电弧炉炼钢技术的发展趋势

姜周华1,2，姚聪林1，朱红春1，潘涛1

东北大学的冶金学院位于辽宁沈阳；东北大学的轧制技术及连轧自动化国家重点实验室也在辽宁沈阳。

摘要：电弧炉炼钢在环保方面具有明显优势，在投资方面也有优势，并且在效率方面优势显著。为了重点推行这种节能环保型的炼钢工艺流程，近些年来电弧炉炼钢技术获得了快速的发展。综述了国内和国外电弧炉高效化冶炼技术的发展现状，综述了国内和国外电弧炉绿色化生产技术的发展现状，综述了国内和国外电弧炉智能化控制技术的发展现状。其中，绿色化是电弧炉炼钢技术的未来发展趋势之一，智能化也是电弧炉炼钢技术的未来发展趋势之一。集操作、工艺、质量、成本和环保等多方面于一体，能够进一步提升电弧炉炼钢技术的绿色化水平，也能实现全流程监测与控制的智能化，这是推动整个钢铁行业向智能化和绿色化转型升级的重要举措。

关键词：电弧炉炼钢；废钢预热；高效化；绿色化；智能化

电弧炉利用电弧热效应，能将电能转变为热能，还可通过辐射和电弧直接作用来加热并熔化金属，它是一种设备；电弧炉炼钢在环保、投资以及效率方面具有诸多优势。在全球范围内，电炉钢产量占钢总产量的比例从 20 世纪 50 年代初的 7.3%提升到了 32%至 35%。较低的电炉钢比例是钢铁工业污染大的重要原因之一。目前，全球范围内超过 95%的电炉钢产量是由电弧炉生产出来的。以电弧炉炼钢作为核心的短流程炼钢，已经成为整个钢铁生产中的重要流程之一。“注重以废钢为原料的短流程电炉炼钢的发展”，是实现钢铁工业可持续发展的重大战略决策之一。

电弧炉炼钢在发展历程中，围绕着“节能降耗、提高生产率”这一总体目标，研发出了一系列相关技术。20 世纪 60 - 70 年代，电弧炉炼钢技术的发展重点在于提升生产率，于是开发出了超高功率电弧炉以及相关技术；80 - 90 年代，强化用氧技术达到了成熟的状态；为了实现进一步节能降耗和缩短冶炼周期的目标，废气的余热利用开始逐渐被重视起来，并且研发出了一系列的废钢预热技术，像料篮式、双炉壳式、竖炉式以及水平连续加料式等。与此同时，环境保护意识在不断加强，人工智能技术也在快速发展。这两者对电弧炉炼钢技术提出了新的要求废钢预热连续加料工艺，同时也为其指明了新的发展方向。电弧炉炼钢技术是一种融合了各种现代装备及其配套技术的综合技术。在高效化冶炼的基础上，智能化和绿色化将成为电弧炉未来的发展方向。本文通过综述近年来电弧炉炼钢技术的发展现状，对电弧炉炼钢技术的未来发展方向进行了探讨。

电弧炉高效化冶炼技术

电弧炉高效化生产具有一些特点，其中包括全局协同和连续化生产。电弧炉冶炼工艺追求高效化，其目标在于减少通电的时长，缩短冶炼的周期，并且最大限度地降低冶炼的电耗。具体的措施主要有提升功率，提高化学能的输入强度，以及减少非通电的操作时间等。

1.1电弧炉炉容大型化

生产实践表明，在技术经济指标方面，像冶炼用电、电极单耗以及成本等方面，大型电弧炉的生产率比中小型电弧炉高，能源利用率也比中小型电弧炉高。目前，电弧炉正在朝着炉容大型化的方向前进。工业发达国家的主流电弧炉容量为 80 到 150 吨，并且已经逐渐增加到 150 到 200 吨。天源二手物资成功制造了全球最大炉容量达 420t 的直流电弧炉，如图 1 所示。此电弧炉设计生产率为 360t/h，具备高效率且运行成本低的特点，能够提升钢厂的生产效率和钢的品质。它已被用于生产低碳钢、超低碳钢和高级脱氧镇静钢，年产量达到 260 万 t。

天源二手物资等部门进行了统计，2015 年中国电弧炉分吨位生产能力情况如图 2 呈现。国内 100t 及以上的大容量电弧炉产能在电弧炉炼钢总产能中占比为 30.8%，且占比最高。75t 及以上电弧炉产能在电弧炉炼钢总产能中占比为 56.6%。60t 以下的落后产能占比为 21.9%。这显示出在环保限产以及淘汰落后产能政策的引导下，国内钢厂在通过产能置换来提升电弧炉效率这方面，依然还有比较大的空间。

2018 年国内新增的电弧炉里，70 到 120t 公称容积的电弧炉所占的比例是 80%。中国的电弧炉正在向着装备大型化的方向快速发展，同时也在朝着现代化的方向快速发展。然而，与工业发达国家相比，中国的电弧炉在这方面仍存在着比较大的差距。

1.2超高功率供电技术

电弧炉变压器按照供电功率大小可分为普通功率（RP）、高功率（HP）和超高功率（UHP）这 3 类。从 20 世纪 60 年代开始一直到现在，近 60 年的电弧炉炼钢生产技术发展一直被超高功率电弧炉炼钢的理念所主导。其核心思想就是要将主变压器的能力发挥到最大限度。大功率电弧炉变压器是能够满足电弧炉炼钢高效化需求以及实现超高功率供电的基础。制造商制造的是 100t 电弧炉变压器，其主要参数及技术经济指标在表 1 中有所呈现。

要实现超高功率供电，起协调电力波动和稳定电弧作用的供电制度很重要。天源二手物资为优化此供电制度，在 2016 年到 2017 年期间开发并应用了一个模型。这个模型能修改和优化电弧炉供电制度，它基于能量平衡（电能/化学能）、通电时间、电弧稳定性、辐射指数等参数的变化规律，可自动优化供电曲线。Tamsa 钢厂借助此模型对供电制度进行了重新设计。在能耗水平保持基本不变的状态下，电弧炉的产能提高了 9.8%，其生产率的提升效果较为显著。

采用超高功率供电后有以下主要优点：一是能够缩短冶炼时间，进而提高生产效率；二是可以提高电热效率，同时降低电耗；三是容易与精炼、连铸的生产节奏相匹配，这样就能实现高效低耗生产。70t 电弧炉进行超高功率改造后，生产率从 27t/h 提升到了 62t/h，详见表 2。

1.3熔池搅拌集成技术

传统电弧炉炼钢时，熔池的搅拌强度比较弱，炉内物质和能量的传递也比较慢。即便采用了超高功率供电以及高强度化学能输入等技术，也依然没有从根本上把熔池搅拌强度不足以及物质能量传递速度慢等问题给解决掉。为了能够加快冶炼的节奏，陆续研发出了强化供氧和底吹搅拌等复合吹炼技术，还有电磁搅拌技术等。新一代电弧炉熔池搅拌技术具有集多种单元于一体的特点，这些单元包括强化供氧、底吹搅拌以及电磁搅拌等。并且，它能够满足在多元炉料条件下电弧炉冶炼所需要的技术要求。

电弧炉炼钢复合吹炼技术日益成熟，并且已经在工业中得到推广应用。例如，中国的西宁特钢、天津钢管、新余特钢、衡阳钢管等企业都成功地应用了电弧炉炼钢复合吹炼工艺，工业效果很不错，有效地降低了成本。中国部分电弧炉复合吹炼技术改造前后的工业效果对比情况见表 3。

电弧炉电磁搅拌技术与复合吹炼技术相比，其普及面较窄。不过，它的熔池搅拌效果极为优异，在工业应用中效果反响良好。例如 ABB 研发的电磁搅拌设备，该电磁搅拌技术能够有效提升熔池中物质和能量的传递速率，这对废钢熔化更为有利，还能加速钢水成分及温度的均匀化，进而提高电弧炉的产能。Steel Inc(SDI)的电弧炉经过改造后，其相关指标的提升效果在表 4 中有所体现。

1.4热装铁水技术

近年来，因为电力资源紧张且优质废钢资源短缺，所以部分电弧炉炼钢厂在炼钢过程中会添加一定量的铁水，也就是采用铁水热装的电弧炉炼钢工艺。这种工艺能够有效缩短电弧炉的冶炼周期，并且还能帮助企业灵活应对废钢市场价格的波动，具备一定的经济效益。

热装铁水技术在电弧炉炼钢过程中应用较为普遍。例如中国的天源二手物资等。达涅利—连续加料电弧炉（EAF ECS）为满足添加铁水的需求，对电弧炉进行了特殊设计和改造。国内某钢厂的电弧炉在热装铁水后，其经济技术指标见表 5。实践表明，现代电弧炉热装铁水能够起到缩短冶炼周期的作用，并且在降低电耗方面效果也很显著。

从长远角度看，若废钢冶炼成本与转炉冶炼成本相近或具有一定竞争力，那么电弧炉冶炼生产普通碳素钢时，就不需要通过添加铁水来提升电炉的相关经济技术指标。然而，在电弧炉冶炼部分高品质特殊钢品种时，仍然需要通过添加铁水的方式来稀释钢液中的有害杂质元素。

电弧炉绿色化生产技术

电弧炉绿色化生产的主要目的是降低能源消耗，同时减少污染物排放，并且提升资源循环利用效率。为达成电弧炉绿色化生产这一目标，陆续研发出了余热回收技术、焦炭替代技术、二英防治技术以及废钢预热 - 连续加料技术。

2.1余热回收技术

电弧炉冶炼时会产生大量高温含尘烟气，这些烟气带走的热量约为电弧炉输入总能量的 11%，有时最高能达到 20%。所以，在电弧炉炼钢过程中，余热回收有着重要意义，并且具备巨大的经济效益。

特诺恩公司研发的技术能够把电弧炉所产生的高温烟气的余热转化为蒸汽，其系统流程如附图 3 所示。技术基于管 - 管式热交换结构和工作原理，这与传统热回收系统相似，并且利用冷却水从电弧炉废气管道回收热能。与传统热回收系统不同的是，技术使用高压和高温热水（180 - 250℃）作为热交换介质来回收高温含尘废气的热量，这样就降低了因蒸发分离废气而导致的热损失。

近年来，全世界范围内有许多座电弧炉都采用了余热回收技术。比如韩国现代企业以及中国天津钢管企业等。并且该技术在工业应用方面的效果是良好的。一些典型企业的电弧炉采用余热回收技术后的使用效果可以在表 6 中看到。

2.2焦炭替代技术

传统电弧炉冶炼时，为满足熔池升温以及搅拌和造泡沫渣埋弧的需求，需要进行配碳操作。在电弧炉绿色化生产里，应当尽量降低像焦炭这类不可再生的化石能源的消耗。目前减少焦炭消耗的方法之一是使用可替代燃料。可以使用日常生活循环过程中产生的“废料”，比如橡胶轮胎和塑料制品等。这类“废料”不仅能够成为电弧炉炼钢的优良替代品，还可以避免因“废料”堆积而引发的环保问题。

天源二手物资在 Steel Mill(SSM)钢厂完成了一系列工业试验，新南威尔士大学(UNSW)也在 Steel Mill(LSM)钢厂完成了一系列工业试验，这些试验是利用橡胶和塑料部分代替焦炭作为造泡沫渣发泡剂的电弧炉炼钢试验。LSM 钢厂使用高分子聚乙烯喷射技术（PIT），将橡胶与焦炭的混合料喷射进电弧炉内，其效果优于单纯使用焦炭造渣的效果，相关指标变化见表 7。钢铁公司在 LSM 钢厂开展了一项工业化试验，将高分子聚合物和碳粉等制成小块以替代焦炭。试验结果显示，吨钢电耗降低了 10kW·h，每炉次的通电时间平均减少了 1.2min，同时有效功率增加了 0.4MW。电弧炉利用废弃轮胎和废弃塑料来炼钢。这样做能够有效地减少焦炭的消耗。并且可以提高电弧炉的热效率以及生产率。与此同时，还能提升资源的循环利用率。所以，电弧炉具有显著的经济效益和社会效益。

2.3二英防治技术

二英的物理、化学、生物学降解期很长，所以它在水体沉淀物和食物链中能达到很高的含量；二英经由食物链进入人体后，会对人体系统造成严重损害，像内分泌系统、免疫系统、神经系统等，因此它被称作“毒素传递素”。二英对环境和人类有着巨大的危害。

防治二英污染问题在冶金工业环境保护中极为重要。在钢铁工业生产时，除烧结工序外，电弧炉炼钢是二英的主要产生来源。Mckay G 的研究表明，二英形成需具备两个主要条件，其一为燃烧过程中要有有机物，其二为燃烧反应中要有氯气参与。L C、B K、Huang H、H、T 针对二英的形成机理做了一系列研究。关于二英的形成条件已达成共识。废钢中通常含有氯化物和油类碳氢化合物，这会导致在电弧炉冶炼过程中产生一定量的二英烟气，进而造成环境污染问题。

针对电弧炉炼钢过程二英的排放问题，可采取以下主要措施。

废钢预处理包括对废钢进行分选。这样做的目的是最大限度地减少含有有机物的废钢进入炉内的量。并且要严格控制进入电弧炉的氯源总量。同时需要注意的是，含有有机物的废钢不宜进行预热处理。

电弧炉一次烟气温度需控制在 1000℃以上，此时各种有机物已全部分解。对燃烧后的烟气进行急冷操作，让其快速冷却至 200℃以下。这样能最大限度减少烟气在二英生成温度区间的停留时间。例如，蒸发冷却塔技术对烟气急冷处理后，在防止二英形成方面效果显著。

在 600 到 800℃的温度区间向烟道喷入碱性物质粉料，比如石灰石或生石灰，这样可以减少导致二英生成的有效氯源；在 250 到 400℃喷入氨，能够抑制二英的生成。

日本开发的环保型生态电弧炉（图 4）具备较完备的废气排放处理系统。此系统能够有效应对二英等所引发的环境污染问题。该电弧炉的本体由废钢熔化室以及与熔化室直接相连的预热竖炉构成。在其后段，设置有热分解燃烧室、直接喷雾冷却室和除尘装置。热分解燃烧室能够把包含二英在内的有机废气全部进行分解，同时还能够满足高温区烟气的滞留时间要求；喷雾冷却室可以把高温烟气迅速降温，以防止二英再次形成。然而，因为电弧炉存在炉体体积较大、竖井难以分离以及耐火材料在线更换困难等状况，所以使得设备维护变得困难。正因如此，研发高效率、低成本的电弧炉二英防治技术依然是当前的研究热点之一。

2.4废钢预热-连续加料技术

现代电弧炉炼钢常采用废钢预热并连续加料的操作。通过利用高温烟气来预热废钢，这样可以有效地解决传统电弧炉冶炼过程中出现的烟尘问题。此外，实行大留钢量操作，能够使废钢的熔化效率变高，还能最大程度地实现平熔池冶炼，从而满足现代电弧炉炼钢在高效率、高生产率、低成本以及低有害气体排放等方面的要求。

在电弧炉废钢预热与连续加料方面，先开发并应用了料篮式废钢预热电弧炉，接着又开发并应用了双炉壳电弧炉，之后还开发并应用了竖式电弧炉，同时也应用了普通的电弧炉。料篮式废钢预热电弧炉存在电耗高的问题，同时冶炼周期长，环境污染也很严重，正因这些问题，它正逐步被新型电弧炉所取代；双炉壳电弧炉存在预热效率低的情况，设备维护量很大，并且二英等污染物排放严重，由于这些问题，其使用效果远未达到预期，已经逐渐被淘汰；电弧炉有废钢预热温度较低以及二英排放不达标等问题，然而它具备生产顺行状况良好、电网冲击小、加料可靠可控等优点，目前使用较为广泛；早期竖式电弧炉存在设备可靠性低和维护量大等问题，正因如此，它正逐步退出市场。当前国内外有许多冶金设备制造公司依据电弧炉和竖式电弧炉的理念，研发出了多种新型的废钢预热 - 连续加料电弧炉。其中有基于水平连续加料理念研发出来的达涅利 0 电弧炉；还有基于竖式加料理念研发出来的西马克 SHARC 电弧炉、日本生态电弧炉以及普瑞特电弧炉等。同时，还衍生出了阶梯进料型电弧炉，像中冶赛迪 CISDI - 绿色智能电弧炉。此外，也有独立于电弧炉的废钢预热 - 连续加料系统，比如 KR 公司和 CVS 公司联合研发的环保型炉料预热和连续加料系统 EPC(Pre - and )。

电弧炉（图 5）在连续加料的过程中，会利用冶炼产生的高温废气对加料通道内的废钢进行连续预热。入炉前，废钢的预热温度处于 200 到 400℃之间。预热后的废气会经过燃烧室，然后进入预热回收系统。电弧炉实现了废钢的连续预热、连续加料、连续熔化以及平熔池冶炼。这样做提升了生产率，改善了车间内外的环保条件，并且降低了电耗以及电极消耗等。

早期竖式电弧炉在进行冶炼的过程中，会通过天车料篮将下一炉所需的废钢加入到竖井中。同时，会用指形托架来托住废钢。在这个过程中，高温废气会直接与废钢接触，从而对废钢进行预热。预热后，废钢的温度能够高达 600~700℃。电弧炉（图 7）属于改进型指形托架竖炉式电弧炉。通过炉顶废钢提升机提升倾动料槽，将废钢分批加入竖井内。固定安装的竖井和炉盖解决了原指形托架故障多的问题，通过倾翻炉体可以实现无渣出钢。

环保型炉料预热和连续加料系统 EPC 是竖井型炉料预热装置。与之匹配的电弧炉采取较大的留钢操作工艺，即出钢量在 40%以上。所以此类电弧炉能够平稳地连续运行。炉料通过侧墙加料口连续加到炉中，无需打开炉盖，这样就避免了热量损失和烟气排放。EPC 系统能够移动至电弧炉的上炉壳附近，并且能够与电弧炉侧墙加料口以及排烟道实现紧密的衔接。其具体的工艺流程如图 8 所呈现的那样。

各典型电弧炉技术指标及废钢预热效果的对比见表8。其四，新型电弧炉炼钢需要综合考虑废钢预热、连续加料、平熔池冶炼、余热回收、废气处理等方面，以确保电弧炉炼钢高效且绿色化生产。

电弧炉智能化控制技术

近年来，一系列智能化监测技术在电弧炉炼钢过程中得以应用，像智能配料等。同时，一系列控制模型也在该过程中得到应用，如电极智能调控等。还有智能化取样测温等技术。泡沫渣方面有智能化监测与控制技术。炉气在线分析技术也被应用。终点成分预报技术也在其中。冶炼过程成本优化技术也得到了应用。电弧炉炼钢过程整体智能控制技术同样被应用。这些监测和控制技术的应用，使电弧炉炼钢过程的智能化水平有了大幅度的提高。

3.1电极智能调节控制技术

电极调节控制技术是电弧炉实现智能化供电的关键技术之一。它的控制效果会对电弧炉的电能消耗以及冶炼周期等重要经济性能指标产生直接影响。近年来，在国际上，较为成熟的智能电弧炉电极调节控制技术主要有 3 种，分别是美国的 IAFTM 和德国的系统。国际典型电弧炉电极调节控制系统的技术对比情况见表 9。

目前，最新的电弧炉智能化电极控制系统是基于 PLC 和工业计算机硬件平台研发的。图 9 展示的是该系统。此系统能依据实际工艺需求做出动态响应，从而提高工艺效率。在此基础上，下一代电极控制系统的研发重点在于过程参数及算法的自适应，数据的记录、评估以及集成过程的可视化，还有可靠性的提升等方面。

3.2电弧炉智能化取样测温

电弧炉炼钢时，钢液温度的测量以及取样所耗费的时间等，是制约电弧炉电能消耗和生产效率的关键环节之一。传统人工测温取样存在安全性差以及成本高等问题，为此开发并推广应用了一系列自动化测温取样的新技术。当下较为先进的测温方式有机器人全自动测温以及非接触式测温。

奥钢联推出的电弧炉机器人可以执行全自动的测温和取样操作。它能够自动更换取样器，也能够自动更换测温探头，还能够检测无效的测温探头。同时，它还可以通过人机界面来实现全自动控制。

RCB Temp（图 11）是一种非接触式温度测量系统，由奥钢联开发。它依靠超音速氧气射流技术，在加料期间对废钢进行预热，这样能加快废钢熔化速度。在精炼期，它以超音速射流喷吹氧气。一旦达到规定的温度均匀性水平，系统就会切换到温度模式，然后以极短的时间间隔对温度进行分析。

3.3泡沫渣智能化监测与控制

电弧炉的泡沫渣工艺主要是把目视观察与人工喷碳操作结合起来进行。半自动系统依据电流信号以及谐波含量，只能在一定程度上对操作人员完成泡沫渣工艺过程起到协助作用。优化泡沫渣智能化监测与控制方案，让电弧和熔池能够被泡沫渣稳定地覆盖。这样做既能节约资源、降低电耗，又有利于降低生产成本、减少热损失，是冶炼工艺实现全自动运行的重要方面。

开发的 FSM 泡沫渣监控系统（图 12）保障了泡沫渣工艺能全自动进行，声音传感器为精确监测以及分析泡沫渣高度提供了基础；并且，对泡沫渣高度进行监测能为自动喷碳操作提供指引，以此最大程度地降低消耗指标。

美国 PTI 公司开发的电弧炉炉门清扫和泡沫渣控制系统，即 PTI（图 13），能够减少外界空气的进入，进而提高炼钢过程的密封性；其集成氧枪系统替代了炉门清扫机械手，也替代了炉门氧枪自动清扫炉门区域。该系统利用控制炉门的开合来控制流渣。通过这种方式，可以实现对炉内泡沫渣存在时间的控制。进而能够保证在冶炼过程中炉膛内渣层的厚度。这样做可以减少能源的消耗，同时提高电弧的传热效率。

3.4电弧炉炼钢过程整体智能控制

电弧炉智能化控制不是只局限于某一设备的自动化，也不是只局限于某一环节监测与控制的智能化。它是从整体电弧炉炼钢的角度出发，将从最初配料到最终出钢整个冶炼过程的数据采集与过程机理和工艺操作相结合。通过这样的方式，进行数据分析、数据决策、数据评估以及最后流程控制，从而实现电弧炉炼钢过程的整体优化，减少人为干预，最终达到电弧炉炼钢过程的整体智能控制。

达涅利 Q-Melt 自动电弧炉系统（图 14）集成了过程控制监视器与管理器。它能够自动识别电弧炉炼钢过程中预期行为的偏差，并且可以使电弧炉炼钢过程自动返回到预定的冶炼过程。此系统主要包含 Q-REG Plus 电极动态调节控制系统、废气分析系统以及 MELT-MODEL 过程控制和优化系统。MELT-MODEL 过程控制和优化系统是 Q-MELT 系统的核心。它与电极调节系统以及废气分析系统相配合。通过化学成分分析或者电气特性曲线，能够对电弧炉冶炼工艺进行动态调整。这样就能使冶炼过程一直保持在最佳工艺状态。

开发的 iEAF 智能控制系统依靠传感器反馈的工艺信息，比如废气分析、电谐波、电流和电压等，同时依靠可控参数，像氧气和燃料流量、氧气喷吹、碳粉喷吹和电极管理等，对电弧炉进行全面控制。此系统能够减少冶炼操作的变数，增强电弧炉的运行稳定性，进而提高生产效率、改善生产管理、节能降耗以及减少 CO2 排放。

结论与展望

电弧炉炼钢在特定思想指导下，开发了多方面技术。这些技术包括高效化冶炼、绿色化生产和智能化控制等方面。同时废钢预热连续加料工艺，绿色化和智能化技术在电弧炉炼钢未来发展中的重要性会越来越突出。未来电弧炉炼钢会进一步优化全流程电弧炉智能化监测及控制模型，包括配料、供电、供氧、辅助能源输入、造渣等方面的模型，也会优化整体智能控制模型。会开发绿色化生产技术，实现低能源消耗、少污染物排放以及资源循环利用。会完善电弧炉炼钢流程，将操作、工艺、质量、成本、环保等集于一体。最终达成电弧炉绿色、智能、高效和低成本炼钢的目标，从而进一步推动钢铁工业的转型升级。

参考文献

略。

引用本文

姜周华、姚聪林、朱红春和潘涛。电弧炉炼钢技术有着其发展趋势。[J]。钢铁方面，在 2020 年，55 卷（7）期：1 至 12 页。JIANG Zhou-hua、-lin、ZHU Hong-chun、PAN Tao。电弧的相关趋势。[J]。钢铁，2020 年，55（7）：1 - 12。

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