电弧炉熔炼节能技术应用现状与发展胜山 （工业大学机电研究 430070）摘 要：叙述了电弧炉在采用熔炼新技术，降低电气设备电能损耗，控制出钢温度、渣量和留钢量，加强炉料管理和生产组织管理等方面的节能措施及其应用效果，探讨了电弧炉熔炼节能技术的发展趋势。

关键词：电弧炉；熔炼；节能电弧炉和感应电炉是铸钢的两种主要熔炼设备。

与感应电炉比较，电弧炉具有如下主要优点：电弧炉炉渣参与冶金反应，可有效去除硫和磷；对原材料的要求较低，可以使用废钢和铸造回炉料以任何比例组成的炉料；钢水质量容易得到保证，适于生产各种铸钢件。

但是也有不足，例如：有电弧超高温作用，元素烧损较多；无电磁搅拌作用，不利于钢液温度均匀和夹渣上浮；加热速度较慢，热效率较低，能耗较高。

据测算：输入电弧炉的能量只有约 57％直接用于电弧炉炼钢，其余43％左右为损失热量。

损失的热量中，约12.5％为炉盖和炉壁冷却水损失，约23％为废气带走的损失，约7.5％为炉渣带走的损失。

因此，电弧炉的节能是一个重要课题。

近40年来，电弧炉节能降耗的多种技术措施得到发展和应用。

图1定量描述了这些技术措施在降低电弧炉的熔炼时间、电耗与电极消耗方面的预期效果。

但是，能源和电极的实际消耗量要比图中数据高：德国在2005年的能耗是525kW·h /t+天然气11m 3/t ；美国2000年的能耗数据是电500kW·h /t+煤23kg/t+氧气34m 3/t+天然气8.5m 3/t 。

图1 电弧炉熔炼技术措施的发展历程及其效果 可见：电弧炉的节能还是一项需要广大铸造工作者继续努力的长期课题。

电弧炉节能可从以下三个方面着手：一是采用新技术减少热损失；二是降低电弧炉有关电气设备的电能损耗；三是加强生产管理，降低能耗。

1 采用新技术1.1 高功率炼钢法高功率炼钢法是通过增大熔化功率，加大熔化电流，缩短熔化时间，来达到节能目的。

许多企业采用这项技术后，取得了较好的节能效果。

如某厂的3t电弧炉，原变压器容量为650kVA，在变压器容量改为1250kVA后，熔化期时间缩短了一半左右，吨钢电耗也随之降低。

但在采用高功率炼钢法时，应注意供电曲线的合理选用，不能整个过程都采用高功率炼钢，否则不但不会使炼钢单耗降低，反而会使单耗增加。

如某厂一台5t电弧炉，变压器扩容后，整个过程都采用高功率炼钢，结果炼钢单耗反而上升了46kW·h/t。

实际生产中，应根据电弧炉的特性曲线确定作业电流，同时按熔炼各时期的特点确立用电规。

目前，我国铸钢行业所用的电弧炉数量很多，却很少有测定电弧炉用电特性曲线的。

图2图2 交流电弧炼钢炉的用电特性曲线从图2可见：(1)电压一定时，随电流增大，来自电网的功率P1增大。

到达P曲线的峰值以后，由于设备的功率因数COSφ降低，无功功率P3增大，P1不但不增大，反而急剧下降。

可见，盲目增大电流不仅无益，而且对电网和设备都非常有害。

(2)实际上用于炼钢的有用功率P2的峰值与P1峰值所对应的电流并不一致。

P2峰值对应的电流I0，一般都小于P1峰值所对应的电流I0′。

P l最大时，由于电器设备的阻抗而损失的无功功率P3增大，电效率η下降，有用功率P2并不最大。

因此，电弧炉运行的作业电流应该是I0，无论如何也不应超过I0′。

(3)目前还不可能用仪表显示有用功率P2并用以控制电炉的供电，一般都用电流控制。

电流控制是灵敏的，但如无特性曲线为依据，就可能导致效率降低，电耗增大。

例如：当作业电流为I1时，认为功率不足而增大电流，当然是正常的，但如简单地将作业电流增大到I2，输入的功率大幅度增加，而有用功率并未增加。

电弧炉炼钢过程中，由于各熔炼阶段具有不同的特点，所以还应根据每一熔炼阶段的炉况确定各自的作业电压，以便在尽可能的发挥变压器的供电能力的同时，减少热损失,并提高炉衬的寿命。

作业电压愈高，则输入功率愈大。

但电压愈高，电弧也会愈长，对炉墙、炉盖的辐射也增强，热损失增大。

只有在熔化期间，电弧埋入炉料后，才可用最高电压，正好这时需要最大的功率。

氧化期间，钢液处于沸腾状态，而且炉渣的黑度系数大，易于吸热，电弧的能量较易于传递到炉渣和钢液，可用适中的作业电压。

由于此时电弧是裸露的，不宜用最高电压。

还原期间，钢液静止，不利于提温，且此时炉渣黑度系数小，易反射电弧热量于炉衬、炉盖，故应避免电弧太长，宜用低电压作业。

每一台电弧炼钢炉安装完毕后，都应根据电气设备配置的具体情况，通过短路试验测定线路的基本参数，再计算每一电压下线路的平均参数，画出每一级电压下的用电特性曲线。

每一铸钢厂都应按照电炉设备特点和所炼钢种冶炼要求，制定合理用电规，规定冶炼各阶段作业电压；再根据电炉在每一种电压下作业时的特性曲线，规定作业电流。

据初步估算，如采用合理用电规，熔炼电耗至少可降低5％。

前述5t电弧炉，在重新合理选用供电曲线后，单耗下降了104kw·h/t，取得了较好的节能效益。

1.2 辅助熔化技术及设备随着电弧炉炼钢技术的发展，辅助熔化技术及设备越来越完善。

常见的辅助熔化技术有吹氧助熔、煤气或油助熔和底气搅拌等。

在电弧炉冶炼过程中进行强化用氧的目的除了加快脱碳速度以外，还充分利用氧气与原料中易氧化元素发生化学反应所放出的热量，达到节能降耗的效果。

各种元素氧化的理论热值如表1所示。

吹氧助熔可以使熔化期缩短20～30min，钢水熔炼能耗可下降 80～100kw·h/t。

强化用氧技术已经成为电弧炉炼钢重要的技术方向。

表1 熔池中各元素氧化产生的理论热值元素产物反应热相对成本（参考值）kJ/kg kW·h/kgAl Si Mn Fe C C Al2O3SiO2MnOFeOCOCO214 57211 3292 1764 25011 63934 8384.053.150.601.183.239.683.73.26.01.80.5～0.60.3～0.6合理的吹氧助熔时间，不但可以达到快速化料的目的，还可以节约氧气，减少炉料烧损。

一般应在炉料大部分发红、炉底出现熔池时，开始吹氧助熔，压力掌握在0.4～0.6MPa。

可采用废电极块、焦炭提高配碳量，适当提高用氧强度。

在钢中磷含量不高的情况下，尽量不要使用矿石，因为矿石氧化是吸热反应，受影响环节多，脱碳速度慢，而氧气氧化是放热反应，脱碳速度快，明显缩短熔氧时间。

如每吨钢氧化掉 0.1％碳，用氧气氧化比用矿石氧化省电16 kW·h。

煤气助熔是将煤气和氧气由喷枪送入炉，在炉膛燃烧以加热炉料。

喷枪的结构较为简单，即用2根不同直径的不锈钢管，同心地套在一起而成，并安装在炉前一侧的旋转架上。

油氧喷枪可安装在炉膛的低温区，渣线以上 150～200 mm的炉墙上与水平线成13°～18°夹角。

一般采用煤气助熔后，可节电 15％～20％，效果显著。

电炉炼钢中应用喷粉技术，在国外已十分普遍。

部分辅料如石灰粉、碳粉、铁合金粉、铝渣粉剂、脱硫剂等，依靠设置在炉前的料罐和粉体输送计量装置，以压缩空气或氮气作载体，直接喷吹到电炉溶池里。

粉状料的喷吹输送强化了冶炼过程，可有效地控制炉况，提高脱磷、脱硫反应速度，对节电、缩短冶炼时间均有良好的效果，同时改善了作业环境。

底气搅拌等技术可使熔化时间由原先的3～4h降至50～60min，也有着较好的节能效益。

1.3 泡沫渣埋弧冶炼技术泡沫渣埋弧冶炼技术是指：在电弧炉冶炼过程中，吹氧的同时向熔池喷碳粉或碳化硅粉，加剧碳氧反应，在渣层形成大量的CO气体泡沫，使渣层厚度达到电弧长度的2.5～3.0倍，电弧完全被屏蔽，从而减少电弧辐射，提高电弧炉的热效率，缩短冶炼时间，降低电能消耗，延长炉衬和炉顶的使用寿命，大幅度地提高生产率。

实现泡沫渣冶炼的方法很多．但无论哪种方法都是使渣中的FeO与C反应生成 CO气体，弥散在渣中，形成液渣膜分隔的密集排列的气孔状结构，CO气泡缓慢地从渣中溢出，使炉渣保持泡沫化的状态。

泡沫渣的碱度、渣中FeO质量分数等是影响发泡性能的重要参数。

图3、图4分别表明了泡沫渣碱度和成分对泡沫渣高度的影响。

图3 炉渣碱度对泡沫渣高度的影响图4 炉渣中w(FeO) 对泡沫渣高度的影响炉渣的粘度也影响泡沫渣的形成。

熔渣粘度低，发泡性能差。

随粘度的升高，熔渣发泡幅度增大，粘度为8Pa·s时达到最大值。

主要原因是：当熔渣粘度适当增大，气泡聚集长大上浮逸出的速度减慢，而使泡沫渣稳定时间持续延长。

若熔渣粘度过高，弹性较差，液渣膜易破裂，使气泡稳定性减小，故炉渣泡沫化的程度反而降低。

电弧炉炼钢采用泡沫渣埋弧冶炼工艺，能有效节能降耗。

因此无论是超高功率电弧炉还是普通功率电弧炉，采用泡沫渣冶炼工艺都很普遍。

其具体使用效果如下：（1）提高传热效率电弧炉炼钢是靠电弧加热。

若电弧过长，则对炉衬和炉顶的热辐射增加，使热损失增大，同时也使炉衬和炉顶的寿命降低，耐火材料消耗增加，生产率受到影响。

为克服上述缺点，不得不采用短电弧和大电流供电。

但是，电流过大会使电能消耗增加。

而泡沫渣冶炼工艺可使电弧被泡沫渣屏蔽，故可采用长电弧高电压供电，因而使电能消耗减少，同时也使传热效率得到提高，功率因数由0.63提高到0.88。

由于没有剧烈的沸腾，熔池的升温速度持续稳定，可达6～12℃/min。

图5为国某厂5 t电弧炉采用泡沫渣冶炼工艺与普通渣工艺的升温速度的关系曲线。

又由于电弧被屏蔽，使电弧稳定，电压和电流的波动减小，电弧闪烁亦相应减小，变压器的功率得以充分发挥，并能稳定电网，使传热效率由30％提高到60％。

图5 氧化期泡沫渣工艺与普通渣工艺升温过程比较（2) 降低电能消耗用长电弧高电压供电，可使电能消耗降低。

采用泡沫渣冶炼工艺，必须向熔池大量吹氧，形成以氧代电。

据某厂统计：采用泡沫渣冶炼工艺后，可使每炉钢的平均冶炼时间缩短 17 min，每吨钢节电116.3kW·h，炉衬寿命提高65％。

另外，由于加入碳粉等还原剂，使渣中FeO的还原率可达60％，使金属收得率得到提高。

（3）降低电极消耗电弧炉炼钢过程中电极消耗的50％～70％是由电极表面的氧化造成。

据测定，碳和石墨的氧化大约从500℃开始，超过750℃氧化急剧增加，且随着温度的升高而加剧。

电极表面氧化消耗的量 G与氧化速度V、电极表面积S、工作时间t有关，其表达式为：G ∝V·S·t可见电极在恶劣工作环境中工作时间越长，电极在高温下暴露在环境中的表面积越大，电极氧化损失也越大。

而采用泡沫渣埋弧冶炼工艺后，由于电弧被渣层屏蔽，电弧的辐射热相对于普通渣工艺减少，环境温度相对较低，因而可减少电极的氧化，又有利于提高二次电压，降低二次电流，使电能消耗减少，电极消耗减少2 kg/t钢以上，使生产成本降低，生产率提高，同时也使噪音减小，噪声污染得到控制。