1. 简介

当今钢铁生产流程大致可分为两大流程：从矿石到钢的“长流程”和从废钢到钢的“短流程”。“长流程”是以铁矿石、焦炭等为原料，采用烧结炉、高炉、转炉生产钢铁的流程；“短流程”是以电炉（电弧炉、中频炉等）为主要原料，对废钢进行重熔精炼的流程。其中，电弧炉应用最为广泛，因此“短流程”通常特指电弧炉炼钢。目前，在我国炼钢企业中，转炉炼钢仍占主导地位，而电弧炉炼钢仅占总炼钢量的6%左右，远低于世界平均水平。随着我国废钢产量的增加，以及电力成本的降低，我国电弧炉炼钢产量有很大的增长空间。本文阐述了我国电弧炉炼钢的发展现状，介绍了电弧炉炼钢的原材料、成本及相关技术，分析了电弧炉面临的问题与挑战，并对未来的发展进行了展望。

2、我国电弧炉炼钢发展及市场情况

世界上第一台电弧炉是1899年法国人发明的。但我国真正开始大力发展电弧炉是在20世纪80年代末90年代初。特别是1993年在上海召开“当代电炉工艺与电炉工程研讨会”以后，我国电弧炉炼钢技术和产量不断提高[3-4]。图1是1996~2015年我国电炉钢产量及电炉钢占比图。从图中可以看出，1996~2014年，电弧炉产量逐步上升，但粗钢总产量增速明显快于电炉钢。特别是2000年以后，我国粗钢产量快速发展，导致我国电炉钢占比不断下降，由1996年的近20%下降到6%-8%。 2015年，我国粗钢、电炉钢产量双双下降，尤其是粗钢产量，近年来首次出现负增长，电炉炼钢比重也下降到当年的6.1%。

图2为2004~2014年世界电炉钢产量及电炉钢占比走势图。从图中可以看出，近十年来世界粗钢和电炉钢产量均有小幅增长，​​电炉钢占比保持在30%左右，远高于我国。世界电炉钢产量高的国家中，美国、印度的电炉钢产量都在5000万吨以上，电炉钢占比超过60%。埃及的电炉钢产量虽然只有600多万吨，但电炉钢占比却高达92%。从电炉钢占比来看，我国电炉钢还有进一步发展的空间。

3.电弧炉炼钢原料

电弧炉炼钢的主要原料包括金属材料、氧化剂和造渣材料。金属材料是原料的主要成分，包括废钢、直接还原铁、铁水、生铁等。在欧美，由于废钢资源丰富，价格低廉，废钢成为电弧炉炼钢的主要原料。但由于我国废钢资源短缺，价格相对较高，因此大多数钢厂和研究人员将目光转向铁水，研究提高铁水比例对电炉钢质量和成本的影响。理论上，热装铁水比例越高，成本越低，但在实际生产中，各厂根据自身具体情况所采用的铁水比例有很大差异。目前一般认为热装铁水比例最适宜为35%~40%，但部分工厂已采取相应技术措施，将铁水比例提高到50%~70%。如安钢100t交流立式电弧炉铁水比例为33%时，电弧炉冶炼周期最短；衡阳华菱钢管某炼钢分厂通过优化供电曲线、氧气工艺、造渣工艺，将铁水比例提高到60%。段某等[7]利用山西太钢50t电弧炉，通过两步工艺，将铁水比例提高到65%~70%。新工艺与传统电弧炉工艺相比，缩短冶炼周期5～10分钟，节电35～50kW·h/t，每吨钢水节约石灰10.5kg/t。金凤奎等研究发现，铁水比由40%提高到65%后，吨钢钢材成本可降低91元，铁水比每提高1%，吨钢电耗可降低3kW·h。项红雪等以天元二手材料电炉热装铁水冶炼齿轮钢实际生产数据为研究对象，发现随着电炉铁水比的提高，吨钢电耗下降，氧耗增加，冶炼周期减少。但当铁水比大于39.6%时，随着铁水比的提高，冶炼周期略有增加，考虑冶炼周期、冶炼成本等综合影响，选择铁水比在60%左右为最佳。

直接还原铁又称“海绵铁”，20世纪50年代，为了生产高纯度钢，最早作为电弧炉炼钢原料替代废钢使用。20世纪70年代，以直接还原铁为原料的工艺得到发展，但由于其比重小，易形成“冰山现象”，且原料含C及脉石较高，限制了它的使用。直到20世纪90年代，超高功率电弧炉技术的发展和废钢资源的短缺，才导致直接还原铁需求量的增加，从而带动相关技术取得长足进步。例如，生产中适度控制[C]含量和[O]含量，减少CO反应沸腾形成泡沫渣的影响；采用动态工艺除去直接还原铁中的脉石，有效解决了脉石引起的钢渣问题；采用超高功率电弧炉，在炼钢过程中输入额外的化学能，强化了熔池的搅拌，有效消除了“冰山现象”；适当提高直接还原铁的金属化率炼钢 废钢与生铁所占比例，可以有效降低碳粉和电能的消耗，但过高的金属化率也会降低熔池的活性，一般理想的金属化率为94%左右。目前，以直接还原铁为原料的电弧炉炼钢，原料配比可提高到100%，其炼钢时间缩短到1小时以内。值得注意的是，由于我国直接还原铁生产尚处于起步阶段，产品数量和质量还不能满足生产需要，因此直接还原铁在我国电弧炉炼钢原料中的应用还有很大的发展空间。

废钢是电弧炉炼钢的传统主要原料，以废钢作为主要原料符合循环经济发展的要求，但我国废钢资源稀缺，成本高，废钢数量不能满足钢铁发展的需求，因此，我国电弧炉炼钢使用废钢的比例远不及世界平均水平，废钢资源的稀缺也制约了我国电弧炉炼钢的发展。但由于近几十年我国钢产量增长迅速，随着钢的使用年限的到来，我国废钢产量必然会逐渐增加，电弧炉使用废钢的比例也必然会逐渐增加。生铁也是电弧炉炼钢的基本原料。作为废钢的传统替代品，添加生铁的目的是为了增加入炉金属材料中碳等易氧化元素的含量，减少铁的损失，并起到沸腾、造渣的作用，保证冶炼过程的顺利进行。

4.电弧炉炼钢技术的发展

经过多年的发展，电弧炉炼钢技术取得了长足的进步，包括超高供电技术、强化供氧技术、泡沫渣技术、废钢预热技术等。高效、优质、低能耗、低排放是电弧炉炼钢技术发展的关键。

4.1 超高功率电弧炉技术

超高功率电弧炉具有单位功率水平高、电弧炉变压器最大功率利用率和时间利用率高的特点。超高功率电弧炉可大大提高炼钢过程的生产效率、降低冶炼成本、缩短冶炼时间，在电弧炉炼钢过程中得到广泛应用。在使用超高功率电弧炉炼钢时，要特别注意合理的供电制度，这样不仅可以保证操作的平稳，还有利于降低电耗、电极磨损、缩短冶炼周期。

4.2 强化供氧技术

电弧炉冶炼过程中大量使用氧气，可以加速脱碳过程，充分利用氧化反应放出的热量，达到节能降耗的目的。强化氧气使用的主要技术有氧燃烧器、吹氧辅助熔炼及熔池脱碳、氧枪、二次燃烧等。其中氧燃烧器、氧枪、二次燃烧是氧气使用的主要方式。它们的联合使用，还可以提高熔池搅拌效果，促进冶金反应，降低电耗，提高生产率。

4.3 泡沫渣技术

泡沫渣技术是向熔池内喷入碳粉或碳化硅粉末，同时吹氧，强化碳氧反应并在渣层中形成大量CO气体泡沫，使渣层厚度达到电弧长度的2.5～3倍，电弧被完全屏蔽，从而减少电弧辐射，提高电弧炉热效率，延长电弧炉寿命。因此，泡沫渣技术适用于大容量超大功率电弧炉，在电弧较长的直流电弧炉上使用效果更为突出。

5.电弧炉炼钢的前景

随着炼钢技术的发展，转炉、电炉冶炼工艺越来越成熟，生产效率越来越高。但如前文所述，在我国炼钢企业中，以铁矿石为原料的长流程企业仍占主导地位，而以废钢为原料的电炉炼钢仅占炼钢总量的6%左右，且这一比例近年来呈持续下降趋势。但全球电炉钢占比已达30%左右，远高于我国。一方面，我国废钢资源相对不足，而且2011年以后，我国开始对废钢征收全额增值税，使得废钢成本相对较高。另一方面，工业用电成本高于家庭用电成本。这两方面原因使得电炉炼钢成本居高不下，企业不愿投入。目前电弧炉炼钢成本比转炉炼钢高10%~30%[17]。目前，短期内以铁矿石为原料的高炉-转炉长流程生产仍占主导地位。从环境负荷角度，黄志家等[18]比较了某钢铁联合企业高炉-转炉流程与电炉流程的环境影响。当电炉钢水占总钢水比例由8%提高到20%时，企业减少铁矿石消耗8.89%、水消耗2.28%、一次能源消耗4.23%、CO2排放量3.58%、SOX排放量0.42%、NOX排放量0.69%。可以看出，与高炉-转炉炼钢相比，电炉炼钢降低了能源消耗和污染物排放，更有利于环境的健康发展。另外随着社会的发展，废钢报废周期的到来，我国废钢资源必然会增多，这也将降低废钢成本，在此情况下炼钢 废钢与生铁所占比例，长期来看，电弧炉炼钢将会快速发展，在总炼钢中的比重也会逐步提高。

6. 结论

电弧炉炼钢是以废钢、直接还原铁、生铁等为主要原料，利用电弧炉设备对废钢进行重熔、精炼。

20世纪90年代初，电弧炉炼钢开始大力发展，与欧美以废钢为主要原料不同，我国以铁水为主要原料。经过多年的发展，电弧炉炼钢技术有了很大的进步。但由于我国废钢供应不足，电力成本较高，导致我国电弧炉炼钢比重远低于世界平均水平。但随着我国废钢报废周期的到来，以及我国对环境保护的日益重视，电弧炉炼钢必将得到迅速发展，在总炼钢中的比重将逐步提高。