[科普中国]-电弧炉炼钢

简介

电弧炉炼钢通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢的方法。电弧炉以电能为热源，可调整炉内气氛，对熔炼含有易氧化元素较多的钢种极为有利，发明后不久，就用于冶炼合金钢。并得到较大的发展。随着电弧炉设备的改进以及冶炼技术的提高，电力工业的发展，电炉钢的成本不断降低，现在电炉不但用于生产合金钢，而且大量用来生产普通碳素钢，其产量在主要工业国家钢总产量中的比重，不断上升。

简史电弧炉炼钢起源可上溯到1853年，法国人皮松(Pisson)用两根水平电极在熔池上方发生电弧间接加热熔池熔炼金属成功。1879 年西门子(K. W. Siemens)改用一根直立电极与金属熔池直接产生电弧而加热熔池。1899年，美国有人曾试用两根直立电极直接加热熔池的方法，但使用的仍是直流电源，功率不足以熔化废钢，未能用于生产。近代电弧炉炼钢 的雏型是 1907 年美国出现的埃鲁(P.L.T.Heroult)式电弧炉—三相交流电弧炉。由于其功率大、工艺灵活、可用废钢为原料、产品质量高而赢得市场，随后推广到各国。

电弧炉炼钢是生产中、高合金钢和优质钢的主要方法。在电能和废钢资源多且便宜的工业发达地区，电弧炉生产的普通碳素钢，已在市场占有日益增大的份额。随着工业和技术的发展对合金钢、优质钢需求量不断增长，到20世纪80年代末，电弧炉钢在世界粗钢年总产量中已占30%左右(见表1)。由于各国资源、技术及社会条件不同，电炉钢产量偶有起伏，但增长势头不变。到20世纪末，世界电弧炉钢所占比例将达35%。到20世纪80～90年代电弧炉容量多为40～120t，200t电炉亦属常见，最大的电弧炉容量为400t，然而世界电炉钢75%的产量出自所谓“小钢厂”，即年产钢量为5～25万t、带有连铸机和小型轧机的钢厂。

基本工艺电弧炉炼钢的基本工艺包括扒渣补炉、装入金属炉料、送电、熔化、氧化、还原精炼和出钢。按照所冶炼钢种特点的不同，可有不同的操作方法，传统的工艺主要是具有熔化、氧化、还原三个期的操作，还原期采用扩散脱氧和沉淀脱氧，需造白渣或电石渣，每炉冶炼要3～4h，电耗高达600～700kWh/t。随着技术的不断发展，电弧炉炼钢工艺也发生了很大变化，熔化期采用辅助能源加速熔化，如喷吹油—氧、天然气—氧或煤粉—氧，每炉熔化时间缩短了15～20min，电耗可减少50～60kWh/t;氧化期采取提前脱磷、强化用氧、喷粉造泡沫渣、快速升温等措施，可使氧化脱碳量从传统工艺的0.3%降低到0.1%～0.15%，从而氧化期可缩短时间50%以上。还原期则将传统工艺中的扩散脱氧为主改为沉淀脱氧为主，扩散脱氧为辅，不仅能达到预期的精炼效果，钢质量有保证且缩短还原时间60%以上。工艺的改进在钢水质量得到保证的同时，生产率亦随之提高20%左右，电耗降低10%～15%，电极消耗降低8%左右，取得可观的经济效益。

操作方法有碱性操作法和酸性操作法之分。碱性操作法 以碱性耐火材料作炉衬，冶炼过程造碱性渣，其特点是可脱除原料中的硫和磷，使成品钢中硫、磷含量达(100～10)×10-4%以下。这种操作工艺对废钢中硫、磷含量原则上无限制，但从炉子生产率及钢成本考虑，硫、磷含量应不高于0.05%;易沉于炉底的金属杂质铅、锌、锡等和不易氧化除去的镍、铜、锌等均应尽量避免。所用铁合金、造渣剂、炼钢生铁等原材料要求有效成分高且干燥。碱性操作在装料期、熔化期以后进入精炼期，精炼期又分氧化和还原两个精炼阶段，根据精炼期是分别造氧化渣和还原渣来进行氧化精炼和还原精炼，抑或只造一次渣而兼顾两种精炼需要，碱性操作又分双渣法和单渣法。

碱性操作(1)双渣法。适用于炉料含磷高、氧化脱磷任务大的冶炼。炉料熔化后先造高碱度(CaO50%～60%，CaO/SiO2=2～4)、高氧化性(FeO15%～20%)的渣，脱磷的同时脱碳、去气并升温至还原精炼所需的温度。氧化精炼达到要求后，扒净氧化渣，再造高碱度还原渣去硫、脱氧。还原渣有两种：白渣和电石渣。前者含CaO60%、SiO215%～20%、FeO1%，呈白色，冷却后易粉化，适用于冶炼含碳0.35%以下的钢种;后者除FeO较低(0.5%)外，还含CaC22%～4%，故名电石渣，其还原性更强，适用于冶炼高碳钢件。

(2)单渣法。只造一次渣，通过对渣成分的调整来满足两种精炼的要求。此法只适用炉料含磷低，脱磷任务轻的冶炼，由于脱磷后渣中含磷低，可不换渣而直接脱碳、升温转入还原精炼。有些高合金废钢的返回冶炼，为避免合金元素氧化损失，也可不作氧化而只做还原精炼。对一些还原精炼没有高要求的普碳钢，亦可只作氧化精炼，当成分合格、升温后即可出钢，二者均属单渣法。

酸性操作法电弧炉以酸性耐火材料为炉衬，冶炼过程造SiO2饱和的酸性渣。该渣不具有脱硫、脱磷的能力，要求废钢含硫、磷在所炼钢种规格以下。因此类废钢来源少、价格高，限制了酸性操作的发展。酸性操作特点是：炉渣导电率低、升温快、电效率高。酸性渣和炉衬中的SiO2在炼钢温度下活性高，极易被炉料中的碳、铝、钛、锆等还原。还原期主要依靠渣中SiO2还原来脱氧，称为硅还原脱氧。酸性法炼钢周期比碱性法短，多用于铸钢车间。

发展前景电弧炉炼钢是在与氧气转炉炼钢并立且竞争中取得其地位的。20世纪80年代初，氧气转炉已能炼出电弧炉能炼的多数钢种，但它消耗的废钢量却不高于废钢产量的30%，其余的均为炼钢电弧炉耗用，随着世界总体工业化程度的提高，必然伴以废钢资源增加，再加上核电的普及，使电弧炉炼钢具有长远发展的物质保证。电弧炉炼钢技术发展的重点则随各国电弧炉炼钢发展程度不同而异，总的方向是：继续推广高功率电弧炉和超高功率电弧炉，扩大炉容，提高生产率;采用水冷炉壁、水冷炉顶，减少炉衬费用;继续发展炉外精炼，使电弧炉的功能变成单纯的熔化废钢，从而充分利用变压器功率;发展铁矿石直接还原技术，以其产品代替废钢，扩大金属料来源，全直接还原料冶炼可采用连续装料而无须启、闭炉顶，以节省电能;开发新的电炉钢种以及在配料、供电、操作、炉前分析等方面采用电脑自动控制等技术。2