摘要：比较了电弧炉和转炉的炼钢方法，从工艺、效益方面深入分析了电弧炉炼钢工艺流程的技术及最新动态。

关键词：电弧炉；炼钢；工艺；探讨

1 前言

      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。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也显示出与转炉炼钢法相当的潜力。本文根据转炉、电炉的特点，进一步分析电炉冶炼工艺的技术优势。

2 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，如冶炼周期长，每炉钢冶炼时间为240 min左右，生产率低；电耗大，达到630 kW·h/t；电极耗高，达到6.5 kg/t；没有精炼设备，产品质量及品种受到了限制；效益低、基建投资较省。

      改进后的电炉炼钢工艺的优势有（与转炉炼钢工艺相比）：

(1)冶炼周期缩短，每炉钢冶炼时间为30－60 min，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，为300～450 kW·h/t。

(3)电极消耗也大幅下降，为1.0～1.1 kg/t。

(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。

(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1。由此可见，电弧炉钢及特钢的优势是发达   国家大力发展电炉炼钢的主要原因。

表1  邯钢与舞钢钢产量和利润对比

（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。

3 电弧炉炼钢的典型范例

      2005年5月，美国纽柯钢公司在Jewect Texes厂又投产了140 t/h大电炉。当前继续兴建大电炉，充分说明了纽柯钢公司对电弧炉炼钢的高度重视。

      日本东京制铁公司投资1 220亿日元（10.2亿美元），新建年产能250万t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。

      太原钢铁公司是中国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t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。

      作为中国钢铁老大的宝钢既有特大型的高炉（4 000 m³）、转炉（300 t）、轧机等，又有60 t、100 t、150 t的电炉6座，其中150 t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3 000万t的产能。反观邯钢本部，由于没有电弧炉炼钢，能炼的钢种受到了很大局限。相比之下，无论是产量、质量，还是品种，邯钢的实力相差很大。

      另外，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2所示。天津钢管公司、安阳钢铁公司年产钢均达到了100万t，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 万～87万t。

表2  4家钢铁公司电炉的技术指标

4 现代电弧炉炼钢的工艺技术

4.1大功率输入

      大功率输入是通过缩短通电时间来提高生产效率、降低各种消耗。提高生产效率还要缩短非通电时间。缩短通电时间要求在大功率输入的同时，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呈增大趋势，计划中的大型炉的最大变压器容量比170 MV·A/120 t。世界上生产效率最高的电炉是德国Kehl BSW的2号电弧炉，1999年10月21日共出46炉，产钢坯3 519 t，每炉废钢分2次装入，在变压器容量75 MV·A、平均功率输入64 MW下作业，平均通电时间为22.5 min,平均电耗为332 kW·h/t,氧耗为38.3 m3/t。

4.2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）等优点。目前世界上二次电压呈高压化趋势，变压器的最高分流电压为1 700 V(170 MV·A)，使用最大分流电压为1 400 V。以电弧电压表示，最高实际AC炉为650 V，DC炉为600～800 V。而日本AC炉的最高变压器分流电压为1 400 V（60 Hz,100/200 M·VA）,且在高电压作业时，变压器一次侧还设有电抗器。

4.3 氧气和化学能的有效利用

      电弧炉吹氧由来已久,截至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。另外，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。

4.4 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，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，近年来电弧炉炼钢领域内的一项变革性技术。表3是宝钢DC150ｔ双炉应用PraxairCojet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。

表3  宝钢DC150 t双炉应用Cojet技术的效果

4.5 电极单耗等技术指标得到改进

4.5.1 电极单耗

      电弧的稳定性对电极消耗影响很大，可使端部消耗系数的最高值达最低值的3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。

4.5.2 电极直径的最佳值

     影响电极消耗的主要原因有：电极端部升华受电弧电流的影响;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;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;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。

4.6 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，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。

4.7 电弧炉炼钢与CSP流程的衔接

      随着电弧炉炼钢与CSP技术的成熟，目前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，如广州珠江钢铁公司等采用了150 t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－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%～20%HBI）冶炼，冶炼周期已下降到50 min以下，每座电弧炉日产能力达到30炉以上。

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

（3）电极消耗显著下降到1.1 kg/t，接近热装铁水电弧炉指标。

4.8 品种钢的冶炼和质量的提高

      由于转炉炼钢快速降低成分及工艺的原因，使其品种钢的冶炼和质量受到了一定局限，很多品种钢无法冶炼。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，可以使钢的品种增加，质量得到提高，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。

      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。

4.9 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，CO2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。

4.10 现代电弧炉炼钢的工艺流程与高炉炼铁→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2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，电弧炉炼钢能耗约270 kg/t,高炉炼铁→转炉炼钢能耗约600 kg/t,两者能耗相差约330 kg/t，而尤以高炉炼铁能耗最大，能耗约470 kg/t。

4.11 电弧炉自动化及智能化炼钢

      电弧炉自动及智能化炼钢的内涵可以分成2个方面：

（１）自动化代替人手进行吹氧、供电及加料操作，同时进行冶炼终点的自动判定。

（２）智能化设备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。

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。

      宝钢150 t电弧炉在推进模式化炼钢方面已有多年历史，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，为自动炼钢奠定了基础。

4.12 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，要积极研究解决的问题，是与电弧炉环保有关的前沿性研究课题，是迄今为止人类发现的毒性最大的一类有机污染物，

宝钢在冶金行业内率先开始了对二恶英问题的研究。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。

5 结语

      目前，中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，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。