转炉炼钢和电炉炼钢的优缺点比较分析

文 / 北京瀚川鑫冶工程技术有限公司 张建国

转炉炼钢和电炉炼钢的优缺点比较分析

文 / 北京瀚川鑫冶工程技术有限公司 张建国

本文对电炉炼钢和高炉炼钢生产工艺技术的优缺点进行了简要的分析论述，对两种工艺生产产品中的残留物、氮含量进行了分析比较；并进一步指明，随着社会废钢资源的积累，直接还原技术的开发，电力工业的发展，电炉炼钢技术（大容积电炉、超高功率电炉等）、铁水预处理和炉外精炼技术的飞速发展，电炉钢厂越来越多地转向生产普通钢，而转炉钢厂越来越多地生产特殊钢。在未来钢铁工业的发展中，每个企业都需要把对电炉与转炉冶炼特殊钢优劣分析做为课题之一，科学合理地选择特钢冶炼工艺流程。

电炉炼钢转炉炼钢残留物氮量控制

电弧炉最初在20年代开发成功，用来熔炼废钢、生产一般应用级别的钢材，如钢筋等。与高炉——转炉联合钢铁厂相比，短流程的电炉钢厂生产要简单得、灵活得多，它能生产正常质量的、且在价格上比高炉——转炉联合钢铁企业要廉价的钢材，所需要的就是废钢与电能的充足供应。

一直以来，制约着短流程钢厂发展的最大的因素仍是没有能力正常地生产某些优质低碳钢。然而，近几年来技术的全面发展和两种流程间的激烈竞争，明显改变了生产效率。其结果是一些世界级的电炉钢厂顶替了成本更高的联合企业，成为诸如大型材、钢梁、SBQ等大部分优质碳钢的供应者。

在我国，近年来面对废钢资源的日益短缺、优质废钢价格和用电成本居高不下的现实，以电弧炉作为主要冶炼工艺的特殊钢企业也开始致力于研究用转炉冶炼特殊钢的工艺技术。

目前，国外用转炉生产的特殊钢已占特殊钢总量的60%左右（日本更高，约占70%）。特殊钢中的主要钢种如轴承钢、齿轮钢、弹簧钢以及冷镦钢等均可采用“高炉供热铁水→转炉 + 二次精炼 → 连铸 → 连轧”工艺生产。

目前，我国重点普钢企业的转炉都已配备了RH和LF等二次精炼手段，而且已有相当比例的优特钢产品被普钢企业以低成本、低价格的绝对优势所占领。

在未来钢铁工业的发展中，科学合理地选择特钢冶炼工艺流程，是每个企业都非常关注电炉与转炉冶炼特殊钢优劣分析的课题。

一、特殊钢的生产工艺流程

目前，特殊钢生产工艺流程主要有3种：

（1）电炉流程：电炉→二次精炼→连铸→轧制；

（2）转炉流程：高炉→铁水预处理→转炉→二次精炼→连铸→轧制；

（3）特种冶金：真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等叶锻造或轧制。

由于早期特殊钢大都采用电炉冶炼，习惯上形成了特殊钢厂就是电炉钢厂，特殊钢一定要用电炉冶炼，而电炉一定要生产特殊钢才够水平，才可以有好的经济效益。这主要是由于早期电炉炼钢的特点和特殊钢本身产品特点决定的。

电炉炼钢是依靠电能感应的物理热进行冶炼的，可在炉内熔化大量合金和废钢铁，这样电炉钢在合金化等方面较转炉炼钢有一定的优越性。但其缺点是冶炼周期长、生产效率低、电价昂贵、成本高和炉容小等。又由于特殊钢产品有合金含量高、多品种、小批量和附加值高等特点，因此早期用电炉冶炼特殊钢达到了扬长避短之目的，但同时人们也一直认为转炉主要是用来冶炼普通钢的。

随着社会废钢资源的积累，直接还原技术的开发，电力工业的发展，电炉炼钢技术（大容积电炉、超高功率电炉等）、铁水预处理和炉外精炼技术的飞速发展，电炉钢厂越来越多地转向生产普通钢，而转炉钢厂越来越多地生产特殊钢。

二、电炉与转炉生产流程的优劣势分析

铁水预处理及二次精炼技术的发展，使得转炉流程在特殊钢生产方面发挥了重要的作用。转炉流程生产特殊钢技术首先是由日本开发的。日本于1957年引进氧气转炉技术，1961年使用转炉生产特殊钢28万吨，占当时特殊钢产量的10%；1967年生产156万吨，占23%；1971年生产528万吨，占51%；1985年产量达1200万吨，近年来一直保持在1000万吨以上的水平，占特殊钢产量的70%左右。

1.电炉流程的优劣势

（1）电炉炼钢配以LF/V D二次精炼生产特殊钢的优势在于使用化学性质为中性的电弧作为热源，冶炼过程中加热与化学反应相互独立，从而保证了工艺的灵活性。又由于允许加入较多数量的合金，因而在生产高合金钢方面具有更明显的优势。电炉炼钢工艺适合于生产小批量、多品种、合金含量较高的钢种。

（2）由于电炉加热钢水时会使熔池增碳，而电炉冶炼过程成分控制较为容易，故其优势钢类为中、高碳钢和高合金钢。由于电弧区钢液吸氮，因而难以生产氮含量低的产品。

图1　电炉炼钢

（3）电弧加热炉料时，产生的物理热大部分被包围在炉料中，而且带走的热损失少，所以热效率比转炉炼钢法要高。但使用小容量的电弧炉生产特殊钢的首要问题在于无法配置有效的二次精炼手段；其次是装备水平难以提高，影响了成分和温度的精确控制；第三是由于出钢量小，炉间成分波动范围大。

（4）消耗高、生产成本高。现代大型超高功率电炉技术的不断完善，基本解决了上述问颢。

2.转炉流程的优劣势

（1）铁水的纯净度和质量稳定性均优于废钢。

（2）采用铁水预处理工艺，进一步提高铁水纯净度：S≤0.005%，P≤O.01%。

（3）氧气转炉炼钢配以RH二次精炼的工序优势，在于极高的生产速率和优异的纯净度，因而适于低碳/超低碳、低残余元素的钢种，尤其是批量很大、合金含量较低的钢种。

（4）转炉的终点控制水平高，渣钢反应比电炉更接近平衡。

（5）转炉钢水的气体含量低，N≤20ppm，H≤3ppm。

（6）由于冶炼过程所需的能量依靠钢中易氧化元素与氧作用而释放的化学能供应，因而温度控制与冶金过程密切相关，工艺灵活性较差。

（7）转炉冶炼周期短，生产效率高，易于与精炼、连铸形成高效化生产。

（8）转炉与LF炉匹配，可灵活生产高、中碳及含有一定合金量的低合金钢。

（9）转炉冶炼是采用化学热和物理热，富裕热量只能熔化10~15%的废钢或合金，故不适宜冶炼高合金钢，尤其不适宜炼合金工具钢、难熔钨铁等高熔点合金。

图2　转炉炼钢

三、电炉炼钢与转炉炼钢中残留物及氮量控制的分析

1.残留物控制

基于废钢的电炉炼钢有它的优势，也存在劣势。它极度依赖于废钢的价格和供应能力，且有些地方的电价昂贵。虽然电炉的产量能比转炉炼钢流程更好的追随市场需求，但废钢价格走向却随着经济活动而变。基于电炉的小钢厂要想保持竞争力，则必须确保废钢市场具有充足的供应能力。而且，废钢质量对电炉钢的质量影响也大，冶炼中对入炉废钢的化学成份应基本明确，且力求稳定，这对顺利冶炼非常重要。如果大量配入废钢压块，里面包的是什么东西，难于弄清，其化学成份难于掌握，所以经常易造成熔清含碳量过高或过低，给正常冶炼带来困难。

某钢厂电炉，由于使用的打包比压块较多、且质量不高，杂质较多及有害化学成分较多，曾出现月平均熔清含硫量高达0.146%，有的炉次高达0.4%以至0.48%，熔清含磷量高达0.2%以上的也不罕见，从而造成冶时大大拖长，石灰用量和还原剂增加，电耗也增加。至于由于含Cu量过高，造成整炉报废的时有出现。更为严重的是，由于冶时拖长易造成炉壳烧穿的现象，给人身安全和设备安全带来直接的威胁。可见，废钢的质量严重影响到钢水的质量，大量使用不明成份的废钢是不可取的，造成的后果和损害也是可想而知的。

长流程的转炉炼钢，其以铁矿石为基础原料，钢中残留金属量比电炉流程低，且远低于目标规范。对于相当数量的长材，残留金属量的公差范围较宽，在不损害产品性质的时候是可以接受的，甚至残留金属量还相当高，这也就是目前为何电炉炼钢厂的产品基本都是长材的主要原因。而对于扁平材，最终用户对其要求非常严格，如深冲性能、高耐冲击性能和表面光洁度等，因此，残留金属量必须低，以实现所要求的产品性能。在这一领域，长流程的转炉炼钢生产企业仍然占据着绝对的技术优势。

尽管如此，在最近的10~15年间，得益于电炉设计、生产与原料供应、中厚板坯连铸技术和直接轧制的发展，某些电炉钢企业、尤其是美国的电炉钢企业，已经跻身于扁平材市场，生产标准的带钢。当然，绝大多数小钢厂的生产仍集中在长材领域，尤其国内的企业。

2.氮量控制

钢水中氮含量的控制主要与工艺参数有关。在电炉上控制氮含量是非常困难的，这是用电炉流程生产优质钢最大的限制条件。氮含量控制与低碳镇静钢有特殊的关系，钢中氮含量高会引起应变时效，使钢的延展性下降。当这些钢一般用于深冲加工制品时，要求氮含量小于50ppm。在更严格的应用中，如超低碳Ⅳ钢，氮含量要求小于30ppm，经常要接近20ppm。虽然这些专用的高附加值产品在转炉炼钢的联合钢厂产品结构中只占很小的比重，但他们表达了最严格的生产极限。通常情况下，转炉出钢时的氮含量只有电炉钢的1/3，转炉为15~40ppm，电炉为60~100ppm。

传统的电炉操作是在敞开渣门的情况下完成大部分的精炼工作，这就导致大量的空气进入电炉，促进了炉内的高氮气氛。通常，普通电炉是不密封的，在炉壳和炉顶区域有很多开口，空气可自由穿越这些开口。因此，普通的以冶炼废钢为主的电炉炼钢工艺的显著特点是炉内气氛中的氮会被暴露的钢水吸收。在电弧等离子区尤为如此，高温将氮气分解成原子或离子状态的氮，进一步促进了氮的吸收。

为此，在电炉工艺中，一般可通过有效的消除气源与钢液的接触可降低吸氮量。在生产操作中，主要通过在电孤四周形成大量的保护性泡沫渣、增强熔池上方一氧化碳气氛和降低喷吹气体的氮含量等手段来实现这个目的。

另外，“密封”电炉、即关闭渣门有助于削减空气的渗入量。欧洲煤钢共同体最近的研究显示，电炉出钢时钢水中的氮含量随着炉料中预还原铁的数量、生铁的添加量或者在脱碳时的喷碳量而变化。与全废钢装料相比，利用脱碳期增加一氧化碳发生量的操作可以实现较低的氮含量。

然而，除去少数个案外，现代电炉的设计、操作、入炉原料、产品规范等对实现最低氮出钢并不乐观。国际钢协最近在世界范围的调查表明，对于在53座电炉上生产的众多钢铁产品，出钢目标氮没有低于40ppm的，而且虽然40ppm在基本原理上看似是可实现的，且也可搜集到20~30ppm的引述，但是可实现的最低氮量水平还没有建立。电炉钢低氮含量是在特殊情况下实现的，低氮炼钢是生产优质扁平材最大的要求。

四、结束语

在近20年里，电炉炼钢的发展明显快于高炉——转炉流程。特别是参与扁平材生产的电炉钢厂数量在不断增加，尤其是投资成本低且以直接还原铁为原料的新厂不断出现，或者建在能获得铁水的原有厂址的工厂。

现代电炉在设计上与薄板坯、中厚板坯技术直接产生联系，再加上直接轧制技术，其成本要比传统的顺序批处理工艺低得多。这是因为与传统流程相比，它操作步骤简化、工艺装备少、生产时间短和能耗低的结果。

对于扁平材，现代电炉和技术先进的传统炼钢流程间的竞争才刚刚开始，这种竞争强烈的依赖于当地的原料、能源和市场条件。

然而，发展趋势更多的体现在产品结构上，带有地域性或者生产集中，更小、自动化水平更高、更专业化，即生产一定范围内的普通或高附加值钢材，拥有自己的消费点，能灵活迅速的应对客户或市场的变化。因为这种布局与客户的距离更近，通过优化产品的分配降低生产和运输成本，并加快了产品的开发速度。这些小规模的、资本密集度低的工厂的成本竞争力已经确保了在选定地区建立新炼钢产能的行动，并根据那里的能源、原料、劳力、市场结构、运输成本、市场需求等条件开发市场。

对于联合型钢铁公司，巨大的历史资产和长久的资产寿命严重制约了他们对“市场型工厂”生产模式的响应。因为新竞争者为提高钢的质量在技术上持续改进，热切期望至少要达到联合钢铁企业的质量标准，因此，从长远看，联合型钢铁企业的不利形势在加剧。

因为市场型企业的最忧配置，使得它相对于传统的、集中的、联合的工艺能更迅捷、更廉价、更能响应市场。联合型钢铁企业只有精简生产环节、降低能耗，以此来提高生产效率，同时还要不断开发更高级的质量标准，只有通过这些才能保持竞争力。

在扁平材领域，现代电炉炼钢与高炉——转炉联合流程的竞争才刚刚开始。

Analysis of the pros and cons between BOF and EAF