我国电弧炉炼钢技术的发展趋势

钢铁研究总院

倪冰

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中国电炉钢概况

近年来，全球粗钢产量在16亿至18亿吨之间，其中电炉钢约4亿多吨，占比约25%。除中国外，全球钢铁行业电炉钢占比现已达到40%以上，美国电炉钢占比已达67%，是发达国家中最高的。2020年，中国粗钢产量10.53亿吨，其中电炉粗钢约9600万吨，占比9%，还有很大的提升空间。截至2020年，中国约有30吨以上电炉约420座，产能1.8225亿吨。

相比长流程，电炉短流程优势明显，CO2排放量仅为长流程的25%，固体废物排放量仅为长流程的1/30，能耗降低约50%。短流程还具有即开即停、高效灵活生产、可作为城市垃圾处理容器等优势。随着我国废钢资源的逐步释放，未来10~15年发展潜力巨大。国家鼓励利用废钢炼钢和短流程炼钢，鼓励企业在不新增产能的情况下进行电炉流程产能置换，鼓励环保压力大、产能严重过剩地区产能向废钢相对充足、钢材供给不足地区置换。

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电炉炼钢技术

电炉炼钢技术围绕高效生产、功能简化、环境友好、控制智能化、原料多样化等目标不断发展。高效电炉冶炼的目标是尽可能缩短冶炼周期和通电时间，降低冶炼用电量。工作围绕以下六个方面开展：采用提高吨钢输入功率的方法，在技术层面体现在设备的大型化、更高功率；提高钢中元素氧化的化学热和氧燃烧器提供的化学热；提高废钢预热后的显热；提高电效率和功率因数，如合理化供电系统、智能化电弧炉、优化短电网结构等；缩短热停炉时间，如废钢装料时间、电极连接时间、出钢时间、补炉时间等；整条生产线组织单品种生产比组织多品种生产效率高。

选用先进的炉子，期望达到废钢预热充分、连续装料、不开盖、熔池平整、噪音低、烟尘少、二恶英微量、除尘灰分回收等目标。在技术发展过程中，经历了不同的类型，有传统的敞顶电炉、福克斯电炉（废钢垂直预热）、电炉（水平连续装料）、电炉（商品名量子电炉）、电炉、Sharc电炉、CISDI-Green电炉、CERI-s1-Arc电炉等。

传统常规开顶电炉最大的优点是设备故障少、稳定可靠，缺点是难以很好实现上述目的，生产效率低。20世纪90年代，福克斯电炉和电炉几乎同时引入中国，由于福克斯电炉设备故障率高，在废钢成本无法抵消的背景下基本被淘汰。电炉设备国产化后，在“中国转电”的大背景下，凭借高效、低成本、稳定、可靠等特点，获得了快速发展。2017年以前，全国95%的电炉为开顶装料型，2017年以后，企业订购的新增电炉设备85%以上为连续水平装料系统。但是，电炉也有明显的缺点。 主要一是水平烟道排烟预热废钢的设计温度为400~600℃，而废钢温度一般只能达到200℃~300℃；二是预热废钢通道内排烟温度正处于呋喃、二恶英生成的峰值范围，有害气体对环境的污染难以解决；三是进入预热通道的“野风”量大，给除尘、余热回收带来困难。

电炉、电炉和Sharc电炉在吸取了立式电炉的教训后，希望通过立式烟道预热废钢来解决上述问题。Fuchs电炉改进后，电炉用废钢槽升降小车代替料篮装料，采用虹吸式无渣出钢系统，仍采用指型系统维持和预热废钢，预热温度高，有害气体少。全球共有11座运行和在建的电炉，其中墨西哥1座，土耳其1座，孟加拉国1座，中国8座。2020年底，中国有2座电炉刚刚投产，综合效果有待观察。电炉主体部分由熔化废钢的熔化室和与熔化室直接连接的预热立式炉组成。 炉体密封与废钢预热相结合，平熔池操作，自动化程度高，废钢预热温度可达800℃，可避免污染物产生，二恶英排放量小于0.1ng-TEQ/m3。目前已运行或在建的电炉有9座，其中日本5座，韩国1座，泰国1座，中国在建2座。Sharc电炉均为直流电炉，噪音小，粉尘少，采用双竖井设计，利用尾气预热废钢，二恶英<0.1ng-TEQ/m3。除土耳其运行的1座100t Sharc电炉外，石钢近期又引进了2座130t Sharc电炉。总之，这三类电炉应用数量较少，其前景仍需进一步观察。

目前，国内电炉产能中，国产电炉设备占85%废钢预热连续加料工艺，进口电炉占15%。虽然国内厂商在单机设备方面具有一定实力，100t以下电炉设备基本实现国产化废钢预热连续加料工艺，但中国科技工作者也一直致力于具有自主知识产权的电炉成套设备的研发。国内设备厂商试图将水平装料和立式电炉的优点结合起来，推出了CISDI-Green电炉。该电炉采用阶梯式连续密闭添加废钢的思路，形成了独特的阶梯式装料专利技术，在中国和欧盟均获得专利授权，并形成了国内团体标准，技术指标也比较先进，在国内及东南亚地区已有数台电炉投入使用。另一家设备厂商推出了CERI-s1-Arc电炉。废钢通过台车加入炉身，由炉身下方的推钢机将废钢推入水平通道。 水平通道将废钢振动至平整熔池，实现废钢连续装料。通过烟气淬火、活性炭吸附、余热锅炉等方式降低二恶英含量、利用余热。电炉集成了诸多先进技术，目前还在推广阶段。总体来说，天元二手材料在设计和制造先进炉子方面还需要多下功夫。电炉未来的发展方向将是能够实现连续装料、废钢预热、绿色环保、二恶英低排放、余热回收、智能炼钢的电炉。

先进的炉子采用各种高效生产技术，目前，国内一些电炉、转炉在全废钢条件下，也能实现30分钟的TTT（出钢到出钢）周期，其他技术经济指标可达到金属回收率90-92%，全废钢电耗在300千瓦时/吨以下，电极消耗在1.0千克/吨以下，单位公称产能年产钢可达1万吨以上。

目前电炉钢成本比长流程高500~600元/t，差异主要在于原材料（铁矿石、焦炭、废钢）、电耗、电极消耗、耐火材料消耗等。短流程降低成本的途径在于以上因素。鉴于国内废钢成本长期居高不下，扩大废钢进口量，减少对铁矿石的依赖是现实选择。此外，电炉钢低生产成本的工序管控还包括：①降低原材料成本，加强废钢及含铁原料的分类、加工和管理，广泛使用热压铁块、提钒铁等各种含铁材料。②降低能耗，开展电炉供电技术优化研究，降低电耗和电极消耗，回收物理热，如热装海绵铁、加入铁水，加强化学热回收，如废钢预热技术、实现连续供料装置等。 ③控制生产成本，错峰用电，利用好谷电折扣，操作过程连续化、自动化，缩短热停机时间等。

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