1 简 介

　 电弧炉能耗有好几种形式，除了主要的电能消耗外，由于碳、金属物及碳氢燃料的氧化放热反应，使得现如今化学能的消耗也十分显著。由于炼钢行业选择使用不同份额的电能及化学能，故讨论“总能量消耗”就显得更有意义。基于这个原因，我们将“非电能”能量转化为以kWh(千瓦时)为单位的等价能量，这是因为kWh较常见(即使它不是公制单位)。

　 为了体现热效中的差异，对不同能量选择了“完全热当量”的方法。对于电能，它是通用的形式，由电炉主变压器即可测得其电能值。而化学能则需要更详细的计算。

　 我们将(在下文)看到不同电炉在总能耗方面的巨大差异。本文旨在解释这些差异，并由此指出在实际操作中或设备方面的改进事项，从而降低能耗。

2 化学能kWh当量

2.1 天然气

　 因为不同地区的天然气成分不同，其热输出也随地区不同而稍有差异，范围从9～12kWh／Nm³不等，我们将采用平均值为10.5kWh／Nm³的气体进行讨论。

　 按照“理论配比”氧化燃烧反应，每Nm³天然气需要近2.0m³的氧气。在许多使用烧嘴的炉子中，只测量烧嘴和氧枪的总耗氧量。因此可把耗用氧气量分为烧嘴耗氧和氧枪耗氧两部分，同时把每Nm³天然气耗用的2.0m³氧气以及任一通过烧嘴的过量氧气都计作氧枪用氧。

2.2 氧枪用氧　

　 通过氧枪喷入氧气的作用是与炉料(主要是C、Fe以及废钢中含有的少量Si和Mn)进行反应。大多数的炉子主要添加废钢、碳及造渣用的附加剂。因此我们将对废钢的典型化学成分进行分析以计算出氧枪用氧的热输出值。对于那些用生铁、DRI(海锦铁)或铁水来代替废钢的炉子，我们将分别考虑其各自的化学反应。

　 从典型渣分析中，对金属物的放热反应进行了评定。这些反应产生了FeO、Fe₂O₃、SiO₂及MnO等渣子成分。(据估计渣中50％的SiO₂来自于耐火材料)……此分析是基于一个冶炼量为100t，氧枪耗氧量为25m³的电炉的数据(见表1)。炉内碳的总量来自10kg／t炉料和喷吹料，假设2kg／t的碳来自废钢，2kg／t的碳来自废钢中的有机物。估计只有CO产生于碳的反应中。

　 在“氧当量”的估算过程中，大量能量来自于非碳材料，这一点加强了对“废钢分析”的重要性，而通常它不为人所知，了解也不深刻。　　　

　 值得注意的是，人们经常采用的“氧当量“值大大低于5.0kWh／m³(以前就使用过 4.0kWh／m³的当量)。然而，在一份日本80年代的对20个炉子的分析报告中，Inagakietal公司推断出电能和氧之间的换算为：若氧耗在15～30m³／t之间，那么相应换算结果为6.8～4.7kWh／m³。若5.2代表完全当量值，那么在3.5～4.0之间的数值意味着其相应热效率约在70%～80％之间。

表1　 氧枪用氧为25m³／t(l00t炉子)的能量计算

　

2.3 生铁、铁水以及DRI(海绵铁)　

　 大部分炉子是将生铁和／或DRI，同废钢一起添加到炉内。这些材料的分析与废钢的分析很不相同，难以判断其各自的能耗，即生铁为放热，DRI为吸热。极少数炉子要加入一些铁水。

2.3.1 生铁　

　 与废钢相比，生铁的能量取决于它的硅含量(约0.8％)、Mn含量(约0.5％)以及碳固溶体的能量(0.6kWh／kg)。我们采用的当量为：每1％的废钢可换算为1.1kWh／t的当量。除了碳固溶体的能量外，生铁中的碳也像其他的碳一样计算能量，并且同氧枪用氧一并计算。

2.3.2 铁水　

　 铁水不仅与Si、Mn和碳进行放热反应(因为其为热状态)，铁水内还存在着物理热能。铁水料添加于电炉的温度在1150—1350℃之间，在此温度范围内，热量在223～272kWh/t之间，即每添加1％的铁水，热量均值为2.48kWh／t。

　 由于Si和Mn的存在，物料开始变热，每添加1％的废钢，升高1.4kWh／t。在标准情况下，碳含量在4.2～4.3％之间。由于相同原因，也同时产生了更多的能量，C＋0.5O₂=CO的合成反应产生的热量以约0.5kWh／kg的C量增加。此外，加上碳固溶体的能量，约0.6kWh／kg。因此碳的能量贡献为：1.1kWh／kg或者每添加1％的铁水，碳的能量为0.6kWh／t。由此，每添加l％的废钢，液态金属的总能量贡献净值为：2.48+1.40＋0.6=4.5kWh／t。这个值很大程度上取决于添加金属时的温度和铁水中的硅含量。

　据有关报导称，每添加1％的废钢，从液态金属中获得的能量可降至3.5～5.6kWh／t之间。对于超过5kWh/t的情况，要么是添加料时炉温升得过高(1350℃)，要么是其Si含量过高(1.0％)。

2.3.3 DRI(海绵铁)　

　 由于需要熔化矿渣、外加石灰以及未还原的Fe，DRI(和HBI)需要消耗能量。对于典型的92～93％金属粉和4～5％的矿渣，每添加1％的废钢，我们采用的当量值为—l.0kWh／t。

　 添加热的DRI是最新的一项研发项目，并已经在几个炉子中得到了实施。但在信息库中，没有充足的数据，因此不能对此做出总结。

3 炉子间总能耗的分配

　 由于技术服务工作遍及许多炉子，我们已经建立了一个数据库，从中提取了总能耗方面的数据。正如已经陈述过的，“非电能”的能量需要“千瓦时”当量用以进行比较，总结见表2。

　 这些能量当量值不是绝对的，我们已采用了标准值，更重要的是对于所有炉子，采用了相同的值。于是即使当量值不太精确，炉子间能耗的比较还是有用的。只有在特殊情况下，例如添加的生铁、DRI或铁水百分比极大时，比较结果会有疑问。不过，这样的情况很少发生。

　 图1（略）柱状图表明了对于数据库中冶炼能力超过80t／h的炉子的总kWh／t液体的分配：这种能量分布近乎标准高斯(Gaussian)，其平均值为583kWh／t，标准偏差为49kWh／t，最小值约480kWh／t。在数据库中提取的数据显示，92座炉子中只有4座的总能量低于500kWh／t。

　

表2　 能量当量

　　　　　　　　　 　　　　

　 然而，采用高斯(Gaussian)太拘泥于文字的描述方式，是不合理的，例如，我们不可能得出一个炉子其能量低于平均值(426kWh／t)以下3个标准偏差这样的结果。

4 影响能耗的因素　　　

　 有许多影响能耗的因素。虽然炉子的一些固有的设计参数也很重要，但主要影响因素与添加料和炉子的实践操作有关。事实上包括很多相关的参数(超过10个)它们不能进行准确测量，这就造成了统计分析工作的困难。参数间的相互影响可能会发生，这也意味着这些参数不是完全独立的。例如，废钢熔化量与所添加的渣熔剂的量在某种程度上是相关联的。尽管如此，我们仍将对它们分别作以讨论。

　 下面将要讨论的不同参数对能耗影响的估算是从统计分析、理论计算经验的综合中得出的。通常，我们将会对l00t或更大的炉子进行分析。

　 在1992年凯黑对14个德国炉子的分析中，确定了4个重要参数。后来，此分析扩大到35个炉子，用以进行IISI研究，并随之提出了更多的参数。当使用这些来自凯黑工作中的关联因素时，我们将它们确认为如下因素。

4.1 炉料

4.1.1 废钢

　 “废钢”这个词显然涉及到材料的许多方面，如成分、形状、密度及熔化率。液态熔化量在凯黑的分析中被认定为一个重要参数，即熔化量每下降1％，能耗将增加10kWh／t。实际上，这种损失表示在熔化“非铁“成分的过程中消耗的能量。在数据库中，炉子熔化率的标准范围在86～92％之间，故能量换算为60kWh／t。

　 废钢的形状对其在炉子中堆积和熔化的方式是很重要的。表面积大的小块碎料会彼此熔合在一起，并且延长了其进入“熔池”的时间。而像线卷、锭块等比较大的密实块料，可能在“熔池”中花很长时间也很难熔化。值得注意的是在需要多次装料的工艺中，那些在第一次装料中加入的废钢在冶炼末期才完全熔化。

　 料块的最佳长度在100～1000mm之间，堆积后的密度可达0.6～0.9t／m³。然而，个别形状的废钢，如细片状的，会有更高的密度。我们认为，在“理想”废钢与“低劣”废钢之间的能耗差异为40kWh／t。

　 “非铁”含量从那些放热并以气体形态消失的有机物(如稀油、油脂、塑料和木料)到像 Fe₃O₄(铁锈)、水甚至混凝土这样的吸热材料是变化的。仅还原1％的Fe₃O₄，就要吸收约13kWh／t的能量。同样地，若带有废钢的水在平均温度1000℃时离开炉子，每l％会带走6kWh／t能量。在世界北方地区，雨雪冰为主的天气将引起更高能耗的“冬季效应“，天气变化引起的能耗为30kWh／t。

4.1.2 熔渣量　

　 要添加的石灰和白云石对能量有很大影响，每增加l％，会使能耗增加16kWh／t。据推理，Ca₂SiO₄强烈的吸热现象是能耗增大的主要原因。实际熔渣量为26～45kg／t(100％废钢)的情况下，消耗能量为42～72kWh／t。

　 其他的废钢替代品，如DRI、生铁及铁水被当作能量输入物对待(如上述)，但是很明显，它们的能量随成分不同而不同，最重要的是生铁和铁水的硅含量不同。

4.2 装料操作

4.2.1 装料的次数　

　 装料的次数对能量有影响，每次当炉顶悬吊时，能量就会损失，主要是通过辐射作用，从炉内部和顶部覆盖渣散失热量。早在80年代，对加料次数达6次的炉子进行分析，估计每次加料能耗为10kWh/t。如今，加料次数大致在1～3次(连续添加操作几乎没有)。

4.2.2 炉内布局　

　 炉子中炉料的分布对废钢熔化塌陷以及辐射熔化与熔池溶解的关系有影响。这一点很难定量分析，我们估计能量影响为20kWh／t。废钢加料斗的高度影响着炉内炉料的分布。基于这个原因，用在一些小炉子上的“桔皮状”的料罐易于操作，然而因为大炉子需要其他进一步的操作，故很少用于大炉子。

　 废钢的分布状态对电弧穿孔稳定性、随后的塌陷以及电损耗均有较大的影响。较重的废钢应置于炉子的下方，而放于上部的轻料得到了更稳定的电弧作用，由此产生了更多能量。

4.2.3 渣熔剂　

　 渣熔剂可通过废钢吊料罐加入或从顶部吹入。原则上讲，顶部吹入便于对固溶时间进行控制。从中可以获益的能量为10kWh／t。　　　

4.2.4 铸余钢水　

　此操作几乎是标准的。由于提高了电弧的稳定性，估计其能量相当于15kWh／t。铸余量多少或许不重要。由于不知道铸余重量，因此铸余量不定。如果铸余量太大，渣子可能丢失。

5 操作实践

5.1 电能功率说明　

　 在此，我们认为对于直流和交流电，电弧电压是一重要参数。在最近的一份分析中，已经指出在精炼期间，炉子产生较长的电弧需要更大的能耗。其相互之间的关系为：每100V电压所需能量为30kWh／t，但是这是基于未明确定义的“低换算系数“之上的。电压越低产生的电能也越低，于是人们需要找到能耗与电能功率之间的最佳换算关系。

　对于直流电弧炉，我们已经测试过：在精炼期间，把电弧电压从800V减少到700V，能耗可减小10kWh／t。我们推断电弧电压在超过450V(交流)、600V(直流)时开始变得有效，并且每100V以20kWh／t的比率进行。或许，这种影响与泡沫渣不能有效阻止炉壁的热损失有关。尽管对于直流电与交流电炉子，其泡沫渣的深度相近，但是，交流电压值下限较低，可能是电弧熄弧以及“耐火材料指标”较高所造成的(如图2（略）所示)。

5.2 泡沫渣的质量　

　 泡沫渣的深度和持续时间会影响从电弧传递到炉壁及炉顶的热量。1992年的一份资料认为与惰性渣比较而言，活性渣消耗的能量要低。在这项工作中，从电弧电压的谐波函数中测得了大量物理渣活性的数据。从中发现，由不同活性所造成的能耗差异为40kWh／t。

　 泡沫渣的深度和持续性可能决定了电弧的热效率，特别在如今使用“长电弧”冶炼的情况下。正如在耐火材料指标说明中提及的那样，这里对“未覆盖电弧部分”的说明是有用的，我们估计因泡沫渣质量差异而导致的能耗变化为±20kWh／t。

5.3 氧枪操作　

　 无论炉子装备有水冷还是自耗氧枪，不同的炉子在效能方面和由此在氧枪操作过程中的氧效率存在巨大差异，甚至对于同一个炉子，对不同操作者，这种差异也很明显。像这样的氧枪需要操作工几乎持续地观测，因为自耗氧枪需要经常调整，而水冷氧枪需要小心地定位。我们推断氧枪的效率差异为±30kWh／t。

　 图3(略)表示在减少电能消耗的情况下氧耗的明显差异。

　装于侧墙的固定协调喷射系统适宜于用电脑控制。因此，不同操作者之间的差异减少了。这些系统通常安装于炉子周围3个或更多的位置，这也保证了更多化学反应的平衡，例如，渣中FeO含量和生泡反应。基于这些原因，该系统很少有变化，并由此提高了氧效率。

5.4 烧嘴　

　 如果使用烧嘴，通常安装在侧墙中。与协调喷射系统的应用方式相似，若在电脑控制之下，能耗的差异将取决于不同炉次的废钢的尺寸、密度及分布状态，各炉次天然气／氧气的流量会影响平均热效。由于普通烧嘴能量输入值相当小(20～60kWh／t)，估计其能耗有一很小的差异(约为10kWh／t)。

5.5 后期氧化(PC)　

　 按定义，后期氧化是CO转化为CO₂的过程(氢是次要的)。对于热的CO和冷的氧气，在反应中释放的能量大约是6.3kWh／m³。

　 对于大多数的炉次来说，此输入量相当于一个“烧嘴”喷出添加料的大部分，其期望的热效率在大多数情况下为50％，也就是3.1kWh／m³或更小。

　 因为需要准确的能量数据和大量平衡检测，很难把喷射氧输入量同用作后期氧化的能量分开。对于许多炉子，只需要总的耗氧量，即喷管耗氧和其他后期氧化耗氧是混在一起的，因此还未对喷管耗氧和后期氧化耗氧的能量当量分别加以计算，故将所有的氧都看作氧枪用氧。

5.6 出钢温度　

　 出钢温度越高，熔池的热含量就越大。钢水的热比每升高1℃，所需热量为0.24kWh/t。然而，由于渣和未覆盖区的电弧对水冷炉顶和炉壁的热辐射功率很大，在接近冶炼末期时，电炉的热效降低了。例如，一个直径为6.7m的炉子，对炉顶和炉壁的辐射功率之和一般在10～12MW之间。同时，通过第四个孔也有很大一部分功率损耗。

　 如今，在泡沫渣操作和高功率情况下，人们希望电炉的热效能与钢包炉的相似(在40～ 60％的范围)。然而，计算此热效值是很困难的，过热时间很短而且氧气以很高的速度吹入使得不能准确测量到功率差额。

　 数据库中出钢温度范围从1580～1680℃不等，其相应的能量范围为70kWh／t(当然，如果选择出钢温度低的炉子，在下一步的钢包炉工艺中需输入更多的能量)。

5.7 时间　

　 热损失与时间密切相关。除去耽误的时间，电能供应的时间几乎与输入平均总功率成反比。而且，对于不同的炉子，如今这个时间已达到了30～60min。时间不同的主要原因是耽误延时造成。因为热损失随炉次而发生变化，并且耽误的影响还依赖于其发生的时间。对“耽误”所造成的能耗损失估算见表3。

　

表3　 “耽误”的能耗成本／kWh·(t·min)^-1

　　　

　 对冶炼早期值0.4到冶炼末期值1.7能耗的估算是建立在热效变化基础上的，即在熔化期热效值很高，而在末期其值低于50％。

　 炉次之间的耽误所造成的热损失很低。随着残余液态渣表面的迅速冷却，减少了进一步的热损失。无论耽误时间是8min还是38min，无论渣是否覆盖于水冷炉壁和炉顶，损失的热量几乎没有差异。

　 图4(略)显示了总能量与两次出钢时间之间的关系。在这种情况下(竖炉)，耽误发生在精炼期间和炉次之间，直线的斜率表示0.4 kWh／t·min。

5.8 双壳型炉的操作　

　 对于双壳型炉而言，当一个壳体疏散热量时，另一个进行工作。可替换的双壳体炉子与单一壳体炉子相比较，双壳体炉子的操作大约需要27kWh／t的热补偿(其他资料曾提出约为30kWh／t)。

5.9 覆盖于炉顶和炉壁的渣　

　 经常看到水冷表面失去渣覆盖层，尤其在炉顶处(通常是由于渣包腐蚀了或没有渣包)。对于渣覆盖的表面，其热传递最大约为220kWh／m²，然而，若表面无渣覆盖，并且当炉内温度在1600℃时，表面会变成一个“黑体”，并以700kWh／m²的比率吸收辐射热。估计对于每平方米未覆盖区域，能耗为3kWh／t。

5.10 排放系统／炉子的致密性　

　 不同炉子之间其孔洞以及渣门、炉顶套、电极孔、烧嘴、出钢口的数量差别很大，因而通过炉子的空气量也不同。这包括加热氮气的热损失。

　 尽可能减少空气泄露，能耗将减少15kWh／t。有一个更好的成果已得到认可 (一种密封良好的炉子)，此值超过50kWh／t。已经有过这样的经历：同一个车间的两个相似的炉子，只是排放率不同，两者之间的能耗差异为20kWh／t(排放率越高能耗越高)。

5.11 电极的水冷　

　 经常会因为水流不稳或过量的水进入炉子，水会同其他气体一起化为蒸气从第四个孔中排出。对于100t的炉子，如出口温度平均为1000℃，那么能耗可达0. 6kWh／m³，或约6kWh／t。因为每个电极水流量为lm³／h，故在一次冶炼中，可引入几立方米的水。估计因为此因素，能耗变化可达20kWh／t。

　 可通过增加水流入电极处的深度来减少电极的氧化。但这样的能耗成本通常要比石墨的高。

6 炉子设计

6.1 能量恢复系统(炉身、连续炼钢、料斗预热器)　

　 我们拥有几台炉子在能量恢复方面 (竖炉，连续炼钢的方式或料斗预热器方式)的操作数据。从数据库中选出的92个炉子中，有19个这样的炉子(占21％)，并且其冶炼容量大于80t／h。人们希望减少总能耗，但减少多少呢?

　 在这92台炉子中，总能耗的标准偏差约为49kWh／t。没有理由希望这19台炉子有较大的偏差。然而，在17台能耗最低的炉子中，有9台属于此范畴(53％)，而且这19台炉子中有两台是新炉子并且在使用初期。从19台中除去这两台，剩下的17台炉子其平均总能耗为542kWh/t，这个值低于数据库中的92台(生产量>80t／h)炉子的平均值40kWh／t(如上所述)。这表明确实实现了能量恢复。我们最好的估计是此值平均在30～50kWh之间。

　 必须注意的是为保护环境，任何在能量恢复系统之后运行的烧嘴都没有包括在总能耗中。

6.2 直流或交流　

　 直流与交流电炉在总能耗方面的系统差异无法区分，这一点在以前已有所报导。

6.3 电炉形状　

　 在30年前，电炉冶炼采用耐火材料作炉壁时，有一种使用相对较大内径炉子的趋势，以达到降低耐火材料指数等级。近来的趋势是采用较高的炉子，这在理论上已有降低能耗的好处(相对变小的炉顶面积)，并且还有加快后期氧化热传递的可能。然而这样的实例太少，不足以使我们估算出能量上的收益。若炉子足够大，则只需要一次添料，那么由于多次添料造成的热损失就会减少(每次添料约10kWh／t)。结果汇总见表4。

　

表4　 关键因素汇总

计算值或比例关系
参数	比率	对总能耗的潜在影响/kWh·t-1
		减小	增大
精炼期间电弧电压	每l00V(交流>450V，直流>600V)	—	20
精炼期间耽误	每10min	—	17
渣添加剂	每kg／t废钢	—	16
熔化率	每下降1％	—	10
DRI(或HBI)	每添加l0％	—	l0
装添料的次数	每次	—	10
炉顶渣覆盖	每3m3未覆盖区	—	10
出钢温度	每10℃（>1600℃）	—	7
炉次间隙＜30min	每l0min	—	5
熔化期间耽误	每l0min	—	4
炉次间隙>30rnin	每l0min	—	3
铁水	每加入10%量	45	—
双壳体	停电损失	—	27
生铁	每加入10％量	11	—

估算值

		范围
能量恢复系统	炉身，连续炼钢，预热器	30～50	—
喷管操作	因热效变化	30	30
废钢形状	熔化率	20	20
废钢分析	铁锈，水等	20	20
泡沫质量	因深度变化	20	20
排烟系统／炉子密封性	空气通入	15	15
炉内分布	电弧稳定性，废钢塌陷	15	15
后期氧化	每l0m3O2／t	30	—
电极水冷	水进入炉子	10	10
液态残渣	电弧稳定性	10	—
吹入炉子的溶剂	与添加有关	10	—
协调喷射系统	氧气控制，均匀性	15	—
烧嘴	因热效变化	5	5
穿孔尺寸	废钢塌陷	5	5

　　　

　 这些参数中有些是相互关联的，如渣添加量与废钢熔化率有关。同样地，电弧电压损耗取决于泡沫渣的深度。所有这些参数不是独立的，这意味着不可能同时得到所有有利结果。

　 当然，从能量观点而言并非每个炼钢厂都能使用等级较高的废钢，或许这些废钢不容易买到，或许是因为太贵。但是我们希望表中的列项能成为用于低能耗研究时所采用参数的一个补充。

7 总 结

　 不同炉子的能耗只有通过比较其总能耗时才会有价值。为此，已推出如下等式：

　

总能耗(kWh／t(液态))＝电能+10.5天然气+5.2(氧气－2天然气)+1.1％生铁－1.0％海绵铁+4.5％铁水

　

　 运用这个等式，得到冶炼能力为80t／h的92个炉子的平均总能耗为583kWh／t(液态物)，最小值为480kWh／t，标准偏差为50kWh／t。