130 t电渣炉的技术特点

向大林 辜荣如 谈家宝

(浙江电渣核材有限公司，浙江314305)

生产技术

130t电渣炉的技术特点

向大林 辜荣如 谈家宝

(浙江电渣核材有限公司，浙江314305)

文章介绍了130 t电渣炉的技术特点及生产情况。生产结果表明，130 t电渣炉可以生产出优质电渣锭。

130 t电渣炉；电渣锭；技术特点

大型电渣重熔是当今世界获得高端大锻件用钢锭的先进方法[1]。大型电渣技术具有强烈精炼净化和可控快速凝固等功能。电渣锭质地纯净、夹杂物少且细小弥散，成分均匀，偏析度小，没有沉积锥，组织致密，无疏松、缩孔、冒口等凝固缺陷。用电渣锭生产高端大锻件，质量可靠，废品率低，钢锭利用率高，设备投资少。

浙江电渣核材有限公司于2012年7月新建了130 t电渣炉，用以生产第三代核电主管道、堆内构件、管板以及超超临界转子等高端大锻件。下面详细介绍130 t电渣炉的技术特点。

1 技术特点

浙江电渣核材有限公司在广泛总结国内外电渣炉技术特点的基础上设计出130 t电渣炉，设计有以下特点：

(1)从工程科学来看，电渣重熔工艺流程实际上是物性转变和物性控制的工艺过程。比如，渣料、重熔金属状态的转变和控制，与产品质量性能密切相关的尺寸和吨位控制，化学成分控制，H、O、N控制，表面质量控制，内部纯净度控制和结晶组织控制等。

电渣重熔生产流程的另一个重要方面是物流的管制。比如，在重熔生产过程中，电极、渣料、钢锭等物流各重要参数(流量、时间节奏等)的衔接与匹配，各工序间装备能力、作业场地的匹配，时间节奏的协调与缓冲，物流在车间流转的路线、距离与方式等。

据此，该工程在设计中，按设计能力或生产纲领，将物性的转变、控制和物流管制有机结合起来，使电渣重熔工艺流程呈线性无横向交互，各道工序的物流等参数衔接匹配合理，协调均衡。

(2)130 t电渣炉具有合理的结构形式(图1)，采用固定式双立柱，立柱牢固不动，支臂转动，具有良好的机架刚性。电极升降和支臂旋转稳定自如，灵活轻便，运转平稳，停位准确。既可采用固定式重熔，又有水冷短模抽锭设计，还可采用各种规格的小尺寸水冷模操作。水冷金属模规格主要有以下几种：∅1 360 mm(32 t)、∅1 820 mm(87 t)、∅2 020 mm(123 t)、∅2 100 mm(135 t)、∅2 200 mm(153 t)。

(3)炉子由1台三相炉用变压器供电，3根电极同时重熔，重熔过程中，有载有级调压，3根电极的极心圆和水冷金属模中心可以自由调节，双臂轮番更换电极(生产操作实测，换电极停电时间<2 min)，双臂交替作业，直至达到规定的锭重。一般情况下，根据锻件需要，通过更换水冷金属模、控制锭长和实时称重，生产30 t～135 t以内的任意重量的电渣锭。此外，还可以更换成各种规格的小尺寸水冷金属模及自耗电极，调节电极极心圆和水冷金属模中心，生产不同直径、各种小吨位的电渣锭(最小10 t)。炉子灵活性强，自由度大，可控性高，产品适应性广。

设备能力覆盖了包括AP1000、ACP1000、ACPR1000、CAP1400、CAP1700在内的主管道、堆内构件以及1 000 MW～1 300 MW超超临界汽轮机高中压转子等高端大锻件电渣锭及重型宽厚板坯的需要，具有年产8套第三代核电主管道、堆内构件、超超临界转子用电渣锭以及航母用大宽厚高强度板坯的能力。

1—地坑 2—地坪 3—电极烘烤炉基座 4—机架基座 5—操作平台 6—电渣炉变压器 7—短网 8— 零线 9—气动开关 10—无功补偿装置 11—水冷底板 12—隔绝装置 13—水冷金属模 14—水冷套 15—炉盖 16—电极烘烤炉 17—假电极 18—自耗电极 19—承锭升降平台装置 20—底板调心车体 21—称重装置 22—方立柱 23—台车升降体架 24—台车升降传动丝杠副 25—台车驱动装置 26—立柱装置 27—支臂 27A—小臂 27B—小臂调心传动装置 27C—电极夹持装置 28—支臂回转传动装置 29—支臂升降传动装置 30—渣池 31—金属熔池 32—电渣锭 33—渣皮 34—炉盖

图1 130 t电渣炉结构系统图
Figure 1 Schematic diagram of 130 t ESR furnace

(4) 三相供电，大功率网路负荷平衡，干扰小。供电半径范围内，高压端任一电压等级在负荷满足条件下电力输配电装备简单，经济实用，投资少。炉用变压器安置于紧靠炉子的机架1/2高度处，短网短，短网截面大，短网采用挤压连接，大电流开关和电极夹头都采用紫铜锻件，短网电阻小，短网压降<15 V，有功损失低。短网回路采用内水循环冷却，短网系统采用无磁结构、修正的等腰三角形布置，三相短网长度差<230 mm，三相短网功率不平衡度<4%。

(5)短网是一个低压大电流工作的系统，短网的性能决定了电渣炉的性能。短网的低电压大电流特征决定了短网会产生大量的无功功率，致使炉子自然功率因数较低。因此，在炉用变压器低压侧出线端与电极夹头之间的低压大电流载流体采用了无功补偿技术。在电渣炉不同工况下，根据负载变化自动跟踪，进行分相就地补偿，实时动态精确控制功率因数，功率因数为0.87～0.99，平均值为0.91，无功损耗小，变压器出力高，熔炼电耗低，并改善电网质量。

(6)变压器电气特性硬，绝缘水平高，采用有载有级调压。整个低压电气控制系统配套，如承锭平台升降、支臂升降与回转、电极夹紧与松开、炉前操作台、主控制室、大电流水冷隔离开关、变压器继保、炉前高压开关柜继保、熔炼过程测量仪表控制、气氛保护系统、称重系统、冷却水循环系统、语音和监视系统等动作灵敏、运行可靠、操作简便安全、维修保养方便，满足相关熔炼工艺要求。

(7)水冷金属模(结晶器)采取组合式两头小中间大的橄榄形超强冷却设计和3根电极重熔，有利于改善电渣锭底部和顶部质量，有利于重熔过程中的凝固控制，提高整个电渣锭的均匀性和致密度。补缩过程的凝固控制可靠，大截面电渣锭顶部成型良好，无缩孔、夹渣，切头少，锻造筒体锻件时甚至顶端和底端都无需切除，钢锭利用率大大提高。

(8)换电极设计，既使电极制备简便易行，易于实现和保证电极的高质量，又使炉子的行程短，机架玲珑小巧，降低厂房高度，还减少短网长度，提高电效率，特别是还可用多炉电极重熔生产大钢锭。这种独特设计可以利用小炉子生产电极，经济合理。至于用成分有差异的多炉小电极重熔成大型电渣锭的成分均匀性问题，采用特殊的控制技术已完全得到解决[4]。

(9)机架稳固不动，立柱上有升降导轨，支臂升降体上有支撑滑轮，电极升降和旋转采用精密驱动和制动，无级变频调速，传动执行元件采用大导程大直径滚珠丝杠，启动力矩小，传动平稳，摩擦阻力小，运动效率高，进给精确，定位准确，具有精度高、刚性高、可逆性强的特点。

(10)自耗电极通过严格脱气处理，[H]<2×10-6。自耗电极入炉前，有专用设施将头部预热至发红。自耗电极在重熔过程中有余头控制措施[5]，确保自耗电极余头始终<50 mm。

(11)作为自耗电极的延长段，假电极有合理的结构和系列组合设计，既使生产衔接匹配合理、协调周转有序，又有助于重熔节电和电极余头准确控制。假电极采用低碳钢管制作，标定不同长度，标明编号排序。假电极夹持处经铜钢复合加工处理，光滑无疵，接触紧密，压降小。假电极与自耗电极装配设计有专用滚轮托架机构，确保假电极与自耗电极对中同轴，不偏不弯。

(12)炉子装备气体保护设施，具有可靠又可控的保护熔炼功能，炉内湿度始终<1.0 g/m3，而且炉内不存在湿度梯度[6]。

(13)炉子装备900 t/h冷却水循环泵站系统，有效控制重熔过程中各装置冷却水进出水流量、压力、温度，以保证生产安全和钢锭质量。

(14)炉子配置微量水分检测仪，在污染、电磁干扰等环境中能准确、快速、持续检测和现场显示炉气湿度，并进行记录分析、趋势显示和跟踪记录。

(15)炉子配备在线定氢定氧装置，在重熔过程中可对熔池中的氢、氧含量进行在线检测分析，快捷而准确，可在1 min内完成检测。这是重熔工艺控制和冶金质量控制的先进检测手段和有效保证措施，使电渣重熔过程中直接控制氢、氧含量成为可能。

(16)炉子配置模块式称重系统，实时称重，在重熔过程中，可实时知道钢锭的准确重量，可随时和熔化速度比对，有利于熔速的精确控制。系统结构合理，防潮防尘，坚固耐用，适合恶劣工作环境下的高频次作业。称重传感器的内置微处理器可持续智能化补偿不断变化的温度、非线性、滞后、不稳定性、电压波动、蠕变等外部环境因素对输出精度的影响，抗干扰能力强，称量精确，并具有优异的自诊断和自动警示功能，排除故障迅速。

(17)电控系统功能配套技术先进，运行可靠，动作灵敏，操作安全。采用模块式集散控制系统(DCS)，设备及仪表的信号在工控电脑上进行监视和控制，分散控制，集中操作，高质量、高标准地完成过程控制、过程管理，实现较高的自动化操作。系统指令集及内置集成功能丰富，具有实时特性和冗余性能，可靠性高，易于掌握，操作便捷。重熔全过程DCS能对电规范、保护气氛、冷却速度及所期望的熔化速度、锭重等工艺参数实现实时精确控制。

(18)炉子配备世界顶级直读光谱分析仪，在重熔过程中可对熔池金属成分进行快速检测分析，为重熔过程控制易氧化元素烧损随时提供信息。光谱仪采用1 m光栅焦距，谱线覆盖范围宽，谱线成型好，分辨率高。高重复率光源，单向放电，高能预火花，光源重复率及能量密度高，分析结果准确性高，重现性好。真空光室恒温控制，连续抽真空，克服了温度梯度及真空度波动对分析结果的影响，具有高稳定性。配有国际标样数据库预置校正程序，标准值与约定值之间偏差小，分析结果更加准确。

(19)炉子安设除尘和烟气收集净化装置，污染因子在各类气象条件下对环境影响贡献值均低于标准限值，区域内叠加浓度均满足标准要求，达到GB9078—1996《工业炉窑大气污染物排放标准》和GB16297—1996《大气污染物综合排放标准》的要求。环境监测结果表明，空气质量达到GB3095—1996《环境空气质量标准》的要求，炉子生产运行对周边环境空气质量不造成明显影响。

(20)炉子对噪声、电磁辐射等也采取了有效的防治措施，确保对环境不产生明显影响，不改变环境质量现状。炉子生产运行时周围环境中的工频电场、磁场满足HJ/T24—1998《超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》的要求。综合电场满足GB8702—1988《电磁辐射防护规定》中相应频段的公众导出限值。环境噪声符合GB3096—2008《声环境质量标准》的要求。

(21)炉子配备A7级150 t和20 t电动双梁桥式起重机、150 t冶金吊具、200 t缓冲式电子地磅和200 t退火炉，以满足熔炼过程中的电极更换、钢锭脱模以及生产中起吊、运输、称量和热处理的不时之需。

本设计不光是一台炉子，而是一项以熔炼工艺为统领的系统工程。这项系统工程借鉴了当今世界一些最新技术成果，是一个全方位的系统研发设计。图2为130 t电渣炉生产现场。

2 生产结果

(1) 2012年8月设备开炉热试，顺利熔炼出86 t优质电渣锭。4个月后，成功生产出第一根CAP1400主管道用112 t核级超低碳控氮不锈钢SA376 TP316LN电渣锭(图3)。电渣锭底端成型良好(图4)，顶端补缩密实平整(图5)。质量检验结果表明，成分合格，配比精确，4.7 m锭高的顶端与底端成分一致，超低碳、氮含量、低氢和低氧控制稳定，氧、氢及有害微量元素含量很低，电渣锭的冶金质量达到了较高的水平。

图2 130 t 电渣炉在生产Figure 2 130 t ESR furnace in operation

图3 CAP1400主管道用112 t电渣锭出炉Figure3 The 112 t ESR ingot for CAP1400 main pipe out from furnace

图4 电渣锭底端成型Figure 4 Forming of the bottom of ESR ingot

图5 电渣锭顶端成型Figure 5 Forming of the top of ESR ingot

3 结束语

从投产运行以来的情况看，设备结构合理，保护熔炼功能强，短网压降小，功率因数高，熔炼电耗低，简单实用，先进可靠。设备性能好，适应性强，可精确控制和调节熔炼工艺和冶金质量。130 t电渣炉生产的电渣锭成分均匀，夹杂物少，无疏松、缩孔等凝固缺陷，顶端、底端成型好，具有优异的冶金质量。

[1] 向大林. 关于巨型钢锭电渣技术之我见[J]. 大型铸锻件，2010(4):38-47.

[2] Zhu Jue,et al. The Construction and Operation of the 200 Ton ESR Furnace in China. Proc.9th ICVM,Special Melting and Processing Technologies,1988:640.

[3] 李正邦. 电渣冶金的理论与实践[M]. 北京：冶金工业出版社，2010:259.

[4] 向大林，辜荣如. 一种多个小炉生产大型钢锭的电渣重熔法. 中国发明专利. 201210247584.3.

[5] 向大林，辜荣如，等.一种电渣重熔中精确控制自耗电极余头的方法. 中国发明专利. 201210249945.8.

[6] 向大林，辜荣如. 一种电渣重熔的低氢控制方法. 中国发明专利. 201210252486.9.

编辑 杜青泉

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Technical Features of 130 t ESR Furnace

XiangDalin,GuRongru,TanJabao

In this paper, the technical features and production status of 130 t ESR furnace are described. The production result proves that 130 t ESR furnace can produce qualified ESR ingot.

130 t ESR furnace; ESR ingot; technical features

2013—07—03

TF748.6

A