日本开发出环保型高效电弧炉－－ECOARC

1 前言

炼钢用电弧炉是钢铁循环再利用的主要设备，它利用电弧加热将废钢(铁屑)熔化后再制成钢材提供给社会。

另一方面，炼钢用电弧炉也是一种对环境会造成很大负荷的设备，如熔化废钢要消耗大量的电力，而且会产生废气、噪音、粉尘、闪烁和高次谐波等。

例如，普通电弧炉生产lt的钢水需耗电350~400kWh，一座年产50万t钢水的电弧炉，年耗电量约180000~200000MWh，这相当于约5万户普通家庭的耗电量。

另外，近年来，随着人们环保意识的不断提高，除尘装置出口的白烟、恶臭、DXN(二恶英)类污染物已成为一个问题，尤其是对于DXN类污染物，要求新建电弧炉排放废气中的DXN类污染物必须在0.5ngTEQ/m3N以下，粉尘中的DXN类污染物必须在3.OngTEQ/g以下。

为解决以往电弧炉这种高能耗、高环境负荷的问题，日本开发了环保型高效电弧炉——ECOARC，目前1号机正在顺利生产当中。本文就ECOARC的特征及其与以往电弧炉的比较进行了介绍。

2 以往的电弧炉

以往的电弧炉生产时先是把炉体上部的炉盖旋转开，分2~3次将废钢装入炉内。在使用三相交流电弧炉的情况下，以废钢(钢水)为介质在3根石墨电极之间产生电弧，利用产生的电弧热熔化废钢。

当电弧飞到装入的废钢时，废钢开始熔化，废钢熔化后在炉内会形成空间，此时可以继续追加装入废钢。在此期间由于电弧一般是在空气中直接飞到废钢，因此负荷变化大，会产生雷鸣般的声音、噪音大。

在装完规定的出钢分量所需的废钢后，一旦废钢完全熔化，就要进行钢水成分调整，并将钢水温度提高到规定的温度。在此期间由于电弧会通过炉渣飞到钢水，因此负荷变化减小、噪音也减小。当钢水温度达到规定的温度时，将炉体向前倾斜，由炉体前部的出钢口进行出钢。

在电弧炉中不仅能进行电弧加热，而目.通过吹氧和加入焦炭能促进废钢的熔化，燃烧后的高温CO或CO₂、会排出炉外。根据不同的熔化期，有时这些气体温度会高达1200℃。

废气由安装在炉盖中的废气槽排出，此时由于周围空气的一同吸入，会使CO产生二次燃烧，然后再通过冷却室和水冷槽冷却后被导入除尘装置。也就是说，结果废气的高温热能没被直接使用就浪费掉了。

为利用废气的热能预热废钢，开发了各种利用热回收预热废钢的装置。但是，与回收效果相比，不仅维修费增加了，而且由于废钢中含有的油分、塑料和橡胶等杂质的不完全燃烧会出现白烟和恶臭等问题，加之近年来对环保意识的提高，因此目前已几乎不使用这些利用热回收预热废钢的装置。

3 ECOARC的开发

为适应节能和社会对环保的要求，日本从1997年开始进行以电力单耗在200kWh/t以下(约为以往电弧炉的50%)为目标的新一代环保型高效电弧炉的开发。通过5t试验炉的试验，突破了以往对电弧炉的固有观念，根据新的设想，开发了ECOARC(Ecological and Economical Arc Furnace)，并成功地进行了商业化生产。

ECOARC由熔化废钢的熔化室和与熔化室直接连接在一起的预热竖炉构成。尤其是，在其后段设有用于对废气中的DXN类污染物、白烟和恶臭进行热分解的燃烧室和用于防止热分解后DXN类污染物再合成的水直接喷雾式冷却室。由于熔化室和预热竖炉直接连接在一起可一起倾动，因此不会有空气从其结合部侵入竖炉。

燃烧室能满足DXN类污染物充分热分解所需的温度和滞留时间；水直接喷雾式急冷室能将废气温度充分降低，以防止DXN类污染物的再合成。从炉子排出的废气经燃烧室、水直接喷雾式急冷室和除尘装置后被排放到大气中。

除初次废钢熔化时外，熔化与精炼期的平缓负荷脉冲操作相同(电弧在石墨电极和钢水之间稳定跃变状态)，在预热竖炉内的废钢保持着与钢水接触的正常状态。当废钢在熔化室内进行熔化时，竖炉内的废钢层面会下降。如果废钢层面下降了，通过检测其层面的下降量后可以投入废钢，以使竖炉内的废钢层面保持一定。在冶炼完一炉以上的钢水后，可以在废钢连续存在于熔化室和预热竖炉的状态下将炉子向出钢口侧倾动，转为升温期。

在升温初期，能在抑制预热竖炉内钢水偏析的状态下将钢水温度充分升温至出钢所需的温度。升温后能流出一炉钢水的分量，并留下供下一炉采用平缓负荷脉冲熔化的基本钢水。

4 ECOARC的特征

如前项说明的那样，采用ECOARC时熔化室和预热竖炉是直接连接在一起的，它能在保持熔化室和预热竖炉有废钢连续存在的状态下进行熔化，因此它有如下特征。

4.1 节能

在熔化室内由于吹入的氧及加入焦炭产生的CO和二次燃烧空气反应后所得的高CO和CO₂气体会直接与竖炉下方熔化室内的废钢直接接触进行热交换，因此热效率极高。

根据计算，在竖炉高度6.7m、吹氧量33m3N/t、废气的氧化度(CO₂/(CO CO₂))为0.7的条件下，预热温度可达850℃，电力单耗为210kWh/t。如果采用其他预热方式，由于用废气预热的废钢远离熔化室，因此废气在到达废钢之前，炉体就发生了散热损失，结果预热温度会变低，得不到预想的预热效果。

4.2 DXN类污染物、白烟和恶臭的预防措施在以往炉子中作为预防DXN类污染物的措施是，在废气通道中设置燃烧器，通过燃烧提高废气温度对废气进行分解，但由于设备运转费(燃料费)增加，因而造成成本大幅度增加。

采用ECOARC时，可以将废气在炉内的氧化度保持在0.6~0.7左右，在后段设置的燃烧室内未燃的CO和空气混合后进行燃烧，可将废气温度提高到900℃以上，从而可分解白烟、恶臭和DXN类污染物。

采用ECOARC时，由于它是一种准密闭炉，因此可以抑制空气侵入熔化室和竖炉，所产生的废气量非常低，是相同生产率的普通电弧炉的60%以下。由于使未燃的CO发生燃烧，因此提高了废气温度。

4.3 提高生产率

由于大幅度降低了电力单耗，因此在新建电弧炉的情况下，ECOARC的电源设备只要和同规模的以往电弧炉的大约50%~60%的容量就可以了。将现有的电弧炉改造为ECOARC时，在直接使用原有的电源设备的情况下，生产率可提高50%以上。因此，它可以提高廉价夜间电力的利用率。

4.4 改善作业环境

ECOARC操作是一种使用具有充分炉渣的平缓负荷脉冲操作。因此没有电弧飞到废钢时所产生的雷鸣般的声音，与同规模的以往电弧炉相比，噪音大幅度减小。另外，它不会像以往电弧炉那样每次装入废钢时要旋转炉盖，因此没有旋转炉盖时所产生的烟尘，炉前环境比以往电弧炉的干净。

4.5 电源质量

ECOARC不会像以往电弧炉那样当电弧飞到废钢时而产生大的电力负荷变化，即使在投入电力的情况下，也能稳定保持高的功率因素，减少闪烁和高次谐波。即使在大幅度减少电源设备(闪烁补偿装置、高次谐波过滤器)的情况下，也能改善通常所需的电源质量，根据条件不同，有时甚至可以不需要这些电源设备。

4.6 减少粉尘发生量

在竖炉内废钢层具有吸着他除去粉尘的作用，加之ECOARC是准密闭炉，因此废气量少，结果竖炉内的气体流速小，有望减少粉尘的发生量，并将粉尘的发生量抑制在以往电弧炉的50%左右。因此粉尘处理费少，有助于降低生产成本。

以上所述的ECOARC与以往电弧炉的比较示于表1。

表1 以往电弧炉和ECOARC的比较