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摘要：电弧炉炼钢是目前主要炼钢方法之一，具有流程短、能耗低、碳排放量少等特点。相比于“高炉→转炉”长流程炼钢，电弧炉短流程炼钢以废钢为主要原料，具有工序短、投资省、建设快、节能环保等突出优势。20世纪90年代以来，我国在现代电弧炉炼钢技术方面取得了长足的进步，基本形成了“电弧炉冶炼→炉外精炼→连铸→连轧”的现代化短流程生产体系。然而，就电炉钢比例而言，2016年电弧炉钢占全球钢产量的25%左右，美国电炉钢比例高达67%，而我国仅为6%左右，与欧美等发达国家相差甚远。“十三五”《钢铁工业调整升级规划(2016—2020年)》指出:“加快发展循环经济，随着我国废钢资源的积累增加，按照绿色可循环理念，注重以废钢为原料的短流程电炉炼钢的发展。”可以预见，随着我国废钢循环产业链的完善、废钢积蓄量的增加及钢铁行业淘汰落后产能，电弧炉炼钢产量将稳步增长，给我国电弧炉炼钢带来了新的发展机遇。
关键词：电弧炉；炼钢流程；洁净化冶炼技术
1电弧炉炼钢流程洁净化冶炼关键问题
1.1冶炼用原材料
电弧炉炼钢以废钢为主要原料，合金、石灰、增碳剂等为辅助原料。一方面，随着汽车、机电、家电等报废数量的不断增加，社会回收的废钢成分更加混杂，包含黑色金属、有色金属、非金属等。同时，钢材表面涂层技术和复合材料的广泛应用使回收废钢带有Cu、Zn、Pb、Sn、Mo、Ni等有害杂质元素，且随着废钢循环次数的增加，有害杂质元素在废钢中不断富集。另一方面，辅料的使用同样会给钢液带入有害元素，影响钢液洁净度。为尽量降低原材料对冶炼钢种带来的影响，需根据不同钢种对原材料的使用制定不同的标准，分钢种分级别进行原辅料的定制化选择。如冶炼优质合金棒材时，采用铁水加废钢、优质废钢或优质废钢加直接还原铁为原料;冶炼低硫钢尽量使用低硫石灰;冶炼低碳钢选择低碳辅助原料。
1.2脱磷操作
磷在绝大多数钢种中是有害元素，脱磷是电弧炉冶炼的重要任务之一。近年来，随着国民经济的发展，对低磷及超低磷高品质特殊钢需求增加，现有电弧炉炼钢工艺很难实现快速低成本脱磷的冶炼要求。其主要原因在于电弧炉炼钢原料结构复杂，熔清磷含量波动大;全废钢冶炼熔清后碳含量低、钢液粘稠度高，且受电弧炉炉型结构限制，熔池流动速度慢，脱磷动力学条件差，冶炼过程脱磷困难。传统电弧炉冶炼低磷钢通常采用多次造渣、流渣操作，冶炼周期长、渣量大、终渣(FeO)含量高、钢水过氧化严重、冶炼成本难以控制。
1.3钢中氧及夹杂物的控制
电弧炉冶炼终点钢液氧含量的稳定控制是降低钢中夹杂物的关键。电弧炉炼钢普遍采用强化供氧操作以加快冶炼节奏、提高生产效率，但电弧炉炼钢终点控制不精准，钢液过氧化较为严重，碳氧积明显高于转炉。这不仅导致后期精炼过程脱氧剂的过度消耗，同时使得精炼期夹杂物的产生量显著增加。为降低终点钢液氧含量，电弧炉炼钢主要通过控制出钢前吹氧量，同时喷吹惰性气体强化搅拌;出钢时采用偏心炉底出钢控制下渣量;出钢前加入铁碳镁球，降低钢液氧含量。在LF精炼过程中采用“铝+复合脱氧剂”脱氧方式，将Al2O3类夹杂物转化为较大尺寸的易上浮夹杂物进而去除;采用双真空工艺操作，前预真空轻处理，LF精炼后再真空的处理方式深度去除钢中活度氧及夹杂物。
1.4钢中［N］与［H］的控制
在电弧炉采用大功率供电强化废钢熔化时，电极放电产生的高温电弧会电离附近空气中N2，致使钢液吸氮能力大幅增加;在电弧炉冶炼过程中，N2有时会作为底吹气体或粉剂喷吹载气浸入熔池，钢液进一步吸氮。同时，电弧炉冶炼原料中含有水分并接触空气，会造成钢液中氢含量偏高。然而，电弧炉炼钢熔清后熔池碳含量偏低，供氧强度不足，冶炼后期脱碳期间熔池内产生的CO气泡数量少，所以不能有效脱除［N］、［H］。解决此类问题的方法主要是通过废钢预热的方式脱除水分减少氢元素入炉;调整炉料结构，通过加入DRI、提高铁水比等方式提高熔池碳含量，在电弧炉冶炼后期进行高强度脱碳沸腾操作，以脱除钢液内［N］、［H］，再在后续精炼及浇铸过程中加以保护，控制钢中［N］、［H］的含量。
2电弧炉炼钢流程洁净化冶炼技术创新
2.1废钢破碎分选技术
废钢是钢铁循环利用的优势再生资源。废钢的资源化利用在钢铁工业节能减排、转型升级方面扮演重要角色。随着汽车、机电、家电等报废数量的不断增加，社会回收的废旧金属成分更加混杂，包含黑色金属、有色金属、非金属等。废钢的高效破碎与分选是保证电弧炉炼钢原料质量的前提与关键，对电弧炉炼钢实现洁净化冶炼至关重要。废钢铁破碎分选研究始于20世纪60年代，最具代表性的是美国的纽维尔公司和德国的林德曼公司、亨息尔公司和贝克公司，他们率先推行破碎钢片(Shred)入炉，在改善回收钢品质、提高经济效益方面都具有显著效果。德国在80年代末推出的废钢破碎机(Shredder)在某些方面已超过了美国。
2.2电弧炉炼钢复合吹炼技术
传统电弧炉炼钢熔池搅拌强度弱，抑制了炉内物质和能量的传递;通常采用超高功率供电、高强度化学能输入等技术，但没有从根本上解决熔池搅拌强度不足和物质能量传递速度慢等问题。现代电弧炉炼钢广泛采用吹氧工艺以加快冶炼节奏、降低生产成本，相继开发出诸如炉壁供氧、炉门供氧、集束射流等强化供氧技术。为了解决熔池搅拌强度不足和物质能量传递速度慢等问题开发了如底吹搅拌、电弧炉炼钢复合吹炼等关键技术。以高效、低耗、节能、优质生产为目标，研究团队首次提出并研发的新一代电弧炉冶炼技术———电弧炉炼钢复合吹炼技术———以集束供氧、同步长寿底吹搅拌等新技术为核心，实现了电弧炉炼钢供电、供氧及底吹等单元的操作集成，满足多元炉料条件下的电弧炉炼钢复合吹炼的技术要求。
2.3电弧炉炼钢气-固喷吹新技术
20世纪80年代，电弧炉炼钢气-固喷吹系统装置还限制在炉门和炉顶，而不能通过炉壁进行喷射。1980年炉门喷粉系统率先在Eschweiler应用，之后迅速发展，在全球40余家钢铁企业得到应用;炉顶喷粉系统始于德国克虏伯钢铁公司，20世纪90年代后期获得普及;直到1990年，炉壁喷粉系统才在意大利Triest得到应用，2000年后应用数量激增，成为最主流的喷粉方式。在传统炉壁喷粉和埋入式供氧喷吹技术基础上，研究团队提出并开发了电弧炉熔池内气-固喷吹洁净化冶炼新工艺。
3结论
在电弧炉炼钢流程中，提高钢液洁净度无疑是保证产品质量的关键，而保证钢液洁净度的关键在于各冶炼工序、单元操作的稳定与协调有序配合。本文从废钢破碎分选、电弧炉炼钢复合吹炼、气-固喷吹、质量分析监控及成本控制、CO2在电弧炉炼钢流程的应用等方面，总结并阐述了近年来电弧炉炼钢流程洁净化冶炼技术的创新与发展。在完善现有电弧炉炼钢洁净化冶炼关键技术基础上，进一步构建电弧炉炼钢流程洁净化生产平台，实现生产效率、产品质量和节能环保水平的不断提升，将是未来电弧炉炼钢的重点发展方向之一。加快电弧炉炼钢流程技术创新，特别是洁净化冶炼技术的完善与突破，构建电弧炉炼钢流程洁净化生产平台，提升电弧炉炼钢流程产品质量和产品竞争力，将对我国钢铁工业结构调整和转型升级起到重要推动作用。
参考文献
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