1.1 概论

电炉除了进行废钢熔炼之外，还进行脱碳、脱磷、脱氢的氧化精炼和还原精炼。之后随着技术进步，通过二次精炼法等工艺的开发，进行了以提高生产率和质量为目的的功能分离，采取了缩短非通电时间（废钢装入、出钢和修补等）和通电时间（废钢熔炼、升温）的措施。

另一方面，在提高能源效率上，通过造渣操作等提高电弧辐射热的着热效率的同时，为了在顶装式、连续熔炼式的电炉中，加快推进电炉废气余热回收技术，改良电炉形式的提案被推进了。

1.2 电炉技术开发时间序列的变化

为了电炉的功能分离和提高能源效率，电炉设备继续进行各种改良。表1是1980年以后日本提议或引进的电炉形式。用料篮将废钢约1-3次装入电炉的顶装式、将废钢连续装入电炉的连续熔炼式都积极地进行改进或引进新功能、新形式的电炉。将大容量变压器+相干燃烧器（coherent burner）组合的电炉在各设备厂商配套化后，顶装式电炉的开发基本上稳定。近年积极进行为减排CO2和降低能源单耗的连续熔炼式电炉的改进和开发。在日本，2001年连续装入式竖炉的ECOARC开始运转，2013年大同特殊钢的炉体旋转式顶装电炉的STARQ一号机开始运行，顶装式和连续熔炼式都开发了新形式的电炉。

在电炉提高生产率的基础上，随着高效率投入大电力措施的开发，必须最小限度地抑制对上流电路的恶劣影响。本章介绍对提高电炉生产力作出贡献的电力相关设备。

2.1 闪变抑制装置

闪变是1min以内或1s间数次周期性电压变动，日本用△V10的指标评价。电炉电弧不稳定时，成为暂时性的过负荷状态，大电流流过，电压下降，发生闪变。这种倾向由于电炉的高电力作业会更大，不可忽视。

对此，使与闪变的发生源相反的进相、滞相电力在有效时间发生，使用抵销闪变的闪变抑制装置（SVC：Static Var Compensator），如图1所示，由反相器、控制盘、冷却装置和变压器构成。设备被单元化，如厂房有空间，追加设置比较容易。通过引入SVC，可以消除电炉导致电源失真等严重现象，从而消除凹凸不平等的失真。

2.2 直流电炉

对于闪变，另一个解决方法是1980年代出现的直流电炉。进入1990年代，直流电炉反相功率不太大，适合易引起闪变的日本电力情况，建设了许多大型直流电炉。

设备方面，除了附加了直流变换装置和炉底电极之外，与交流没有太大差别。另一方面，在电气上，交流炉使用三相交流，3根可动电极和中性点构成在废钢或钢水间发生电弧；而直流电炉使用由三相交流变换的直流，阳极侧炉底电极和阴极侧上部可动电极之间，介于废钢或钢水发生电弧的不同。

直流电炉的各单耗与交流电炉比较，发现主要是电力、电极和耐火材料单耗改善。这是因为不发生热点和冷点，使废钢均匀熔化成为可能，可以减少电极根数等。进而，闪变减轻了，所以可以设置更大容量的变压器，因此也有提高生产率的效果。表2是直流电炉和交流电炉的技术比较结果。

2.3 高阻抗炉和串联扼流圈

直流电炉普及后，在交流电炉中，以改善高电力作业时的电极单耗为目的，开发了高阻抗炉和串联扼流圈，这使得采用变更符合炉况的阻抗、投入电力的最佳化和高电压、低电流作业的实施成为可能。即，废钢熔化期在炉用变压器的一次侧插入串联扼流圈，用高电压、低电流投入电力。由于使用串联扼流圈，高电压作业下的电弧稳定和降低闪变成为可能。另一方面，扁平式熔炼期，减少串联扼流圈或使之为零，进行相对的短弧、大电流作业。通过这种作业，特别是通过主熔化期的低电流化，电极尖端消耗减少，电极单耗可以接近直流炉。这样，可以实现生产率提高。

关于吨炉容的变压器容量，最新报告称，超过1MVA/t电炉的建设较多，消除与直流电炉的差异。

3.1 炉内耐火材料维修

在日本，电炉内耐火材料一般是利用平时的停炉时间等，采用以不定形耐火材料为主进行修补的方法。但在海外正在广泛普及更换炉体式的电炉。具体的是，将电炉设为使用耐火材料的下部壳体和由水冷板构成的上部壳体两个分割的结构，下部壳体连耐火材料一起更换的方式。这样几乎不用进行耐火材料修补，持续作业2周左右，用4-8h更换壳体，离线进行定形耐火材料的修补。

在日本不采用这种方法的理由是，由于日本电力价格，电炉运转率低，实施炉体更换时，除了起重机和厂房的原始成本上升外，传统上与定形耐火材料相比，不定形耐火材料的价格便宜，这是其主要原因。

但是，由于电力的昼夜价格差缩小，不定形耐火材料的价格上升等，炉体更换式缺点变得小了。采用不定形耐火材料维修法，因为对作业人员存在负荷等方面的问题，所以今后在日本普及炉体更换式的电炉的可能性还需充分考虑。

3.2 日本电力的变化

日本的电力价格导致昼夜使用电力量差别增大，建设核能等24h运转的发电站，目的是促进夜间剩余电力的使用，低价设定了夜间电力。在日本，以平日夜间和休息日为主体工作形态的电炉厂商增加了。但是，由于2011年的东日本大地震，日本的核发电运转率显著降低。另一方面，以太阳能为代表的新能源和输出调整，使可能的火力发电比例增加，所以目前夜间电力不存在低价的理由，今后日本夜间的电力单价上升的可能性高。进而，也有改善员工作与生活平衡、改革工作方式的想法。近年在实施和讨论对运转方式重新评估的电炉厂商增加，几乎可以确定，今后这一趋势还会进一步加快。

可再生能源的急剧增大，加大了电力供给量变动的风险。需求量和供给量不一致时，电压和频率等电气质量降低，最坏的情况是发生大规模的停电。作为防止这一情况发生的措施之一是引入需求响应（DR）。为了“需求量配合供给量”，供给侧根据电力状况，向需求者侧募集合作，用户侧通过变化使用电力量，使需求量与供给量一致。在需求量多的白昼的时间段，存在电的需求量降低的“降低DR”、需求量上升的“上升DR”。作为单一设备，电的使用量大的电炉对DR的对应力高，所以各电炉厂商正在采取措施。

3.3 减排二氧化碳的应对措施

从平成后半期到进入令和（2019年），强烈呼吁有必要采取措施削减CO₂排放量。电炉炼钢法是比高炉-转炉炼钢法CO₂排放量少的炼钢法，但现在要求进一步削减CO₂排放量。

加速采用废钢预热式电炉等热效率高的电炉，同时，采取余热回收等进一步提高能源利用效率的措施。通过在直引集尘线实施高压水和排气的热交换，先作为蒸汽回收热能，然后将回收的蒸汽直接被脱气设备等利用，用ORC发电机获得电力实现能量的利用。

此外，目前积极运用的富氧和氧化反应热以降低电力单耗对策中，关于依赖煤炭（无烟煤）等[C]的操作技术，应重新认识。表3是Top-charge炉的CO₂排放量的构成比例。电气的CO₂排放单耗大幅度降低的情况下，通过增加电力在输入热量中的比例，推测会出现定向CO₂削减的电炉厂商。另一方面，为了实现碳中和，造渣目的的碳材等、在现代电炉作业中必不可少的CO₂发生源都需要降低和开发替代技术。

电炉厂商为了应对用户侧的各种需求，持续的技术开发和用户侧的熟练使用，在平成年间取得了很大进步，新形式的电炉被开发和引进。由此，日本积极地更新和新建电炉。

近年，除了成本降低和生产率提高的要求之外，为应对减排CO₂、碳中和，对电炉提出了新的要求，所有的高炉、电炉厂商发表了积极引进电炉的计划。

在令和年间，确实是电炉活跃、市场进一步扩大的转换期，通过减排CO₂和设备操作两方面的技术开发进展，期待开发出对钢铁业的碳中和作出贡献的设备。