼錠；

三相電渣爐電網三相平衡，易于通過電力部門對新建項目的審批。且可用不同化學成分的電極坯料進行組合重熔，把化學成分搭配到最佳范圍，可挽救化學成分廢品。

大型三相電渣爐，使用多組電極重熔出一支電渣錠。電極填充比相對較低，每組電極可以由3～9支小規格的電極坯料組成（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。加之成份可以組合調整，具有很大的靈活性。

從電渣發熱點分布及電磁攪拌分析：單相單電極發熱點集中于電極與熔池之間的金屬熔化面下方中心區域，雙極串聯電渣爐發熱點集中分布于金屬電極端頭間的區域，三相三電極電渣爐發熱點分布在三個電極之間的熔池區域，發熱點趨向為平面, 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。

從電極在結晶器中的分布情況來看，單相單電極適合小錠型生產；雙極串聯電渣爐更加適合生產扁錠或是板坯。三相適合(15～80T)大錠型生產。

三相電渣爐的缺點是，設備較為復雜，制作成本相對較高。電極使用要求多，電極準備及操作復雜；由于電極之間，電極與結晶器之間要留有適當的安全間隙，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 三相電渣爐國內發展歷程

我國三相電渣爐數量相對較少。1966年北滿特鋼第一臺10噸三相電渣爐建成。電極的極心圓可以通過三個卡頭的伸縮和偏轉進行調整適應不同規格結晶器。采用石墨電極造渣、交換電極生產的方式，可生產3.05～15噸電渣錠。1989年北滿特鋼又建成了15#爐三相電渣爐，后經過改造生產能力由15T提高到26.5t。

國內三相三電極電渣爐幾乎都是傳承于北滿特鋼的獨家技術。

上海重型機器廠的250T電渣爐為三個單相變壓器的六電極三相雙極串聯電渣爐；屬另一流派，國內應用較少。本文不討論此類型爐型。

2003年北滿特鋼改制后，三相電渣重熔技術帶到山東通裕集團。山東通裕集團先后建造了3臺三相電渣爐，最大100T。煙臺瑪努爾核電也建成了80噸三相電渣爐，國內其他如無錫、宜興、高塘等地也有三相電渣爐相繼建成。

北滿特鋼15#電渣爐為12#電渣爐改進設計產物，基本滿足了生產需求，

該爐有以下結構特點：

（1）雙支臂旋轉立柱，頂部驅動旋轉；

（2）滾珠絲杠傳動，慢速為直流電機驅動；

（3）爐頭電極卡頭為機械杠桿式鑄鋼件，氣動閉合到位后杠桿死點卡死，卡頭呈圓錐面，與假電極錐頭配合，靠自重壓緊；

（4）電極分布圓大小調節：由蝸輪蝸桿減速機通過梯形絲杠伸縮帶動卡頭偏轉；

（5）三相大電流倒換開關：采用門式框架觸頭、氣動壓緊，

（6）變壓器短網至爐頭供電采用27根500mm2裸電纜，

（7）變壓器高壓串聯飽和電抗器進行二次電壓調節。

（8）升降鋼錠平臺采用2個液壓缸進行吊掛牽引；

使用中出現的問題主要有：

（1）倒換開關觸頭易燒損，銅皮軟連接燒損快；

（2）卡頭部件復雜，更換維修困難；鋼錠平臺液壓缸不同步，跑渣流鋼燙傷燙壞液壓缸，燒漏液壓管；

（3）三相冶煉不等長現象較為嚴重。

國內通裕重工等使用三相電渣爐，也出現冶煉時三相電極不等長現象，以至大家認為屬三相電渣爐的通病，在冶煉錠噸位很大時癥狀能減輕一些；影響了三相電渣爐的普及。甚至有國內大型電渣爐制造企業設計制造的三相電渣爐使用的三相變壓器每相各接一個分接開關單獨調節輸出電壓，以此解決三相不等長現象，并以此作為賣點。

通裕集團及浙江海鹽等地的電渣爐對比北滿特鋼爐型做了很多優化。通裕集團三相電渣爐卡頭采用高溫合金壓桿式壓緊，水冷電纜供電，首制爐立柱在試生產時曾被烤變形；海鹽在此基礎上換成立柱不動，橫臂座圈旋轉式；

4 大連特鋼三相電渣爐設計特點

東北特鋼集團大連基地環保搬遷工程中新建的5#三相電渣爐由筆者進行設計；通過吸取前人的經驗，優化傳承，設計時得到了項目經理隋鐵流等專家的深入指導；得到很多改進意見，筆者通過再設計改進了各方面的不足；設備由我公司機電公司制造安裝調試完成，現經過五年運行，使用狀況較好。

該三相電渣爐具備以下特點：

（1）爐頭承重16T，單只坯料可達5t，預留40噸鋼錠冶煉能力；

（2）變頻電機+交流電機驅動絲杠升降電極；其他全采用液壓缸傳動；

（3）鏈式鋼錠平臺：平臺吊掛、液壓缸驅動鏈傳動，同步鏈輪軸保證可靠同步，避免歪斜；液壓缸后置，遠離高溫熱源；平臺承重能力70t；見圖1.

（4）短網等邊三角布線；通過各環節優化，使三相短網盡可能等長；接觸緊密；

（5）強力大電流倒換開關：無軟連接，碟簧自鎖，確保導電面壓強，導電壓緊面不受偏心影響。水冷電纜直接安裝在活動觸頭上，固定觸頭連接變壓器短網；見圖2.

（6）強力電極卡頭：通過碟簧液壓缸及銅導電塊組成電極卡頭，使用中實現電極任意位置夾持，不需計算假電極長短；

（7）高功率因數：在冶煉過程中，功率因數基本高于0.95；

（8）立柱前端防熱輻射板及水冷結構；

針對北滿特鋼三相電渣爐冶煉時電極熔化速度不均，三相電極不等長現象，筆者通過分析產生的原因為三相電壓不均衡所致，為此確定以下原則：

（1）優化短網各接觸面設計，使活動接觸面壓強滿足導電條件；

（2）短網設計三相長度要盡可能等長；

（3）三相短網線路盡最大可能按等邊三角形布局。

（4）電極卡頭夾緊力穩定可靠，滿足銅鋼接觸面導電最低壓強要求

通過短網的優化設計、創新的大電流倒換開關機構、新穎的強力電極卡頭，水冷電纜三角布線，大連特鋼的5#三相電渣爐成功解決了三相電極不等長現象，冶煉過程中從10T～34T錠均未出現過融化速度不等造成電極坯料不等長現象。

強力電極卡頭采用碟簧液壓缸內置，避免電極吊掛磕碰、減少電磁發熱效應；該缸碟簧壓緊力為15～18T。運行五年后拆解內部碟簧無發熱銹蝕痕跡；該電極卡頭初始設計也是由假電極承重環壓緊卡頭上臂面；后在使用中發現卡緊力足夠大，可以在任意位置夾緊假電極圓柱面，在假電極車光面輕微氧化后摩擦力滿足直夾要求； 電極冶煉效果見圖3。

傳統三相電渣爐準備坯料需要分組管理，每組電極內三相長度都有嚴格要求才能成組：中相電極比兩側電極長固定尺寸，電極長度在最大范圍內，且長度公差要求嚴格；否則開始冶煉時電極下端面不平齊，導致部分相電極無電流或電流小，無法進入正常冶煉；使用強力電極卡頭的三相電渣爐，由于電極可以在任意位置直接卡緊，三相電極在爐頭上的裝卡對齊也變得極為簡單；不再需要在坯料準備時測量核算電極的全長和分組，不需湊長度對坯料及假電極進行切割處理。(電渣爐強力電極夾持器已獲實用新型專利授權，授權號CN201620544039.4)

強力大電流倒換開關取消了軟連接，運作非常可靠；除更換檢查絕緣墊外其它無需維護。

液壓鏈式鋼錠吊掛平臺使液壓缸遠離高溫熱源，防護簡單易行；跑渣、流鋼不會影響設備安全；鏈輪同步軸確保平臺機械同步，運動過程中避免傾斜，不需調整，同時避免了絲杠傳動不耐沖擊問題；吊掛安排也提高地下空間利用率，

該爐在2017年生產34T核電304NG新產品，使用￠1280結晶器電耗不足1490KWh，鍛造后的產品晶粒度達到非常滿意水平，遠超預期；

同時該爐也存在多處不足之處：

在試生產期間由于大電流開關拉桿材質及機加工藝參數不合理，先后拉斷過三次，經過改進材質及減應力參數優化解決了問題。

大電流倒換開關玻璃絲布絕緣件壽命低，活動過程中受到擠壓力較大，后來通過更換套管材質有大幅改善；

隨著工藝質量提升要求不斷提高，該爐也需進行控制系統升級，實現恒熔速冶煉功能，并對現有的無保護氣氛冶煉，進行半封閉保護罩冶煉實驗，現正在推進中。

5 三相電渣爐展望

三相電渣爐設計流程為首先最大錠型及配套結晶器尺寸，再由錠最大斷面根據合理填充比推算電極斷面及長度配置、爐頭電極調節極心圓范圍；進而計算出電極坯料組合的最大重量，冶煉時的理論融化速率推算出伺服系統傳動速度。由此給出設備設計時所需承重及傳動系統能力；在地坑基礎深度上留出適當地余量。如果需要生產更大的錠型，可增高結晶器長度、多交換冶煉電極坯料即可滿足要求；現實中能冶煉生產的電渣錠最大噸位更多取決于配套的起重設備能力；

實踐是檢驗真理的標準。無論是北滿特鋼三相電渣爐近五十年的電渣重熔歷程，還是山東通裕集團公司成功批量地生產出重達75噸的質量優異的核電站用鋼，還是大連特鋼的三相電渣爐生產實踐，都足以證明三相電渣爐生產較大型及大型電渣錠的可行性和可靠性。

尤其是山東通裕集團成功地批量生產出供核電使用的單重約75噸的質量優異的電渣錠，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的75噸電渣錠的直徑約1750mm左右，如果生產100噸重的電渣錠，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。

更重要的是，電極坯料的質量決定電渣鋼的質量。把大規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。

幾點建議：

（1）三相電渣爐啟動瞬間需要地線鏈接短網構成回路，在三相渣池熔化形成后，地線基本沒有電流；三相電渣爐如用于大型鋼錠抽錠式生產，地坑短網將簡單許多。

（2）三相電渣爐電極較多，尺寸較不規律，實現保護罩完全封閉難度較大，發展微正壓外溢式半封閉罩，輔助吹入干燥空氣或氬氣進行氣氛保護較為適應國情；

（3）三相電渣爐加裝稱重系統不易，易于通過控制電極下降速度來實現恒熔速控制；

（4）使用強力電極夾持器將使三相電極操作簡單高效靈活。

實踐證明，三相電渣爐可以成為大電渣錠生產一個強力高效經濟競爭者。

參考文獻

[1] 隋鐵流 電渣爐的種類、結構形式和選擇方法  《材料與冶金學報》 2011 年

[2] 李正邦.電渣冶金的理論與實踐 北京 冶金工業出版社 2010年

[3] 隋鐵流.電渣冶煉項目組赴歐洲考察報告.2008年

[4] 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

[5] 李正邦等譯.電渣爐. 國防工業出版社 1983年