電弧爐

通過金屬電極或非金屬電極產生電弧加熱的工業爐叫做電弧爐。電弧爐按電弧形式可分為三相電弧爐、自耗電弧爐、單相電弧爐和電阻電弧爐等類型。電弧鍊鋼爐的爐體由爐蓋、爐門、出鋼槽和爐身組成，爐底和爐壁用鹼性耐火材料或酸性耐火材料砌築。電弧鍊鋼爐按每噸爐容量所配變壓器容量的多少分為普通功率電弧爐、高功率電弧爐和超高功率電弧爐。電弧爐鍊鋼是通過石墨電極向電弧鍊鋼爐內輸入電能，以電極端部和爐料之間發生的電弧為熱源進行鍊鋼。電弧爐以電能為熱源，可調整爐內氣氛，對熔煉含有易氧化元素較多的鋼種極為有利。電弧爐鍊鋼發明后不久，就用於冶鍊合金鋼，並得到較大的發展。

隨著電弧爐設備的改進以及冶鍊技術的提高，電力工業的發展，電弧爐鍊鋼的成本不斷下降，現在電弧爐鍊鋼不但用於生產合金鋼，而且大量用來生產普通碳素鋼，其產量在主要工業國家鋼總產量中的比重，不斷上升。

電弧爐的基本構造如右圖：

法國海洛爾特（P.L.T.Héroult)於1888~1892年利用電極的電弧高溫，開發出煤的代替能源，發明了工業性直接冶鍊的電弧爐。起初電弧爐只用於電石和鐵合金的生產，到 1906年才發展用來鍊鋼，並因而使廢鋼得以實現經濟化、規模化的回收利用。電弧爐通過石墨電極的端部和爐料之間發生的電弧，將電能轉換為熱能進行熔化爐料並完成其後的髙溫冶金反應。由於它使用電能，便於調整爐內的氣氛，因此可以冶鍊包括含易氧化元素在內的各種類型的合金鋼。隨著電力工業的發展、工藝設備的不斷改進以及冶鍊技術的提高，電弧爐應用日趨廣泛，生產能力與規模越來越大。20世紀30年代電弧爐的最大容量 為100t，50年代為200t，70年代初已有400t的電弧爐投入生產。

尤其是在近50年的時間裡，電弧鍊鋼爐的技術性能逐步提高，生產成本明顯下降，歐美髮達國家電爐鋼的比例已超過50%。

現代電弧爐冶鍊技術的發展隨時代進步。20世紀60~70年代主要是發展超高功率供電及相關技術，高功率電弧爐（HP）和超高功率電弧爐（UHP）是相對於一般的普通功率電弧爐（RP）而言的。它們主要是按每噸爐容量所配變壓器容量的多少來區分，近年來有越來越高的趨勢。這意味著單位時間內輸人電弧爐的熱能大幅度增加，使熔化時間顯著縮短，從而提高生產能力，降低電極消耗，減少熱損失，降低電能消耗，結果是使產能再提高的同時，成本也大幅度下降。

與超高功率電弧爐相配套的高壓長弧操作、水冷爐壁、水冷爐蓋、泡沫渣技術、使用外熱源助熔等已被廣泛採用，鋼包精鍊及強化用氧也已被採用。20世紀80年代，LF及EBT技術的開發使電弧爐冶鍊加爐外精鍊的現代電弧爐鍊鋼流程基本成熟。值得注意的是，自此以後，人們關注的焦點已不再是用直流還是交流供電的方式，而是二次燃燒和煙氣顯熱的利用，即廢鋼預熱的問題。不同的廢鋼預熱方式產生了不同類型的現代電弧爐，它們包括用料籃廢鋼預熱的普通電弧爐、帶托爪的煙道豎爐、雙殼電弧爐和Consteel電弧爐等。

目前，電弧爐的設備和生產技術仍然在繼續發展之中。

電弧爐有多種分類方式。

（1）非自耗電極式電弧爐，它是用鎢或石墨等作電極，熔煉過程中電極本身不消耗或消耗很少。

（2）自耗電極式電弧爐，它是用被熔煉的金屬作電極，金屬電極邊熔化、邊自身消耗。

（1）恆弧壓自動控制式電弧爐，它是依靠兩極間電壓與給定電壓作比較，其差值經過信號放大驅動自耗電極升降，以保持電弧長度的恆定。

（2）恆弧長自動控制式電弧爐，它是依靠電弧電壓的恆定來近似地控制電弧長度的恆定。

（3）熔滴脈衝自動控制式電弧爐，它是根據金屬熔滴形成及滴落過程中所產生的脈衝頻率以及脈衝持續時間與弧長之間的關係來自動控制電弧長度的恆定。

（1）周期性作業式電弧爐，即每熔煉一爐作為一個周期。

（2）連續性作業式電弧爐，這類電弧爐有兩種形式。一種是爐體旋轉式；另一種是兩台爐子共用一台直流電源，即當一台爐子熔煉結束之後，切換電源到另一台爐上立即開始下一爐的熔煉。

（1）固定式電弧爐。

（2）旋轉式電弧爐。

這種電弧爐用三相交流電為電源（見圖），一般用碳素電極或石墨電極。電弧發生在電極與被熔煉的爐料之間，爐料受電弧直接加熱。電弧長度靠電極升降調節。為提高熔煉質量，大型電弧爐在爐底裝有電磁攪拌器，驅使爐內熔螎金屬沿一定方向循環。50噸以上的電弧爐常裝有爐體迴轉機構，爐體能左右旋轉一定角度，使爐料受熱均勻，金屬液出爐時爐體可以傾斜。三相電弧爐廣泛用於鍊鋼。

這種電弧爐的電極就是被熔鍊鋼的原料。熔煉時，隨著鋼原料的不斷被熔化，電極不斷下降。熔化的鋼水滴入用水冷卻的紫銅筒形坩堝內，凝結成鋼錠。這種爐主要用於合金鋼的熔煉。用於熔煉鈦、鋯、鎢、鉬、鉭、鈮等活潑金屬和難熔金屬的自耗電弧爐，一般在真空下工作，因而稱為真空自耗電弧爐。

這類電弧爐用單相交流電供電。爐料在電弧間接加熱。單相電弧爐多用於銅和銅合金的熔煉。

爐子結構同鍊鋼電弧爐相似。工作時，電極下端埋在爐料內起弧，除電極與爐料間的電弧發出熱量外，電流通過爐料時爐料電阻也產生相當大的熱量。這類電弧爐主要用於礦石的冶鍊，因此又稱礦熱爐。(見彩圖)

電弧鍊鋼爐以電能為主要能源。電能通過石墨電極與爐料放電拉弧，產生高達2000 ~ 6000℃以上的高溫，以電弧輻射、溫度對流和熱傳導的方式將廢鋼原料熔化。在爐料熔化時的大部分時間裡，高溫熱源被爐料所包圍，高溫廢氣造成的熱損失相對較少，因此熱效率高於轉爐等其他鍊鋼設備。此外，電加熱容易精確地控制爐溫，可以根據工藝要求在氧化氣氛或還原氣氛、常壓或真空等任何條件下進行加熱操作。

電弧爐鍊鋼工藝流程短，設備簡單，操作方便，比較易於控制污染，建設投資少，佔地面積小，不需要像轉爐鍊鋼那樣必須依託於龐雜的煉鐵系統。

電弧爐鍊鋼對爐料的適應性強，它以廢鋼為主要原料，但同時也能使用鐵水（高爐或化鐵爐鐵水）、海綿鐵（DRI）或熱壓塊（HBI）、生鐵塊等固態和液態含鐵原料。

由於電弧爐鍊鋼爐內氣氛可控、爐渣調整或更換的操作比較易行，而且能夠在同一套操作系統之中來完成熔化、脫碳、脫磷、去氣、除夾雜，溫度控制、成分調整（合金化）等各階段的複雜工藝操作。電弧爐鍊鋼可以間斷性生產，在一定範圍內可以靈活地調換生產品種。此外，現代電弧爐還可以大量使用輔助能源，如噴吹重（輕）油、煤粉、天然氣 等。因此，電弧爐鍊鋼工藝適應性強，操作靈活，應用廣泛。

電弧爐不僅能夠冶鍊磷、硫、氧含量低的優質鋼，而且可以用多種元素來進行合金化（包括鉛、硼、釩、鈦和稀土等易被氧化的元素），來生產各種優質鋼和合金鋼，諸如滾珠軸承鋼、不銹耐酸鋼、工具鋼、電工用鋼、耐熱鋼、磁性材料以及特殊合金等。

雖然電弧爐鍊鋼有諸多優點，但是，由於我國目前廢鋼和電價成本的問題，電弧爐鍊鋼無法在普鋼和長線產品上和轉爐鍊鋼比拼。電弧爐鍊鋼僅在小批量、多品種、高合金比 的特殊鋼生產領域裡佔據主導地位。

目前國際上一些短流程的電爐生產企業，一般都是採用高輸出功率的電弧爐。並且，傳統的帶還原期的經典三期操作工藝已逐漸被爐外精鍊等組合工藝技術所取代，電弧爐及

其公輔設施裝備也更為完善與合理。世界上電爐鋼產量的比例在逐年上升。

我國是發展中國家，基本建設剛剛起步，大規模的廢鋼回收期還沒有到來，並且，我國的電力發展也不平衡，目前的電價還處於一個比較高的階段。因此，電弧爐鍊鋼在我國的發展速度受到了限制，沒有轉爐鍊鋼發展得快。雖然電爐鋼的總量也在增多，但是電爐鋼產量佔總鋼產量的比例卻逐年下降，這與世界電弧爐的發展趨勢相反。

隨著我國電力設施的發展和廢鋼資源的積累，以及國家對環境保護和礦產資源管理力度的強化，我國電弧爐鍊鋼的發展趨勢將會提升。屆時，我國的電弧爐鍊鋼技術將會得到更加全面的發展。

電弧鍊鋼爐的原料主要是固體的廢鋼並配加合金料、調整碳含量用的生鐵等，也可以使用直接還原鐵或配一部分熱鐵水，原料的選擇範圍廣闊；因此，除一些超低碳品種鋼，或者必須採用諸如真空處理等特殊手段的品種、特殊合金材料之外，大部分鋼種幾乎都可以冶鍊。