1中國(guó)電弧爐煉鋼產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)
2003年我國(guó)電爐鋼產(chǎn)量占比最高達(dá)17.6%， 2016年占比下滑到最低點(diǎn)7.3%，產(chǎn)量?jī)H為5884萬(wàn)噸。2003年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量為2.22億噸，2016年增加到8.08億噸，主要是由于轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量的提高。
造成電爐鋼產(chǎn)量比例低的原因是電爐煉鋼成本方面的競(jìng)爭(zhēng)力低于轉(zhuǎn)爐煉鋼。主要原因是2003-2016年間，①國(guó)內(nèi)廢鋼資源的供應(yīng)緊張，廢鋼使用成本高；②工業(yè)電價(jià)偏高，造成電爐煉鋼鐵水兌入比例持續(xù)升高，甚至出現(xiàn)了不用廢鋼的全鐵水電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉方式，不能充分發(fā)揮電弧爐煉鋼在資源能源節(jié)約、環(huán)境友好方面的優(yōu)勢(shì)；③由于爐外精煉技術(shù)的完善，一些原來(lái)由電爐流程生產(chǎn)的軸承鋼、齒輪鋼以及不銹鋼等傳統(tǒng)特鋼產(chǎn)品，轉(zhuǎn)爐流程占了大部分產(chǎn)量，電爐煉鋼除在鑄造行業(yè)及高合金鋼生產(chǎn)領(lǐng)域仍占一定地位外，生產(chǎn)特鋼的優(yōu)勢(shì)明顯下降，嚴(yán)重阻礙了電弧爐煉鋼產(chǎn)量及技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展。
2017年國(guó)家大力淘汰中頻爐“地條鋼”產(chǎn)能1.2億噸，落后鋼鐵產(chǎn)能5000萬(wàn)噸，廢鋼量達(dá)1.4億噸，廢鋼資源以及電力供應(yīng)情況得到改善。同時(shí)，對(duì)鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排及加強(qiáng)環(huán)保督察等工作的日益重視，不少電爐生產(chǎn)企業(yè)積極復(fù)產(chǎn)或部分企業(yè)新上電弧爐，為中國(guó)電爐煉鋼的發(fā)展提供了機(jī)遇。2017年我國(guó)電爐鋼產(chǎn)量約7750萬(wàn)噸，2018年全國(guó)電爐鋼產(chǎn)量將繼續(xù)增加，具有明確計(jì)劃投產(chǎn)的電弧爐產(chǎn)能合計(jì)1560萬(wàn)噸左右，再加上2017年新建和復(fù)產(chǎn)產(chǎn)能的完全釋放、老電弧爐的技改、產(chǎn)能利用率的提升，增量有可能超過(guò)3000萬(wàn)噸。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年上半年中國(guó)電爐鋼產(chǎn)量累計(jì)約為5183.2萬(wàn)噸，所占比例為11.9%，預(yù)計(jì)2018年全年產(chǎn)量有望達(dá)到1億噸。目前，還有56座電爐計(jì)劃2018-2023年投產(chǎn)，產(chǎn)能約4700萬(wàn)噸。預(yù)計(jì)2025年中國(guó)廢鋼產(chǎn)生量將達(dá)2.8億噸，巨大的廢鋼資源量，必然促進(jìn)以廢鋼為主要原料的電弧爐煉鋼產(chǎn)量的提高和技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)2025年電弧爐生產(chǎn)的粗鋼產(chǎn)量占比將達(dá)到20%-25%。
2電弧爐所用原燃料結(jié)構(gòu)
2.1電弧爐所用的金屬料
廢鋼是電弧爐冶煉的最主要原料。廢鋼資源不足是影響電弧爐煉鋼發(fā)展的主要原因。廢鋼來(lái)源一般有三個(gè)方面，即鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中的自產(chǎn)廢鋼、工礦企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中的加工廢鋼、社會(huì)（生產(chǎn)、生活、國(guó)防等）廢棄鋼鐵材料（包括拆舊廢鋼如：報(bào)廢汽車、艦船、鋼結(jié)構(gòu)橋梁與建筑鋼等）。由于技術(shù)的進(jìn)步，前兩個(gè)原因產(chǎn)生的廢鋼量下降，社會(huì)廢鋼量不斷增加。由于社會(huì)廢鋼重復(fù)使用或含有較多量的Cu、Sn、As、Pb等不易去除的有害元素，造成一些有害元素在鋼中富集，廢鋼質(zhì)量下降。為了解決廢鋼短缺及質(zhì)量下降的問(wèn)題，必須開(kāi)發(fā)廢鋼替代品。目前，主要的廢鋼替代品有：鐵水（生鐵）、直接還原鐵（DRI）、脫碳粒鐵、碳化鐵、復(fù)合金屬料等。
2.1.1鐵水（生鐵）
現(xiàn)代電弧爐廣泛采用碳氧槍、二次燃燒、氧燃燒嘴技術(shù)、爐氣二次燃燒技術(shù)等，吸收融合了轉(zhuǎn)爐強(qiáng)化冶煉技術(shù)，特別是供氧強(qiáng)度大大提高，用氧量高達(dá)30Nm3/t左右，有的甚至超過(guò)40Nm3/t，接近轉(zhuǎn)爐用氧量。與之相應(yīng)的是配碳量提高，加鐵水（生鐵）是最有效的配碳方法。當(dāng)鐵水加入量較大時(shí)，由于氧化鋼液中的元素（主要是碳），產(chǎn)生大量的化學(xué)熱，冶煉時(shí)可有一段時(shí)間不供電，即電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉，我國(guó)甚至出現(xiàn)了全鐵水電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉方式。長(zhǎng)流程鋼鐵企業(yè)有電弧爐的基本都采用加鐵水工藝，而且部分電弧爐流程鋼廠新建高爐提供鐵水，以解決廢鋼資源短缺及電爐流程生產(chǎn)成本高的問(wèn)題。新建高爐為電弧爐供給鐵水的方法，從目前及今后的發(fā)展來(lái)說(shuō)不可取。
電弧爐煉鋼加鐵水技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）對(duì)非平熔池冶煉爐型，可以優(yōu)化供電，提前形成熔池，增加大功率供電時(shí)間，縮短冶煉周期；2）增加物理熱和化學(xué)熱，提高熱效率；
3）可以稀釋鋼液中的有害金屬雜質(zhì)元素含量。
加鐵水量不是越多越好，將鐵水比控制在30%-50%是較為合適。當(dāng)供氧強(qiáng)度較低時(shí)，最佳鐵水比約為30%左右；供氧強(qiáng)度大時(shí)，鐵水比可達(dá)50%。德國(guó)普銳特公司開(kāi)發(fā)的Quantum 電弧爐，為了獲得足夠好的預(yù)熱效益，提出廢鋼至少應(yīng)當(dāng)使用50%。全鐵水電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉方式，已使電弧爐失去了在可持續(xù)發(fā)展方面的優(yōu)越性。
生鐵主要是將鐵水（液態(tài)鐵）鑄造成鑄錠，全球生鐵在電弧爐中的平均使用量為金屬總量的5%-10%。
2.1.2直接還原鐵
目前，95%的直接還原鐵用于電弧爐生產(chǎn)。直接還原是指鐵礦石和含鐵氧化物，在低于熔化溫度之下，還原成金屬產(chǎn)品的煉鐵過(guò)程，一般在豎爐或回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行。根據(jù)產(chǎn)品不同，分為海綿鐵、金屬化球團(tuán)及熱壓塊鐵三類。生產(chǎn)方法有氣基直接還原法和煤基直接還原法。國(guó)內(nèi)某電爐廠使用直接還原鐵的數(shù)據(jù)如表1所示。由表1的數(shù)據(jù)可以得出電弧爐煉鋼使用直接還原鐵的優(yōu)點(diǎn)：
1）化學(xué)成分穩(wěn)定，有害雜質(zhì)少，特別是P、S、N含量，有利于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品；2）質(zhì)量穩(wěn)定和低殘余類元素（如銅小于0.002%），可以很好地稀釋廢鋼中有害元素，增加廢鋼供應(yīng)的選擇空間；3）海綿鐵和熱壓塊鐵可以連續(xù)地裝入爐內(nèi)，斷電時(shí)間少、熱損失小，有利于節(jié)電，也有利于縮短電爐的冶煉時(shí)間，提高產(chǎn)量；4）有利于造泡沫渣，延長(zhǎng)爐內(nèi)耐材和電極使用壽命。
但由于脈石及氧化鐵在直接還原鐵中的含量較高，增加了冶煉難度，石灰、電耗、熔化時(shí)間等指標(biāo)均受到影響，因此不宜大量使用，一般用量不超過(guò)20%，國(guó)內(nèi)有研究表明，使用量控制在12%為最佳。但是，在國(guó)外DRI的使用量已超過(guò)50%。
2.1.3脫碳粒鐵
脫碳粒鐵的全稱為脫碳?；F，是在高爐出鐵時(shí)，經(jīng)過(guò)高壓水淬火，制取不同粒度的?；F（3-10mm）。然后將其裝入回轉(zhuǎn)窯，通入一定量的混合氣體，加熱至一定溫度，進(jìn)行生鐵脫碳，得到可供電弧爐煉鋼所用的原料。脫碳粒鐵的成分如表2所示。
電弧爐使用脫碳粒鐵具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）脈石含量較直接還原鐵低1%-3%，可降低電耗約10%；2）S、P含量低，雜質(zhì)元素也較直接還原鐵低；3）粒鐵表面少量的FeO，有利于電弧爐造泡沫渣。
2.1.4碳化鐵
生產(chǎn)碳化鐵的基本原理是將鐵礦石送進(jìn)具有一定溫度、壓力的流化床反應(yīng)器中，通入預(yù)熱的工業(yè)氣體（CO、CO2、CH4、H2、H2O蒸汽）與其發(fā)生反應(yīng)生成碳化鐵，其反應(yīng)式為：
3 Fe2O3+ H2+ CH4= 2Fe3C+9H2O
碳化鐵成分如表3所示。
由表3可見(jiàn)，碳化鐵中含碳量高達(dá)6%，可滿足現(xiàn)代電弧爐煉鋼高配碳的要求，并且具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）有利于電爐低氮鋼的生產(chǎn)，電弧爐噴吹碳化鐵煉鋼時(shí)，鋼中的氮含量從0.007%降低到0.003%-0.004%；2）有利于造泡沫渣，使用碳化鐵作原料時(shí)，即使不向熔池噴吹碳粉，也能很好地造泡沫渣；3）有利于降低脫硫成本。碳化鐵潔凈，硫、磷含量低，一些扁平材生產(chǎn)廠使用部分碳化鐵取代爐料中鐵水，很容易降低噸鋼脫硫成本；4）有利于節(jié)能。碳化鐵可在電弧爐爐頂加入，無(wú)需開(kāi)啟爐蓋，減少了溫度損失。
2.1.5復(fù)合金屬料
復(fù)合金屬料是俄羅斯研制成功的一種用于替代煉鋼生鐵、球團(tuán)礦、合格爐料坯及廢鋼的新型爐料。它是通過(guò)鑄鐵機(jī)，利用熔融的鐵水和一定的配加工藝，填加15%-25%的填加料（燒結(jié)礦或球團(tuán)礦），經(jīng)冷卻固結(jié)后而形成的。主要由煉鋼生鐵和內(nèi)封的氧化鐵組成。開(kāi)發(fā)的復(fù)合金屬料成分如表4所示。
在電弧爐上應(yīng)用時(shí)，較低溫度下（1150-1200℃）即可形成泡沫渣。復(fù)合金屬料塊熔化時(shí)，“封存”于其中的填加料鐵氧化物溫度高于1100℃時(shí)，即開(kāi)始與鐵中的雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并形成渣相和CO；溫度高于1200℃的情況下（低于廢鋼的熔化溫度），電弧爐內(nèi)就已經(jīng)形成了可流動(dòng)的起泡液體渣，連續(xù)地釋放出一氧化碳?xì)馀?。?shí)踐表明：應(yīng)用復(fù)合金屬料，減少了氧氣的消耗量，降低了電耗，縮短了冶煉時(shí)間。
綜上所述，電弧爐配加一部分廢鋼替代品，不僅彌補(bǔ)了低殘余元素廢鋼的不足，而且提高了鋼水的純凈度，但也存在增加環(huán)境污染（主要是CO排放量）、提高生產(chǎn)成本以及浪費(fèi)某些金屬元素的缺點(diǎn)，尤其當(dāng)大量配入時(shí)，廢鋼利用率下降。電弧爐所用造渣料與轉(zhuǎn)爐類似。
2.2電弧爐所用的燃料
電弧爐所用的主要燃料包括氧氣、天然氣及碳粉。
強(qiáng)化用氧技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)電弧爐煉鋼經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的改善起到了重要的作用。其中氧燃燒嘴、爐門氧槍和二次燃燒是主要的用氧方式，將它們結(jié)合使用，可起到改善熔池?cái)嚢栊Ч⒋龠M(jìn)冶金反應(yīng)、降低電耗以及提高生產(chǎn)率等作用。
氧燃燒嘴可以保證冷區(qū)的溫度，強(qiáng)化二次燃燒，因此，能有效地縮短冶煉時(shí)間，提高電弧爐的生產(chǎn)效率。
爐門碳氧槍的氧氣以超音速離開(kāi)噴頭，穿透爐渣進(jìn)入鋼液進(jìn)行冶金反應(yīng)，碳粉則通過(guò)壓縮空氣載體噴入爐內(nèi)造泡沫渣，并還原鋼渣中的氧化鐵。爐門碳氧槍具有提高熱源、脫碳和形成泡沫渣的作用。側(cè)壁碳槍所用碳粉，通過(guò)壓縮空氣載體噴入，為造泡沫渣提供碳源，保證泡沫渣質(zhì)量的改善。目前，國(guó)內(nèi)主要電弧爐燃料的消耗情況如表5所示。
3電弧爐煉鋼裝備的發(fā)展
現(xiàn)代電弧爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展與LF精煉技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展有著密切的關(guān)系，它使電弧爐的冶煉功能簡(jiǎn)單化。如圖1所示，電弧爐煉鋼功能的演變過(guò)程包括以下三個(gè)階段：
第一階段：包括熔化、氧化、還原的傳統(tǒng)型電弧爐。
第二階段：由于出鋼槽式電弧爐爐型的原因，電弧爐必須造好還原渣才能出鋼，鋼渣混出，還原精煉的任務(wù)由LF來(lái)完成。
第三階段：無(wú)渣出鋼技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)，還原期全部由LF精煉完成，形成了電弧爐（EAF）＋鋼包精煉（LF）＋連鑄（CC）的現(xiàn)代電弧爐煉鋼流程。
電弧爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展是圍繞縮短冶煉周期和降低能耗，與此相應(yīng)促進(jìn)了電弧爐裝備的發(fā)展。
20世紀(jì)60-70年代，主要是發(fā)展超高功率供電及其相關(guān)技術(shù)，包括高壓長(zhǎng)弧操作、水冷爐壁、水冷爐蓋、泡沫渣技術(shù)等，并開(kāi)始采用鋼包精煉及強(qiáng)化用氧技術(shù)。但這一階段，電弧爐容量較小，采用爐體傾動(dòng)還原渣出鋼方式，僅是部分還原期移至爐外進(jìn)行。
20世紀(jì)80年代初，鋼包精煉（LF）技術(shù)及偏心爐底出鋼（EBT）技術(shù)的應(yīng)用，將全部還原期移至爐外進(jìn)行；應(yīng)用超高功率供電，充分利用變壓器功率，提高熔化速度，縮短冶煉周期。
20世紀(jì)80年代末，大型超高功率直流電弧爐問(wèn)世，由于其對(duì)電網(wǎng)沖擊小﹑石墨電極消耗低的原因，占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，高配碳、強(qiáng)化用氧技術(shù)（包括超音速氧槍﹑碳氧槍﹑氧燃燒嘴﹑底風(fēng)口﹑二次燃燒技術(shù)）趨于成熟，奧鋼聯(lián)將其稱之為K-ES技術(shù)，達(dá)涅利公司將其稱之為Danarc技術(shù)，德馬克公司將其稱之為Korf arc技術(shù)。這一階段廢鋼預(yù)熱開(kāi)始，大量化學(xué)能和物理熱的輸入增加了新能源，使得冶煉周期大大縮短，電極消耗進(jìn)一步降低。
20世紀(jì)90年代中期，由于連鑄單流產(chǎn)量提高，一機(jī)多流、多爐連澆技術(shù)的發(fā)展以及薄板坯厚度的增加，要求進(jìn)一步縮短冶煉周期，交流電弧爐與直流電弧爐形成競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展的趨勢(shì)。這時(shí)更加關(guān)注廢鋼預(yù)熱，即二次燃燒和煙氣顯熱的利用問(wèn)題，不同的廢鋼預(yù)熱方式產(chǎn)生了不同類型的電弧爐，它們分別是Consteel電弧爐、煙道豎爐電弧爐、Comel t中心廢鋼預(yù)熱豎爐電弧爐、帶手指煙道豎爐電弧爐、MSP多級(jí)廢鋼預(yù)熱電弧爐、Danarc Pl us電弧爐、Conarc電轉(zhuǎn)爐、Contiarc電弧爐。廢鋼預(yù)熱必須考慮排放廢氣中有害氣體CO﹑二惡英（Dioxin）和呋喃（Furan）等的含量，料籃廢鋼預(yù)熱因二惡英及呋喃等有害氣體含量超標(biāo)被淘汰。
進(jìn)入2000年，出現(xiàn)了Ecoarc技術(shù)，它不僅具有廢鋼預(yù)熱的優(yōu)勢(shì)，還可使二惡英和呋喃排放量降低到0.1ngTEQ/Nm3以下，可滿足日本和歐洲有關(guān)環(huán)保要求，成為對(duì)環(huán)境友好的電弧爐技術(shù)。2003-2016年間，由于國(guó)內(nèi)廢鋼短缺及電力價(jià)格高的原因，嚴(yán)重阻礙了電弧爐煉鋼技術(shù)及裝備在中國(guó)的發(fā)展。
2017年國(guó)家大力淘汰中頻爐“地條鋼”及落后產(chǎn)能，對(duì)鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排及環(huán)保更加重視，促進(jìn)了電弧爐煉鋼的發(fā)展。為順應(yīng)中國(guó)電弧爐發(fā)展的需求，國(guó)外紛紛推出高效節(jié)能、環(huán)保型電弧爐。除Consteel電弧爐和ECOARC電弧爐外，還有達(dá)涅利公司開(kāi)發(fā)的EAF ECS、西馬克公司開(kāi)發(fā)的ShArc、普銳特公司開(kāi)發(fā)的Quantum EAF以及中冶賽迪公司開(kāi)發(fā)的CISDIGreenEAF。這些爐型在上料方式方面，出現(xiàn)了類似高爐上料的料車加料形式；在向爐內(nèi)加料方面，有以Consteel電弧爐為代表的水平加料方式、不開(kāi)蓋加料的頂裝料方式電弧爐（Quantum、ShArc）和側(cè)頂斜槽全密閉加料電弧爐（CISDIGreenEAF）；出鋼方式方面，有采用FAST-虹吸無(wú)渣出鋼方式。更加注重強(qiáng)調(diào)“環(huán)境友好型” 廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)，在保證對(duì)廢鋼進(jìn)行連續(xù)高溫預(yù)熱、抑制預(yù)熱中的氧化反應(yīng)，在實(shí)現(xiàn)效益最大化的同時(shí)，建設(shè)減少包括二惡英和呋喃在內(nèi)的有機(jī)物排放的廢氣處理裝置。
另外，由于大留鋼量的平熔池冶煉，電壓閃變低，在電壓閃變補(bǔ)償裝置方面，使用低容量的補(bǔ)償設(shè)備即可應(yīng)對(duì)。
部分電弧爐采用了智能操作控制系統(tǒng)。智能電弧爐是一項(xiàng)綜合技術(shù)，集成各種超高功率電弧爐及其配套技術(shù)，是電弧爐的主要發(fā)展方向。電弧爐煉鋼常用的過(guò)程數(shù)模為熱模型、冶金模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。熱模型用來(lái)計(jì)算冶煉每爐鋼所需的能量及能量輸入的方式。冶金模型的目的在于，以最低的成本達(dá)到鋼水的目標(biāo)成分和出鋼溫度。模型借助智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電弧爐全自動(dòng)煉鋼，以提升產(chǎn)能、降低消耗。
電爐噴槍技術(shù)已經(jīng)成為高效節(jié)能電爐的必備裝備，對(duì)于加速熔化、提高電爐效率、節(jié)能降耗具有重要作用。我國(guó)國(guó)產(chǎn)電爐的噴槍技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平，應(yīng)加快更高效、更節(jié)能、多功能噴槍技術(shù)的應(yīng)用，包括頂吹氧槍、爐壁氧槍、底吹、復(fù)合噴吹等。
電弧爐底吹技術(shù)于20世紀(jì)90年代初就已開(kāi)始應(yīng)用，在冶煉過(guò)程中表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。Tenova公司應(yīng)用了Consteel電弧爐底吹電磁攪拌技術(shù)，加強(qiáng)煉鋼熔池?cái)嚢瑁岣吡穗娀t冷區(qū)的熱量傳送，促進(jìn)了熔池溫度和成分的均勻化，加速了爐內(nèi)反應(yīng)速度，縮短了冶煉周期，提高了金屬收得率，減少了石墨電極的消耗。石墨電極是電弧爐以電弧形式釋放電能，對(duì)爐料進(jìn)行加熱和熔化的導(dǎo)體材料，對(duì)電弧爐煉鋼的穩(wěn)定運(yùn)行起著支撐性作用。電極消耗是考核電弧爐運(yùn)行成本的一個(gè)重要指標(biāo)。降低電極消耗，已成為電弧爐煉鋼降低成本、節(jié)約能源的重要措施。在保證高效、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)的電極質(zhì)量的基礎(chǔ)上，電弧爐煉鋼過(guò)程中，盡量減少電極氧化的消耗、減少電極升華的消耗、減少溶解和剝落的發(fā)生、減少折斷，降低電極消耗，采取水噴淋電極、浸漬電極及表面涂層電極等措施，可以進(jìn)一步降低電極消耗。同時(shí)，新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用也可以間接地降低電極消耗。
