电弧炉炼钢：铸钢件生产最广泛的炼钢方法

电炉是采用电能作为热源进行炼钢的炉子的统称。按电能转换热能方式的差异，电炉可分为：电弧炉（Electric Arc Furnace，EAF）——利用高温电弧；感应熔炼炉——利用电磁感应；电渣重熔炉——利用电阻热；电子束炉——依靠电子碰撞；等离子炉——利用等离子弧。电弧炉按照炉衬耐火材料分为碱性电弧炉和酸性电弧炉；按照供电电源可分为交流电弧炉和直流电弧炉；按照功率水平可分为普通功率电弧炉、高功率电弧炉和超高功率电弧炉。目前世界上95%以上的电炉钢是电弧炉冶炼的，因此电炉炼钢主要指电弧炉炼钢，特别是碱性电弧炉炼钢。图2-2是电弧炉炼钢过程示意图。

图2-2 电弧炉炼钢过程示意图

电弧炉是继转炉、平炉之后出现的又一种炼钢方法，它是在电发明之后的1898年，由法国的海劳尔特（Heruolt）在La Praz发明的。它发展于阿尔卑斯山（Alps）的峡谷中，原因是在距它不远处有一个火力发电厂。电弧炉的出现，开发了煤的替代能源，使得废钢开始了经济回收，这最终使得钢铁成为世界上最易于回收的材料，也为可持续发展做出了巨大贡献。

电弧炉炼钢从诞生到20世纪70年代，虽然发展速度较慢，但是电弧炉钢产量及其比例始终在稳步增长。20世纪70年代以来，电力工业的进步，科技对钢的质量和数量的要求提高，大型超高功率电炉技术的发展以及炉外精炼技术的采用，使电弧炉炼钢技术有了很大的进步。纵观我国电弧炉炼钢的发展，可以分为三个时期。20世纪90年代中期以前，我国基本上都是“老三段”的小电弧炉，1995年全国共有1561台电弧炉，平均容量约为5t/台左右，电炉钢比例在20%左右。自20世纪90年代中期到2004年这段时间，是我国电弧炉更新换代迅速发展时期。在淘汰平炉设备的同时，我国钢铁业界和政府大力倡导现代电弧炉流程，受此影响，上千台落后的“老三段”小电弧炉被快速淘汰，大量的模铸工艺被淘汰，电弧炉生产流程的结构得到优化。1995～2000年这一阶段，在世界电弧炉钢生产不断增长的同时，我国电弧炉钢产量在1800万～2000万t波动，电弧炉钢比例从23.2%下降至15.7%，原因是淘汰了大量落后的小电弧炉，使得电弧炉钢产量下降。新投产的大电弧炉产量还不够高，致使电弧炉钢产量在一个水平线上波动｡另外由于转炉钢产量的迅速增长，电弧炉钢产量增长相对比较慢，致使电弧炉钢比例下降。2001～2003年，虽然世界电弧炉钢的比例下降，但我国电弧炉钢比例却有所回升，增加了约2%。其原因，除了国民经济发展的拉动外，主要是由于新增电弧炉钢生产能力的释放，以及我国电弧炉钢工作者在国外先进技术基础上自主研发了具有中国特色的炼钢技术。电炉工作者以节能减排为主线，围绕原料、能源、装备、工艺过程以及环境问题研发应用了诸多新技术，使电弧炉炼钢高效化和环境友好化。2004年之后，我国电弧炉炼钢平稳发展，电弧炉钢比例有所下降。主要是我国对转炉流程进行大量投资导致的转炉钢生产能力的释放，使我国转炉钢产量大幅度增长，而电炉钢第一轮投资导致的潜能挖掘释放已经饱和，转炉钢增长速度高于电炉钢，从而使电炉钢比例又有所下降，2003～2004年一年内下降了2.4%，从17.6%降至15.2%。2008年，全球电炉钢比例平均水平为30%以上，我国电炉钢产量约占全国粗钢产量的12%，之后2009年、2010年和2011年分别为9.7%、8.37%和10%。传统电弧炉炼钢是以废钢为主要原料，以三相交流电作电源，利用电流通过石墨电极与金属料之间产生电弧的高温来加热、熔化炉料，过程分为熔化期、氧化期、还原期，由于炼钢过程中有一个还原期，在冶炼特钢方面具有优势，是用来生产特殊钢和高合金钢的主要方法。

与传统电弧炉炼钢相对应的是现代电弧炉炼钢，其工艺流程是废钢预热（SPH）——超高功率电弧炉（UHP-EAF）——炉外精炼（SR）——连铸（CC）。(www.xing528.com)

现代电弧炉和传统电弧炉的根本区别是，前者必须将电弧炉与炉外精炼相结合才能生产出成品钢液，电弧炉的功能变为熔化、升温和必要的精炼（脱磷、脱碳），还原期任务在炉外精炼过程中完成，调整钢液的成分、温度，减少夹杂物、气体含量等；后者用电弧炉来生产成品钢。现代电弧炉炼钢相当于把熔化期的一部分任务分出去，采用废钢预热，再把还原期的任务移到炉外，并采用熔氧合一的快速冶炼工艺，取代“老三期”一统到底的落后的冶炼工艺，形成高效节能的“短流程”优化流程，见图2-3。电弧炉作用的改变，日本人称之为“电弧炉的功能分化”。而超高功率电弧炉的完善和发展促进了电弧炉流程的进步。

图2-3 电弧炉功能的分化

电弧炉发展与装备制造业息息相关。工业的飞速发展需要大量高强度、耐磨损、耐高温、耐高压、耐腐蚀的钢材，这些钢材需要用电弧炉进行冶炼。在装备制造业中，对形状复杂铸钢件的精密度要求在不断提高，要求浇铸时金属熔液具有良好的流动性和足够高的温度，这个问题在电弧炉中能够得到很好解决。电弧炉炼钢随着炉子的大型化、采用超高功率、富氧喷碳粉技术、LF钢包精炼炉以及电弧炉自身操作工艺的进步，使其生产能力获得了很大提高。各种类型的优质钢和合金钢主要靠电弧炉进行冶炼，这主要是由于电弧炉采用废钢为主要原料，可利用废钢中的合金元素；采用电弧加热，温度高，可精确控制钢水温度；热效率高，能控制炉内气氛。此外，能较多地使用固体炉料，在冶炼合金含量高、批量小的钢种方面有明显优势。

电弧炉炼钢是铸钢件生产中最广泛的炼钢方法。从20世纪末至21世纪初，中国铸钢件的年产量达到130万～150万t，占到铸件总产量（1300万～1500万t）的10%左右，这个比例与美国等主要工业强国的状况相似。美国从1965～2001年的30多年中，铸钢件所占比例基本稳定在9%～10%。中国经济的快速、持续发展，推动了铸钢件产量的持续增长。2003～2008年，铸钢件产量达到253万～420万t，已占到铸件总产量的10%～12%。2012年1～5月份，统计结果显示铸钢件产量达到432.3万t。一些铸钢企业利用资金、设备条件的优势，不断加大资本的投入力度并加快技术改造的步伐，大量引进了国外大型、先进铸钢生产设备，生产纯净、优质钢液，制造高附加值的重型、大型铸钢件，显著提升了中国铸钢业的整体水平，使替代或减少进口高附加值铸钢件的期待成为现实。铸钢电弧炉作为这类企业的主要工艺设备，其产量和产品的质量性能是企业关心的主要方面。但另一方面，铸钢电弧炉作为这类企业的主要耗能设备，其能耗指标又直接影响着企业的总能耗指标、经济效益和产品市场竞争力。为了提高经济效益，减少环境污染，在电弧炉炼钢生产中，开发和利用了多项节能减排技术，也正是如此使电弧炉优势凸显。