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电炉炼钢的工艺现状和未来发展

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2 3 第 1期  0 i年







技 

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电 炉 炼 钢 的 工 艺 现 状 和 未 来 发 展 

目前 电炉生产 的钢 约 占世界钢铁产 量  的 3 % , 且今 后 这 一 数 值将 继 续 增 长 , 4 而   虽 然从废钢 的供应 和质 量方面来看可 能会  对其有 一定 的 限制 。 在过 去 的十 年 中 , 通 
过 广 泛 的研 究 . 炉 的 性 能 取 得 了 引 人 注  电 目的 改 进 。 另一 方 面 , 有 非 常 大 的 潜 力  仍

面进行期 , 目前不 会结束 。 且   该技术 的普及及应用 由当地 工业条件  和市场需 求所决定 。   19 年 电炉 钢 产 量 约 占世界 粗钢 产  98 量 8 吨中的 2 7 吨 , 亿 .亿 也就是说 , 超过 了 
三 分 之 一 , 图 1 生 产 如 此 数 量 的 电 炉  见 。

来 进一步提 高电炉 的生产率 , 例如 , 用较 高  的 二 次 电 压 、 物 燃 料 及 电 功 输 入 的 动 态  矿 控 制 、 的冷却 系统 , 大 的 电极 尺寸 , 新 更 新  的变压 器型 号 , 钢 预 热和 C 的二 次燃  废 O
烧。   1 电炉 炼钢 世 界 范 围 内 的 成 就  在第 ~ 炉 电炉 钢 出钢 后几 乎 1 0年 的  0

钢消耗 了 2 4亿吨废 钢 ( . 也就是说 , 废钢 占   了装炉量 的 9 %) 这 一 事 实 给 了我 们 一  0 , 个很好 的 能 节 约铁 矿 石 和焦 炭 资 源 的 思 
路。  

在欧盟 , 电炉 钢的份 额平均 约为 5 % 0   ( 根据 欧盟 1 5个国 家的统 计平 均值 ) 见图  ,
2。  

今天, 电炉炼 钢不再 仅 仅是 许 多炼 钢 方 法 
中 的 一 种 。 在 西 方 的 工 业 化 世 界 以及 一 些  

在 德 国 . 质 扁 材 占 轧 材 总 量 的  优

新 兴的工业化 国家 中电炉炼钢的采用 更确  切地说有其 战略意 义 。   其 中 , 铁生 产 的持 续性 发 展 与最 经  钢 济地 利用资 源 密切 相关 。 因此 , 生废 钢  再 的充分 回收 利 用 成 了一个 夸人 关 注 的焦  点 。于是 , 电弧炉成 为最佳再循 环装置 。   在垒世界许 多 新 的和 传 统 的钢 厂 中 ,   电炉 炼 钢 正 处 于成 功 的 行列 。无 论 在 何 
处 , 能 以 合 适 的 价 格 获 得 电 能 和 原 材 料  均

7%, 0 因此 , 轧钢厂非 常想使 自己适应客 户  对 产 品 的严 格 要 求 。 随着 目前 在 冶 金 工 艺  技术 方面的进步 , 要达到上述 要求 ( 亦即对  钢水清洁 度的要求 ) 要采 用“ 炉 / O   需 高 B F ( 氧气顶 吹转 炉 ) 的炼 钢 工艺 流 程。这 就  ” 是为什 么在德 国 电炉钢 的份 额 相 当低 ( 即  占粗钢总量 的 2 %) 8 以及 为什 么这一 份 额  预期不会超 过 3 %的原 因所在 。在 德 国 , 0   这一数值几 乎相 当于 电炉钢在长材 生产 中 
的份 额 。  

( 也就是废钢供应 ) 因此 , , 电炉炼钢正处于  发 展 中 。 电 炉 炼 钢 工 艺 为 粗 钢 年 产 量 在 
1 2百 万 吨 之 间 的 所 谓 的 “ 型 钢 厂 ”   — 小 提

2 过 去 改 善 性 能 的措 施  除 了在 小 型 钢 厂 能 作 为 一 种 灵 活 、 独 

立生产粗钢 的方 式 以及作 为一 种重要 的再  循环设备外 , 电炉 炼钢 实际 上 还能 在 经济 

供 了基础 。 由于 单 位投 资 成本 低、 生产 率  高 , 以电炉 炼钢在 世界范 围内型 材及 长  所 材 的 生 产 中 占据 了 支配 地 位 。 随 着 过 去 几  年 中工艺 技术 的不 断进 步 , 电炉 炼钢进 入  扁 钢 生 产 领 域 。 电炉 炼 钢 的 发 展 正 处 于 全 

方面与其他炼钢 工艺相竞 争。在过去 的几  十年 间 已经 采 取 了一 系 列专 门 的 技术 措 
施 , 对成本起 关键 作 用 的消耗 及 工 艺参  使 数 得 到 了 明 显 的改 进 , 图 3, 就 是 说 , 见 也  

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20 0 1年 第 l期 





功率 消耗 下降 4 %, 5   出钢一 出钢时间缩短 7 % , 5 且 

成超 高功率 炉 。  
蓄 



对 成 本 有 影 响 的 电 极 消 耗 减 少 
目前 , 电炉炼 钢 的生 产率 和经 济性 与 

7 5% 以 上 。  

碱性氧气转 炉炼钢法 的基本相 等。   由于电炉炼钢的发展 潜力还 远未被充  分挖掘 出来 , 因此 , 以预期 今后还会有进  可 步 的 发展 , 别是 直 流 电弧 炉 , 约 在  特 大 1 O年 前这项 技术 就 已达到 了工 业 成熟 水  平 。钢厂的工程师和炼钢 工作者 正通力合 


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缸{} 谐  b、 } 米 钢  学 会 址 计 瓷 料 

图 l 世 界粗钢 产 量 

作 以进 一步 降低直流 电弧 炉的能 耗和电极  消耗 。直 流电弧炉数量 的增 长超过交流 电 

弧炉 这一点就可 以看作是 这种通 力合作 的 
成功 , 图 4  见 。 根据对 由德 国钢铁 工程师协会钢厂情 
况数 据 库 提 供 的 关 于 10 00组 AC 炉 数 据  

的评 估 , 压 器 装 机 额 定 功 率 平 均 值 为  变 5 0 A/ . 定功率 的上 限为 I0 K A 6 KV t额 O0 V   见 图 5 因而 , 统 计 平 均 值 稍 低 于  。 其


来 触 

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图 2 欧盟 1 5国 的粗钢 产量 

6 0 VA/ 。高于这一数值 的炉子 可设计  0K t

囤 3 电弧 炉技 术 的发展  

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图 4 从 1 8 - 19 9 8 9 8世界 范 围 内  图 5 AC炉的变 压 器 功率   

交 付 使用 的 AC和 D C炉数 量 

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图6 D   C炉 的有 效 功率 

图 7 19   9 8年在 钢铁生 产 中废 钢  和 D 的供 应量  RI

表 1 欧洲 A C炉 和 DC炉 的主 要 数 据 

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2 0 年 第 1期  01

:  

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数  来 渖 兢 训  含 资 辩 

图 8 世界粗 钢 产 量及废 钢 消耗 

图 9 德 国废钢 进 口和 出 口情况 

( 1 9 年包 , 东 、 德 而言 ) 自 91 对 西  

根据钢 厂情 况数 据库 的 数据 可 知 , 从  l 黯 年起共有 10座 D 9 2 C炉 投人 生 产 , 这  些炉子的特 点是 变压器单 位额定 功率 的平  均值在 9 0 A/ 左 右 , 0 KV t 也就 是 说 , 现  在 有的几乎所有 的 D C炉 中变 压 器功率 显然  均较高。这一成 就是进 一步提 高生 产率的  个 重 要 的先 决 条 件 , 图 6  见 。 表 l示 出 了这 两 种 炉 子 性 能 数据 的 比 

回收 利 用 。从 1 9 9 3年 至 1 9 9 5年 , 3家  有

德 国钢厂 由氧气顶吹转 炉炼钢转 为电炉炼  钢 。这 已对 德 国钢铁 工业 的废钢需 求产生  了强烈的冲 击 , 导致 了废 钢 出 口顺差 的下  降, 见图 9   。 同样 . 界 范 围 内 电 炉 炼 钢 的 发 展 也   世
将 改 变 现 有 的 国 际 废 钢 流 向 。 这一 点 对北  



美废钢市场 特别有 影 响 , 经 历 了大 的废  在 钢 出口顺差 阶段之 后 , 目前北 美 废 钢 市场  的特点 是 由于 电 炉炼 钢 的份 额 已 上升 至  4 % , 此 出 口 和 进 口 基 本 平 衡 。 根 据  5 因 Wi et e r 的观 点 , 同炼钢工艺 之间的关 系  n 不 将 很 大 程 度 上 取 决 于 粗 钢 和废 钢 之 间 的 成  本关系。这也会 对废 钢总量供应 的一致估  计 值产生附加 的影 响。   4 进一步提 高生产率 的技术 目标  1 9 年 在 欧 盟 范 围 内 能 源市 场 的 放  99 开使德 国 电炉 炼 钢 厂 的用 电成 本 明显 下  降 。然而 , 并不 意 味着 德 国 电炉 炼 钢厂  这 与其在欧洲 的竞 争对手之 间的竞争 弱势 已   彻底消除 , 因为 能源市 场 的放 开 同样 也 使  这些国家 的 电炉 炼 钢 厂 的成 本 进 一步 下  降。   图1 0示 出 了 用 缩 短 通 电 和 断 电 时 间  的方法提高 电炉炼钢生 产率的发展趋 势。   通 过缩短装 料 时 间 ( 如 : 续装 料 、 例 连  

较 , 表清楚 地显示 出直 流电弧炉的优点 。 该   3 电炉 炼 钢 用 含 铁 原 材 料   电炉炼钢 的经济 性及其进一步 发展将  受 到废钢 及 废 钢 替 代 品供 应 的 决定 性影 

响, 种废钢及 废钢 替代 品的供 应 按照 数  这
量 及 价 格 来 说 能 满 足 生 产 的 需 要 。 在 

19 年 总共有 3 4 98 .5亿 吨废钢 被用 于粗钢  及生 铁生 产 , 中的 2 4亿 吨被 用来 生 产  其 . 2 6 亿 吨电炉钢 。另外 , .5 总共提供 了 0 3   .6 亿 吨 D I 直 接 还 原 铁 ) H I 热 压 铁  R( 和 B(
块)见 图 7  , 。

目前 , 钢需求 包 括 在 全球 废钢 贸 易  废 内 , 图 8 由于废 钢需求 情 况的变 化 , 见 。 其  价格 的变化 经 常发 生 , 就使 得 电炉 炼钢  这 的经济评估 ( 别是 在废 钢耗 量 增加 的情  特 况下 ) 变得特别 困难 。另外 , 再生废钢 的利  用虽有其 必要性 , 但成本高 昂 , 而且只有在 
再 生 废 钢 的 供 应 不 断增 长 时 才 可 对 其 进 行  

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单个料罐操 作采 用 较 高 的炉顶 ) 双 炉体  或 设计来 缩短断 电时 间将 使 生 产业绩 提 高 。   然而 , 这种业 绩 的提高 将被 设 计 特征 必需  的较高 的投资成本所抵 消。还可 以通过使  操 作 安 排 适 合 于二 个 炉 次之 间 这 段 时 间发  
生 的工 艺 过 程 的需 要 来 缩 短 断 电 时间 。   可 以 用各 种 方 法 来 缩 短 通 电 时间 。过  

在 紧靠炉 子处 工 作 。基 于 同样 的 理 由 , 不  久我们将 看到温度测量 和取样操作均 采用  控制装置 。第一批 的发展 已达到 了操 作成 
熟 阶段 。  

熔化期 间某些情况 下较高的能量密 度 

需 要对 炉 子 的暴露 部 分 进 行较 强 烈 的 冷 
却。例如在 大约 2 5年 前 水 冷 炉 壁 和 炉 顶 

去, 用将冶金 处理转 移 到下 游 的二 次 冶金  设备 中进 行 的方 法 已使 通 电 时 间大 大 缩  短 。因此 , 以将 电弧 炉专 门用 作 熔化 设  可 备, 与此 同时 , 计用来加 大功率 输人 的辅  设 助设备 ( 电 炉 变压 器 ) 如 的利 用 率 明 显提  高。 目前 , 冶金 功能 及 对所 希 望 的浇 注温  度 的调整在 钢包 炉 内进 行 . 包炉 的设 计  钢 要 简单得 多 , 而且无 需高的能量输 入。   通 过提高单 位能量输入 可以缩短熔化  时间。然而  时第 一批 工 艺过 程 的局 限  此 性是显而 易见 的。在废 钢熔化 欺 间已采取 
了避 免 长 弧 ( DC操 作 而 言 , 现 长 弧 是  对 出 常 见 的 , 者 说 , 弧 是 由于 较 高 的 电弧 电  或 长

的推 出极 大地促 进 了超高功 率电弧炉 的发  展, 目前 一 些 炉 子 的特 点 是 在 象渣 线 、 门  炉 拐 角处等这样 一些超前侵 蚀区衬砌 了水冷  耐火材料 , 图 1 。与 高炉 中 的铜 棒相 类  见 1 似 , 电炉炉 衬的关 键 部位 也 使用 了铜 条  在 以进 行 冷 却 。 这 些 冷 却 装 置 是 这 样 安 装  的, 即将 那些通 水 的元 件布 置 在炉 体 的外  部。 这样 可使潜 在 的危 害降 到 最低 。到 目   前为止 , 作 经 验 的 积 累 是令 人鼓 舞 的 。 操   布置在炉子 四周的冷却箱 中的水温 已被 用  作防止热点 扩展的控制元 素。   在 两 种 炉 型 中 能 量 都 是 通 过 石 墨 电极   输人 的。 目前普遍使用 的材料能使横截 面  上的 单 位 负 荷 保 持 在 2 5到 2 A 8  之  间 。通过选 择合适 的电极 直径 可 以将能 量 

压造 成 的) 一部 分炉 墙熔 化或 破坏 的措  使 施 。这 可 以通 过 精 确 的泡 沫 渣 操 作 来 实 
现 。根 据 国 际 电 气 工 程 委 员 会 5 旷 n 1 4规  程. AC炉 很 快 能 以 高 达 10 V 的 二 次 电  50

输人 调整到 一 个特 定 的输 出值 。因此 , 已  制 造 了供高 功率 D C炉 用 的大 直 径 电极 ,  
最 初的直径 为 7 0 m, 个别情 况下 则 为  0r 在 a 7 0 m。直 径 达 到 8 0Tl 5r a 0 l l也 已 经 有 可  a
能 , 些 最 近 建 造 的 电 炉 已 经 采 用 了 这 一  一 尺 寸 的 电极 。 正 努 力 通 过 开 发 更 好 的 原材  

压进行 操 作 , D 而 C炉 则 能 以高 达 2 0 v  1o 电压操 作。因此 , 炼 钢工 的技 能将 再 也  仅 不足 以能可靠 地控 制泡沫渣操作 。各项 不  同 目的的研究项 目正试 图找 出将 泡沫渣 操  作和 电极 控制相 结合 的方 法 。此 时 , 仅  仅

料和完 善制 造工 艺来提高 可能的单 位 负荷  最 大值 。此 时的关键在于通过 采用低膨胀  的 焦 油 来 防 止 大 直 径 电极 的 张 应 力 裂 纹 ,   还在于 改 进 电极 内接 头连 接 处 的 电 流传  导。 目前还 没有 适用于较 高单 位面积负 荷 
的 全新 电 极 材 料 。  

用电能来运行操作 过程就可 以达到其极 限 
值 。用 吹 氧 和 喷化 石 燃 料 的 方 法 可 以 补 偿  


部 分 电能 。  

炉子 的控制 与动能分布 的控制 始终相  匹配 , 并且是 最佳 的。所 需 的技 术先 决 条  件 已经存在 , 如吹 氧 和喷煤 用 的唼枪 控  诸 制装置 或专 用 的众 所周 知 的来 自 B OF 炉 
的氧 枪 。所 有 这 些 系统 都 是 为 了使 操 作 者 

如前所述 , 根据较 高的二次 电压 ( 或炉  子 电压 ) 提 出 的设计 要求 在 不久 的 将来  所 将获得 许可 , 可 以在现 有 的 油冷 变 压器  并 中 实施 而 不 产 生 大 的 问 题 。 变 压 器 额 定 容  

更安全 而安装 的 , 因此 , 作人员再也不 必  操

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量 的增 加 也 不 会 造 成 任 何 供 电 方 面 的 问 

2 0 年第 l 01 期  少冷 却系统 的环 境 危 害性 。然 而 , 些发  这 展在 其工业应 用的第一 阶段 预计需要 高的 

题, 只是 受运输条件 的限制 , 就其尺寸和  须
重量制定 出上 限。对用氮气冷却 的超导变  压器 的研 究 表 明 , 可 能 将 其 重 量 减 轻  有 5 % , 流 损 失 减 小 5 % , 能 真 正 地 减  0 电 0 并

投资 , 因此 , 短期 内, 应用 还 将仅 限于  在 其
个别情 况。  

续  料 

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图 l 提 高 E F生 产率 的技 术 目标  0 A

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渣 线处 的水 冷 块 

除 了用较 高的能量输入来提 高生产率  外, 还可 以通过更 好地 利 用 能 源来 提 高 电  炉炼 钢的经 济性。废 钢预热和二次燃烧是  比较合适 的技 术 , 时也是 对 炉子 设 计影  同 响极 大 的 技 术 , 目前 常 用 的有 竖 炉 、 式 竖  指 炉 、 炉 体 电 炉 和 连 续 装 炉 用 废 钢 预 热 装  双
置 。这 些 设 备 和 工 艺 的技 术 性 能 得 到 了不  断 改 进 。 在 某 些 应 用 中 , 别 是 ( 的 二  特 2 0

种能用 一次 能源对废钢进行 重复 利用 的理  想的工艺技术 , 以采 用直接还原铁 , 可 投资  及能源成本相对 较低。  
电 炉 炼 钢 的进 一步 发 展 将 受 到 废 钢 供 

应和质量 的限制。今后将通过 使用直接还  原 铁来克服这 些限制 因素。从钢 铁生产的 
持 续 性 发 展 和 钢铁 生 产 必 须 与 环 保 相适 应 

的有关要求 来 看 , 电炉炼 钢 过 程 中逸 出 从  
的 O 含 量 的 明 显 降 低 以 及 随 之 而 来 的    O。 逸 出 量 减 少 对 钢 铁 工 业 总 的 O 平   : 。: 衡 的 影 响 显 示 出 这 一 工 艺 方 法 的 明 显 优 

次燃烧技 术 已极 大 地 降低 了总 的能 量 输 
八。  

5 结 论 

不 断增 长 的 世 界 钢 铁 需 求 将 继 续 被两   大 炼 钢 工 艺 路 线 所 覆 盖 。借 助 于 高 炉 (   其

势。现在必 须努力 以进 一步 使这项技术 成  熟和 进 步 , 以获 得 其 固 有 的 好 处和 机 
会 。 ■ 

用矿 石作原材 料 ) 的碱 性 氧气 转 炉炼 钢工  艺和将 重点利用废 钢的电炉炼钢工艺 以最 
佳 的 方 式 相 互 补 充 。这 两 种 工 艺 的 分 布 由 





译 
校 

各个 地区的盈利状况和 市场需求决定 。   电炉炼 钢工 艺 的主 要 优势是 : 它是 一 

张新 宝



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