现代钢铁工业发轫于19世纪50年代诞生的Bessmer法。电弧炉炼钢技术的诞生则同样可追溯至19世纪70年代由德国人W. Siemens所建造的世界上首台实验电弧炉。至20世纪50年代,电弧炉技术虽有所发展,但因其生产效率低、能耗高,仍仅用于特殊钢或特种合金的生产。60年代开始采用吹氧熔炼,特别是超高功率电弧炉的兴起,电弧炉炼钢技术步入快速发展时期。至70年代,在欧美一批短流程钢厂兴起,电弧炉炼钢开始具有了与高炉-转炉流程相竞争的地位。自80年代中后期以来,电弧炉炼钢技术又处于新的发展期,具有标志性意义的是大型直流电弧炉技术的诞生以及旨在降低能耗、缩短冶炼周期、利用多种资源、提高质量、降低环境负荷的各种电弧炉系统化技术的出现。
考察近20年来最重要的几项变革性技术,如薄板坯连铸连轧技术、熔融还原炼铁技术以及己处于大规模工业应用前夜的薄带连铸技术,可以发现,紧凑化或短流程化是钢铁制造流程优化的重要方向。众所周知,紧凑化或短流程化常常会和电弧炉炼钢联系在一起。换言之若将电弧炉炼钢放到流程的大环境中看待，则会意识到电弧炉炼钢技术发展除受其自身的内在演化规律所驱动外，更受到流程的制约和驱动。正是要解决流程结构上的某些问题，才对电弧炉提出炉子大型化、缩短冶炼周期等要求，从而驱动着电弧炉炼钢技术不断向前发展。从更广泛的意义上讲，地区发达程度、文明程度、资源消耗和积累状况等因素，决定了电弧炉流程长期存在的合理性，同时也为其发展创新提供了广阔的空间。
然而，一个勿庸置疑的事实是，尽管当代电弧炉炼钢技术己取得巨大的进步，由于种种原因，全球范围内电弧炉钢比例却并未明显增加，世界电弧炉钢比例近年来一直稳定在30%～35%, 而中国的电弧炉钢产量虽在增加，但自1993年电弧炉钢比例达到最高的23.2%后一直连续下降多年，只是在进入21世纪后才有所回升。怎样增强电弧炉钢的竞争力，特别是如何通过技术进步来突破电弧炉炼钢在流程上的某些瓶颈问题(如冶炼周期偏长、生产率偏低等),并降低成本、提高产品质量和减少环境污染，成为电弧炉炼钢厂家及技术工作者十分关心的问题。
宝钢作为我国最大的钢铁联合企业，目前60t以上的大型电弧炉共有6座。2004年全集团公司产钢2141万t,其中电弧炉钢365.1万t,比例约为17%,刚好与我国当前电弧炉钢比例相差不多,产品范围也涵盖了碳钢、特殊钢及不锈钢等各个方面。本文将基于宝钢的实践及认识,简要评述电弧炉炼钢技术近年来的发展趋势,并对直流电弧炉的若干特性进行分析与讨论。
1 电弧炉炼钢技术近20年发展评述
综观近20年来电弧炉炼钢技术的发展,可以理出几条主要脉络。
(1)改进供电系统。从传统的交流炉向直流炉及高阻抗交流炉发展,在降低电网污染的前提下实现低电流长弧操作,从而大大提高输入功率,使得冶炼周期大幅缩短。直流炉被认为具有对电网的污染小、电极消耗低、基本上可以无偏弧、噪音相对较小、对熔池有搅拌作用等优点。但因其底电极所带来的问题及电源系统较交流炉复杂,特别是高阻抗炉的发展又使直流炉的优势下降,因此,在经过20世纪80年代末至90年代中后期直流炉的建设高潮后便沉寂下来,新近建设的电弧炉大都为交流炉。
(2)多元化的能量利用技术。为降低电(能)耗,提高能量输入强度以缩短冶炼周期,多种形式的能量利用技术被采用,如机械式氧碳枪、二次燃烧、炉壁烧嘴、底吹气等。同时,为利用炉气中的余热,各种废钢预热手段相继出现。而近年来炉壁烧嘴技术的长足进步更令人瞩目。将传统烧嘴的亚音速喷吹变为超音速而成为炉壁喷枪,并进而通过所谓的集束射流技术,使得氧气流股的动能损失减小,实现向熔池高速供氧,极大地改善了脱碳的动力学条件。
(3)主原料多样化。出少各种目的,相继采用铁水、生铁、DRI/HBI,碳化铁等作为电弧炉原料,不仅使电弧炉的适应性更强,还因稀释了废钢中的残余元素而提高了钢水质量,并使电弧炉钢产品范围得以拓展。特别是随薄板坯连铸连轧的兴起,短流程钢厂涉足板带甚至高品质带钢产品,主原料的多样化更具有了特殊的意义。
(4)加强环保措施。三级除尘、综合利用电弧炉除尘粉、炉渣再利用等己成为常规的环保措施。近期受重视的全封闭冶炼有助于进一步降低噪音和控制炉气散发，如因采用炉壁喷枪而使炉门在大部分时间关闭或半关闭，将所谓的doghouse扩展为elephanthouse等。还有另一极好的例子是ECO-ARC炉该炉型在控制烟尘放散方面采取了专门措施，特别是将二恶英放散的可能性降至最低。
电弧炉炼钢技术发展的集中体现，是基于不同的解决方案，各种炉型的不断涌现。例如为提高变压器利用效率、缩短非通电时间而采用的双炉壳被扩展为同时具有顶电极和顶氧枪的适应各种废钢、铁水比例的转炉化电弧炉CONARC炉或ARCON炉;双炉壳与竖炉结合、连续装料与竖炉结合后形成生产效率及能量利用率更高的电弧炉系统;而所谓DANARC技术及K-ES技术则宣称可根据不同的当地条件对电弧炉木身以及相关的所有辅助设备进行综合的优化设计。另外还有EOF,Comelt,CONTIARC,Consteel等，最近又出现了一个崭新的炉型ECOARC。这些炉型的成功应用，均从不同方面推进了电弧炉炼钢设备及工艺技术的发展。
2 直流炉运行实践与再认识
普通交流炉存在的问题是众所周知的，而随着电弧炉的大型化和超高功率化，所配变压器额定功率愈来愈高，矛盾更为突出。受短网及石墨电极的限制，不能无限制提高电流，只能通过提高弧电压的方式来进一步增加输入功率(水冷炉壁和泡沫渣为提高弧电压创造了条件)，但电压提高会导致功率因数高于合适的工作点而使电弧燃烧变得不稳定。正是大型化和超高功率化直接导致了直流炉(及高阻抗炉)的产生和发展。
宝钢所拥有的6座大型电弧炉中的4座是直流炉，均先后建成投产于20世纪90年代中期。通过多年实践，笔者对直流炉的特性有了一定体会和认识，以下就数个问题作一讨论。
2.1 对电网的影响及电源系统
宝钢150t直流炉对电网影响参数的实测结果如表1和图1所示。由表1可见，直流炉对电网的字，染明显低少交流炉。而且如图1所示，直流炉的低次谐波电流远比交流炉小，但高次谐波电流值则比交流炉高。然而，因高次谐波电流比低次谐波电流容易经FC滤波器滤除，且低次滤波器运行损耗大、造价高，因此从谐波发生量和滤波器设计两方面考虑，直流炉都优于交流炉。
表1 宝钢150t直流电弧炉对电网影响参数实测值
对电网影响的参数 无动态补偿(SVC) 有动态补偿(SVC)
平均功率因数 0.72 0.99
最大无功冲击/(MV·A) 80 38
110kV最大电压波动/% 2.30 1.10
电弧炉对110kV电网引起的电压闪变/% 0.92 0.44
33kV总进线的负序电流/A 19.50 14.30
33kV母线电压总谐波畸变率/% 7.50 3.26
电弧炉引起的110kV母线电压总谐波畸变率/% 1.70 0.72
直流炉电源系统较为复杂，对于整流变压器、整流器等主要部件，若设计裕量不大，则易产生设备故障。宝钢150t电弧炉也遇此问题，自投产以来己对电源系统进行了大量改造。包括整流变压器、整流器、水冷母排、高压开关等均实现了国产化。笔者认为，虽然直流炉电源系统较复杂，可靠性较差，但通过多年来获得的经验与教训，笔者己在一定程度上掌握了各主要部件的特性。
2.2 电极消耗
直流炉最初是为解决大型及超高功率电弧炉的电源问题而提出的,当其采用单根石墨顶电极时,立即获得一个显著的效果即电极消耗大幅下降。早期的经验是,直流炉比同容量超高功率交流炉电极消耗降低30%～50%,这带来吨钢数十元的成本下降,因此成为当时人们青睐直流炉的重要理由。随电弧炉技术的快速发展特别是化学能利用技术的进步,电耗降低幅度很大,相应地电极消耗也大幅降低。调查表明，目前直流炉电极消耗仍显著低于交流炉,但降低的绝对值己不如早先那样大了。加之通常直流炉总是使用直径更大的电极,其单价会更贵,故直流炉在降低电极消耗方面所带来的成本优势与交流炉(特别是高阻抗炉)相比不如早期明显。
研究及实践表明,尽管直流炉通常仅有一根电极,但因电流密度大,其端部损耗并不亚于交流炉三根电极端部损耗之和。换言之,直流炉电极消耗低的主要原因是其侧面氧化损耗低。目前电极喷淋冷却技术己被很好掌握,这对降低侧面氧化损耗带来很大助益,故高阻抗炉的电极消耗可以逼近直流炉的水平。然而技术的发展有时会出现某种回归为进一步提高输入功率又出现了使用双电极的直流炉,由于电流密度降低,其电极消耗非常低,则交流炉就难望其项背了。
不言而喻,无论是端部损耗还是侧面氧化损耗均与电耗有直接的关系,故降低电极消耗的根本措施是降低电耗。宝钢150t直流炉月平均吨钢电耗己降至220kW·h左右(铁水比约33%的前提下),相应地电极单耗也降至0.74kg/t。另外电极消耗还与电极非正常折断有关。通过多年摸索,笔者掌握了一项技术诀窍,使电极非正常折断次数大幅下降(曾有半年无折断的记录)。故宝钢150t电弧炉电极消耗低的原因主要可归结为电耗低和非正常折断少。
2.3 底电极
直流炉的开发历史,可以说在很大程度上正是炉底电极的开发历史。按底电极的型式,直流炉通常被分为四类,即导电炉底式(ABB)、水冷钢棒式( Clecim)以及多钢针式(MAN-GHH)以及多钢片式(VAI)。
导电炉底式底电极的优点是炉底寿命长(宝钢集团浦钢公司100t直流炉炉
