電爐煉鋼的功能在于將冷廢鋼加工成為成分和溫度合格的鋼水，其中包括了供能和冶金兩方面的操作，討論電爐煉鋼的能量問題，包括3個工程技術問題：
(1)增加能量供應，包括電能和其它管式爐物理熱和化學能，換取生產率的增加。電爐的公稱容量由20世紀50年代的3～5ｔ，增至120～150ｔ以上，增大了40～50倍；箱式爐主變壓器容量由2000ｋＶ·Ａ左右，增至90～100ＭＶ·Ａ，也增大了近50倍，單爐的生產率由每年產鋼數千噸增至每年產鋼100萬ｔ以上，增大了100倍以上，與之相應的能量供應也大大增加。
(2)增加輸入功率，包括電功率和單位時間內其它物理熱和化學熱的供應量，提高電爐煉鋼的生產速率，亦即縮短冶煉周期、提高生產節奏。20世紀50年代以來，箱式電爐煉鋼的冶煉周期由4ｈ降至1ｈ以內，生產速率提高了4倍以上，年出鋼爐次由不足2000次提高至10000次以上，增長5～6倍；
(3)提高能量的利用效率，按占用電網的容量來計算為單位主變壓器容量每年生產的合格鋼水量，即變壓器利用系數。每噸鋼水所具有的熱焓差異不大，電爐煉鋼的節能實際是提高單位能量實現物質轉換的效率。節電，實質上是提高單位電能生產的合格鋼水量。
電爐煉鋼與流程下游工序的匹配
電爐煉鋼在流程中的功能是：以一定的速率將原料加工成成分和溫度都合格的鋼液。就當前一般的工程技術水平而言，電爐煉鋼工序在流程中的主要特征有兩點：
(1)電爐煉鋼過程是間歇性操作，冶煉周期約為60ｍｉｎ，為保證連鑄工序實現多爐連澆，電能和化學能、物理能的輸入應與之匹配。進一步提高生產速率，冶煉周期有低于50ｍｉｎ甚至45ｍｉｎ的趨勢。然而冶煉周期的縮短使通電時間相應縮短、非通電時間所占比例增大，這對電源能力的利用是不合理的。按目前發展的趨勢，可以看見將余熱充分利用和實現連續煉鋼的苗頭。在當前，每座電爐每年出鋼次數應為7000～10000次，即單位爐容的利用系數或年生產速率為(0.7～1.0)萬ｔ/(ｔ·ａ)；
(2)電爐煉鋼提供的合格鋼水是保證下游各工序高效、流暢運行的物質基礎，電爐煉鋼的生產率應與熱軋生產率相匹配。在60～70年代，長型材的熱連軋機組的生產率約為30萬ｔ/ａ，若電爐煉鋼的年生產速率為0.5萬ｔ/(ｔ·ａ)，相應的電爐容量為60ｔ。當前長型材熱連軋機組的生產率已提高至(70～80)萬ｔ/ａ，相應的電爐容量應為70～100ｔ。單流的薄板坯連鑄連軋流程生產率為(100～120)萬ｔ/ａ，煉鋼電爐的容量可取120～150ｔ。
熱連軋生產率達到200萬ｔ/ａ以上，煉鋼電爐容量將超過200ｔ，由于電爐變壓器、石墨電極等技術條件所限，已不合理，故熱軋寬帶企業不宜配用電爐煉鋼(此外還應考慮廢鋼原料中金屬殘余元素對板帶材質量的不利影響)。
電爐煉鋼與流程上游工序的匹配
(1)如前所述，傳統的電爐煉鋼使用廢鋼為主要原料，配入10%～15%的生鐵塊以保證一定的配碳量。一般說來，常溫(25℃)的廢鋼原料所具有的物理熱很少。在吹氧助熔的條件下，冷爐料產生的化學熱量也不多，冶煉過程需要外界大量的熱能。根據我國近年來各種統計數據，電爐煉鋼工序(包括精煉、連鑄及車間輔助項目)能耗為250～300ｋｇ，略高于國際鋼鐵協會ＩＩＳＩ的結果。
(2)使用不同比例的熱鐵水作為原料，電爐煉鋼工序取得了明顯的效益，其主要原因是熱鐵水是具有很高的物理熱和化學熱的載能體，且成本較低。將電爐煉鋼置于流程之中，不難看出熱鐵水所攜帶的物理熱和化學熱來自于前道高爐煉鐵工序。根據一些企業300～380ｍ3高爐的實際數據計算，生產1ｔ熱鐵水，高爐煉鐵工序的能耗是377ｋｇ，折合3080ｋＷ·ｈ/ｔ。考慮燒結、球團和焦化等工序，折合到每噸熱鐵水的能耗是500～550ｋｇ/ｔ，即4084～4493ｋＷ·ｈ/ｔ，而熱裝鐵水帶到電爐煉鋼過程中的物理熱和化學能共計只有600～650ｋＷ·ｈ/ｔ。
(3)目前國內電爐配加熱鐵水的比例為25%～30%。按年產100萬ｔ鋼計，需鐵水30～35萬ｔ/ａ。取高爐利用系數為3ｔ/(ｍ3·ｄ)，所配高爐容積為300～350ｍ3。
(4)直接還原鐵的使用。使用直接還原鐵為電爐煉鋼提供純凈鐵源是近年來國際上重要的發展方向。世界范圍內各種直接還原鐵的產量自1990年以來已增加了1倍多，近年來產量已超過4000萬ｔ/ａ，與電爐鋼產量之比大約為15%，已成為電爐煉鋼重要的鐵源。
直接還原鐵的生產技術進步很快，特別是ｗ(Ｃ)接近2%的熱壓塊(ＨＢＩ)，為電爐煉鋼提供了高密度、高化學能的純凈鐵源。在世界范圍內直接還原鐵的生產技術以氣基法為主流，氣基法在直還鐵生產量中占了90%。然而，我國天然氣缺乏，優質鐵礦較少，資源限制了直接還原鐵生產技術的發展。當前，國內最大的直接還原鐵生產廠屬天津鋼管有限公司，每噸直接還原鐵的能耗約為900～1000ｋｇ。
我國大電爐煉鋼流程的生產實績
本文選用4家不同工況的電爐的煉鋼生產實績來說明我國電爐煉鋼的能量狀況。
1 基本情況，見表1。
表1 基本情況
廠家
天津鋼管公司
安陽鋼鐵公司
韶關鋼鐵公司
興澄鋼鐵公司
爐型
普通
Ｆｕｃｈｓ
Ｃｏｎｓｔｅｅｌ
直流電弧爐
爐容/ｔ
150
100
90
100
主變壓器/主變壓器/(ＭＶ·Ａ)
90
72
60
90
主要鋼類
合金鋼
優鋼
優鋼
合金鋼
變壓器功率級別/(ＭＶ·Ａ·ｔ-1)
0.60
0.72
0.67
0.90
2 主要工況，見表2。
表2 各廠原料結構和有關指標(2003—2004年)
項目
天管
安陽
韶關
興澄
原料結構
廢鋼/%
47.84
71.98
70.07
53.97
熱鐵水/%
14.17
21.95
23.35
42.96
冷生鐵/%
13.48
6.06
6.57
3.06
直還鐵/%
24.51
0
0
0
指標
冶煉爐數/(爐·月-1)
608
798
633
711
成坯量/(104ｔ·ａ-1)
99.55
103.42
75.08
87.11
單爐成坯量/(ｔ·爐-1)
142.29
108.31
98.43
101.96
冶煉周期/ｍｉｎ
61.41
44.43
51.47
49.25
氧氣消耗/(ｍ3·ｔ-1)
44.99
47.62
27.72
64.92
電能消耗/(ｋＷ·ｈ·ｔ-1)
379.39
261.22
307.48
193.27
爐容利用系數/(ｔ·ｔ-1·ａ-1)
7299
9.580
7604
8531
變壓器利用系數/ (104ｔ·(ＭＶ·Ａ)-1·ａ-1)
1.1611
1.4364
1.2514
0.9679
3 基本的評價
3 基本的評價
1)天津鋼管公司、安陽鋼鐵公司的電爐兩年的年平均產鋼量達到100萬ｔ，韶關鋼鐵公司和興澄特鋼的單臺的電爐年平均產鋼量也達到了75～87萬ｔ/ａ。表明我國大型電爐煉鋼的生產率已接近國際先進水平，我國電爐煉鋼流程實現單通道的高效化生產已具備了基本的工程技術基礎。
2)4家電爐煉鋼的生產速率亦即平均年出鋼爐次達到了7000～9500次，分別按年日歷作業時間365×24=8760ｈ和年額定工作時間7000ｈ計算，兩年平均冶煉周期如表3所列。對于大型電爐煉鋼的平均生產節奏如此之快是難能可貴的，已居國際先進水平。說明我國大型電爐煉鋼生產技術水平、管理水平和流程的通暢都達到了很高的水平。
3)3座交流電弧爐的單位變壓器容量的年利用系數(表4)達到11000～14000ｔ/(ＭＶ·Ａ·ａ)，已居國際領先水平(直流爐變壓器容量較大，不可比)。該指標描述的是單位供電容量一年所生產的合格鋼坯(水)量，表述了用能量換取產量的效率，由于各廠使用的原料結構不同，這項指標尚缺乏可比性。
表3 4家電爐煉鋼的平均冶煉周期
項目
天管
安陽
韶關
興澄
爐容利用系數/(ｔ·ｔ-1·ａ-1)
7279
9580
9603
8531
年作業時間/ｈ
8760
8760
8760
7003
表現平均冶煉周期/ｍｉｎ
72.20
54.90
49.10
49.25
額定年作業時間/ｈ
7000
7000
7000
7000
額定平均冶煉周期/ｍｉｎ
57.70
43.80
55.20
49.08
表4 折算后的各項指標
項目
天管
安陽
韶關
興澄
變壓器容量/(ＭＶ·Ａ)
90
72
60
90
公稱功率級別/(ｋＶ·Ａ·ｔ-1)
600
720
667
900
熱鐵水量/%
14.17
21.93
23.35
42.96
折算后功率級別/(ＭＶ·Ａ·ｔ-1)
699.0
922.0
870.0
1577.8
利用系數/(ｔ·(ＭＶ·Ａ)-1·ａ-1)
11611
14364
12514
9679
折算后利用系數/(ｔ·(ＭＶ·Ａ)-1·ａ-1)
9965.0
11211.0
9592.0
5520.9
考慮到熱鐵水帶入的熱能較多，折算結果一并列于表5。折算的利用系數數值雖然有所降低，但仍能在10000ｔ/(ＭＶ·Ａ·ａ)左右，表明我國大電爐煉鋼的能量利用水平也已達到國際先進水平。
4)4座電爐煉鋼冶煉電能消耗見表5，為193～379ｋＷ·ｈ/ｔ，直觀上可以認為已達到國際領先水平。
由于所用原料結構不同，為此，利用本文第3部分中的數據進行修正，折算后的結果也列于表5?？梢钥闯?，折算后每噸鋼坯的冶煉電耗約為370～430ｋＷ·ｈ/ｔ，與國際先進水平相當。其中安陽鋼鐵公司的冶煉電耗較低，可能是利用廢熱預熱技術得到有效的發揮。
表5 修正后的電能消耗}
項目
天管
安陽
韶關
興澄
實際電耗/(ｋＷ·ｈ·ｔ-1)
379.39
261.22
307.48
193.27
熱鐵水量/%
14.17
21.95
23.35
42.96
冷生鐵量/%
13.48
6.06
6.57
3.06
直還鐵量/%
24.51
0
0
0
折算后電耗/(ｋＷ·ｈ·ｔ-1)''?
430.94
370.76
424.15
397.25
4 電耗與熱鐵水配比的關系
4座電爐共95個月的冶煉電耗與熱鐵水配比數據的統計檢驗表明，其線性相關的信度水準非常高。線性回歸式為：
ＳＥＣ=417.5-5.17ｗ(Ｆｅ)
該式表明爐料中熱鐵水配比增加1%，相應的噸坯電耗減少5.17ｋＷ·ｈ，這一結果與前文中的理論分析，大致可相互印證。
考慮到爐料結構的影響，采用折算電耗，其相關性的信度水準很差，這表明：熱鐵水配比增加，能量利用沒有改善。
電耗與利用系數之間的關系
國內4家不同工況的大型電爐近兩年24個月的煉鋼實績來看，我國已具備發展現代電爐煉鋼流程的基本條件，電爐煉鋼的操作水平和綜合管理水平已居世界一流，我國大型電爐煉鋼電能消耗已達到國際先進水平。
冶煉電耗與爐容利用系數及變壓器利用系數統計檢驗表明出線性相關的顯著性的信度水準都非常高，這表明冶煉速率的提高、生產節奏的加快，有利于電耗降低。
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