近代电弧炉的容量和输入功率

近代电弧炉的容量和输入功率
汪学瑶
摘要：70 t以上电弧炉已成为当代新建电弧炉厂的主导炉型。

电弧炉的输入功率和冶炼周期应根据产品结构、生产炉型和市场需求来确定。

关键词：电弧炉容量输入功率
Contemporary Electric Arc Furnace Capacity and Input Power
Wang Xueyao
(Daye Special Steel Corp Ltd, Huangshi 435001)
Abstract：The electric arc furnace more than 70t has become the leading furnace model of new building electric arc furnace plant. The input power and tap to tap time of electric furnace should be determined by product structure, furnace mode and market requirement.
Material Index：Electric Arc Fu rnace, Capacity, Input Power▲
1 电弧炉容量
在60年代电弧炉的输入功率一般在350 kVA/t以下，为了延长炉衬寿命，只能用短电弧操作，功率因素为0.6～0.7。

新一代电弧炉额定功率增长到400～800 kVA/t，个别达到1 000 kVA/t，因采用泡沫渣工艺和水冷炉壁，可进行高压长弧操作，功率因素为0.8～0.86［1，2］。

美国的电弧炉炼钢的历史较长，在Syracuse 的Halcomb Steel公司于1906年4月5日就生产了第一炉电弧炉钢水，60年代中期开始迅速发展，炉子数目与产量均较大。

所以美国近30年来电弧炉炼钢的发展以及当前的状况均具有代表性。

1996年在生产的电弧炉有223座［3］，而1987年在生产的电弧炉为272座［4］。

所以从总的趋势来看，美国的电弧炉钢年产量增加的同时炉子数量在减少，即每座炉子的生产率在增加［5］。

日本电弧炉也一样呈减少趋势，1984年为353座，1992年减为246座［6］。

美国1996年在生产的电弧炉中，50 t以下(含50 t)的炉子约占47%，其生产能力为740万t，约占总电弧炉生产能力5 500万t的13.5%，而占炉子总数53%的50 t以上的大型电弧炉的生产能力为4760万t，约占总电弧炉生产能力的86.5%(图1)。

图1 1996年美国在生产的电弧炉座数和不同吨位电弧炉年生产能力的
分布
Fig.1 Distribution of electric arc furnace (EAF) sets and annual output of different tonnage EAF in America,1996
虽然大电炉的生产率高，产量大，但从生产的钢种上看50 t以上的炉子多数用来生产碳素钢，如62座51～100 t电弧炉中用来生产合金钢的炉子只有11座，占18%，51座101～200 t电弧炉中生产合金钢的炉子只有5座，占10%(图2)。

有些大型炉子特别是100 t左右的炉子，除生产碳素钢外还生产部分合金钢，而且都是低合金钢。

1996年223座炉子中有27%的炉子只用来生产低合金钢和高合金钢。

图2 美国电弧炉吨位、座数和生产钢类的分布
Fig.2 Distribution of various EAF tonnage, sets and steel grades
produced in America,1996
图3示出美国1996年在生产的有数据的炉子吨位和建成年代。

由图可见，从60年代到90年代电弧炉的容量不断增大，40～60年代以50 t 以下的电弧炉为主，占63%，到90年代以建造 50 t以上炉子为主，占85%。

但不等于说现在就不新建50 t以下的炉子，在生产合金钢和高合金钢时，因批量小仍然必需用小炉子进行生产，小炉子也有现代化问题，如Firstmiss Steel公司于1995年投产1座40 t新炉子，用来生产合金钢、不锈钢、工具钢和一部分碳素钢；Slater Steels公司于1995年投产1座新的18 t电弧炉(UCAR制造)代替1962年投产由Lectromelt 制造的20 t电弧炉用来生产合金结构钢、不锈钢、工具钢和镍基合金。

图3 美国1996年在生产的各种吨位电弧炉的座数和建成年代Fig.3 Sets and built time of various tonnage EAF in America,
running in 1996
从图3还可得出，对生产碳素钢和合金钢来说，根据市场、投资和经济技术指标以及企业硬环境和软环境条件，也不一定100 t是最佳炉型。

美国80年代建成1996年在生产的101～200 t电弧炉为11座，51～100 t为13座，90年代建成投产的均为14座。

80年代以来已不再建造200 t以上的炉子。

Bethlehem Steel公司于1994年建成和投产1座135 t电弧炉，年生产能力为100万t碳素钢和合金钢。

North Star BHP公司于1996年建成与投产1座165 t电弧炉，年生产能力为135万t碳素
钢。

为了和转炉进行竞争，对于生产碳素钢和低合金高强度钢板材的电弧炉钢厂的炉子容量多半在100～200 t之间。

从炉子容量和炉子数量上看，美国近30年来的总体发展趋势为：
(1) 随电弧炉钢在钢年产量中比例的增加，电弧炉总数下降，电弧炉平均容量增大，单产增加。

(2) 随经济形势和市场的变化，部分电弧炉关闭或处于待生产状态，同时又有部分电弧炉重新开工，并不断有新电弧炉厂投产或用新设计的炉子代替旧炉子。

(3) 在生产的电弧炉中，小于30 t的炉子仍占1/4以上，主要生产高合金钢和合金钢。

(4) 有很多钢厂采用缩小电极圆和电极直径的办法把小型电弧炉改成精炼炉。

(5) 100 t以上的大型电弧炉主要生产碳素钢和低合金钢，占领高炉转炉钢的一部分市场。

(6) 一般电弧炉均在额定容量或超装下操作，但也有电弧炉是在低于额定容量的装入量下操作。

日本也是世界产钢大国，电弧炉的产量亦较大，根据大同、山阳等29家日本主要钢铁公司电弧炉容量的分布可见，日本钢厂在生产的电弧炉中小于30 t仍占29%，主要用来生产特殊钢；51～100 t炉子所占的份额较大，为38%；150 t以上电弧炉未见报道［5］。

2 电弧炉输入功率
近30年来，电弧炉变压器额定容量呈不断增大趋势，最高已达1 000 kVA/t。

图4示出1996年美国在生产的100 t以下和大于100 t的电弧炉的变压器额定容量的分布。

国际钢铁学会(IISI)推荐100～200 kVA/t 为低功率，201～400 kVA/t为中功率，401～700 kVA/t为高功率，701～1 000 kVA/t为超高功率电弧炉［7］。

北美冶金界认为50 t以下的电弧炉为小型炉子，50～100 t为中型电弧炉，100 t以上为大型电弧炉［8］。

图4 1996年美国在生产的213座电弧炉在不同单位变压器容量下炉子
座数的分布
Fig.4 Distribution of furnace sets with different unit transformer capacity for 213 EAFs running in America,1996
从图4可以看出，目前仍在生产的100 t以下的电弧炉中，60年代及以前投产的，虽然有部分炉子经过不同程度的改造增加了变压器额定容量，但仍有70%的炉子的额定输入功率仍在400 kVA/t以下。

70年代投产的电弧炉的变压器额定容量为400～600 kVA/t，80年代投产的电弧炉额定变压器容量多半在600 kVA/t以上，到了90年代，已不再建造小于400 kVA/t的100 t以下电弧炉，83%为600 kVA/t以上，50%为800～1 000 kVA/t。

但对于100 t以上的电弧炉，90年代仍有个别400 kVA/t 以下的炉子投产，如Caparo Steel公司于1995年投产了2座115 t新炉子，变压器最大额定容量为370 kVA/t，总计年生产能力为64万t钢，电耗为480 kWh/t，生产镇静钢(优质钢)和合金钢，平均冶炼周期(出钢至出钢时间)为3 h。

一般来说增加变压器额定容量，提高输入功率，强化了熔炼过程，从而缩短了冶炼时间。

但由于不同程度地采用废钢预热，顶、底吹氧，氧-燃烧嘴，二次燃烧，熔池搅拌等技术，使电弧炉在不太高的功率下也可获得短的冶炼周期(图5)。

从图5还可以看出，一般冶炼不锈钢和高合金钢的周期较长。

虽然目前大力发展超高功率电弧炉，1996年美国在
生产的电弧炉中变压器额定容量为400～600 kVA/t的炉子座数仍占优势。

日本1992年在生产的30t以上的109座电弧炉中，变压器额定容量在500 kVA/t以下的炉子有51座，占47%［6，7］。

图5 电弧炉变压器额定容量与冶炼周期(出钢至出钢时间)的关系Fig.5 Relation between EAF rate transformer capacity and tap to
tap time
随着电弧炉额定功率的提高，炉子的生产率有了显著提高，日本50～100t电弧炉1992年的生产率比1986年约提高23%，100 t以上的电弧炉生产率约提高19%。

电弧炉生产率的提高具体反映在冶炼周期(出钢至出钢时间)的缩短，美国Atlantic Steel 公司的Cartersville厂在1990年投产1座105 t偏心炉底出钢电弧炉，变压器额定容量820 kVA/t，冶炼周期为33 min，年生产能力为77万t［3］。

但从总体上看，美国1996年冶炼周期为 1 h和不足1 h的电弧炉，只占电弧炉总数的6%，处于主导地位的电弧炉的冶炼周期为1.5～2.0 h，占总炉数的28%，冶炼周期在3 h 以上的电弧炉仍占22%(图6)。

图6 美国1996年电弧炉冶炼周期(出钢至出钢时间)的分布
Fig.6 Distribution of EAF tap to tap time in America, 1996
由于各座电弧炉所采用的节电工艺技术不同，所以单从炉子容量和变压器额定容量分析，则与吨钢电耗的相关性不显著。

美国电弧炉的吨钢电耗有不断下降的趋势，电耗最低的为Gallatin Steel公司于1995年投产的1座170 t电弧炉，变压器容量为15万kVA，电耗为265 kWh/t。

但从总体来看，电耗在450～500 kWh/t的电弧炉占58.9%，电耗在400 kWh/t以下的仅占20%，电耗呈正态分布(图7)。

图7 美国1996年在生产的电弧炉电耗分布
Fig.7 Distribution of EAF electric power consumption in America,
1996
根据报导分析可得，日本电弧炉的生产指标总体上较美国先进，图
8示出了1973年至1995年日本电弧炉平均冶炼周期(出钢至出钢时间)和电耗的变化。

表1为1992年至1995年日本电弧炉平均生产指标，目前其平均冶炼周期在1.5 h以下，平均电耗已达400 kWh/t［7，8］。

图8 日本电弧炉冶炼周期(出钢至出钢时间)和电耗的变化Fig.8 Variation of EAF tap to tap time and electric power
consumption in Japan
根据上述分析不难看出，近代电弧炉的输入功率不一定越大越好，冶炼时间也不是越短越先进，而是要根据冶炼的主导钢种和不同工序(电炉熔炼，二次精炼，连铸等)生产节奏的配匹来确定。

表1 日本电弧炉操作性能(平均)
Table 1 Operation characteristics of electric arc furnace in
Japan(average)
* 1～9月平均
**1989～1991年的指数为100。

3 结束语
(1) 容量在70 t以上的电弧炉已成为当代新建电弧炉钢厂的主导炉型。

(2) 电弧炉输入功率和冶炼周期应根据企业的产品结构、生产规模和市场需求来确定，并不是冶炼周期越短越好。

“电炉炼钢转炉化”，如电炉生产的是转炉钢，可以转炉化，如生产的钢类是特殊钢，仍需考虑上下工序的匹配。

目前日、美电弧炉的平均冶炼周期(出钢至出钢时间)为1.5 h。

■
作者简介：汪学瑶，男，61岁，高级工程师，《特殊钢》杂志主编。

1962年毕业于清华大学，1992年回国高级访美学者。

长期从事冶金和材料研究。

作者单位：汪学瑶(大冶特殊钢股份有限公司，黄石435001)
参考文献：
［1］Fruehan R J. A Nontechnical Introduction to Electric Furnace Steelmaking.I & SM,1989,16(3):65
［2］Heinke R,et al.现代电弧炉炼钢工艺.1988国际钢铁技术.1988：149
［3］Electric Arc Furnace Roundup-United States.I & SM, 1996, 23(5): 26
［4］Electric Arc Furnace Roundup-U.S.A. I & SM, 1987, 14(5): 18 ［5］汪学瑶，徐君浩.当代特殊钢材料和电弧炉特钢企业工艺的进展.特殊钢，1997，18(6)：1
［6］电弧炉炼钢技术的最新发展(内部资料)，1994
［7］McIntyre E H,Landry E R. EAF Steelmaking-Process and Practice Update.I & SM, 1993, 20(5): 61
［8］Baukal C E,et al. Scrap Preheating with a Submerged Oxygen-Fuel Burner. I & SM, 1990, 17(10): 51。