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电弧炉炼钢工艺技术探讨

赵海峰

(邯郸钢铁集团公司)

摘要：本文从电弧炉和转炉两种不同的炼钢方法论述了发展状况，工艺对比，效益对比，从中深入了解电炉炼钢工艺流程技术及最新动态，对电炉炼钢工艺流程技术有一个更深入的认识。

关键词：电弧炉  炼钢  工艺探讨  效益对比

1．前言

世界上的炼钢方法大体经历了平炉、转炉、电弧炉三种方法。经过实践的检验，平炉以其明显的劣势退出了炼钢的历史舞台，转炉炼钢则以其特有的优势得到了高速发展，电弧炉炼钢的发展速度也比较快，并有其独特的优势。电弧炉炼钢技术在19世纪70年代由德国人W．Siemens建造了世界上首台实验电弧炉。20世纪50年代，电弧炉炼钢技术虽有所发展，但是，因其生产率低，能耗高，仍然仅用于特殊钢或特种合金的生产。20世纪60年代开始采用吹氧熔炼，特别是超高功率电弧炉的兴起，电弧炉炼钢技术步入了快速发展时期。到了70年代，在欧美一批短流程钢厂兴起，电弧炉炼钢开始具有了与高炉一转炉流程相竞争的地位，并得到了较为迅速的发展，稳步上升。80年代中后期以来，电弧炉炼钢工艺又呈现出快速发展的势头，电弧炉炼钢技术具有标志性意义的是大型直流电弧炉技术的诞生以及在降低能耗，缩短冶炼周期，利用多种资源，提高质量，降低环境负荷，炉子大型化的各种电弧炉系统化技术的出现。目前，美国、欧盟、日本等国非常重视电弧炉钢，都达到很高的比例。纵观近二十年，几项变革性技术，如：薄板坯连铸连轧技术、熔融还原炼铁技术以及已处于大规模工业应用前夜的薄带连铸技术，可以发现，紧凑化或短流程化是钢铁制造流程优化的重要方向。紧凑化或短流程化常常和电弧炉炼钢联系在一起。若将电弧炉炼钢放在流程的大环境来看，在地区发达程度、文明程度、资源消耗和积累状况因素看，决定了电弧炉流程长期存在的合理性，同时，也为电弧炉炼钢的发展创新提供了广阔的空间。

在欧美国家，因电弧炉炼钢技术进步，电弧炉短流程炼钢方法已显示在投资、效率和环保等方面的优势，尤其是在绿色生产上具有明显的优势。短流程被视为二十一世纪的炼钢法。

随着国民经济的持续高速发展，绿色生产的理念逐步引入钢铁企业。历史经验告诉我们，决不能沿用发达国家曾采用的高消费、高污染、低利用的发展模式。短流程的优势与绿色生产理念相吻合，在循环经济中的地位将日益明显。短流程因其在产品高端化、能源多样化、原料多样化等方面的优势，更应引起重视。随着连铸连轧技术的逐渐成熟，短流程在长材生产中显示出与转炉炼钢法相当的潜力。

我国“十一·五”规划中也提出了节能优先的方针，而钢铁工业中的节能潜力巨大。本文将根据转炉、电炉的特点，进一步充分认识电炉的冶炼工艺技术优势。

2．世界电炉炼钢状况   

据《世界金属导报》资料，2004年，世界粗钢产量10．6亿吨，其中电炉钢约3亿吨，平均所占比例为28．3％。世界电炉钢产量最大的四大户依次为欧盟7440万吨，美国5200万吨，中国4400万吨，日本2980万吨。

从表1可以看出，世界发达的资本主义国家都非常重视电炉炼钢。产量、比例都很高。而中国的电炉钢总产量不太低，但是，比例还达不到世界的平均水平，相差12．2％。近些年，欧盟、日本和美国又以较大的比例增加电炉钢比例，而中国是以较小的速度减小电炉钢比例，虽然，中国也在发展电炉炼钢，比如宝钢、太钢等。但是，从世界范围内看，中国电炉钢的比例、数量差距很大。因此，加速发展电炉炼钢是由钢铁大国变为钢铁强国重要的努力方向。

表2列出了2004年德国、法国和中国电炉最佳水平指标对照表，从表中可以看出我们的技术指标很先进。

3．电弧炉炼钢的特点

随着电炉炼钢工艺技术的不断进步，电炉炼钢已经发生了深刻的变化，一些制约电炉炼钢的工艺技术问题得到了解决，而电炉炼钢的优势也越来越明显。

较早的电炉炼钢工艺的缺点有：

①冶炼周期长，每炉钢冶炼时间为240分钟左右，生产率低。

②电耗大，630kwh／t。

③电极耗高，6．5kg／t。

④没有精炼设备，产品质量及品种受到了限制。   

⑤效益低。

⑥基建投资较省。

改进的电炉炼钢工艺的优势有(与转炉工艺相比)：

①冶炼周期缩短，每炉钢冶炼时间为30—60分钟左右，这与转炉的冶炼时间差不多，生产率大为提高。

②电耗大幅下降，在300—450kwh／t之间。

③电极消耗也大幅下降，在1．0—1．1kg／t左右。

④有很高水平的精炼设备，产品质量大幅提高，尤其是能冶炼许多高合金钢，品种冶炼的范围非常广。

⑤效益高。以2006年邯钢的报告为例，邯钢本部年钢产量是舞钢的4．2倍，而总利润是舞钢的2．1倍，而吨钢利润舞钢是邯钢本部的2倍，相关数据见表3。与宝钢、太钢等相比，效益差距更大。以2007年1月的利润数据显示，太钢当月生产不锈钢16．45万吨，实现利润6．02亿元，吨钢利润3660元。而邯钢本部当月产钢43．9万吨，实现利润1．1亿元，吨钢利润251元。邯钢的产量是太钢的2．67倍，而利润太钢是邯钢的5．444倍。若邯钢钢产量中500万吨是电炉钢，则应多获利润约50亿元。由此可见，电弧炉钢及特钢的优势。也可以看出，为什么世界资本主义发达国家都大力发展电炉炼钢，这里的经济效益反差太大。

⑥基建投资较省。与高炉转炉生产流程相比，节省了焦化、烧结、炼铁等工序。电弧炉生产流程可节能50％左右，设备投资可节约33％左右。

4．国内外电弧炉炼钢的典型范例

国内外电弧炉炼钢的发展势头仍然十分强劲，不考虑原有的电炉设施，只看现在正在建设的电弧炉炼钢，就足以证明电弧炉炼钢的巨大优势。

2005年5月美国纽柯钢公司在Jewect Texes厂又投产了大电炉，生产能力140t／h。在当前继续兴建大电炉，这充分说明了纽柯钢公司对电弧炉炼钢的高度重视。从电炉钢比例列于世界第一来看，美国对电弧炉炼钢非常重视。

日本东京制铁公司投资1220亿日元(10．2亿美元)，新建年产能250万吨世界最大的电炉。计划2009年10月份建成投产。届时预测日本的电炉钢比例将达到50％以上，仅次于美国。

太原钢铁公司是国内典型的老电弧炉炼钢生产基地，电弧炉炼钢生产经验非常丰富。现又扩建了年产300万吨不锈钢的生产基地，成为世界第一大不锈钢生产基地，不锈钢产品全面，产品独具特色，具有了更强的竞争力。

做为国内钢铁老大的宝钢有特大型的高炉(4000m³)、转炉(300吨)、轧机等，又有60、100、150吨的电炉6座，其中150吨的电弧炉是双电炉，其中的4座是直流电弧炉，均先后建于20世纪90年代中期。宝钢是不断地集团化，联盟化，从南方集团化到北部的新疆结盟。形成了3000万吨的产能，宝钢是既大又全，优势明显。他们在产品产量、质量及品种方面占尽了优势，可以说，没有他们干不了的钢。而反观邯钢本部，由于没有电弧炉炼钢，因此，我们能干的钢种受到了很大的局限。相比之下，无论是产量、质量，还是品种，邯钢的实力相差很大。

还有天津钢管公司、安阳钢铁公司、韶关钢铁公司、兴澄钢铁公司电弧炉炼钢的业绩也很突出。基本情况如表4所示。天津钢管公司、突阳钢铁公司年产钢均达到了100万吨，韶关钢铁公司、兴澄钢铁公司单台电弧炉年产钢均达到了75～87万吨。  近些年，电弧炉炼钢发展速度较快，尤其是地理环境好，经济发达的地区尤其重视电弧炉炼钢，在品种、质量、效益、环境等其优势非常明显。这是由钢铁大公司变为钢铁强公司的重要发展方向。

5．现代电弧炉炼钢工艺技术

随着工艺技术的不断进步，现代电弧炉炼钢的工艺技术也发生了重大变化。

5．1大功率输入

大功率输入是通过缩短通电时间以提高生产效率、降低各种消耗。提高生产效率还要缩短非通电时间。缩短通电时间要求大功率输入的同时，还应有效利用氧气和化学能，并提高电力和辅助能的总传热效率及降低电炉的热损失。世界上的电功率输入比(kW／t)呈增大趋势，计划中的大型炉的最大变压器容量比170MVA／120t，既1500kVA／t发展。世界上生产效率最高的电炉是德国Kehl的BSW的2号电弧炉，1999年10月21日共出46炉，产钢坯3519t，每炉废钢分两次装入，在变压器容量75MVA、平均功率输入64MW下作业，平均通电时间为22．5min，平均电耗为332 kWh／t，氧耗为38．3Nm³／t。

5．2长弧作业

在大功率输入下，实施长弧低电流作业时，有电力损失少，电极消耗低(特别是端部消耗和接头损失少)等好处。现在世界上二次电压呈高压化趋势，变压器的最高分流电压为1700V(170MVA)，使用最大分流电压为1400V。以电弧电压表示，最高实际AC炉为650V，DC炉为600～800V。而日本AC炉的最高变压器分流电压为1400V(60Hz，100／200MVA)，且在高电压作业时，变压器一次侧还设有电抗器。

5．3氧气和化学能的有效利用

电弧炉吹氧由来已久，截至到目前发展的速度也很快。近年来，中型以上电弧炉多采用长寿命的水冷喷枪，细长超音速氧气流，大大提高了氧气的利用率和电炉产量。还有诸如电炉的密闭作业、复合燃烧器、监测炉况的摄像头、高效集束氧枪和钢水连续测温装置等技术的发展，使电弧炉冶炼水平大幅提高。

5．4炉壁喷枪

吹氧冶炼在电弧炉炼钢发展中曾多次带来变革性的进步。20世纪80年代以来，炉门自耗式机械氧枪及水冷超音速氧枪成为常规设备。近年来，又出现了安装在炉壁的集预热烧嘴、超音速氧枪、碳粉喷吹及二次燃烧等功能于一体的组合装置即炉壁喷枪。各种炉壁喷枪中最重要的技术是所谓的集束射流，其原理是在主氧射流周围设置环状高温保护气流，使得主氧射流超音速核心段延长。此种射流能量集中，具有极强的搅拌力和穿透力，对促进钢渣反应，均匀钢水成分和温度，提高氧气利用率及金属收得率等都有明显的效果，因而，这是近年来电弧炉炼钢领域内的一项变革性技术。表5是宝钢DC150吨双炉应用Praxair Cojet技术的效果，此技术还可用于转炉和AOD炉。类似的技术还有RCB和CCB等。

5．5电极单耗等技术指标得到大大改进

5．5．1电极耗

电弧的稳定性对电极消耗影响很大，使端部消耗系数的最高值达最低值的三倍。应大力改善电弧的稳定性，采取泡沫渣作业是行之有效的措施。

5．5．2电极直径的最佳选定

影响电极消耗的主要原因有：

(1)电弧电流

电极端部升华受电弧电流的影响。

(2)电极直径、T—T时间和吹氧燃烧

端部和圆锥面的氧化消耗主要受电极直径、T—T时间和吹氧燃烧的影响。

(3)电流密度

连接端的损失起因于温差和热应力，从而受电流密度的影响极大。

(4)电炉直径

一般在电弧炉作业参数一定下，加粗电炉直径，可使电流密度下降减少连接端损失，表面氧化面积增大，端部消耗在电流一定下保持不变。

5．6供电系统的选用

从传统的交流电弧炉向直流电弧炉及高阻抗交流电弧炉发展，在降低电网污染的前提下实现低电流长弧作业，从而大大提高了输入功率，使得冶炼周期大幅缩短。直流电弧炉被认为具有对电网的污染小，电极消耗低，基本上可以无偏弧，噪音相对较小，对熔池有搅拌作用等优点。但因其低电极所带来的问题及电源系统较交流电弧炉复杂，特别是高阻抗交流电弧炉的发展又使直流电弧炉的优势下降。因此，在经过20世纪80年代末到90年代中后期直流电弧炉的建设高潮后便沉积下来，新近建设的电弧炉大都为交流电弧炉。

5．7电弧炉炼钢与CSP流程衔接

随着电弧炉炼钢与CSP技术的成熟，现在已经把电弧炉炼钢与CSP流程衔接在一起，这更增强了电弧炉炼钢的活力。在地区发达程度和文明程度高的地区，要求环境良好的地区，一般采用电弧炉炼钢的比较多，比如广州珠江钢铁公司等采用了150t电弧炉炼钢与CSP流程衔接。1999年8月，中国第一条薄板坯连铸连轧生产线在广州珠江钢铁公司投产，2003年3月，珠钢第二条EAF—LF一薄板坯连铸生产线投产，仅用了5个月就实现了双流月达产。这是中国电弧炉炼钢与CSP流程衔接成功的范例。其生产效果如下：

(1)全冷料(含10％一20％HBI)冶炼，冶炼周期已下降到50min以下，每座电弧炉日产能力达到30炉以上。

(2)全废钢(含10％一20％HBI)冶炼，冶炼电耗大幅度下降到300kWh／t左右。

(3)电极消耗显著下降到1．1kg／t，接近热装铁水电弧炉指标。

为了进一步挖掘电弧炉的潜力，珠钢将开发新技术改善电弧炉炼钢：   

(1)泡沫渣检测技术。

(2)误工管理系统。

(3)碳源替代品应用。

(4)非氧辅助热源应用。

5．8品种的冶炼和质量的提高

转炉炼钢由于其快速降低成分及工艺的原因，使其品种的冶炼和质量受到了一定的局限，相当一些品种无法冶炼。而采用电弧炉炼钢→精炼→连铸→轧机工序，可以大大增加钢材品种的种类，尤其是高合金钢、特种钢和特种合金。可以使品种增加，质量得到提高。会使钢材产品的市场占有率大为提高，提高市场竞争力。电弧炉炼钢的品种有：碳素结构钢、合金结构钢、工具钢、滚珠轴承钢、弹簧钢、易切削钢、不锈耐酸钢、耐热不起皮钢、高温合金。

5．9吹损

从吹损的角度看，转炉炼钢要比电炉炼钢吹损大。转炉炼钢要在十几分钟把含量很高的碳等元素吹到要求的低范围内，要求吹氧强度要大，各元素损失较大，同时，喷溅严重。

5．10污染方面

在高炉／转炉工序中，由于烧结、焦化、高炉炼铁覆盖面积大，目前，除尘效果难度较大，CO₂和粉尘的污染严重，对钢厂及周边环境影响很大。而电弧炉炼钢属于短流程，产生的污染远远低于高炉／转炉工序。这里反应出了环境效益。

5．11现代电弧炉炼钢的工艺流程与高炉炼铁一转炉炼钢能耗对比

与焦化→烧结→高炉炼铁→转炉炼钢→精炼→连铸→轧机工艺流程相比，现代电弧炉炼钢的工艺流程是短流程。从两条工艺流程路线看，电弧炉炼钢↔精炼→连铸→轧机，焦化→烧结→高炉炼铁→转炉炼钢→精炼→连铸→轧机，两者能耗差别很大。据1999年中国钢铁年会资料介绍，电弧炉炼钢单位能耗约270kg／t，高炉炼铁_转炉炼钢单位能耗约600kg／t，两者单位能耗相差约330kg／t，而尤以高炉炼铁能耗最大，单位能耗约470kg／t。这也可以看出资本主义国家美国等国家为什么电弧炉炼钢比达到了很高(美国电炉炼钢比达到52．1％)。

5．12电弧炉自动及智能化炼钢

电弧炉自动及智能化炼钢的内涵可以分成两个层次：

第一层，代替人手进行吹氧、供电及加料操作，同时进行冶炼终点的自动判定，将这一层次称为自动炼钢。

第二层，代替人脑进行冶炼过程的优化，如：功率曲线优化、供电优化、吹氧优化等，将这一层次称作智能炼钢。因此，某些智能化的电参数调节与控制系统，如NAC公司的IAF、AMI GE公司的Smart ARC、SIEMENS公司的Simelt NEC等决不是智能炼钢的全部。

目前，电弧炉自动及智能化炼钢技术落后于转炉炼钢，这与电弧炉炼钢更开放，主原料更多样，能量输入更复杂以及过程周期更长的特点有关。因此，加强电弧炉自动及智能化炼钢技术的研究攻关势在必行。

宝钢150t电弧炉在推进模式化(标准化)炼钢方面已有多年历史，因而，具有良好的工艺和操作经验，而自动化系统的软硬件条件本身也较好，这为自动炼钢奠定了基础。同时为智能炼钢创造研究条件，例如给定冶炼周期，电能(或能量)消耗最小化，质量最优化(如给定碳含量范围)等均可作为优化目标。

5．13二恶英等污染问题

二恶英是在发展电弧炉炼钢技术的同时，要积极研究解决二恶英问题。二恶英是与电弧炉环保有关的一个前沿性研究课题，是持久性有机污染物中的一类，是迄今为止人类发现的毒性最大的一类有机污染物。我国对二恶英问题的研究落后于发达国家，在钢铁生产中，烧结和电弧炉会产生二恶英问题。

宝钢在行业内率先开始了对二恶英问题的研究。宝钢研究院已从国内外引进了数名有一定研究基础的博士，2004年启动了一个相关的科研项目，从事该项目研究工作。此外，主要控制的环保指标有噪音、恶臭、烟尘、CO₂、废砖、废渣和粉尘等固体废物处理。

6．结论

近年来，世界电弧炉炼钢仍持续发展，主要动向是为节能、环保和降低成本，主要技术是扩大变压器容量和合理用氧，以缩短冶炼周期和降低电耗，电炉配加一定量的铁水，效果亦好。在提高废钢预热方面也采取了一些办法。交流电弧炉与直流电弧炉的优势此消彼涨，各有各的优势。

发达的资本主义国家电弧炉炼钢发展势头很快，美国、欧盟、日本、韩国等都在大力发展电炉炼钢，电弧炉炼钢量及比例都很高。我国已经具备发展现代电弧炉炼钢流程的基本条件，电弧炉炼钢的操作水平和综合管理水平已居世界一流水平，大型电弧炉炼钢电能消耗已达国际先进水平，也应重视电弧炉炼钢量及比例，这也是发展国产钢材品种，满足国内需求，从钢铁大国走向钢铁强国的必由之路。

参考文献

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