钢铁冶金学（炼钢部分）

—电弧炉炼钢及铸锭

1 电弧炉炼钢概述

1．1 电弧炉炼钢的发展概况：大致可分为三个阶段
（1）

研究阶段（从 1800 年至 1900 年）

1800 年，英国人戴维（Humphrey　Davy）发明了碳电极；1849 年，法国人德布莱兹（Deprez）研究用电极熔化金属；1866 年，德国
人冯·西门子（Werner Von Siemens）发明了电能发生器；1879 年，德国人威廉姆斯·西门子（C Williams Siemens）采用水冷金属电极进
行了实验室规模的炼钢试验，但电耗太高，无法投入大生产；1885 年，瑞典 ASEA（即瑞典通用电气）公司设计了一台直流电弧炉；
1888 年，法国人海劳尔特（Paul Heroult）用间接电阻加热炉进行熔炼金属实验；1889～1891 年，同步发电机和变压器推广应用；1899
年，海劳尔特研制成功交流电弧炉；1900 年，海劳尔特开始用交流电弧炉冶炼铁合金；
（2）

初级阶段（从 1900 年至 1960 年）

1905 年，德国人林登堡（R.Lindenberg）建成第一台炼钢用二相交流电弧炉（海劳尔特式），该炉特点是采用方形电极，电极手动升
降，炉盖固定不可移动，加料从炉门口人工加入；1906 年，林登堡成功地炼出了第一炉钢水，浇注成钢锭，从此开创了电弧炉炼钢的
新纪元；1909～1910 年，德国和美国分别制成了 6t 和 5t 的三相交流电弧炉投产；1920 年，采用了电极自动升降调节器，提高了电极
升降速度；1926 年，德国德马克公司将炉盖改为移出式，首次实现了顶装料；1930 年，出现了炉体开出式电弧炉；1936 年，德国人制
造了 18t 炉盖旋转式电弧炉；1939 年，瑞典人特勒福斯提出了电弧炉电磁搅拌的思想；1960 年，为使三相电抗平衡，美国出现了短网
等边三角形布置；此阶段由于电力、电极、用氧水平、炉容量等的限制，故炼钢成本大大高于平炉，因而只适合于冶炼合金钢、特殊
钢。随着第二次世界大战的爆发，电炉钢的产量迅速增长。
（3）

大发展阶段（从 1960 年至今）

由于钢铁工业内部结构在 50 年代中期发生了重大变化，及 LD 转炉取代了 OH 平炉的炼钢龙头地位，但是 LD 炉不能象平炉那样 100%
地采用废钢为原料，故伴随着平炉的逐步退出炼钢舞台，废钢过剩的问题就日益突出，因此就要求 EAF 电炉在冶炼合金钢的同时，还
要担负起一部分冶炼普通钢种的任务。这样就对 EAF 提出了如何大幅度提高生产率和降低生产成本的发展方向。1964 年，美国碳化物
公司的施瓦伯（W.E.Schwabe）和西北钢线材公司的罗宾逊（C.G.Robinson）共同提出了电弧炉超高功率的概念，并在两台 135t 的电弧
炉上采用不同功率水平进行试验；不久就在世界各国推广 UHP 操作，使冶炼时间大大缩短，从 3～4 小时减少到 2 小时（功率水平
500kVA/t）。从七十年代开始，为了最大限度地利用变压器的工作效率，围绕着如何进一步提高功率利用率和时间利用率，各国相继
发展了一系列的相关技术，例如：炉壁、炉盖水冷化、长弧泡沫渣操作、氧燃烧嘴、偏心炉底出钢、废钢预热、炉底吹气、双炉壳电
弧炉等等。因此，变压器的功率水平达到 800～1100kVA/t，冶炼时间进一步降低至 1 小时以下，电耗降至 400kWh/t 以下。并逐步在特
殊钢厂推广运行

“废钢预热—电弧炉—炉外精炼—连铸—热送轧制或连轧”的工艺模式，把电弧炉演变成了单纯的废钢快速熔化设备。

为了根本上克服交流超高功率电弧炉的电弧不稳定、三相功率不平衡带来的炉壁热点问题，对前级电网造成的剧烈冲击（闪烁问题），
70 年代开始了直流电弧炉的研究，并于 80 年代中期投入工业生产，从此电弧炉又在交流和直流两方面同时发展。

综上所述，在电弧炉炼钢诞生起至今的约 100 多年的时间里，从开始时的小型电弧炉专门冶炼合金钢种，到后来变化为大型电弧

炉兼炼合金钢和普碳钢，直至近来的超高功率大型（交、直流）电弧炉仅仅作为废钢熔化设备。
1．2 电弧炉炼钢的特点
优点：靠电弧加热，热效率高，能调节炉内气氛，与平炉、转炉相比，基建投资少，占地面积小
缺点：电弧是点热源，电力、电极、耐材消耗高，生产率较低，成本比转炉高
1．3 传统碱性电弧炉炼钢方法及工艺流程介绍
1.3.1 常用冶炼方法：一般可分为氧化法、不氧化法和返回吹氧法三种。
氧化法：在炉料熔清后，通过向钢液中加矿或吹氧进行脱 P、脱 C 操作，并造成熔池沸腾，去除钢中[H]、[N]气体及非金属夹杂物，再
经过还原期脱 O、脱 S、调整钢液化学成分及温度后出钢。此法的特点在于可使钢中[P]、[S]、[H]、[N]、[O]等都可降低至规格范围内，
达到纯洁钢液的目的，因此大多数钢种均采用此法冶炼。而此法不足之处在于钢中若含有大量合金元素时，则会造成其氧化损失，并
对操作带来不良影响，故一般配料时多用碳素废钢，这又造成后期合金化的困难。
不氧化法：冶炼过程中没有氧化期，能充分回收原料中的合金元素。炉料熔清后，经还原调整成分及温度后即可出钢。优点是可在炉
料中配入大量合金钢切头、切尾、废钢锭、注余、汤道、切屑等，减少铁合金的消耗量，降低钢的成本。缺点是冶炼过程中不能去
P、去气去夹杂，因此要求配入清洁无锈、无油污的低 P 且 C 含量合适的钢铁料，并在冶炼中防止钢液吸气过多。
返回吹氧法：在炉料中配入大量的合金钢返回料，根据 C 和 O 的亲和力在一定温度下大于某些合金元素与 O 的亲和力的理论，当钢液
温度升高至一定温度后，向钢液中吹氧，达到在脱 C 以便去气去夹杂的同时，又能够避免钢中合金元素氧化损失的目的。这样做，既
降低了成本，又提高了质量。
1．3．2 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺流程介绍
上炉出钢

→补炉（fettling）→装料(charging)→熔化期(melting)→氧化期(oxidizing)→还原期(reducing)→出钢(tapping)

补炉：上炉出钢毕，迅速将炉体损坏部位进行修补，以保证下一炉钢的冶炼。新炉子在炉役期的前几炉可不补炉。装料：将配好的炉
料（burden）按一定规律装入料罐（bucket）中，然后将料罐吊至炉前，打开炉盖，将炉料一次卸入炉内。一炉钢可视情况一次装料或
多次装料。熔化期：从通电至炉料完全熔清称为熔化期。其主要任务是迅速熔化全部炉料，并及早形成一定的炉渣，起到稳定电弧、
防止金属挥发与吸气，提早脱 P 等作用。氧化期：待炉料全部熔清后，取样分析，进入氧化期。其主要任务是最大限度地脱
P（dephosphorization）、去除钢中气体（[H]、[N]）和非金属夹杂物（non-metallic inclusions），并升温至稍高于出钢温度。还原期：
氧化期任务完成后，停电扒除氧化渣，重新造新渣，进入还原期。其主要任务是脱 O（deoxidization）、脱 S（desulphurization），调
整钢液的成分和温度。出钢：当钢液成分和温度均符合出钢要求，则打开出钢口，摇炉出钢。出钢时要做到钢渣混冲，利用钢渣在钢
包（ladle）中激烈运动，最大限度地脱 S，并防止二次氧化、二次吸气。

2、电弧炉的电气设备

2．1 电弧的概念与交流电弧的特性
2．1．1 电弧：电弧是电流通过两极间气体时使之电离的一种放电现象。
阴极放电：热电子发射，强电场发射。电子自阴极发射后，以极高速度向阳极冲击，在运动中与极间气体碰撞，使其电离成正、负离
子，形成电弧。电弧中的电子数目或者电弧电流大小与两极间电功率、阴极材质、气体种类等都有关系。
2．1．2 交流电弧的特性
2．1．2．1 不连续性：由于交流电弧电压与电流的周期性变化，故当电弧电压未达到燃弧电压时，电流为 0，电弧就会熄灭。但当电
路中有感抗存在时，则即使电弧电压 V

小于燃弧电压，电弧电流 I

≠0。当感抗增加到一定值时，则可保证电弧连续燃烧而不熄灭。

2．1．2．2  压缩效应：电弧周围空间存在磁场，电弧便在磁场力作用下沿轴向产生径向压力，并由外向内逐渐增大，使电弧下的钢液
呈弯月面下凹，加强了钢液的搅动和传热。
2．1．2．3  外偏效应：一相电弧受到其他两相的磁场作用，或受到炉子周围铁磁性物质的作用，使三相电弧不同程度地偏向炉衬。
2．2 电弧炉的主电路：主电路主要由隔离开关、高压断路器、电抗器、电炉变压器、低压短网
2．3 主电路上的电气设备
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