电弧炉炼钢工艺全流程：从装料到出钢的操作实践

电弧炉炼钢概述

电弧炉(EAF)炼钢技术百年历史。De Laval1892年专利电炉熔炼精炼铁，Heroult1888~1892年演示电弧熔炼铁合金，首座工业EAF1900年投产。发展迅猛，1910~1920年产量增十倍，1920年超50万吨，仍占当时全球钢产极小比例。初期EAF生产特种钢，用废钢、铁合金等固体料，直接电弧熔化、加熔剂精炼、出钢后续加工。图1示典型EAF平剖面图。

EAF容量几吨至400吨，车间单炉至三四炉。简述：石墨电极通交流电熔化废钢，需巨量电力。熔炼短时大能量输入，常扰动电网：闪烁(50~60Hz周期内短暂电压不规则波动)、谐波(50~60Hz周期重复性波动)。仅30~35年前，热周期>3h常见，单耗常>700kWh/t，近热力学需求(350~370kWh/t)两倍。

EAF炼钢周期

EAF批次熔炼生产液钢。操作周期称热周期或“炉次”，含：①装料、②熔化期、③精炼期、④脱渣、⑤出钢、⑥炉周转。现代EAF热周期<60min。双炉台操作可达35~40min。

装料

首选钢级，废钢场按规格备料。废钢桶装料关键：按尺寸密度分层，促进炉底快速形成液钢池、保护炉墙炉顶免电弧辐射；最小化废钢塌陷断电极；避免大重废钢正对烧嘴口致回火烧水冷板。熔剂石灰、碳可装桶或炉内喷吹。常见做法：桶内加部分石灰/碳，炉内喷吹补充。新炉次始于装废钢。炉盖电极提起摆开，装料吊车移动满桶废钢对位炉口。桶底蛤蟆式开启，废钢落入炉内。吊车取走空桶，炉盖电极复位。每炉装料桶数取决于废钢密度和炉容。现代炉设计力求最少补料(装料为死时间、无通电熔化)。减少死时间提高生产率。每开炉盖损10~20kWh/t。多厂配废钢目标2~3桶/炉。部分实现单桶装料。DRI/HBI连续加料常用料斗。废钢连续加料可用“Consteel”或竖炉。

熔化期

装料后炉盖、电极下降引弧废钢，进入熔化期——EAF操作核心。EAF高效熔化设备，现代设计最大化熔化能力。熔化靠向炉内输入能量：电能(石墨电极,主导)和化学能。起始选中压分接直到电极钻入废钢。通常轻废钢置顶加速钻入。初期~15%废钢熔化(数分钟)。电极穿透废钢后用长弧(高压分接)无惧辐射烧炉顶。长弧最大功率传递废钢，炉底形成液钢池。起始电弧不稳，电流大幅波动伴随电极快速动作。炉内环境升温电弧稳定。液池形成后电弧稳定，平均功率输入增加。

化学能源：氧燃烧器、氧枪。氧燃烧器烧燃料气用氧气/富氧空气。火焰辐射/对流热传废钢，废钢内部热传导。大块废钢熔化慢。有时用消耗性管枪喷氧切割大块废钢。液池形成后常直接向熔池吹氧。氧与熔池Al、Si、Mn、P、C、Fe等反应放热助熔。生成金属氧化物入渣。氧与C反应生成CO，若氧足在炉内燃烧、或经直接排放系统(DES)燃烧进入除尘。吹氧亦在熔化末期降浴中C至出钢目标值。

熔化足够废钢容纳二次装料后重复装料。最终装料熔化后炉墙暴露于强电弧辐射，须降压。或造泡沫渣埋弧保护炉壳，且大量能量留渣传熔池提高热效率。最终装料全熔化达平浴状态。此时测浴温、取浴样。浴成分分析决定精炼吹氧量。同时按精炼后确定出钢加铁合金量。

精炼期

精炼期去除Al、Si、Mn、C、P、S。平浴后进行。精炼反应依赖氧供应。待去元素亲氧性强于C，氧优先氧化生成氧化物上浮入渣。现代EAF带热底(留留上炉液钢渣)几乎全程吹氧，熔化精炼部分同步。

P、S超标须除。除P、除S有利条件相反，一旦入渣易返还。P在渣中保留取决于浴温、渣碱度、渣中FeO。高温或低FeO致P返渣。除P宜早：热底做法有利(低温时吹氧)，初期渣承上炉高FeO助除P。高碱度(CaO/SiO₂)利除P但避免石灰饱和增粘降效。有时加萤石(CaF₂)增渣流动性。惰性气搅拌更新渣/金属界面改善动力学。总则：若钢级要求低P，选废钢保证熔入低P。渣P/浴P分配比通常5~15。EAF一般降P 20%~50%。

S主要以硫化物溶于渣中除去。渣金属分配比取决于渣化学成分，低钢氧化度有利。现代高氧化度操作下EAF脱S困难。分配比通常3~5。脱硫更宜还原期：出钢前建钙铝酸盐渣、LF精炼。还原条件(浴氧活度低)S分配比可达20~100。

控制浴中金属成分满足钢级指标。操作员通常控制低于成品规格。氧与Al、Si、Mn反应生成金属氧化物入渣。这些金属优先于C与氧反应。亦与FeO反应回收铁单元。例：Mn+FeO=MnO+Fe。浴中Mn通常降至~0.06%。

浴中C+O₂→CO反应重要：提供廉价能量、执行关键精炼反应。现代EAF中C氧化供净热输入30%~40%。CO析出对渣起泡关键。配合碱性渣，CO气泡滞留渣中起泡埋弧，大幅提升热效率，平浴后仍可高电压操作。

溶解气体H₂、N₂关注。埋弧防N₂暴露电弧解离入钢。CO在浴中析出剥离N₂、H₂。出钢前炉内N₂可降至50ppm。底部出钢利于低N₂(出钢快、钢流紧凑)。钢中高氧势利低N₂，出钢应敞口而非杀氧。1600℃纯铁N₂最大溶解度450ppm。出钢N₂通常80~100ppm。脱碳亦助除氢：脱碳速率1%/h可10min将H₂从8ppm降至2ppm。

精炼末测温取样。温低可通电升温。现代精炼炉调温使低温非大问题。

脱渣操作

脱渣除去渣中杂质。熔化精炼中杂质氧化入渣。早期尽量除P入渣有利。炉体后倾经出渣门倒渣。除渣消除P返可能。渣起泡喷碳还原FeO生Fe产CO起泡。若高P渣未除完此步骤前，P返普遍。起泡渣溢渣坎流出出渣门。EAF渣典型成分：CaO 45%~58%、SiO₂ 5%~15%、FeO 10%~28%、MgO 5%~8%、MnO 2%~5%、含CaF₂、S、P。

出钢

达成分温度目标，开出钢孔、倾炉、液钢注入钢包送二次精炼。出钢中按浴分析和钢级加铁合金。加脱氧剂降氧。常用脱氧剂：Al、硅铁、硅锰。碳钢冶炼力求最少带渣。出钢建新渣层。LF操作选钙铝酸盐渣控S。出钢时加渣料形成渣层再送LF。

炉周转

出钢完成至下一炉装料就绪为炉周转。电极炉盖提起，检查炉衬损伤。必要修补炉底、渣线、出钢孔、出钢槽。底部出钢炉填砂封孔。单体耐材/喷补料修补。水冷壁板普及减少炉间修补/打底量。多厂定期(2~6周)更换备用炉底，原炉底离线维护，减少停电时间、最大化产能。炉周转是热周期最大死时间(停电)。新装炉已从20min降至<5min。

EAF热平衡

理论熔化废钢最低300kWh/t。过热至>1520℃熔点需额外能量，典型出钢温度总理论需能350~370kWh/t。但EAF效率51%~64%，现代炉总当量能量输入通常550~700kWh/t。能源形式：电能、氧燃烧器多燃料、化学反应。能量分配高度依赖当地原料耗材成本，各厂独特。典型EAF热平衡图见图2。能耗高度依赖个体操作，厂间差异大。原料成分、功率输入率、操作实践(后燃、废钢预热)显著影响能量平衡。大量喷吹碳/高碳原料操作中，烟气中高达60%能量为化学能(大量未燃CO)。回收此能量可增热输入8%~10%。评价特定炉子能量平衡须考虑此因素。