电弧炉熔炼节能技术应用现状与发展
胜山 （工业大学机电研究 430070）
摘 要：叙述了电弧炉在采用熔炼新技术，降低电气设备电能损耗，控制出钢温度、渣量和留钢量，加强炉料管理和生产组织管理等方面的节能措施及其应用效果，探讨了电弧炉熔炼节能技术的发展趋势。 关键词：电弧炉；熔炼；节能
电弧炉和感应电炉是铸钢的两种主要熔炼设备。与感应电炉比较，电弧炉具有如下主要优点：电弧炉炉渣参与冶金反应，可有效去除硫和磷；对原材料的要求较低，可以使用废钢和铸造回炉料以任何比例组成的炉料；钢水质量容易得到保证，适于生产各种铸钢件。但是也有不足，例如：有电弧超高温作用，元素烧损较多；无电磁搅拌作用，不利于钢液温度均匀和夹渣上浮；加热速度较慢，热效率较低，能耗较高。
据测算：输入电弧炉的能量只有约 57％直接用于电弧炉炼钢，其余43％左右为损失热量。损失的热量中，约12.5％为炉盖和炉壁冷却水损失，约23％为废气带走的损失，约7.5％为炉渣带走的损失。
因此，电弧炉的节能是一个重要课题。近40年来，电弧炉节能降耗的多种技术措施得到发展和应用。图1定量描述了这些技术措施在降低电弧炉的熔炼时间、电耗与电极消耗方面的预期效果。但是，能源和电极的实际消耗量要比图中数据高：德国在2005年的能耗是525kW·h /t+天然气11m 3/t ；美国2000年的能耗数据是电500kW·h /t+煤23kg/t+氧气34m 3/t+天然气8.5m 3/t 。
图
1 电弧炉熔炼技术措施的发展历程及其效果 可见：电弧炉的节能还是一项需要广大铸造工作者继续努力的长期课题。
电弧炉节能可从以下三个方面着手：一是采用新技术减少热损失；二是降低电弧炉有关电气设备的电能损耗；三是加强生产管理，降低能耗。
1 采用新技术
1.1 高功率炼钢法
高功率炼钢法是通过增大熔化功率，加大熔化电流，缩短熔化时间，来达到节能目的。许多企业采用这项技术后，取得了较好的节能效果。如某厂的3t电弧炉，原变压器容量为650kVA，在变压器容量改为1250kVA后，熔化期时间缩短了一半左右，吨钢电耗也随之降低。
但在采用高功率炼钢法时，应注意供电曲线的合理选用，不能整个过程都采用高功率炼钢，否则不但不会使炼钢单耗降低，反而会使单耗增加。如某厂一台5t电弧炉，变压器扩容后，整个过程都采用高功率炼钢，结果炼钢单耗反而上升了46kW·h/t。
实际生产中，应根据电弧炉的特性曲线确定作业电流，同时按熔炼各时期的特点确立用电规。
目前，我国铸钢行业所用的电弧炉数量很多，却很少有测定电弧炉用电特性曲线的。图2
图2 交流电弧炼钢炉的用电特性曲线
从图2可见：
(1)电压一定时，随电流增大，来自电网的功率P1增大。到达P曲线的峰值以后，由于设备的功率因数COSφ降低，无功功率P3增大，P1不但不增大，反而急剧下降。可见，盲目增大电流不仅无益，而且对电网和设备都非常有害。
(2)实际上用于炼钢的有用功率P2的峰值与P1峰值所对应的电流并不一致。P2峰值对应的电流I0，一般都小于P1峰值所对应的电流I0′。P l最大时，由于电器设备的阻抗而损失的无功功率P3增大，电效率η下降，有用功率P2并不最大。因此，电弧炉运行的作业电流应该是I0，无论如何也不应超过I0′。
(3)目前还不可能用仪表显示有用功率P2并用以控制电炉的供电，一般都用电流控制。电流控制是灵敏的，但如无特性曲线为依据，就可能导致效率降低，电耗增大。例如：当作业电流为I1时，认为功率不足而增大电流，当然是正常的，但如简单地将作业电流增大到I2，输入的功率大幅度增加，而有用功率并未增加。
电弧炉炼钢过程中，由于各熔炼阶段具有不同的特点，所以还应根据每一熔炼阶段的炉况确定各自的作业电压，以便在尽可能的发挥变压器的供电能力的同时，减少热损失,并提高炉衬的寿命。
作业电压愈高，则输入功率愈大。但电压愈高，电弧也会愈长，对炉墙、炉盖的辐射也
增强，热损失增大。只有在熔化期间，电弧埋入炉料后，才可用最高电压，正好这时需要最大的功率。氧化期间，钢液处于沸腾状态，而且炉渣的黑度系数大，易于吸热，电弧的能量较易于传递到炉渣和钢液，可用适中的作业电压。由于此时电弧是裸露的，不宜用最高电压。还原期间，钢液静止，不利于提温，且此时炉渣黑度系数小，易反射电弧热量于炉衬、炉盖，故应避免电弧太长，宜用低电压作业。
每一台电弧炼钢炉安装完毕后，都应根据电气设备配置的具体情况，通过短路试验测定线路的基本参数，再计算每一电压下线路的平均参数，画出每一级电压下的用电特性曲线。每一铸钢厂都应按照电炉设备特点和所炼钢种冶炼要求，制定合理用电规，规定冶炼各阶段作业电压；再根据电炉在每一种电压下作业时的特性曲线，规定作业电流。据初步估算，如采用合理用电规，熔炼电耗至少可降低5％。
前述5t电弧炉，在重新合理选用供电曲线后，单耗下降了104kw·h/t，取得了较好的节能效益。
1.2 辅助熔化技术及设备
随着电弧炉炼钢技术的发展，辅助熔化技术及设备越来越完善。常见的辅助熔化技术有吹氧助熔、煤气或油助熔和底气搅拌等。
在电弧炉冶炼过程中进行强化用氧的目的除了加快脱碳速度以外，还充分利用氧气与原料中易氧化元素发生化学反应所放出的热量，达到节能降耗的效果。各种元素氧化的理论热值如表1所示。吹氧助熔可以使熔化期缩短20～30min，钢水熔炼能耗可下降 80～100kw·h/t。强化用氧技术已经成为电弧炉炼钢重要的技术方向。
表1 熔池中各元素氧化产生的理论热值
元素产物
反应热相对成本
（参考值）kJ/kg kW·h/kg
Al Si Mn Fe C C Al2O3
SiO2
MnO
FeO
CO
CO2
14 572
11 329
2 176
4 250
11 639
34 838
4.05
3.15
0.60
1.18
3.23
9.68
3.7
3.2
6.0
1.8
0.5～0.6
0.3～0.6
合理的吹氧助熔时间，不但可以达到快速化料的目的，还可以节约氧气，减少炉料烧损。
一般应在炉料大部分发红、炉底出现熔池时，开始吹氧助熔，压力掌握在0.4～0.6MPa。可采用废电极块、焦炭提高配碳量，适当提高用氧强度。在钢中磷含量不高的情况下，尽量不要使用矿石，因为矿石氧化是吸热反应，受影响环节多，脱碳速度慢，而氧气氧化是放热反应，脱碳速度快，明显缩短熔氧时间。如每吨钢氧化掉 0.1％碳，用氧气氧化比用矿石氧化省电16 kW·h。
煤气助熔是将煤气和氧气由喷枪送入炉，在炉膛燃烧以加热炉料。喷枪的结构较为简单，即用2根不同直径的不锈钢管，同心地套在一起而成，并安装在炉前一侧的旋转架上。油氧喷枪可安装在炉膛的低温区，渣线以上 150～200 mm的炉墙上与水平线成13°～18°夹角。一般采用煤气助熔后，可节电 15％～20％，效果显著。
