电弧炉熔炼节能技术应用现状与发展

冯胜山，杨太平，严加孟

（1.湖北工业大学机电研究设计院，湖北 武汉 430070；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，江苏 南京 21000）

三相交流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，三相交流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：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%直接用于炼钢，其余43%左右为损失热量，其中约12.5%为炉盖和炉壁冷却水的热损失，约23%为废气带走的热损失，约7.5%为炉渣带走的热损失。因此，电弧炉节能是一个重要课题。

电弧炉节能可从以下四个方面着手：1）采用熔炼新技术减少热损失；2）降低电弧炉有关电气设备的电能损耗；3）采用直流电弧炉；4）加强生产管理，降低能耗。

1 采用熔炼新技术

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3 t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范。

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1是电弧炼钢炉的用电特性曲线示意图[1]。

从图1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COS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′。Pl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，以便在充分发挥变压器的供电能力的同时，减少热损失，并提高炉衬寿命。

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，制定合理用电规范，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，如采用合理用电规范，熔炼电耗至少可降低5%。

前述5 t电弧炉，在重新合理选用供电曲线后，单耗下降了104 kW·h/t，取得了较好的节能效益。

1.2 泡沫渣埋弧冶炼技术

泡沫渣埋弧冶炼技术是指：在电弧炉冶炼过程中，吹氧的同时向熔池内喷碳粉或碳化硅粉，加剧碳氧反应，在渣层内形成大量的CO气体泡沫，使渣层厚度达到电弧长度的2.5～3.0倍，电弧完全被屏蔽，从而减少电弧辐射，提高电弧炉的热效率，缩短冶炼时间，降低电能消耗，延长炉衬和炉顶的使用寿命，大幅度地提高生产率。

实现泡沫渣冶炼的方法很多. 但无论哪种方法都是使渣中的FeO与C反应生成CO气体，弥散在渣中，形成液渣膜分隔的密集排列的气孔状结构，CO气泡缓慢地从渣中溢出，使炉渣保持泡沫化的状态。

泡沫渣的碱度、渣中FeO质量分数等是影响发泡性能的重要参数。

图2、图3分别表明了泡沫渣碱度和成分对泡沫渣高度的影响[2]。

炉渣的黏度也影响泡沫渣的形成。熔渣黏度低，发泡性能差。随黏度的升高，熔渣发泡幅度增大，黏度为8 Pa·s时达到最大值。主要原因是：当熔渣黏度适当增大，气泡聚集长大上浮逸出的速度减慢，而使泡沫渣稳定时间持续延长。若熔渣黏度过高，弹性较差，液渣膜易破裂，使气泡稳定性减小，故炉渣泡沫化的程度反而降低。

电弧炉炼钢采用泡沫渣埋弧冶炼工艺，能有效节能降耗。其具体使用效果如下：

1）提高传热效率

电弧炉炼钢是靠电弧加热。若电弧过长，则对炉衬和炉顶的热辐射增加，使热损失增大，同时也使炉衬和炉顶的寿命降低，耐火材料消耗增加，生产率受到影响。为克服上述缺点，不得不采用短电弧和大电流供电。但是，电流过大会使电能消耗增加。而泡沫渣冶炼工艺可使电弧被泡沫渣屏蔽，故可采用长电弧高电压供电，因而使电能消耗减少，同时也使传热效率得到提高，功率因数由0.63提高到0.88。由于没有剧烈的沸腾，熔池的升温速度持续稳定，可达6℃/min～12℃/min。

图4为国内某厂5 t电弧炉采用泡沫渣冶炼工艺与普通渣工艺的升温速度的关系曲线。又由于电弧被屏蔽，使电弧稳定，电压和电流的波动减小，电弧闪烁亦相应减小，变压器的功率得以充分发挥，并能稳定电网，使传热效率由30%提高到60%。

图4 氧化期泡沫渣工艺与普通渣工艺升温过程比较

2）降低电能消耗

用长电弧高电压供电，可使电能消耗降低。采用泡沫渣冶炼工艺，必须向熔池内大量吹氧，形成以氧代电。据某厂统计：采用泡沫渣冶炼工艺后，可使每炉钢的平均冶炼时间缩短17 min，每吨钢节电116.3 kW·h，炉衬寿命提高65%。另外，由于加入碳粉等还原剂，使渣中FeO的还原率可达60%，使金属收得率得到提高。

3）降低电极消耗

采用泡沫渣埋弧冶炼工艺后，由于电弧被渣层屏蔽，电弧的辐射热相对于普通渣工艺减少，环境温度相对较低，因而可减少电极的氧化，又有利于提高二次电压，降低二次电流，使电能消耗减少，电极消耗减少2 kg/t钢以上，使生产成本降低，生产率提高，同时也使噪音减小，噪声污染得到控制。

造泡沫渣的手段也在不断完善，从最初的仅在电炉配料中增加焦炭的用量发展到用喷射设备向炉内喷入碳粉或其他的泡沫渣制剂。喷吹手段也从最初的手持吹氧管发展到目前采用机械化自动控制的喷吹装置，使泡沫渣冶炼工艺趋于完善。泡沫渣制剂也由单独的含碳型向复合型发展，其功能也趋于多样化。

1.3 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。吹氧助熔可以使熔化期缩短20min～30min，钢水熔炼能耗可下降80kW·h/t～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。

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0.4mPa～0.6 MPa。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内，在炉膛内燃烧以加热炉料。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150mm～200mm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。

电炉炼钢中应用喷粉技术，在国外已十分普遍。部分辅料如石灰粉、碳粉、铁合金粉、铝渣粉剂、脱硫剂等，依靠设置在炉前的料罐和粉体输送计量装置，以压缩空气或氮气作载体，直接喷吹到电炉溶池里。粉状料的喷吹输送强化了冶炼过程，可有效地控制炉况，提高脱磷、脱硫反应速度，对节电、缩短冶炼时间均有良好的效果，同时改善了作业环境。

底气搅拌等技术可使熔化时间由原先的3 h～4 h降至50min～60min，也有着较好的节能效益。

1.4 偏心炉底出钢技术

电弧炉偏心炉底出钢的基本特征是：取消原有电弧炉的出钢槽，在毗邻原出钢侧的外壳另设一个出钢箱，其内部砌筑耐火材料，构成一个具有一定空间的小熔池，与原有大熔池经圆滑过渡而相互连通。出钢口垂直地安装在小熔池底部，利用出钢口开闭机构和炉底倾动装置，不仅能顺利出钢，而且还能将部分钢水和全部炉渣留在炉内。

电弧炉采用偏心炉底方式出钢，与槽式出钢方式相比有诸多优点：

1）可以做到无渣出钢，可进行留钢、留渣操作（留渣量10%～15%），从而有效地利用能源预热废钢，缩短冶炼时间，降低电耗。

2）减小了电弧炉倾动出钢的角度（约15°），可以缩短大电流电缆长度，电路电抗值也因此减小，从而减小功率耗损，同时可以扩大水冷炉壁的面积，减少热态补修工作量和炉体热损失。

3）炉子输出功率因电抗减小而增加5%，因增加水冷炉壁面积又可增加5%。

4）粗而短的出钢钢流，加速了出钢进程，出钢时间减少近4min，减少温降50℃左右。

某钢厂3 t电弧炉试验结果表明：电弧炉采用偏心炉底方式出钢后，电耗降低63 kW·h/t，冶炼时间减少40min，节能效果明显。

1.5 合理超装炉料技术

炼钢电弧炉的电耗指标与装料量有关。其过载超装量取决于电炉变压器容量、炉膛尺寸和炉衬寿命。对于已有的电弧炉来说，应根据这些因素的具体情况选择其合理的过载超装量。经过调查研究表明：对于我国已有的电弧炉来说，其合理超装量应与表1所列数据相符。

表1 电弧炉的合理超装量

在熔化初期，炉中装入冷料，电弧被炉料所包围，炉料吸收电弧热量的条件最好，水冷构件被遮蔽，炉气温度不高，量也不大。因此，这阶段炉子的热损失功率大大减小了。这时，电弧直接向固体炉料传热，炉衬与炉料的热交换量非常小。

随着炉料熔化，电弧开始暴露在熔池面上，炉气温度增高，水冷物件的热损失功率增加，炉衬受电弧直接辐射。这时电弧能量只有约三分之一直接传向熔池，而三分之二要间接地通过炉衬再传给熔池。所以炉衬温度大大提高了。这阶段炉子的热损失功率要比前阶段大得多。

所以，要提高炉子的热效率，减少热损失，就要延长前一阶段的时间。采用超装的办法，就使电弧被炉料包围的时间相对延长了，也即使炉子在较低热损失功率下的工作时间延长了，从而降低了熔化期的平均热损失功率，提高了平均热效率，电弧功率的平均值也增大了。

这里要特别指出的是：每一台电弧炉，变压器和相关的供电设施都是按炉子的额定容量配置的，电压不可能随意改变；如果过分扩容超装，势必要增加能量输入，电压变不了，只能尽量增大电流；而盲目增大电流，必然导致无功功率增大，电效率降低，单位产品能耗大增，而且会使炉衬寿命缩短。偶尔生产一、两件较大铸件，不得不超过合理的超装容量，以提供足够钢液，作为权宜之计可以。把过分扩容超装作为常规，是很不应该的。此外，这种做法，实际上是以低功率、超低功率进行冶炼，与当前为降低电耗而向高功率、超高功率发展的趋势背道而驰。其他国家的电弧炉扩容，一般都不超过额定容量20%。

另外，扩容超装过多会降低钢液的冶金质量。电弧炉炼钢过程中，一些主要的冶金过程，如钢液的升温、脱磷、脱硫、脱氧、脱除非金属夹杂物等，都通过钢液／炉渣界面进行。钢液与炉渣间的界面面积越大，越利于各种冶金反应进行。为此，渣线处的炉缸直径与熔池深度之比应保持一个合理的值，一般应该是5∶1左右。若熔池太深，则不利于钢液温度的控制，脱磷、脱硫、脱氧、脱除非金属夹杂物等过程也都受到制约，势必使钢液冶金质量低下。由于炉壳直径固定，扩大容量只能靠增大炉缸深度。过分扩容超装，必然大幅度减少钢液／炉渣界面面积，使熔炼过程接近于简单的熔化。这样做，实际上是舍质而求量。

1.6 余热利用技术

1.6.1 化学热再利用技术——二次燃烧

二次燃烧技术是通过二次燃烧装置喷射适量的辅助氧气来燃烧CO和操作中产生的其他气体，放出大量的热量预热周围的废钢并返回熔池内部，从而缩短冶炼时间，增加电弧炉的生产率，取得节能降耗的效果，还可提高炉料的配碳量，也有利于废气处理。

德、意、法等国采用二次燃烧技术的电弧炉可缩短从通电到出钢时间的8%～15%。德国BCW公司的大量试验结果表明：用于二次燃烧的氧量为16.8 m3/t，实际节电62 kW·h/t；若能将冶炼过程中来自吹氧和泡沫渣中产生的CO完全燃烧成CO2，可节电80kW·h/t。美国Nucor公司在一座60t电弧炉上实测得到每炉冶炼时间从58 min降为54min，电耗从 380kW·h/t～400kW·h/t降为 332 kW·h/t[3]。

二次燃烧技术主要包括三项技术：水冷氧枪、氧气流量控制和气体分析系统。

国内某公司在应用二次燃烧技术时主要技术方案是：找到电弧炉内富CO区及CO在电弧炉炼钢过程中生成CO2的规律；在不改变超高功率电弧炉原配置的MORE型超音速碳氧喷枪主体结构的前提下，对二次燃烧的枪结构进行改进，自行研制出具有独特功能的复合枪；通过复合枪将90%～94%纯度的氧气输入到炉内富CO区，与CO充分混合燃烧放出大量化学能，直接传给废钢和钢液。该技术燃烧区域集中，传热效率高，以化学能代替电能，减少CO向大气排放，节约能源。该公司的生产实践表明[3]：与未进行二次燃烧的炉次相比，电耗降低了约28 kW·h/t；电弧炉同等出钢量的出钢时间可以缩短约7.5min，明显提高了生产率；可加大高碳炉料的入炉量，可使炉料中的碳变成经济的燃料，并降低生产成本；炉内CO的排出量可减少至原来的1/4，减少了炉气对环境的污染。

1.6.2 物理余热利用技术——废钢预热

如果在电弧熔化废钢前，将炉气的显热和化学热回用于废钢预热，可显著节省炉内输入能量，缩短熔化时间，降低输入功率，提高炉子生产率和金属收得率，节省电极和耐火材料，减轻环境污染。研究表明：电炉废气的温度约300℃～700℃；利用这些热量将废钢进行预热，可以降低冶炼电耗20kW·h/t～25 kW·h/t，熔化时间缩短 8 min～10min，电极消耗降低0.2 kg/t～0.6 kg/t，耐火材料消耗降低15%。

图8、图9为采用废气预热炉料技术前后的能量平衡对比图[4]。采用炉料废气预热技术后，废气带走的热损失仅占8.5%，比例下降了14.5%，电耗下降了 95 kW·h/t。

图8 采用废气预热技术前能量平衡图

图9 采用废气预热技术后能量平衡图

目前，常用炉料预热设备有三种，如图10、图11、图12所示。

国外能够同时实现废钢预热的典型电弧炉有Funchs竖式电弧炉和Constee1横式电弧炉。它们采用连续和半连续加料，一方面可回收废气带走的热能，另一方面还可使物流顺畅。

图10 预热炉式电弧炉

图11 单料罐预热式电弧炉

图12 双料罐式电弧炉

Funchs竖炉电弧炉是将传统的炉外废钢预热装置移到炉子上部，进行炉内废钢预热，充分进行二次燃烧化学能的转换和高温炉气的物理余热回收，兼顾过滤烟尘。

Constee1横式电弧炉的废钢预热装置为水平式，布置在电弧炉侧面的上部，见图13[5]。

对于有富余煤气或煤等燃料的企业，将废钢加热到700℃～1100℃，使带有大量物理热的废钢装入炉中，也能显著地缩短熔化时间，降低电耗。如将废钢加热到800℃，至少能使炼钢的耗电量降低120kW·h/t～130kW·h/t。

2 降低电气设备的损耗

炼钢电弧炉电气设备的电耗占总电能损耗的25%左右。因此，有必要采取相关技术措施，来控制这部分电耗，以降低总的炼钢单耗。

2.1 电炉变压器的节能改造

电炉变压器的容量如选择过小，会降低功率因数，影响变压器效率，同时超载运行又会使变压器铜耗增加，致使变压器发热加剧。如某厂5 t电弧炉，原变压器容量2250kVA，额定铜耗43.58 kW，超载运行后，铜耗为73 kW，增加了近30kW。合理选择容量后，变压器的温度从改造前的75℃降至35℃，铜耗明显下降。重新更换变压器能达到节能降耗的目的，但资金困难的企业难以实现。这时可采用保容改造的方法，既能达到节能降耗的目的，又能缓解资金困难。

保容改造主要是通过铁芯和线圈改造来降低变压器的内损耗，降低工作温升，提高工作电流，缩短熔炼期，从而达到节能降耗的目的。某3t电弧炉保容改造后，熔炼期缩短了30min，吨钢节电28.58kW·h，一年半即可收回投资。

2.2 短网改造

短网是指电炉变压器低压端至电炉电极的一段导线。它主要由矩形铜母线排、补偿器、挠性电缆、水冷铜管、电极夹头和石墨电极等部件组成。其中挠性电缆一般采用铜芯电缆，容量大的电炉可用水冷电缆。由于短网结构复杂、通过电流大等原因，电能损耗较大，一般约占传输总电量的9%～13%。因此，进行短网改造，降低短网损耗是节电的一个有效途径。

2.2.1 降低短网电阻

短网电阻主要由有效电阻、接触电阻和附加电阻三部分组成。

短网有效电阻与短网长度和截面有关。有效电阻可通过合理选择导线截面和根数等措施来降低。在选择导线截面时，主要应考虑减少集肤效应的影响，当导线截面超过600mm2时，应选用两根以上的导体。5 t电弧炉在10kA运行时，短网减短1m，可减少功率20kW，每吨钢可节电15 kW·h左右。

缩短短网的具体措施有：移动电炉变压器使其尽量靠近电炉；在变压器下加支持底座，使各段短网处于同一水平面上；在保证电弧炉正常工作的前提下，减少电缆长度。为了避免因变压器靠近电炉而引起辐射热增加，可在炉上加循环水冷却炉或在变压器和电炉之间设置防护罩。

电弧炉短网的接头较多，而通过短网的电流很大，如果接头连接不良，就会使接触电阻增大，不但会增大短网的功率损耗，而且还可能烧毁接头。因此，应尽量减少接头，对不拆卸的接头应采用焊接的方法或增大接触面积，接触面应保持清洁平整，使之有足够的接触压力。近年来，随着电接触导电膏的问世，在接头处涂抹导电膏又成为降低接触电阻的新方法。

导电膏是一种含导电填料和胶粘剂的具有流动性的糊状导电涂料。使用导电膏不仅可以降低接头的接触电阻值，而且还可以降低温升。据资料介绍：使用导电膏后，可使接头的接触电阻下降25%～75%，温升下降25%～75%。

附加电阻的产生与短网附近的铁磁构件在电磁感应作用下产生的涡流和磁滞损耗有关。这些构件的损失约占总电阻损失的15%～20%。

降低附加电阻的办法是：在短网周围尽量避免使用铁磁材料；钢质物体应离短网远些；在闭合的钢性物体中建立空气隙和加绝缘垫。

2.2.2 减少短网电抗和三相阻抗的不平衡

短网在接线时，应尽量采用双线布置方式。这种布线方式可实现磁通补偿，降低短网电抗，增加三相阻抗平衡系数。三相短网在空间布局时，应将中间相抬高，使其呈正三角形布置。这样也有助于三相电抗平衡系数的改善。某厂在采取双线布置后，功率因数从0.76提至0.84左右，取得了较好的节电效果。

2.2.3 采用新型水冷导电横臂改造短网

近年来，随着电弧炉的大型化与高功率化，整个短网部分的电阻与电抗值不断加大，恶化了电弧炉主回路的电效率和功率因数；另一方面，随着电弧炉工作电流的不断加大，也给短网的导电铜管段带来了许多麻烦问题。新型的电极横臂—水冷导电横臂把原来水冷铜管的导电功能和横臂的支撑功能合而为一，并配有大截面水冷电缆，其短网阻抗较低，有着较好的节能效益。水冷导电横臂如图14所示，它取消了传统的导电铜管及其支撑结构，全部装置均安装在整体的箱形横臂之内。

图14 水冷导电横臂

中小型电弧炉的短网软缆多数为空冷裸缆，造成接触电阻大、使用寿命短、维修工作量大、增加热停工时间和三相电抗不平衡等缺点。大截面水冷电缆吸收了国外先进技术，导线绞缆成股，各股线与铜连接采用一次压接工艺，电缆两端为平面接头，减少接触电阻；各股缆线用软绝缘材料隔开，避免相互摩擦，电缆寿命可延长2～3倍。它可充分发挥变压器能力，提高变压器输出功率10%。采用大截面水冷电缆可节电2%～5%。

短网电阻随着温度升高会增大，使短网的功率损耗增加。如在10kA运行下的短网，温度每升高1℃，每米母线约增加3 W～6 W损耗，因此，降低短网的温度也可减少电能损耗。

某厂采用新型水冷导电横臂改造电弧炉，熔化率提高了13.3%，冶炼电耗下降了12.7%。中铁宝桥股份有限公司铸钢车间采用新型水冷导电横臂改造6 t电弧炉，取得如下的效果：改造后平均每炉钢水（10t钢水）比改造前冶炼时间缩短18 min左右；吨钢耗电量降低31 kW·h左右；电极消耗可降低 0.9 kg/t左右[6]。

2.2.4 采用微机控制变频式电极调节器

输入电弧炉内的功率与电弧长短有关。冶炼时，要求在最佳输入功率曲线下维持规定的电弧长度。但由于种种原因，炼钢时电弧长度会发生变化，电弧功率偏离最佳输入曲线，致使电能损耗加大。这就要求电极能及时调整位置，维持规定电弧长度。

微机控制变频式电极调节器具有良好的快速性、准确性及可靠性。它能迅速、准确、平稳地自动控制电极升降，调整电弧长度，达到自动控制电弧功率的目的；而且系统控制精度高，电流稳定，故障率低，热停时间少，缩短了冶炼时间，降低了电极消耗，并减少对电网负荷冲击。据国内20余家企业的应用实践证明：微机控制变频式电极调节器平均可缩短冶炼周期约20min，节省电耗约50kW·h/t，节约电极0.5 kg/t～1 kg/t，一年左右就能回收技术改造费用，节能效果显著。

日本大同钢管公司采用ARMS-MARK-11计算机控制系统控制电极调节器，对电耗在500kW·h/t以上的电弧炉，电耗可降低10%；对电耗在450kW·h/t～500kW·h/t的电弧炉，电耗则可降低5%左右。

此外，采用小惯性电极驱动装置改造原有系统，也可取得较好的节能效益。如某厂改用晶闸管小惯量电机驱动装置后，吨钢电耗下降了25kW·h～30kW·h。

3 采用直流电弧炉

直流电弧炉具有电弧稳定、电弧热交换率高、磁路涡流损耗小等优点。近年来直流电弧炉发展迅速，主要是由于与三相交流电弧炉相比，具有以下优点[7]：

1）石墨电极消耗可降低1/2～1/3；

2）冶炼电耗可降低5%～10%；

3）噪声可下降10dB～15 dB；

4）单电极直流电弧炉可以消除电弧偏吹和炉壁热点现象，降低耐火材料消耗；

5）熔液搅动激烈，能缩短熔化时间，升温速度快，并促进冶金反应的进行。

某厂把一台普通三相交流电弧炉改成磁镜直流电弧炉后，平均单耗由改造前的679 kW·h/t降至584.6 kW·h/t，且电弧稳定，噪声降低。

4 加强生产管理

炉料管理不科学、不能集中连续生产等因素也是造成电弧炉炼钢能耗高的因素。加强生产管理，可降低这方面原因造成的能耗。具体可从改善炉料管理和生产组织方式等方面着手。

4.1 加强炉料管理

废钢质量差、轻薄料多、夹杂严重等原因，易导致装料不密实、每炉钢进料次数多。根据监测，每多进一次料，需要延长冶炼时间25min，增加电耗50kW·h/t[8]。

废钢尺寸超长易造成炉盖盖不严，大量热气、火焰冒出而损失热能。导电不良的渣钢及大块废钢装料位置不正确，易导致冶炼时搭桥塌料而打断电极，使电极消耗量增加，冶炼时间延长。

因此，应对废钢进行如下处理：过长的废钢应割断，使其不超过0.5m；大块废钢不得超过500kg；对特殊轻薄料须进行打包处理；废钢原料应按大、中、小分别堆放。

炉料装得密实，不仅可以减少装料次数，还可以提高炉料导电性能，使电弧燃烧稳定，热能利用率高。要想减少装料次数，提高装料密实程度，就必须保证大、中、小炉料有恰当的比例。对于中小型电弧炉，可按表5配比装料。

表5 中小型电弧炉炉料配比表

在保证炉料配比的同时，要合理布料，做到上疏松、下密实、中间高、四周低、“穿井”快、不搭桥，炉口无大料。

装料的顺序为：先在底部铺一半小料，小料上面辅大料，大料集中在电弧高温区，中料可以加在大料上部和四周以填满空隙，最上面再铺剩余的小料，以利于电极迅速“穿井”。

4.2 控制出钢温度、渣量和留钢量

据计算：钢水温度每提高10℃，冶炼电耗将上升4 kW·h/t。所以在熔炼生产操作中，应严格控制出钢温度，采用红包出钢，在保证浇注顺利的情况下适当降低出钢温度，减少钢水带走的热量。

由于现在电炉炼钢所用废钢条件较好，在满足冶金反应的前提下，适当降低渣量，也是节电的一个有效途径。因为热平衡分析表明：熔渣带走热量比例高达7.5%左右。如果在普通钢中采用单渣操作，可使炉渣热损失减少60%，相当于每吨钢节电40kW·h[9]。

还应严格执行规定的留钢量。留钢量越多，越有利于提前形成熔池，具有稳定电弧的作用，有助于造泡沫渣和熔化废钢。但留钢量过多，会因这部分钢水反复升降温而引起电耗增加。

4.3 改善生产组织方式

4.3.1 采用集中连续生产

电弧炉热容量很大，如果不连续运行，就会浪费炉衬、电极等部件的蓄积热量，使冶炼时间加长，吨钢电耗升高，同时增加炉衬和电极的消耗。因此安排生产时，应使电弧炉集中连续运行。如果由于铸件生产的随机性等原因，电弧炉不能完全连续生产，也要做到相对集中连续生产。采用连续生产不仅可使平均冶炼时间和平均吨钢单耗下降，还能使生产率提高。某公司加强生产管理后，其平均吨钢电耗由 805.3 kW·h/t降为 713.0kW·h/t，下降了11.5%；平均生产率提高约4%。

4.3.2 选择夜间开炉

夜间用电具有高次谐波少、电压稳定、无功影响小、电价低等优点。在夜间开炉运行，可使电弧炉高效运行，从而达到节能降耗的目的。

此外，还应加强生产调度，尽量缩短出钢等待时间，杜绝不必要的能源浪费。

综上所述：从节约能源和材料角度考虑，吹氧助熔技术、泡沫渣埋弧冶炼技术、余热回收技术和直流电弧炉的推广使用是电弧炉炼钢的几个重要发展方向。

电弧炉熔炼节能工作是一个系统工程，单靠一两项节能措施是不够的，需要综合应用各种技术方法。企业在选择节能方法时，应先根据设备的具体能耗分析，找出能耗高的主要原因，然后选用合适的节能措施，并且将技术节能与管理节能进行有机结合，才能取得更好的节能效果。

［1］李传拭.谈铸钢熔炼方面的几个问题［J］.铸造，2010（3）：266-271.

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