关于钢的那些事儿（四）

上一篇文章“关于钢的那些事儿（三）”中，对转炉一次炼钢进行了介绍。常见的一次炼钢方法有转炉、电炉和平炉，前两种应用范围最广。本段内容对电炉的一次炼钢进行介绍，在全球范围内特别是“双碳”政策之后，电炉这种短流程方法在未来有着进一步提升及更广泛应用的前景。但在我国，由于废钢供应相对不成熟以及对钢产量要求较大的情况下，电炉的大范围应用还需要较长的时间进行技术提升，包括对氢能源在炼铁方面作为原料的应用。鉴于本人翻译和专业水平有限，不妥之处请各位朋友多多谅解。

#4. 一次炼钢(primary steeling) — 电炉(Electric Arc Furnace (EAF))

4.2. 电炉炼钢(Electric Arc Steelmaking (EAS))

图1 电炉炼钢主要设备结构简图

电弧炉车间与整套炼钢车间比较占地较小、投资费用也比较低，一套完整的炼钢过程除了转炉之外还需要高炉、烧结、焦炭。在小批量生产的时候，例如15万吨每年，电弧炉的优势比较明显，对于转炉炼钢及其配套系统来说，只有当钢水产量大于200万吨每年的时候才能产生利润。此外，电弧炉炼钢能够间歇生产，而转炉炼钢是连续生产的最好选择。电弧炉炼钢对于电量的需求很大，每吨钢需要360kWh-600kWh的电，一个100吨的电弧炉需要配备70兆伏安的变压器。

4.2.1. 炉料(the charging)

电弧炼钢的主要原料是废钢，其价格和质量是非常重要的因素。废钢中的杂质（例如：铜、铬、镍、钼、锡）在废钢不断循环利用的过程中不断积累，对钢材后续加工过程中需要的延展性有着非常重要的影响。因此一些工厂就会提高直接还原铁(direct-reducted iron)，另一种主要炉料，得使用量，或者冷却的高炉铁。这些炉料都几乎不含上述杂质。一般来说，碳、氮和杂质的含量越高，电弧炉就越难生产出有价值的易延展钢种。

大多数废钢交易市场会把不同钢种的废钢进行分类。生产高合金钢（例如，不锈钢）的钢厂会收集、采购成分类似的钢种以减少贵金属的添加。

4.2.2. 炉体

电弧炉的炉体通常是用厚钢板制作的矮胖、圆柱状的容器，有一个碟状的耐火材料制作的炉床(hearth)以及三个垂直方向的电极可以通过圆形的可移动炉顶上下移动。10吨、30吨、100吨的电弧炉外壳直径大约为2.5米、6米、9米。整个炉体通过一个液压摇杆实现倾斜和复位的动作来实现出钢和出渣的动作。炉床使用沥青镶上了菱镁矿砖的内衬，炉床的一侧有一个稍微倾斜的出钢口以及钢嘴，或者如图1中所示的椭圆形炉床有一个垂直方向的出钢口。在这种布局下，出钢的时候只需要倾斜10°就会实现短而连续的钢流，从而减少热量损失及钢水的再次氧化。图1中的垂直出钢口在上料之前是通过外部的充满耐火砂的可移动挡板进行关闭的。大多数炉壁都是由可更换的水冷板组成，炉顶同样也是由水冷板组成。炉顶有三个大小一样距离均匀排布的孔来使圆柱形电极能够进出电炉，另一个大的顶部开孔，也可以叫做第四个开孔，是用来排走烟气的。在炉壁上还有一个通过水冷门闭合的开口是用于采样枪、喷枪通过，以及观察和检修用。炉顶和电极在上料和炉床检修的过程中可以被升起移走。石墨电极都是按照较高的标准，由专业厂家生产的。由于短电极更容易加工、运输，一根长石墨电极都是由一串小石墨电极通过短石墨穿钉连在一起的。电极的直径取决于炉子的尺寸，例如，100吨的炉子使用600mm直径的电极。如图1所示，三个“石墨电极串”卡在炉顶上的悬臂上，这个悬臂通过螺栓安装在炉旁能够上下移动的电极柱上。电极柱控制每个电极端部和物料之间的距离来调节电流和电弧的长度。供电设备通常包括：降压变压器、真空断路器、控制电极电压的分接开关以及电弧炉变压器，变压器安装在离电炉不远的混凝土房间中，通过水冷式电缆和电缆臂同电极连接。

4.2.3. 工艺过程

第1步 – 检测：每次练完上一炉钢后，炉床都需要进行检查，如果有需要还要进一步进行维修。

第2步 – 上料：废钢装在圆柱形的上料桶中，通过炉顶上方的上料天车运送。上料框的上方是开口的方便装料，底部是一个快速开闭的结构便于向电弧炉中卸料。

图2 电弧炉上料桶

有些时候在料筒中会加入碳和钢渣，使炉料不被过度氧化而能够快速形成钢渣。

第3步 – 电弧炼钢：在上料完成后，炉顶移回到电弧炉，降低电极。熔化过程刚开始的阶段使用了小功率设置，直到电极在轻薄料废钢中开始进行自我消耗，这种低功率的设置能够对炉床侧壁进行保护，防止高功率条件下侧壁过热。此外，通常会在炉床壁上留一些没有熔化的废钢用来保护炉壁，下一炉料 进来后会重复上述过程，通常第一炉的轻薄废钢经过3到4次熔炼才能完全熔化掉。

炉料完全熔化之后，由于防止钢水过氧化其含碳量在0.25%以上，高于成品要求。在这个过程中基本的钢渣已经形成，通常包含55%的石灰（CaO），15%的二氧化硅以及15%-20%的铁氧化物。泡沫状的钢渣通过向炉中喷射碳或者碳-石灰混合物生成，钢水中的铁氧化物与钢渣进行反应生成一氧化碳气体。同时，钢渣泡沫能够对炉床侧壁形成保护，可以使电弧炉在更高的功率设定下工作而不损坏侧壁。根据最终产品的规范通过向炉内喷射氧气或加碳来降低或提高钢水的含碳量。在电弧炼钢的过程中取样和温度控制同样都是必不可少的。

在电弧炉炼钢过程中电弧也会不断损耗电极的尖端，同时在电炉的高温环境中电极基体也会被不断地氧化。通常炼1吨钢需要消耗3-6公斤石墨电极。

第4步 – 出钢：在出钢的时候需要把电炉稍稍向前转个角度，钢水就能够通过水口流出或者如图1所示，通过垂直的出钢口进入到钢包中。当看到钢渣出现时电炉迅速回到垂直位置，钢渣通过炉身后面的排渣口排到钢渣罐里。有些钢厂会把15%的钢水留在电炉中作为“热跟”用来确保没有钢渣混到钢包中去。

对于低含氧量和含硫量的纯净钢可以通过双渣熔炼的方式来获得。第一批钢渣在经过氧化过程被移除后，在电炉中加入碳或铝或两种同时加入进行第二次造渣。二次钢渣中包含：65%的石灰、20%二氧化硅或碳化钙或氧化铝或三种物质的混合物，没有铁氧化物。一些容易被氧化的合金在这个阶段加入到炉中以减少损失且更便于对冶金成分的控制。双渣精炼的过程伴随着钢渣的不断消耗直到钢水温度达到出炉要求为止。根据不同钢种的要求，炼一炉钢需要1至4个小时。很多工厂不采用双渣熔炼的方式，而是采用钢包二次处理进行精炼，只把电弧炉用作废钢等原料的高效熔化装置。

4.2.4. 其他方式

为了降低能量消耗废钢在进入电炉前会利用电炉废弃进行批量的或者连续的预热。把废钢加热到500°C 每吨废钢可以节约电能40-50千瓦时，并且缩短了每炉的冶炼时间以及减少了电极的消耗。有些时候废钢的预热是在电弧炉里通过燃烧氧气完成的，这种方式需要一个很大的废烟气排放系统。此外，为了更好的混合和传递热量，会使用电磁线圈或者炉底气体搅拌装置。把电弧炉只作为废钢的熔化装置并采用上述这几种方式，每吨钢能够节约360千瓦时的电量以及3公斤石墨电极，并且把熔炼每炉钢的时间缩短到1小时。其效率和转炉炼钢几乎一样。

一些电弧炉使用的是直流电，其只有一个非常大的电极穿过炉顶，同时在炉底有一个固定的对电极与金属接触。在直流电炉中“热跟”还用来在废钢中导电。直流电炉的电量使用和电极消耗均小于交流电模式。此外，直流电以更平稳和更安静的方式熔化金属，可以降低噪音以及减少对电网的冲击。虽然直流电炉体积比交流电炉小，但由于整流器的价格，其整体造价高于交流电炉。

待续。。。关于钢的那些事儿（五）：#4. 一次炼钢 – 平炉炼钢、感应熔炼