【文章內(nèi)容簡介】 體放電形成電弧時能 量很集中，弧區(qū)溫度在 3000℃以上。對于熔煉金屬，電弧爐比其他煉鋼爐工藝靈活性大，能有效地除去硫、磷等雜質(zhì)，爐溫容易控制，設(shè)備占地面積小，適于優(yōu)質(zhì)合金鋼的熔煉。電弧爐按電弧形式可分為三相電弧爐、自耗電弧爐、單相電弧爐和電阻電弧爐等類型。電弧煉鋼爐的爐體由爐蓋、爐門、出鋼槽和爐身組成，爐底和爐壁用堿性耐火材料或酸性耐火材料砌筑。電弧煉鋼爐按每噸爐容量所配變壓器容量的多少分為普通功率電弧爐、高功率電弧爐和超高功率電弧爐。電弧爐煉鋼是通過石墨電極向電弧煉鋼爐內(nèi)輸入電能，以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進行煉鋼 。電弧爐以電能為熱源，可調(diào)整爐內(nèi)氣氛，對熔煉含有易氧化元素較多的鋼種極為有利 。 電弧爐煉鋼發(fā)明后不久，就用于冶煉合金鋼，并得到較大的發(fā)展。 隨著電弧爐設(shè)備的改進以及冶煉技術(shù)的提高，電力工業(yè)的發(fā)展，電弧爐煉鋼的成本不斷下降，現(xiàn)在電弧爐煉鋼不但用于生產(chǎn)合金鋼，而且大量用來生產(chǎn)普通碳素鋼，其產(chǎn)量在主要工業(yè)國家鋼總產(chǎn)量中的比重，不斷上升。 電弧爐煉鋼發(fā)展概況 電弧爐煉鋼起源可上溯到 1853 年，法國人皮松 (Pisson)用兩根水平電極在熔池上方發(fā)生電弧間接加熱熔池，熔煉金屬成功。 1879 年西門子 (K． w． Siemens)改用一根直立電極與金屬熔池直接產(chǎn)生電弧而加熱熔池。 1899 年，美國有人曾試用兩根直立電極直接加熱熔池的方法，但使用的仍是直流電源，功率不足以熔化廢鋼，未能用于生產(chǎn)。近代電弧爐煉鋼的雛型是 1907年美國出現(xiàn)的埃魯 (P． L． T． HEroult)式電弧爐 三相交流電弧爐。由于其功率大、工藝靈活、 第 2 頁 可用廢鋼為原料、產(chǎn)品質(zhì)量高而贏得市場，隨后推廣到各國。 電弧爐煉鋼是向爐內(nèi)通過 3個石墨電極輸入交流電，電極下端與爐料之間放電產(chǎn)生電弧，利用電弧的熱效應(yīng)，使電能在弧光中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿⒔柚椛浜碗娀〉闹苯幼?用加熱并熔化金屬和爐渣，使煉鋼過程得以進行，冶煉出各種成分的鋼。 電弧爐分類 這種電弧爐用三相交流電為電源，一般用碳素電極或石墨電極。電弧發(fā)生在電極與被熔煉的爐料之間，爐料受電弧直接加熱。電弧長度靠電極升降調(diào)節(jié)。 為提高熔煉質(zhì)量，大型電弧爐在爐底裝有電磁攪拌器，驅(qū)使?fàn)t內(nèi)熔螎金屬沿一定方向循環(huán)。50 噸以上的電弧爐常裝有爐體回轉(zhuǎn)機構(gòu)，爐體能左右旋轉(zhuǎn)一定角度，使?fàn)t料受熱均勻，金屬液出爐時爐體可以傾斜。三相電弧爐廣泛用于煉鋼。 這種電弧爐的電極就是被熔煉鋼的原料。熔煉時 ，隨著鋼原料的不斷被熔化，電極不斷下降。熔化的鋼水滴入用水冷卻的紫銅筒形坩堝內(nèi)，凝結(jié)成鋼錠。這種爐主要用于合金鋼的熔煉。用于熔煉鈦、鋯、鎢、鉬、鉭、鈮等活潑金屬和難熔金屬的自耗電弧爐，一般在真空下工作，因而稱為真空自耗電弧爐。 這類電弧爐用單相交流電供電。爐料在電弧間接加熱。單相電弧爐多用于銅和銅合金的熔煉。 爐子結(jié)構(gòu)同煉鋼電弧爐相似。工作時，電極下端埋在爐料內(nèi)起弧，除電極與爐料間的電弧發(fā)出熱量外，電流通過爐料時爐料電阻也產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量。這類電弧爐主要用于礦石的冶煉 ,因 此又稱礦熱爐。 第 3 頁 電爐煉鋼的發(fā)展 在過去的 20 年中 ,我國電爐煉鋼得以迅速增長，至 2021 年底已有 19 座 70t 超高功率電弧爐投入運行。電爐鋼的迅速增長已成了第二位的煉鋼方法。在工業(yè)發(fā)達國家大部分電弧爐鋼是一般鋼種，電弧爐煉鋼已成為重要的常規(guī)生產(chǎn)技術(shù)，而不僅僅是生產(chǎn)特殊鋼、合金鋼的特殊生產(chǎn)技術(shù)。這項技術(shù)之所以能迅速發(fā)展得宜于以下幾個主要條件： (1) 冶煉周期縮短為 60～ 100min。 (2) 電能充足、電價穩(wěn)定，噸鋼電耗不大于 375kW178。 h。 (3) 電爐趨向大型化 ,超高功率化 ,與爐 外精煉配合 ,冶煉工藝強化 ,生產(chǎn)率大大提高。 (4) 鋼液溫度和成分容易控制，品種適應(yīng)性廣。 在過去 20 年中，電弧爐煉鋼的用氧技術(shù)取得了矚目的發(fā)展。氧氣的利用已由最初的脫碳反應(yīng)躍居為電弧爐的第二熱源，部分取代了相對昂貴的電源。現(xiàn)代電弧爐煉鋼的供氧量為 20～40m3/t，甚至更高。其向熔池提供的化學(xué)能占總輸入能量的 30%～ 40%。先進的電弧爐廣泛采用強化供氧和泡沫渣冶煉、廢鋼預(yù)熱等技術(shù)，因而電弧爐的冶煉時間大大縮短，即使 100t 以上的大型電爐，全爐的冶煉時間也只有 60～ 70min，噸鋼電耗不大于 375kW178。 h，噸鋼電極消耗不大于 。 電弧爐煉鋼的新技術(shù) 超高功率電弧爐技術(shù) 為提高電弧爐煉鋼的生產(chǎn)率和降低成本 ,1964 年 , 在美國礦冶石油工程師協(xié)會的電爐會議上 , 美國的 Schwabe 和 Robinson 共同提出了超高功率的概念。超高功率電弧爐具備如下特征 : （ 1）具備較高的單位功率水平。 第 4 頁 （ 2）高的電弧爐變壓器最大功率利用率和時間利用率。 （ 3）較高的電效率和熱效率。 （ 4）較低的電弧爐短網(wǎng)電阻和電抗 , 且短網(wǎng)電抗平衡。 強化供氧技術(shù) 近代電弧爐煉鋼大量使用氧氣 , 有的甚 至達到 45m3/t, 再加上冶煉周期縮短至 40～60min,故有“電爐煉鋼轉(zhuǎn)爐化”之說。現(xiàn)代電弧爐煉鋼過程中，水冷超音速氧槍已廣泛地用于助熔、脫碳和爐內(nèi)供氧操作中。近幾年國外某公司發(fā)明了一種新氧槍即聚流氧(Co2herentJet) 用于電爐煉鋼中。聚流氧槍與超音速氧槍相比 , 具有氧氣射流長度長、吸入空氣少、射流發(fā)散少、衰減慢和射流沖擊力大等優(yōu)點。 電弧爐智能控制技術(shù) (專家系統(tǒng) ) 電弧爐專家系統(tǒng)是一種新型解決工藝優(yōu)化問題的方法。 DanExp 系統(tǒng)在意大利 ABS 煉鋼廠DANARC Plus 工藝中 得到了應(yīng)用。專家系統(tǒng)可以幫助技術(shù)人員改進工藝設(shè)計和管理 ,為操作者提供單爐分析、熔化曲線設(shè)計和工藝控制的完整工具。 直流電弧爐技術(shù) 直流煉鋼電弧爐結(jié)構(gòu)的特點是只有 1 根爐頂石墨電極和相應(yīng)的爐底電極。直流電沒有集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng) ,因此在石墨電極和導(dǎo)電體截面中電流的分布是均勻的 ,從而可以減少這些部件的尺寸和重量。全部電流都要通過爐頂中心的單電極 ,為此應(yīng)用電流密度大的超高功率石墨電極。大型可控直流電源和爐底電極是直流煉鋼電弧爐最關(guān)鍵的技術(shù)。 直流電弧爐有如下特點： （ 1）石墨電極消耗大幅度降低； （ 2）電 壓波動和閃變小，對前級電網(wǎng)的沖擊小； （ 3）只需一套電極系統(tǒng)，可使用與三相交流電弧爐同直徑的石墨電極； 第 5 頁 （ 4）縮短冶煉時間，可降低熔煉單位電耗 5 %～ 10 %； （ 5）噪音水平可降低 10～ 15 dB ； （ 6）耐火材料消耗可降低 30 %； （ 7）金屬熔池始終存在強烈的循環(huán)攪拌。 熱裝鐵水技術(shù) 鐵水在 1 350 ℃時其熱焓為 1221 kJ/kg。因此每加熱 1t 鐵水即可帶入物理熱 179。106kJ，相當(dāng)于 339 kW?h 的電能。從元素氧化釋放熱量的角度來看，氧化鐵水中元素所釋放的熱量要比氧化廢鋼中元 素所釋放的熱量多。以 1t 鐵水代替 1t廢鋼為例，按 1400 ℃時元素氧化釋放的熱量計算，鐵水氧化后多釋放的化學(xué)熱為 559265 kJ，相當(dāng)于 155 kW?h 的電能。因此熱裝 1t 鐵水，可節(jié)電 339＋ 155＝ 494 kW?h 。電弧爐煉鋼法的基礎(chǔ)是廢鋼的穩(wěn)定供給，而由高爐向電弧爐直供熱裝鐵水不但可以緩解廢鋼資源緊缺的壓力，同時，熱裝鐵水帶入大量的物理顯熱，并有大量的 C、 Si、 Mn 等元素與 O 反應(yīng)釋放大量的化學(xué)潛熱，可有效地提高熔池溫度，降低冶煉電耗，減少電極等輔助材料的消耗，縮短冶煉周期，從而提高煉鋼生產(chǎn)效率 。電弧爐熱裝鐵水能顯著降低冶煉能耗與煉鋼本身的總能耗，但鐵水煉鋼是一個從鐵礦石到冶煉的長流程工藝，其總能耗比用廢鋼為原料的短流程工藝約高出一倍，因此電弧爐熱裝鐵水只適用于具有多余鐵水的鋼鐵企業(yè)。 電弧爐偏心爐底出鋼技術(shù) 為了實現(xiàn)無渣出鋼 , 1974 年德國蒂森公司的 50t 超高功率電弧爐首先采用了電弧爐爐底出鋼技術(shù)。偏心爐底出鋼與傳統(tǒng)電弧爐出鋼方法相比具有如下優(yōu)點： （ 1）爐內(nèi)能保留 98% 以上的鋼渣 , 這些液態(tài)鋼渣有利于下一步爐料的熔化和脫磷， 提高生產(chǎn)率 15% 左右。 （ 2）出鋼時，電爐傾動角 度小于 15 度 (傳統(tǒng)電爐為 40～ 45 度 ) ，爐體能增加水冷爐壁使用面積，噸鋼耐火材料消耗可降低 25%；同時縮短短網(wǎng)長度，降低阻抗 8% 左右。 第 6 頁 （ 3）出鋼時鋼液垂直下降，呈圓柱形流入鋼包 ,縮短了在空氣中的路徑，鋼液的溫降減少，可降低出鋼溫度 25～ 30℃， 相應(yīng)節(jié)約電力消耗 20～ 25kW /h ，同時減少了鋼液的二次氧化。 （ 4）偏心爐底出鋼提高了鋼液的純凈度 ,，減少了夾雜物的含量 , 提高了鋼液脫硫效率，并能防止鋼液的回磷。 電弧爐發(fā)展現(xiàn)狀 在國際上，電弧爐裝備技術(shù)的發(fā)展大體經(jīng)歷了以下幾個價段： 20世紀 70 年代，常規(guī)交流超高功率電爐及其配套技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，使電爐的生產(chǎn)效率大大提高，技術(shù)經(jīng)濟指標大大改善； 20 世紀 80 年代，直流電弧爐得到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用； 20世紀 80 年代后期至 90年代中期，利用高溫廢氣對廢鋼和 CO進行預(yù)熱后再燃燒的技術(shù)，以及用化學(xué)能代替部分電能的各種節(jié)能電爐技術(shù)被成功開發(fā)并應(yīng)用。 我國電爐煉鋼在 20世紀 80 年代以前一直處于落后的狀態(tài)。當(dāng)時，全國有 3000 多座容量為 3噸 — 30 噸的小電爐，功率水平普遍不大于 350kVA／ t。這些小電爐多采用落后的“老三段”冶煉工藝 (即在電爐內(nèi)完成熔化、氧化、還 原三步冶煉任務(wù) )，電爐生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量差、能源消耗高、生產(chǎn)過程污染嚴重。 我國電爐鋼生產(chǎn)能力在 90年代得到發(fā)展，在 90 年代中期的 2021 萬噸／年，提高到 2021 年的 4035 萬噸 /年。與此同時，電爐煉鋼產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟指標也明顯改善，如 2021 年，舞陽鋼鐵公司 90 噸電爐的技術(shù)經(jīng)濟指標已全面超越了當(dāng)時國際上指標最先進的德國巴登鋼廠。 表 11 近年來世界電弧爐鋼產(chǎn)量 年份 鋼總 產(chǎn)量，萬噸 電弧爐鋼總產(chǎn)量，萬噸 電弧爐鋼比例， % 1960 34909 3456 1970 59993 8519 1980 71600 15752 1990 76924 21154 第 7 頁 2021 84131 28352 2021 84296 29588 2021 89791 30439 2021 96124 32682 2021 104858 2021 112634 2021 124054 38742 表 12 世界主要產(chǎn)鋼國家電弧爐鋼產(chǎn)量所占比例 年份 2021 2021 2021 2021 2021 2021 日本， % 美國， % 原蘇聯(lián)， % 德國， % 巴西， % 韓國， % 年份 2021 2021 2021 2021 2021 2021 中國臺灣， % 世界合計， % 我國電弧爐發(fā)展方向及預(yù)測 我國電弧爐煉鋼的發(fā)展重點 原料多樣化及合理供電。電弧爐原料范圍得到擴展，包括鐵水、 DRI/HBI、碳化鐵等；從交流爐向超高功率、高阻抗交流爐及直流爐發(fā)展。 能量多元化。為提高能量輸入強度以縮短冶煉周期，多種形式的能力利用技術(shù)被采用， 第 8 頁 如機械式氧碳槍、二次燃燒、爐壁氧 燃燒嘴、底吹氣等。 余熱利用。電弧爐煉鋼技術(shù)發(fā)展的集中體現(xiàn)，是基于不同的解決方 案，各種爐型的不斷涌現(xiàn)，如豎爐、 Consteel 爐、雙爐殼、 CONARC 爐、 ECOARC 爐等形式電弧爐。 綠色環(huán)保。三級除塵、綜合利用電弧爐除塵粉、爐渣再利用等已成為常規(guī)的環(huán)保措施。眾多電弧爐均重視全封閉冶煉，在控制煙塵放散方面也有專門措施。 我國電弧爐煉鋼的發(fā)展展望 基于連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)集成的高效節(jié)約型生產(chǎn)流程。生產(chǎn)品種的擴展，從起初的長材、扁平材擴展到板帶材；電弧爐容量及短流程生產(chǎn)規(guī)模不斷