電爐煉鋼工藝與設備基礎第一章 電爐煉鋼的發展概況及其主要技術經濟指標電爐一般包括電弧爐、感應爐和電渣爐等，本次講座將電弧爐簡稱為電爐。自19世紀末、20世紀初電爐誕生以來，至今已有一百多年的歷史。我國的傅杰等學者提出，迄今這100余年的電爐發展歷史大致可分為傳統的電爐煉鋼和現代的電爐煉鋼兩個時期，它又可細分為四個時期：傳統電爐煉鋼技術的發生發展期和成熟期及現代電爐煉鋼技術的發生發展期和成熟期，如圖1-1所示。圖1-1 電爐煉鋼技術發展的歷史分期示意圖第一節 傳統電爐煉鋼生產和技術的發展前蘇聯的奧柯諾柯夫在其專著黑色冶金冶煉電爐一書中提到，電弧是由俄國的彼得羅夫院士發明的。19041905年米捷維茨院士開始應用電弧。美國人Sims在其電爐煉鋼一書中寫道：電爐是由Pichon于1853年發明的，1906年，紐約的Halcomb Steel成功地建成并投產了美國第一臺單相電爐，容量為4t。盡管不同的作者對傳統電爐煉鋼技術的發展歷史具有不同的看法，但有下列幾點是共識的：1傳統電爐煉鋼是在貝氏麥轉爐、托馬斯轉爐、平爐之后，20世紀初才開始發展起來的；2電弧現象和作用的發現以及大型爐用變壓器的研制成功，是電爐誕生和發展的技術基礎；3傳統電爐的冶煉過程分為三個時期：熔化期、氧化期、還原期，還原期是其獨有的。由于有一個還原期，因而在冶煉特殊鋼方面具有優勢；4傳統電爐主要用來生產特殊鋼，當然也可以生產普通鋼。傳統電爐煉鋼的發生發展期可以界定為：20世紀初電爐誕生至第二次世界大戰以前，在此期間，電爐的比例很小，電爐鋼的比例也很小；傳統電爐煉鋼技術的成熟期可以界定為第二次世界大戰期間至1982年LF精煉爐問世。在這一時期，為滿足工農業生產和軍事的需要，電爐煉鋼得到了較快的發展，冶煉工藝技術不斷完善。至20世紀50年代，電爐煉鋼技術以“熔氧結合（合并），薄渣吹氧，縮短還原期”為特點的工藝改革，標志著傳統電爐技術進入了成熟階段。但是隨著氧氣轉爐和連鑄技術的興起和快速發展，使得傳統的電爐煉鋼生產越來越不適應高節奏、高生產率、多品種和高產量的客觀要求，迫使傳統的電爐煉鋼生產技術向現代電爐煉鋼方向發展。第二節 現代電爐煉鋼生產和技術的發展在20世紀60年代初，弧形連鑄機技術成功的應用于煉鋼生產，迫使電爐冶煉圍繞著縮短冶煉周期，以適應生產節奏快，達到與連鑄匹配，從而開發了一系列新技術，以保證電爐小時產量能適應多爐連澆的要求，以增強自身的市場競爭力。20世紀60年代，被稱為Mini-mill（短流程）的鋼廠始于歐洲。Mini-mill的興起使現代電爐煉鋼進入了發生發展期。美國是一個經濟高度發達的國家，廢鋼資源豐富，電力充足，廢鋼價格及電價便宜，十分有利于電爐煉鋼的發展。20世紀70年代，一類以生產長材為主的電爐鋼廠（電爐+連鑄）在美國興起。起初，這些鋼廠的規模不大，一般年產不超過30萬噸，因而被稱為小鋼廠（Mini-mill）。第一次石油危機以后，美國鋼鐵工業走下坡路，鋼產量從1973年的最高產量1.368億噸降到1984年的6000萬噸。從1982年到1987年的五年內，美國為了振興鋼鐵工業，他們大力發展電爐鋼的生產，建起了幾千萬噸的電爐短流程鋼廠，電爐鋼比列超過30%，電爐鋼生產技術取得了長足進步。70年代發展了超高功率供電（見表1-1）及相關技術。由于超高功率供電，電爐的生產率大為提高，電爐冶煉過程的還原期移到爐外成為必然，否則會降低大型變壓器的功率利用率。80年代初期LF及EBT技術的開發，形成了“電爐冶煉+在線爐外精煉+連鑄”的現代電爐流程（見圖1-2），電爐平均冶煉周期從1965年的180min縮短到1988年的60min，可以與50mm厚的薄板坯連鑄的節奏匹配。連鑄與連軋配合，1989年美國Nucor第一條UHP-EAF-CSP生產線是電爐薄板坯連鑄連軋技術發展的里程碑，是當時集成創新的典范，標志著現代電爐煉鋼進入了成熟階段。隨著Mini-mill規模的不斷擴大，人們開始將這類小鋼廠稱為現代電爐鋼廠。90年代以來，由于連鑄單流產量的提高，一機多流、多爐連鑄技術以及薄板坯厚度的增加，要求進一步縮短冶煉周期。據報道，單座電爐的冶煉周期已經縮短至4050min，甚至最短達35min，已經達到或接近每晝夜生產36爐鋼的水平。在此期間，歐洲和日本的一些電爐廠開發了一系列電爐煉鋼技術，它主要包括兩個方面，一個是強化用氧；另一個是不同類型的廢鋼預熱。這樣就出現了多種型式的現代電爐，如豎井式Focus豎爐電爐、雙豎爐電爐、Comelt煙道豎爐電爐、多級廢鋼預熱豎爐電爐（MSP）以及 Consteel電爐等。表1-1 電弧爐功率水平級別和生產率的關系功率級別普通（常規）功率（RP）高功率（HP）超高功率（UHP）低功率中等功率電弧爐功率水平/KV.A/t出鋼-出鋼時間/min生產率/t/h200240260152540050012015030406508008095608080010005560100圖1-2 現代電爐工藝流程關于現代電爐煉鋼的特征，我國有的學者總結為“高效、節能、環保”；有的學者歸結為“電爐生產節奏轉爐化，鋼的爐外精煉在線化和鋼的凝固過程連續化”和“可持續發展”。這些均正確地反映了現代電爐煉鋼的一些特征和發展趨勢，使我國的電爐煉鋼具備這些特征，是我國電爐鋼生產發展的方向。現代電爐煉鋼的特征是由現代電爐煉鋼的技術特點決定的，表1-2為現代電爐煉鋼技術特點和傳統電爐煉鋼技術特點的比較。表1-2 現代電爐和傳統電爐煉鋼技術特別的比較比較項目傳統電爐煉鋼現代電爐煉鋼能源電能電能、化學能、物理能冶金過程熔化、氧化、還原三期操作；熔畢碳含量大于0.2%取消電爐還原期、還原期在爐外精煉過程中進行；高配碳，可停電不停氧操作主要原料廢鋼、10%15%的生鐵廢鋼、30%40%生鐵/鐵水及DRI/HBI產品鋼錠連鑄坯環境環保意識差重視環保、綠色制造由表1-2可見，現代電爐煉鋼技術具有下述5個特點：1現代電爐煉鋼的能源有三種，除傳統的電能外，還有化學能和物理能。化學能和物理能所占的比例超過50%。2現代電爐的冶煉過程主要是熔化、氧化過程，取消了傳統電爐煉鋼的還原期，傳統電爐煉鋼還原期的任務由在線的爐外精煉完成，現代電爐成為了一個初煉爐；用氧的主要目的由傳統電爐的助熔、脫碳去氣（熔畢碳大于0.2%）變為提供化學熱，以增加現代電爐煉鋼的一個重要熱源。由于化學熱和物理熱的增加，冶煉過程中當采用加部分鐵水冶煉時，可以有一個停電不停氧的操作，這是由于兌入的鐵水比例高，有一段時間像轉爐一樣可以不供電。3采用高配碳操作。生鐵在傳統電爐煉鋼過程中配入量為10%15%，主要用作增碳劑，以便去氣和增碳。現代電爐煉鋼的主要原料除廢鋼外，還有30%40%的生鐵或DRI/HBI等，在現代電爐煉鋼過程中主要用來高配料，以增加化學熱，生鐵是最佳的配碳劑。巴西某廠于1995年以前在電爐爐料中加40%的生鐵；珠鋼150t煙道豎爐電爐和天津鋼管公司的150t電爐多年來均是采用30%35%的生鐵（部分用HBI來代替）作為爐料；韶關90t Consteel電爐原爐料中也含30%的生鐵。以熱鐵水代替生鐵塊，增加了物理熱，節約了能源，實現高配碳；在全廢鋼冶煉時，爐料中加入無煙煤，并向熔池中噴吹炭粉。為了增加物理熱，采用廢鋼預熱技術的優點是眾所周知的，這是國外冶金工作者的貢獻。在現代電爐煉鋼過程中，爐料預熱是包括生鐵預熱的，考慮到節能降耗，電爐加部分鐵水冶煉在理論上也是合理的。在實踐中，中國目前34臺容量大于60t的電爐中已有22臺采用了電爐加部分鐵水操作，將來數量還會增加。電爐加部分鐵水冶煉是中國冶金工作者對現代電爐煉鋼技術發展的貢獻。用熔融還原的方法生產鐵水代替高爐生產鐵水，有利于資源利用和環保，是一種技術進步；DRI/HBI作為生鐵的代用品，有利于環境的保護，也是一種技術進步。究竟采用何種爐料結構，應考慮當地的資源和能源供應特點以及不同爐料的經濟性。把生鐵、鐵水（包括熔融還原的鐵水）、DRI、HBI等簡單的稱為“廢鋼代用品”值得商榷，因為用一種有效資源、載能體來代替廢鋼，從技術進步的角度考慮是不合理的，當然把它們用來和廢鋼配合作電爐原料，至少在現階段還是具有一定的合理性。4現代電爐煉鋼的產品主要是連鑄坯，傳統電爐煉鋼的產品是鋼錠。由于某些鋼種的特殊需要，在現代電爐鋼廠中，可以保存部分模鑄（生產尺寸較大的鋼錠、模塊或鑄件），但是由于經由模鑄的鋼通常數量較小，為了提高企業的市場競爭力，這些鋼廠有必要大量生產連鑄坯軋材，所以必須采用現代電爐煉鋼技術。5傳統電爐冶煉的環保意識差，電爐車間上空往往褐色煙塵滾滾，現代電爐煉鋼從末端治理（公害治理）將發展到源頭治理，實現綠色制造，工業生態鏈，循環經濟。眾所周知，當今世界鋼鐵生產主要有兩種流程，一種是以鐵礦石為主要原料的高爐轉爐流程，另一種是以廢鋼為主要原料的電爐短流程。2006年，世界轉爐鋼產量占世界總鋼產量的65.5%，電爐鋼產量占世界總鋼產量的32%；如美國等不少國家電爐鋼比例已超過50%。圖1-3為1993年2005年主要產鋼國家及地區粗鋼產量及電爐鋼比例的變化。表1-3和表1-4則分別列出了1950年1988年及1995年2006年世界主要產鋼國家的電爐鋼比例。21世紀前幾年世界及中國大陸鋼產量的變化如表1-5和圖1-4所示。圖1-4示出了2000年2007年世界及我國大陸地區鋼產量及世界電爐鋼比例的變化。由該圖可見，隨著中國大陸鋼產量的迅速增長，世界鋼產量迅速增長，世界電爐鋼比例有所下降。世界電爐鋼比例有所下降的主要原因是由于中國大陸鋼增長速度，主要是轉爐鋼增長速度過快造成的。2007年世界（67個國家和地區）鋼產量合計13.22億噸，除中國大陸以外，世界鋼產量合計8.33億噸，世界鋼產量同比增長率為3.2%，而中國大陸的鋼產量增長率為15.7%，其中轉爐增長率為25%以上。圖1-3 1993年2005年世界粗鋼產量及電爐鋼比例的變化表1-3 1950年1988年世界電爐鋼生產的發展年份電爐鋼比例/%美國現代電爐鋼產量比/%美國日本歐共體全世界19506.215.66.47.30.619556.912.68.68.00.919608.420.210.710.62.019659.620.312.012.52.8197015.316.713.714.45.3197519.416.419.716.66.7198027.924.523.821.112.1198533.929.025.124.819.9198836.929.729.126.621.5電爐鋼比例=電爐鋼產量/總鋼產量，%；現代電爐鋼比例=現代電爐鋼產量/總鋼產量，%；表1-4 世界主要產鋼國的電爐鋼比例年份電爐鋼比例/%世界日本美國韓國德國印度199532.632.339.437.824.129.7199632.933.342.139.526.025.9199733.732.843.243.126.431.6199833.931.944.640.327.531.8199933.530.546.241.629.232.1200033.728.846.842.828.732.1200135.127.647.443.629.342.5200233.927.150.745.229.342.7200334.026.448.944.830.045.6200433.226.453.643.930.743.8200531.725.655.044.130.744.9200632.026.056.945.733.150.5圖1-4 世界及中國大陸地區鋼產量及世界電爐鋼比例的變化（2000年2007年）表1-5 2001年2005年世界鋼生產情況年份20012002200320042005世界鋼產量/億噸電爐鋼比例/%鋼增長速度/%8.45335.09.00533.96.539.63133.16.9510.54833.89.5211.26931.76.83美國鋼產量/億噸電爐鋼比例/%鋼增長速度/%0.9147.40.92250.72.440.90448.9-1.950.98953.09.400.94955.0-4.04德國鋼產量/億噸電爐鋼比例/%鋼增長速度/%0.44829.30.45029.30.400.44830.0-0.400.46430.73.570.44530.7-4.28日本鋼產量/億噸電爐鋼比例/%鋼增長速度/%1.02927.61.00727.1-4.661.10526.42.601.12726.41.991.12525.6-1.77中國大陸鋼產量/億噸電爐鋼比例/%鋼增長速度/%1.51615.81.82316.720.22.22417.622.02.72516.522.53.49412.928.2鋼增長速度=（當年鋼產量-去年鋼產量）/去年鋼產量100%；根據中國鋼鐵工業協會宣布的電爐鋼產量計算有學者預計，現代電爐煉鋼的成熟期可能要經歷一個較長的歷史階段。即使由于鐵礦石、焦煤等資源枯竭，廢鋼成為唯一原料，未來的當代電爐煉鋼技術仍然會具有現代電爐煉鋼技術的五個特點，但那時化學熱和物理熱的利用、電爐煉鋼對環境友好、循環經濟等會表現得更成熟，過程理論會更趨于完美，具體如下：1電爐冶煉過程中仍然是三個能源，電能和化學能的利用率會有所提高，電耗占總總能耗的比例仍會有所降低（例如降至30%），氧氣利用率進一步提高，廢鋼預熱技術進一步發展，像Ecoarc技術一樣，除單一的廢氣預熱廢鋼外，還會增加金屬熔池的顯熱預熱廢鋼；2電爐冶煉過程仍然是高配碳，在線爐外精煉，還原期仍在爐外進行并實現鋼液的微合金化；3在原料方面，仍然是鐵素材料加炭素材料，廢鋼成為唯一的鐵素材料，炭素原料不會以生鐵的形式加入，而是噴粉（炭粉），這一點在目前廢鋼資源豐富的發達國家，廢鋼便宜時已經在實施了；4產品主要仍然是連鑄坯，不會回到模鑄小鋼錠；5電爐煉鋼環保技術會更完善，循環經濟更可行。1993年以來，我國在現代電爐流程與電爐工程技術方面取得了長足進步，主要體現在以下幾個方面：1初步實現了爐子容量大型化。我國電爐在20世紀80年代數量增加極快，但大多數是技術經濟指標落后的小爐子，1992年平均爐容量為4.6頓每臺，見表1-6。表1-6 我國電爐煉鋼設備總量和電爐煉鋼總量年份199319941995199619971998199920002001200220032027196618111893191218141948202024013049390623.221.219.018.717.615.815.715.715.916.717.61403156116063380179620082979704212804982電爐鋼產量/萬噸； 電爐鋼比例/%； 電爐數量/座； 公稱容量/噸1993年以后，我國淘汰了大批小爐子，目前我國有容量為50150t的大電爐34臺，大于100t的13臺，它們的生產率能夠滿足連鑄要求，形成了“電爐冶煉-爐外精煉-連鑄”或“電爐冶煉-爐外精煉-連鑄-連軋”現代電爐流程群體。電爐鋼主要是靠這些大電爐來生產的。2000年，我國共產電爐鋼2020萬噸，其中由50t以上電爐生產的1241萬噸，占電爐總產鋼量的61%。實踐證明，爐子容量大型化是現代電爐煉鋼流體整體優化的基礎。2技術經濟指標顯著提高，縮短了與國外的差距，不少廠家已達到國際先進水平。1993年我國電爐主要技術經濟指標為：冶煉周期180200min，電耗610kwh/t以上，電極消耗8.77kg/t，低于1965年的國際水平，也就是說，我國比國外落后約30年。2003年，我國部分現代電爐煉鋼廠的主要技術經濟指標進入國際領先行列，下面是安陽鋼鐵公司第一煉軋廠100t煙道豎爐電爐在加25%鐵水條件下（鐵水現場供應不足）2003年的技術經濟指標：冶煉周期 平均41min，最短30min電爐冶煉時間 平均31min，最短27min豎爐作業率 92%熱停率 1.5%最高班產 13爐最高日產 37爐，3970t最高月產 103673t2003年鋼產量 1081278t電耗 平均222kwh/t，最低160kwh/t氧耗 平均41m3/t（標態）電極消耗 平均1.5 kg/t，最低1.3 kg/t在現有22座60150t加部分鐵水冶煉的電爐中，已有16座生產率超過了8000t/(t.a)，其中有7座超過了10000 t/(t.a)。3在消化吸收引進國外先進技術的基礎上有所創新。近十年來，我國引進了煙道豎爐電爐、Consteel電爐、Danarc 及Danarc Plus電爐、雙殼爐及其它超高功率交、直流電爐，這些電爐目前大多已經達產。達產說明我們已經很好地消化吸收了國外先進技術。同時，在消化吸收引進國外先進技術的基礎上有所創新，創新技術主要包括：提出了現代電爐冶煉周期的綜合控制理論。開發了電爐加部分鐵水冶煉的新技術，其中主要有：安鋼最佳鐵水加入比的確定，特別是理論計算與實踐一致；韶鋼Consteel電爐連續加鐵水工藝以及沙鋼等專建高爐生產鐵水做電爐原料等。電爐以氮代氬全程底吹技術。珠鋼引進的150t煙道豎爐電爐及韶鋼引進的90t Consteel電爐均設置了底吹氬系統，熔煉過程中底吹氬或先吹氮然后氮氬切換，在研究了不同鋼液溶解氧含量條件下吹氮對鋼液增氮影響的理論指導下，開發了電爐全程底吹氮技術，用于生產，珠鋼在全程底吹氮條件下，電爐出鋼氮含量可低于0.0030%。低氮電爐鋼生產技術。我國對鋼液脫氮與吸氮理論進行了深入系統研究，促進了低氮電爐鋼的生產。美國電爐鋼氮含量一般為0.0080%0.0120%；日本山陽特殊鋼廠150t電爐生產的一般鋼材氮含量為0.0100%0.0150%，軸承鋼0.0080%0.0100%；Ecoarc爐子的氮含量為0.0100%0.0110%；我國不少同容量電爐生產的鋼材氮含量達到0.0040%0.0060%，最低可低于0.0020%。電爐冶煉終點控制技術。根據電爐冶煉過程的碳氮平衡與鐵氧平衡，開發了電爐冶煉終點碳控制技術，在生產含碳量低于0.06%的低碳鋼過程中，將電爐出鋼碳控制在0.035%0.045%，一次終點命中率可達90%以上。寶鋼在智能煉鋼、自動控制終點技術方面取得了創新性進展。電爐優化供電技術。開發了在加部分鐵水冶煉條件下充分地利用變壓器功率，提高有功功率的供電技術以及普通超高功率電爐及高阻抗電爐的非線性電抗模型。開發了電爐爐料結構模型和不延長冶煉周期的HBI加入工藝。針對含Cu、Ni、Cr的集裝箱板鋼，以廢鋼中的Cu、Ni、Cr殘余元素作合金元素來源；針對要求Cu等雜質元素含量低的深沖鋼板，爐料中加HBI進行稀釋利用開發的加入工藝，在加入量為30%35%的條件下，保持冶煉周期不延長，以滿足多爐連鑄需要。盡管我國電爐鋼產量近年來還在增長，但是當前電爐鋼生產仍面臨不少困難，歸納起來，主要困難有下列三個：1認識問題。面對2004年以來，轉爐鋼總產量迅猛增長，電爐鋼比例快速下降，出現了“轉爐會消滅電爐”、“中國不同于外國”這樣的聲音，這種觀點或多或少地會影響我國鋼鐵工業健康發展的決策（包括投資等）及鋼鐵企業領導的生產管理，可能會延緩我國由一個鋼鐵大國變為鋼鐵強國的進程。2廢鋼價格問題。在一個相當長的時期內，我國廢鋼資源緊缺的局面會依然存在，原因是：我國是發展中國家，大量鋼材回收周期長，目前廢鋼生成量較小，能用于煉鋼的廢鋼量比發達國家少；轉爐消耗掉大量廢鋼，轉爐冶煉過程由于化學反應熱相對煉鋼所需要的熱量過剩，需要加入冷料來降溫，從理論上說有一個合適的冷料比，冷料包括廢鋼和生鐵，通常加入轉爐的廢鋼均是優質廢鋼，我國轉爐產鋼量特別大，故消耗的廢鋼量也特別大，如果有的企業采用不合適的廢鋼比操作，廢鋼消耗量就會更多；非理性消耗，我國還存在生產“地條鋼”現象，也導致廢鋼資源浪費。目前，一般來說，國際廢鋼價格比生鐵價格每噸低5080美元，特別像美國這樣的國家，廢鋼資源豐富，價格便宜。而我國國情不同，廢鋼價格高，基本上是廢鋼與生鐵的實際價格相當。3電力緊張問題。電爐是用電大戶，當電力緊張時，首當其沖被拉閘限電的就是電爐；或者由于電力緊張，電價上漲，電爐鋼成本增加，容易被關停。雖然近年來我國電力裝機容量會迅速增長，但國民經濟其它部門和人民生活對電量的需求也會增長，對于電爐煉鋼用電問題還是不能太樂觀。解決上述問題的對策有以下幾點：1認清轉爐與電爐的發展趨勢隨著鋼鐵工業的發展，現在轉爐和電爐存在越來越多的共性，主要表現在以下方面：現代煉鋼流程冶煉工序（轉爐與電爐）功能轉變。現代轉爐的功能逐漸演變為快速高效脫碳器、快速升溫器、能量轉換器和優化脫磷器。現代電爐的功能演變為廢鋼快速熔化器、快速升溫器、能量轉換器、高效脫碳脫磷器、廢棄塑料和橡膠制品（輪胎等）的回收器。如上所述，轉爐和電爐的功能已演變為基本相近，只是由于爐型不同，原料成分（主要是碳、磷）不同，在脫碳量、脫碳速度和脫磷要求方面有所不同，從而工藝有所差別。現代煉鋼流程的能源結構。現代轉爐鋼生產流程的主要原料是鐵水和冷料（包括廢鋼、生鐵），鐵水主要取決于鐵礦石、焦煤資源。現代電爐生產流程的主要原料是廢鋼和生鐵，加入生鐵是為了有效進行高配碳操作，為了進一步縮短冶煉周期，最好是加入部分鐵水。電爐、轉爐均有一個最佳鐵水比或冷料比。現代煉鋼流程的能源結構。傳統轉爐的能源主要是鐵水帶入的物理熱和吹氧氧化鐵水中的碳、硅、錳、磷等產生的化學熱。電爐主要是電能，現代電爐由于高配碳，強吹氧和加入部分鐵水，能源結構除電能外，引入了物理熱和化學熱。物理熱也可由預熱廢鋼帶入。現代煉鋼冶煉工序（轉爐、電爐）的底吹氣。為均勻成分和溫度，現代大型轉爐采用頂底復吹，現代大型電爐也采用底吹技術，吹氣采用氮氬切換方式，前期吹氮，后期吹氬。中國冶金工作者深入研究了鋼液吸氮和脫氮動力學，開發了以氮代氬全部底吹氮技術，使轉爐和電爐在以氮代氬全部底吹氮氣條件下，出鋼氮含量分別達到約0.0010%和低于0.0030%，特別使電爐鋼達到相當低的氮含量。終點控制。由于轉爐與電爐冶煉末期，鋼水中氧含量高，氧化性鋼液出鋼，具有相同的出鋼目標控制，即控制出鋼溫度、碳含量及磷含量，主要是控制碳含量，兩者控制原理一致。冶煉周期。現代電爐的冶煉周期已可達30min左右，與轉爐冶煉周期基本相當，均可以與連鑄匹配，實現多爐連澆。現代煉鋼流程冶煉工序的經濟性評估。冶煉工序效益（單位時間利潤或冶煉一爐鋼的經濟效益）可以表示為： （1-1） 式中工序效益，元/h； E一爐鋼水的價格，元； 一爐鋼水的成本，元；Pi消耗i的價格；Cii的消耗量；冶煉周期，h。如果表示一個月，則為一個月的經濟效益；如果表示一年，則為一年的經濟效益。對鋼種的適應性。傳統的轉爐主要生產普通鋼，電爐主要生產優質特殊鋼。鋼鐵生產技術的進步，使得轉爐配上爐外精煉（或爐外處理）也可生產特殊鋼；而電爐取消還原期，大大縮短了冶煉周期，使得它可以與連鑄匹配，生產普通鋼。目前轉爐和電爐生產的鋼種基本類似。綜上所述，轉爐冶煉與電爐冶煉具有越來越多的共性，正是基于這一共性決定了兩者之間會在不同歷史時期、不同地區，比例有所不同。在轉爐鋼的成本低于電爐鋼的成本條件下，電爐可采取生產高附加值鋼和加部分鐵水冶煉等縮短冶煉周期的措施降低成本；當鐵礦、焦煤資源短缺，廢鋼資源增長時，高爐會加入部分廢鋼，轉爐可以采取生產高附加值鋼（特別是對金屬雜質含量有嚴格要求的鋼種）和提高入爐鐵水溫度，降低出鋼溫度等措施多加廢鋼，降低成本。即使出現一種更先進的爐型，只要它與現代轉爐和電爐在本質上相同，基本投資及就業等社會原因，現代轉爐和電爐均不會消亡，現代電爐煉鋼成熟期還會經歷一個相當長的歷史階段。只有當鋼鐵不再是“必選”材料，不再成為推動全球經濟發展和社會文明進步的物質基礎，或出現一種從本質上與現代煉鋼截然不同的、具有比較優勢的新方法時，轉爐、電爐煉鋼才會逐漸從成熟發展到衰老、消亡，而這目前還難以想象，也許是若干代人以后的事了。所以應該更多地研究當前電爐鋼生產的發展問題。2生產高附加值鋼基于式（1-1），在我國目前廢鋼及電力緊缺、價格高的條件下，要使電爐鋼廠能夠贏利，電爐鋼生產能夠獲得發展，必須生產高附加值產品（增大E），縮小冶煉周期（減小）；對于電爐流程冶煉工序，高附加值優質產品因時、因地具有不同的含義。目前我國高附加值優質產品，也就是能贏利的電爐鋼品種包括：轉爐流程不適合生產的高合金鋼、高溫合金、大型鑄鍛件用鋼；一些大型機械（包括冶金機械）部件，特別是鑄鋼件，用隨時可以啟動、終止的電弧爐冶煉比較合適；對一些特厚板，用電爐生產大型鋼錠的軋材比用電爐或轉爐生產的連鑄坯的軋材質量好；對于一些軍工產品，即使轉爐流程能夠生產，但軍方不愿意重復試車，還得讓電爐流程生產。轉爐流程能夠生產但目前在國內質量還是不太大的一些合金鋼種，如軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼等。過去僅能用轉爐流程生產的、現代電爐流程也能生產的一些品種，如高附加值的板材（薄板、中板、厚板）。優質碳素鋼（低碳鋼板材，中、高碳鋼棒材）和低合金鋼（包括使用量很大的螺紋鋼、鋼筋鋼等）。3降低操作成本縮短冶煉周期是降低操作成本的關鍵，為了縮短冶煉周期，可以采用下述措施：加鐵水冶煉；強化用氧，這有利于節能，生產1m3的氧氣只需要消耗0.215kg標準煤，而用1m3氧氣理論上可節電7kw.h/t以上，提高1m3氧氣的節電數，是今后電爐技術發展的一個主要方向；充分利用變壓器的功率，提高有功功率和電功率，增加電能輸入；改進設備，提高作業率。（4）實行宏觀調控宏觀調控主要是利用政策和法律促進電爐鋼生產的發展，主要有：注重電爐鋼生產對鋼鐵工業可持續發展和循環經濟的作用，及在我國目前的條件下發展電爐鋼必須重視技術進步。通過稅收和環保政策，加速淘汰落后的工藝和技術，避免落后流程與先進流程爭奪原材料；限制低端產品出口，控制鋼總量無序擴張。引導鋼鐵企業考慮對發展我國現代電爐煉鋼進行第二輪投資，新增現代電爐煉鋼生產能力。目前，我國已經有一些廠家例如寶鋼、沙鋼、舞陽鋼廠、天津鋼管公司、衡陽鋼管公司等正在或已經對發展現代電爐進行第二輪投資了。第三節 電爐煉鋼的技術經濟指標電爐煉鋼的技術經濟準則是高效、優質、多品種、低消耗，以及綜合利用資源，提高經濟效益。因此，技術經濟指標能夠反映生產中的技術水平與經濟效果，它反映并衡量一個企業完成計劃的情況，同時也能為企業內部的各項技術、生產、經營活動與檢查分析提供依據。電爐煉鋼的技術經濟指標，主要包括產量、質量、品種、成本、爐齡與包齡等項內容。一、產量指標電爐煉鋼的產量指標包括：1利用系數。電爐的利用系數是衡量一座電爐產量高低的標志。它是只電爐1天（24h）每百萬伏安（1MV.A）變壓器生產合格鋼的噸數，它的單位為t/(MV.A.d)。計算公式為： （1-2）式中，合格鋼產量檢驗量廢品量電爐變壓器容量按銘牌容量計算；但經改造后的變壓器應按新測定的容量計算。天數通常按月、季度、年進行統計，但扣除計劃檢修和停電所占去的時間。利用系數在很大程度上綜合反映了產品質量的優劣、產品的增減、操作水平的高低，設備潛力的挖掘以及企業管理水平等。冷裝電爐的利用系數一般為1030 t/(MV.A.d)。2作業率。電爐的日歷作業率是指電爐實際煉鋼時間占日歷時間的百分比。計算公式為： （1-3）實際煉鋼時間包括補爐、裝料、煉鋼、出鋼以及冶煉過程中的耽誤時間。冶煉過程中的耽誤時間是指等吊車、等鋼包、等分析、等原材料、接換電極以及處理冶煉過程中的各類事故所耗的時間。停工時間包括檢修設備、更換水冷件、特殊修砌補打爐襯、計劃停電、停水及換爐殼與換爐蓋等所花費的時間的總和。作業率反映了電爐煉鋼對時間的利用程度，一般在94%96%之間波動。如果企業管理水平高，設備維修保養好，爐襯壽命高，冶煉操作正常，防止各類事故發生，縮短計劃或杜絕非計劃檢修時間，就能提高作業率。例如，自從煉鋼電爐廣泛采用水冷爐壁與水冷爐蓋后，更換爐襯的次數減少，電爐的日歷作業率獲得了明顯的提高3生產率。電爐煉鋼的生產率是電爐單位時間內的產量，它是指每座電爐在一定時間內生產的合格鋼數量。它與一定時間（N）內的平均作業率（g）、每爐裝入量（P）及每爐合格鋼的收得率（f）成正比，而與每爐平均冶煉時間（）成反比。設G為電爐生產率，則計算公式為： （1-4）式中N電爐生產的天數，天； g電爐平均作業率，%； P每爐裝入量，t； f合格鋼收得率，%； 每爐平均冶煉時間，min； G生產率，如N=1天，則G單位為t/d；N=1年，則G單位為t/a（常寫成萬t/a）。從上式中不難看出，隨著作業率、合格率、裝入量的提高和冶煉時間的縮短，鋼產量就高。煉鋼廢品是從出鋼開始考核，其中包括從出鋼到澆注整個過程中所產生的跑鋼、漏鋼、混號鋼錠及連鑄各種因素造成的斷流損失，以及軋后廢品、用戶退回的廢品。煉鋼必須的合理損失不計入廢品，如模鑄中注管、湯道、鋼包底粘鋼等為合理損耗；連鑄的切頭、切尾、開澆擺槽損失、中間包注余鋼水、氧化鐵皮等損耗在規定范圍之內均屬于合理損失。另外，電爐煉鋼中常用的小時產鋼量可用下式表示： （1-5）4平均冶煉時間。指冶煉一爐鋼平均所需的時間 （1-6）冶煉作業時間與日歷作業率計算內容相同。煉鋼出鋼總爐數不包括全爐廢品、全爐鋼水回爐、事故回爐等。電爐鋼的冶煉時間直接與爐子噸位、變壓器容量、冶煉方法、冶煉鋼種、裝料方式、原材料質量、企業管理水平、是否用氧及工藝路線與操作水平等因素有關。因此，同容量電爐的冶煉時間，不僅各廠，就是同廠也有較大的差別。5爐齡。爐襯壽命也稱爐齡。煉鋼電爐的爐齡是指在一個爐役期內，即爐底、爐壁（或爐蓋）從投入使用起到更換新爐底、新爐壁（或新爐蓋）期間內的煉鋼爐數。煉鋼電爐的爐底、爐壁或爐蓋平均使用壽命的計算公式為： （1-7） （1-8） （1-9）爐底、爐壁或爐蓋的平均使用壽命通常按月、季度、年進行統計。6勞動生產率。包括實物勞動生產率和全員勞動生產率。煉鋼工人實物勞動生產率是指每個煉鋼工人及學徒工在某一規定時間內（年、月、日）所生產合格鋼的數量。 （1-10） （1-11）二、質量指標電爐煉鋼的質量指標包括：1合格率質量一般是指鑄坯（錠）的合格率，按鋼種分月、季、年統計。 （1-12）鑄坯（錠）的合格率也應從出鋼開始考核，與電爐生產率的考核完全相同。2廢品率鑄坯（錠）的廢品率是指鑄坯（錠）的廢品量占所產鋼總量的百分比，即： （1-13）三、品種指標電爐煉鋼的品種指標包括：1品種完成率。即計劃鋼種率，指完成鋼種占計劃鋼種的百分數。 （1-14）2合金比。指合金鋼合格產量占合格鋼總產量的百分數。 （1-15）高合金比是指合格的高合金鋼（合金元素總含量大于10%的鋼）產量占合格鋼總產量的百分比。計算公式為： （1-16）四、成本指標電爐煉鋼的成本指標包括：1鑄坯（錠）的收得率。它是指合格鑄坯（錠）與金屬料消耗量的百分比。計算公式為： （1-17）2原材料消耗。它是指生產1t合格鑄坯（錠）所消耗的某種原材料數量。一般它又可細分為：鋼鐵料消耗。每冶煉1t合格鑄坯（錠）所消耗鋼鐵原料的數量，即： （1-18）鋼鐵料數量=鐵水量+廢鋼鐵量廢鋼鐵量包括廢鋼、生鐵塊及廢鐵等加入量。金屬消耗量。為每冶煉1t合格鑄坯（錠）所消耗的金屬材料，其中包括鋼鐵料和鐵合金的消耗量，鐵合金包括脫氧劑、提溫劑和發熱劑及調整成分用的鐵合金；還要將含鐵原料如鐵礦石、氧化鐵皮折合成鐵后計入消耗。有些鋼鐵原料可按規定折算后計入消耗，例如輕薄廢鋼可按60%折算；壓塊廢鋼按65%折算；渣鋼按70%折算，若是砸碎加工的渣鋼可按90%折算；鋼絲和鐵屑按40%折算；粉狀鐵合金按50%折算；除此之外的其它材料均按實物量計入。 （1-19）氧氣消耗 （1-20）其它原材料消耗。它是指生產1t合格鋼所消耗的某種其它原材料的數量，單位為kg/t鋼。計算公式為： （1-21）冷裝電爐煉鋼其它原材料消耗的考核項目主要有：電極、各種煉鋼用的輔助材料、耐火材料以及鋼錠模等，并均可按上式進行類推計算。冶煉電耗。冶煉電耗是指生產1t合格鋼所消耗的電量，單位為KW.h/t鋼。計算公式為： （1-22）冶煉電耗是指爐前電度表指示的耗電量，可扣除烘烤用電。但洗爐和為了提高電爐鋼質量服務的煉渣爐、二次精煉爐所耗用的冶煉用電，應與電爐鋼冶煉電耗一并計算。煉鋼能耗指標a.噸鋼綜合能耗。噸鋼綜合能耗是常用的最直觀的能耗指標，其含義為，在統計期內，能源消耗總量與同期的鋼產量之比，也就是每生產1t鋼企業消耗的能源量，單位為kg標煤/t。可用下式表示： （1-23）各企業的生產構成差異較大，有的企業生產構成較簡單，只生產鋼鐵產品，而有的企業不僅有鋼鐵生產工序，而且有耐火材料、金屬制品、機械加工等輔助生產部門，甚至生產水泥、化肥、炭黑等產品，致使噸鋼綜合能耗差別很大。這一能源指標的變化，只反映本企業能耗水平的進步，無法利用它進行不同企業間的直觀比較分析。b.企業噸鋼可比能耗。它又簡稱為噸鋼可比能耗，單位為kg標煤/t，為企業每生產1t鋼，從煉鋼（包括鑄錠、連鑄）直到成材配套生產所必需的能耗量和企業煤氣、燃油加工與輸送、機車、汽車運輸及企業能源虧損等分攤在每噸鋼上的耗能量之和。c.工序單位能耗。它又簡稱為工序能耗，單位為kg標煤/t，即在統計期內，某工序生產單位產品的耗能量，可用下式表示： （1-24）工序能耗的大小反映了該工序的能耗水平，采用這一指標便于對不同企業相同工序能耗水平進行分析對比。d.噸鋼能耗指標的校正。它的定義為，按國外（對象國）統計口徑對我國的噸鋼綜合能耗統計范圍進行調整，所得到的噸鋼能耗值。此指標用于與國外指標進行分析比較。計算公式為： （1-25）校正能耗量耗能總量焦化耗能量礦山耗能量碳素、耐火材料耗能量機修耗量其它（金屬制品、生活、其它生產等）耗能量3成本與利潤冶金企業有大批量、多工序生產的特點。通常上一工序半成品的成本（或價格）隨半成品實物轉移，計入下一工序相應產品的原料費用中。煉鋼廠（車間）的成品是連鑄坯或鋼錠。可比成本是用成本的降低率來表示。 （1-26） （1-27）利潤（元）銷售價格（元）成本（元）稅金（元） （1-28）五、電爐煉鋼的時間利用率和功率利用率電爐煉鋼的時間利用率和功率利用率簡稱為功率-時間利用率。實際上它是表明電爐變壓器的利用程度。此概念在普通功率電爐中也存在，但不如在超高功率電爐中那么明顯和突出。1時間利用率時間利用率是指一爐鋼的總通電時間與總冶煉時間之比，如用表示，則： （1-29）式中1上爐出鋼至下爐通電時間，min； 2熔化時間，min； 3精煉時間，min； 4冶煉過程中停用時間，min；2功率利用率功率利用率是指煉一爐鋼的實際耗電量與在通電時間內部都以額定功率運行的最大耗電量之比，如用C2表示，則： （1-30）式中P熔熔化期平均功率，KV.A； P精精煉期平均功率，KV.A； P額定爐用變壓器額定功率，KV.A； 2、3同式（1-29）。對于超高功率電爐，一般要求V和C2均大于0.7。第二章 傳統電爐煉鋼設備第一節 傳統電爐機械設備一、電爐的構造 電爐的構造主要是由冶煉工藝決定的。隨著冶煉工藝的發展，電爐的構造也在不斷發展和改進。例如早期的電爐用人工從爐門裝料，現已普遍改進為爐頂裝料；爐體傾動由電力驅動改為液壓驅動；出鋼槽出鋼改為爐底（或偏心爐底）出鋼等。至于其它方面構造的改進更是不少。圖2-1a、b為75t全液壓爐蓋旋開式爐頂裝料電爐總圖。它主要是由爐殼結構5、爐體傾動機構10和回旋機構7、電極夾持及升降機構2和13、電磁攪拌裝置11以及爐頂裝料機構12等組成。一臺10t電爐的金屬結構（不包括液壓設備和爐襯）總重達70t，50t電爐則高達200t。爐體是電爐最主要的裝置，它用來熔化爐料和進行各種冶金反應。電爐爐體由金屬構件和耐火材料砌筑成的爐襯兩部分組成。爐體的金屬構件包括爐殼、爐門、出鋼槽、爐蓋圈、和電極密封圈。爐殼往往用鋼板焊接而成，其上部有加固圈。大爐子爐殼上部往往做成雙層的，中間通水冷卻。爐門供觀察爐況以及扒渣、取樣、加輔助料等操作用，冶煉時用爐門蓋掩蓋。爐門一般通水冷卻，采用壓縮空氣或液壓機構等啟閉。出鋼槽用鋼板焊成，內部砌耐火材料，供出鋼用。爐蓋四周為鋼板焊接而成的環形件，稱之為爐蓋圈，一般通水冷卻。爐蓋用耐火材料砌成圓拱形。爐蓋有3個呈正三角形對稱布置的電極孔，在電極孔與電極之間設有電極密封圈。由于在煉鋼過程中電極需要升降，因此電極是通過電極夾持器裝在電極升降裝置上。電極升降裝置由橫臂、立柱和傳動機構組成。大型電爐大多采用液壓傳動。 為了出鋼和出渣方便，爐子設有傾動裝置，以便于傾動爐體。出渣時向爐門側傾動；出鋼時向出鋼槽方向傾動。目前，絕大多數電爐都采用爐頂裝料。爐頂裝料可分為爐體開出式、爐蓋旋轉式和爐蓋開出式三種類型。圖2-1a 75t爐蓋旋開式頂裝料電爐1電極；2電極裝置；3爐蓋；4除塵器；5爐殼；6爐門及其啟閉機構；7爐體回轉機構；8搖架；9支承裝置；10傾動液壓缸；11電磁攪拌裝置；12爐蓋升降、旋轉機構；13“T”型旋轉框架；14水冷電纜圖2-1b 75t爐蓋旋開式頂裝料電爐15導軌；16出鋼槽；17電極立柱升降導向輪；18電極立柱定位裝置二、爐體的金屬構件（一）爐殼爐殼應具有足夠的強度，以便能承受爐襯和金屬的重量和爐襯磚在加熱膨脹時產生的膨脹力，以及裝料時產生的強大沖擊力。爐殼是由鋼板焊成，如圖2-2所示。它由爐身1、爐底9、加固圈2組成。圖2-2 爐殼簡圖1-爐身；2-加固圈；3-凸圈；4-爐蓋帽；5-止擋塊；6-爐身冷卻通道；7-聯結螺栓；8-爐體回轉導軌；9-爐底爐身多做成圓筒形。爐底則有平底、錐底和球面底三種，球形爐底剛度大，強度高，沒有死角，耐火材料耗量少，目前大型電爐都采用這種爐底。其不足之處是，制造比較困難，成本較高。平底制造方便，但剛度差，因有死角，砌筑時耐火材料消耗較大，現已很少采用。錐形爐底則介于二者之間，它的堅固性較球形爐底稍差，中小型電爐應用較多。爐殼可做成整體的或沿渣線附近上下剖分兩種型式（圖2-3是剖分式，采用螺栓7聯結上下部分）。前者便于整體更換，后者，修爐時