电炉炼钢技术的发展与超高功率石墨电极生产李圣华吉林炭素集团有限责任公司1 前言8 0 年代国际电炉钢产量继续稳步增长，电炉钢在钢总产量中比例不断提高，1 9 9 0年已经达到2 8 3 ( 其中美国已达到3 6 8 ，意大利达到5 0 N 上) ，预计2 0 0 0 年将达到4 0 。电炉炼钢建设周期短，单位投资较低，更重要的是电炉炼钢以废钢为主要原料，而氧气转炉吃废钢有一定比例，电炉炼钢能耗较低，仅为高炉转炉流程的5 0 左右。中国电炉炼钢也是呈上升趋势，1 9 8 0 年电炉钢产量为7 1 0 万吨，占全国钢产量的1 9 1 ，1 9 8 8 年上升到2 0 3 ，1 9 9 2 年电炉钢产量己经达到1 7 6 2 万吨，电炉钢比例为2 1 7 。预测1 9 9 5 年中国电炉钢产量将上升到2 2 0 0 万吨左右，到本世纪末，电炉钢产量可能超过3 0 0 0 万吨。8 0 年代国际电炉炼钢技术的进展主要为：( 1 ) 电炉大型化。表现在平均炉容的增大，而不是新建电炉越来越大，通过现代化改造，拆掉了陈旧的中小型电炉，而代之一个炼钢车间只建一座8 0 15 0 t 的现代化电炉，8 0 年代新建的电炉多为8 0 1 5 0 t ，1 5 0 t 以上的电炉不多，虽然已经建成的电炉炉容有4 0 0 t 的大电炉；( 2 ) 高功率及超高功率电炉的普及和发展。美、日、意、英等国超高功率电炉占电炉总数的5 0 以上。单位炉容的变压器容量不断提高，8 0 年代初期为6 0 0 8 0 0 k V A t ，8 0 年代中期提高到1 0 0 0 k V A t ，8 0 年代米出现了1 0 0 0 1 2 0 0 k V A t 的超高功率电炉，表l 列举了8 0 年代的超高功率电炉的技术经济指标：8 0 年代典型的超高功率电炉技术经济指标表1单位炉容的变石墨电极项目压器容量电炉容茸熔炼时间单位电耗单耗 m l nk W h tk V A tk g t 一般水平8 0 05 0 1 0 09 04 2 0 5 0 04 4 5先进水平1 0 0 01 5 07 03 5 02 5 5( 3 ) 直流电弧炉开始发展，从1 9 7 1 年瑞典通用电气公司( A S E A ) 研制直流电炉以来r 到1 9 9 2 年末，全世界直流电炉投产的已有4 0 多台，其中炉容为l O O t 以上的有l O多台，同样是采用超高功率技术直流电炉与交流电炉比较，显出更多的优点，直流电炉的熔炼时间短且电耗低，特别是只用根石墨电极的直流电炉其石墨电极消耗比同容量的交流电炉降低5 0 左右，日本托比( T O P Y ) 公司半桥钢厂1 9 8 8 年投产的3 0 t 直流电炉的吨钢石墨电极消耗已降低到1 6 k g 。由于历史原因，中国电炉钢厂多数为小型电炉，装备落后，8 0 年代中期特殊钢厂的平均炉容只有1 7 8 t ，全国1 4 0 0 多座电炉平均炉容尚不足5 t ，单位炉容变压器容量平均只有2 2 0 k V A ，平均熔炼时间3 4 h ，基本上相当于发达国家6 0 年代水平，8 0 年代中国也建设了2 0 座3 0 7 0 t 的中型高功率电炉( 其中一部分是精炼炉) 。进入9 0 年代以来，中国电炉技术改造速度已经加快，技术该改造的方针是淘汰小电炉，停止l O t 以下电炉的建设，新建一批3 0 t 以上的大中型高功率电炉，不断提高变压器容量，把一批普通功率电炉改造为高功率电炉，直接建成一批超高功率电炉，其中投入生产较早的是广州钢厂4 0 t 超高功率电炉。1 9 9 1 年末舞阳钢厂的9 0 t 超高功率电炉投产，1 9 9 2 年天津无缝钢管厂1 5 0 t 超高功率电炉投产，到1 9 9 2 年末已经投产的超高功率电炉如表2 所示。正在建设的还有张家港的9 0 t 超高功率电炉，计划在9 5 年下半年投产，无锡华润制钢公司1 0 0 t 超高功率直流电炉也计划在9 5 年上半年建成，广州钢厂的1 6 0 t 超高功率直流电炉也批准建设，上钢三厂的l O O t 直流电炉( 使用巾7 0 0 I I j n 超高功率石墨电极) 已经开工建设，上钢五厂、上海宝钢都计划兴建7 0 1 5 0 t 的超高功率直流电炉。1 9 9 3 年11月在无锡召开的电炉实用技术交流会上，专家预测到2 0 0 0 年，我国将有1 4 座t o o i 5 0 t的大型直流电炉诞生。按照最近2 3 年电炉发展速度估计，到1 9 9 5 年末，我国3 0 t 以上的高功率电炉将有4 0 台左右，而5 0 t 以上的超商功率电炉将有8 1 0 台，本世纪的最后7 年，中国电炉大型化及输入容量高功率化的发展势头会越来越快，中国超高功率电炉表2 锅厂地点项目广州抚顺舞阳天津张象港电炉容量：t4 05 09 01 5 07 5最大出钢量：t4 31 0 51 7 08 0变压器容量；M V A2 4 2 83 56 09 0 1 0 05 4 冶炼时间：m i n1 0 31 0 41 0 51 0 01 5 0年产钢能力：1 0 4 t1 72 13 76 62 0单位电耗：k W h t5 1 04 6 0 5 6 06 0 02 大功率石墨电极需求增长 乜炉炼钢的发展，要求炭素行业提供大规格的商功率及超高功率石墨电极，由于石墨电极质量的不断提高及直流电炉的发展，石墨电极的总需要量不会再大量增加，石墨电极总产量在国外已经是逐年减少的趋势。中国1 9 9 2 年生产石墨电极1 6 万吨( 其中高功率石墨电极1 6 万吨，其余均为普通功率石墨电极) ，如果到2 0 0 0 年，电炉钢年产量达到3 0 0 0 万吨，平均单耗为5 k g ，年需石墨电极1 5 0 万吨，平均单耗为4 5 k g时，年需石墨电极1 3 5 万吨( 日本8 0 年代末，电炉钢的电极单耗降到3 k g 左右) ，但2 是由于高功率及超高功率电炉炼钢数量所占比例的不断上升，所以估计每年需要高功率石墨电极4 5 万吨，超高功率石墨电极4 一一3 5 万吨，巾5 0 0 6 0 0 m m 的大规格电极将上升到3 5 左右，1 5 0 t 左右的超高功率直流电炉需要中7 0 0 8 0 0 m m 的大电极也将被使用。除了电炉钢行业外，其他行业每年消耗石墨电极总量预计为6 8 万吨，其中也有部分为高功率石墨电极。目前，高功率石墨电极基本上由国内供应，也有少量进I S l ，而超高功率石墨电极主要依赖进口，中6 0 0 m m 的超高功率石墨电极的进口价在1 9 9 3 年上半年已涨到2 8 0 0 美元t ，加上进口关税，到钢厂时折合人民币已达3 万元t 左右。中国炭素行业从7 0 年代末开始研制高功率及超高功率石墨电极，8 0 年代末已达到年产1 万多吨高功率石墨电极，但产品质量尚不近人意，主要表现在：( 1 ) 接头容易折断，因而增加了电炉操作中的停炉时间，石墨电极单耗也随之上升：( 2 ) 质量稳定往差，不仅表现在每批产品中理化指标上下偏差大，而且生产厂成品率也波动较大。中6 0 0 m m超高功率石墨电极正在研制中。中国优质电极生产落后于电炉炼钢发展需要，其原因有以下几点：( 1 ) 国内生产的石油焦质量低。多数只能生产普通功率石墨电极，8 0 年代有几个炼油厂试制过针状焦。但都没有形成生产能力，国内还缺少适台生产优质电极的专用黏结剂及浸渍剂：( 2 ) 工艺相对落后，到8 0 年代中期，一直是以生产中等规格( 中2 0 0 5 0 0 m m ) 普通功率石墨电极为主，工艺技术条件基本上是5 0 年代引进的苏联炭素技术的翻版( 有所改进，主要在提高产量及节能方面) ，如黏结i c j - 直使用中温煤沥青，不使用添加剂，原料煅烧的温度较低( 如生产优质电极时石油焦的真密度应达到2 “g c m l 以上，煅烧温度应达到1 4 5 0 。C 左右) ，焙烧主要是老式环式炉国外生产大规格电极多数已采用串接石墨化技术( 日本在8 0 年代末串接石墨化的比例达到6 2 ) ，而我们还是老式的艾奇逊炉为主。对使用质量至关重要的接头生产，技术上没有什么突破性进展，因此，炼钢时接头断裂现象较多，钢厂总是反映接头不够用，电炉钢的石墨电极平均单耗一直降不下来( 其中也有钢厂操作粗放的因素) 。1 9 9 2 年全国重点电炉钢厂的电极单耗平均为6 4 k g ，而地方电炉钢厂平均电极单耗高达7 4 2 k g 。8 0 年代后期国内炭素行业引进了一些先进设备，但基本没有引进技术软件。目前有的大厂研制超高功率石墨电极进展不顺利，足以说明，即使采用进口针状焦，有些工序设备已有改进( 如大型挤压机、高压浸渍、组合加工机床) ，但因缺乏技术上成熟的软件，试制产品的质量还是达不到钢厂要求：( 3 ) 从全行业看，装备相对落后，装备性能不高，虽然8 0 年代到1 9 9 2 年底国内炭索行业引进了一些生产设备，如3 0 0 0 t 挤压机，3 5 0 0 L 混捏锅( 载热体加热) ，二次焙烧隧道窑，高压浸渍，电极和接头的组合加工机床，但引进很分散。内有形成一条生产优质电极的生产线，对进口设备的吸收消化比较慢，因而没有从根本上解决生产稳定质量的电极这一难题。国内的环式焙烧炉几经改造，产量提高了，能耗有所下降，但上下温差一直高达2 0 0 3 0 0 。C ，石墨化从交流改为直流供电，单位电耗大幅度降低，但解决不了艾奇逊炉炉芯温度偏差大的问题，国内只有一组吉林炭素厂自行研制的串接石墨化炉。除吉林与兰州两厂外，电极及接头都是用普通车床加工。检测仪器及计算机应用与国外同行相比都有较大差距；( 4 ) 科技人员数量少而且青黄不接，职工队伍技术素质下降。综合以上四方面的因素，表现在产品质量上是理化指标偏低，而且数据波动范围大，表现在生产上是各工序废品较多、产品率不稳定。3 ，生产中面临的问题2 0 世纪9 0 年代中国炭索行业面临的主要任务是品种更新换代、质量升级，有条件的大厂( 装备配套、年产电极1 万吨以上的炭素厂) 要把掌握和生产高功率及超高功率石墨电极作为主攻方向，逐步提高这两种优质电极的生产比例，使电炉钢厂对高功率及超高功率石墨电极的需要立足于国内解决，为完成这一艰巨任务、笔者建议要做好以下几项工作。( 1 ) 修订高功率及超高功率石墨电极质量标准。高功率及超高功率石墨电极使用时通过的电流密度较大，电极在更加苛刻的条件下运行，中国电极厂目前把大规格电极通过电流密度在1 8 2 4 A c m 之间称为高功率石墨电极，把通过2 4 A c m 3 以上电流的称为超高功率电极，因此各项物理性能一定要优于普通功率石墨电极1 9 8 2 年制定的中国高功率石墨电极国家标准( G B 3 0 7 3 - - 8 2 ) ，在七项分析检测指标中电阻率、抗折强度、弹性模量三项列为质量考核指标狄分、真密度、体积密度和抗压强度四项作为参考指标，另外提出需测定抗氧化性、热膨胀系数和导热率三项，作为供货方积累数据。从国外炭素厂的样本看国外同类产品一般不把抗压强度作为质量指标，但将热膨胀系数列为考核指标，接头要测抗拉强度及热导率，国外各炭素厂样本上的指标都是保守的最低值，实际生产均按远比样本公开指标严格得多的内控指标进行。由于国外电炉钢厂普通功率电炉很少，高功率电炉也不多多数钢厂都是超高功率电炉，因此国外炭素厂近几年产品样本只有两个品种，普通功率电炉用石墨电极及高功率电炉用石墨电极，但按其实际物理机械性能，这种普通功率石墨电极相当于我国的高功率石墨电极。高功率石墨电极是指可在超高功率电炉上使用的电极，有的国家如美国。目前主要生产审6 0 0 m m 的超高功率石墨电极，其品种及规格的石墨电极数量不多，这一点和中国情况不同中国到8 0 年代爿发展高功率电炉，它