電弧爐煉鋼工藝裝備和技術發(fā)展的思考

電弧爐煉鋼工藝裝備和技術發(fā)展的思考

1基本情況1.1并以鋼為原料生產的鋼鐵制品1850年，現(xiàn)代工業(yè)化建模方法出現(xiàn)。這是一種以熱水為原料的酸性轉爐和堿性轉爐的制備方法。隨后的平爐精煉法能夠吸收大量報廢的鋼鐵素。1900年前后,電弧爐煉鋼方法問世,主要以廢鋼鐵為原料,生產特殊鋼。其實,在此之前,以各種直接還原方法制取鋼鐵制品已有數(shù)千年的歷史?，F(xiàn)代工業(yè)化煉鋼方法以高的生產率、優(yōu)良的質量和低廉的成本,幫助鋼鐵產品成為社會最廣泛使用的金屬材料。前期平爐煉鋼方法居統(tǒng)治地位,后60年為氧氣轉爐煉鋼方法居主導地位。2000年前后,大致形成了氧氣轉爐鋼和電爐鋼年產量各占2/3和1/3的局面。全世界粗鋼產量的增長情況列于表1和圖1,可以看出鋼鐵生產經歷了初期、平爐主導期、轉爐主導期、電弧爐取代平爐時期、新世紀電弧爐及轉爐高速發(fā)展5個階段,特別是2000年以來,世界鋼產量以每年7020萬t的增量高速增長。1.2中國電弧鋼發(fā)展情況考察近20年來最重要的幾項變革性技術,如薄板坯連鑄連軋技術、熔融還原煉鐵技術以及己處于大規(guī)模工業(yè)應用前景的薄帶連鑄技術,可以發(fā)現(xiàn),緊湊化或短流程化是鋼鐵制造流程進化的主要趨勢。緊湊化或短流程化常常會和電弧爐煉鋼聯(lián)系在一起。地區(qū)發(fā)達程度、文明程度、資源消耗和資源再生循環(huán)利用等決定了電弧爐流程長期存在的合理性,同時也為其發(fā)展創(chuàng)新提供了廣闊的空間。礦石/高爐煉鐵/氧氣轉爐煉鋼和廢鋼/電弧爐煉鋼制鋼方法的比例大致已形成定局。自1930年至今的80年間,全球每年生產的生鐵與粗鋼產量之比始終維持在0.7左右,無論是粗鋼總產量大幅度的增長,或是平爐煉鋼法的消亡,還是氧氣轉爐煉鋼方法的崛起,都未能使鐵鋼比這一結構參數(shù)發(fā)生明顯的變化,如圖2所示。中國電爐鋼發(fā)展情況見表2和圖3。進入21世紀以來,中國粗鋼產量的高速增長也未能引起全球鐵鋼比產生重大變化。特別要指出的是,占全球首位的中國,鐵鋼比一直居高不下,而除中國以外全球的鐵鋼比僅有0.6左右,且有進一步下降的趨勢。廢鋼/電弧爐煉鋼流程的優(yōu)點不僅僅是建設投資低、占地面積小、達產快、資源和環(huán)境負荷低,更重要的是其制造每噸粗鋼的能耗和二氧化碳排放分別為250kg標煤和600kg左右,而礦石/高爐煉鐵/氧氣轉爐煉鋼相應的分別是750kg標煤和2000kg,由圖4不難看出,若將中國電爐鋼比和鐵鋼比提高至全球平均水平的30%和0.7,則每噸鋼的能耗和溫室氣體排放可分別改善噸鋼100kg標煤和噸鋼200kg二氧化碳,考慮到未來可能征收的能源稅和溫室氣體排放稅,以及能源、環(huán)保準入制度,這一結構參數(shù)的技術經濟含義將有更長遠的影響。1.3廢鋼資源回收利用困難1)廢鋼資源緊缺。近10余年來中國鋼產量高居世界之首位,然而由于總的廢鋼積累量不足,廢鋼資源緊缺,廢鋼價格較高制約了電爐鋼比的提高。這種狀況還將持續(xù)一段相當長的時間,原因是:①中國是發(fā)展中國家,大量鋼材用于建筑回收周期長,廢鋼生成量較小;②鋼鐵生產總量增長迅速,其中轉爐煉鋼消耗掉大量的廢鋼,中國轉爐產鋼量特別大,所消耗的廢鋼量也相當大;③非理性消耗,中國還未形成先進合理的廢鋼回收、分類、管理機制,也影響了廢鋼資源的有效回收。電弧爐煉鋼處于“巧婦難為無米為炊”的困境。2)電力緊張,發(fā)電能源結構不合理。電弧爐是用電大戶,雖然近年來中國電力裝機容量迅速增長,但國民經濟其他部門和人民生活質量迅速提高,對電量的需求也快速增長,特別是中國發(fā)電技術構成不合理,火力發(fā)電所占比例很大,水力、風能、核能、光伏等清潔能源發(fā)電比例很低,對石化能源依賴度很高。3)電弧爐煉鋼企業(yè)年生產規(guī)模較小,規(guī)模效益競爭力較差。2電弧式砌塊法的發(fā)展提高電弧爐煉鋼的生產率、生產速率和能量利用效率是近60年來技術發(fā)展的主流方向,有以下幾點。1電弧爐供電和電氣運行方式的改變20世紀60年代,美國聯(lián)合碳化物公司提出了超高功率電弧爐(UHP-EAF)的概念,超高功率電弧爐煉鋼理念主導了近60年電弧爐煉鋼生產技術的發(fā)展,其中心思想是最大的發(fā)揮主變壓器能力,包括以下2個方面:①提高每噸鋼配置的主變壓器容量,即將功率級別由200～300kV·A/t提高至500～600kV·A/t,70年代以后,又提高至800～1000kV·A/t。②極大地提高最大功率供電時間的比例。大型超高功率電弧爐主變壓器容量很大,達到60～120MV·A,為了提高爐子的工作效率、為使電極電流保持在5萬～6萬A的合理范圍以內,電弧爐的供電和電氣運行方式需發(fā)生改變,其技術是:高功率因數(shù)、高電壓、合理電流操作,如圖5和圖6所示。大型超高功率電弧爐的操作區(qū)間的功率因數(shù)接近于0.866,如圖6的陰影區(qū)域所示,工作電流低于短路電流的二分之一,在該工況下,由于諧波的影響,冶煉過程的操作電抗不同于電路的短路電抗,操作電抗的非線性是大型電弧爐煉鋼過程最重要的技術特征。近20年來,中國對不同容量的電爐的電氣運行技術進行了系統(tǒng)的研究,掌握了自行開發(fā)合理運行技術的經驗:非線性電抗模型研究和許用工作點開發(fā)。2氧-燃輔助能源電弧爐冶煉速率和噸鋼電耗在很大程度上取決于廢鋼熔化的快慢。電弧爐煉鋼在鋼鐵料熔化過程中的熱工特點使爐內存在3個冷區(qū)。80年代,歐洲有50%的電弧爐、日本有80%的電弧爐采用氧-燃助熔輔助煉鋼。90年代,新投產的大型電弧爐幾乎100%采用了氧-燃輔助能源技術,使用的燃料一般是天然氣和輕柴油。國內80年代開發(fā)了氧-煤助熔技術,由于煤發(fā)熱值較低,發(fā)展使用油或燃氣作為助熔燃料。單支氧-燃燒嘴的功率達到2～3MW,氧-燃輔助能源所供應的能量占電弧爐煉鋼總供應能量的30%～40%。電弧爐煉鋼過程中還氧化脫除多余的C、Si、Mn、P等雜質元素,生產經驗表明,每吹入1m3的氧氣,可替代約為4kW·h的電能。隨著電弧爐公稱容量大型化的發(fā)展,生產高效化、冶煉時間縮短,大量噴入燃料、碳素、配加鐵水,電弧爐冶煉所需的氧量大幅度提高,見表3。國內外各家開發(fā)了大型集束射流氧槍技術,單支氧槍的氧氣額定供氧流量超過了3500m3/h。30年中國鋼鐵產量和廢鋼供應情況電弧爐煉鋼所用鐵源主要是廢鋼和冷生鐵約為85∶15,國際不少國家大量使用直接還原鐵(DRI),中國近年來則樂于配加熱鐵水。在近期一段時間內,電弧爐煉鋼的原料結構仍將保持多元化。按國內廢鋼資源積累量(圖7)的增加和電弧爐煉鋼生產能力的增長,中國電爐鋼的年產量和電爐鋼比都將有所增長,樂觀的估計到2020年以后,將有大的增長。首先,新中國成立以來,1949年至1999年的50年間,中國鋼鐵產量總計約為30億t;而2000年至2009年的10年間,總產鋼量也為30億t;按年產鋼5億t計,2010年至2019年的總產鋼量約為50億t。亦即到2020年,中國廢鋼的總表觀儲量將超過100億t,廢鋼儲量和電爐鋼年產量之比將超過100∶1,廢鋼供應將大大緩解,電弧爐煉鋼仍將回歸以冷爐料為主的工藝狀況。其次,電弧爐煉鋼使用熱鐵水是中國特定情況下的資源利用。對于電弧爐煉鋼而言,熱鐵水提供了大量的物理熱和化學熱,減少了裝料次數(shù),改善了電弧燃燒條件,特別是避免了使用社會廢鋼中殘余金屬雜質帶來的污染,是電弧爐煉鋼高效、節(jié)能的首選條件。然而使用熱鐵水,增加了總能耗,加大了溫室氣體排放,使流程變長。第三,各種非高爐、非焦煉鐵技術在不斷進步,當前中國已進入第3個大力發(fā)展直還鐵階段。開發(fā)直接還原鐵技術的特點更為理性化,各種煤基方法得到廣泛的關注,期望在生產技術方面能有所突破。4減少非通氣時間比例減少供電功率低、占時長的還原期時間,始終是電弧爐煉鋼工作者的努力方向。80年代以后,由于二次精煉技術的發(fā)展和普及,首先的受益者就是電弧爐煉鋼過程,其后底出鋼技術使非通電時間所占比例大大減少。減少非通電時間比例方面主要有3點進步:①裝備大型化、機械化和自動化水平提高;②爐料結構改善、裝料次數(shù)由3次減至2次或1次;③管理水平提高,實現(xiàn)冶煉—精煉—連鑄全流程匹配順行。中國許多100t左右的電弧爐冶煉周期已降至40min,如南京鋼鐵集團電爐廠的100t電弧爐,全年出鋼次數(shù)超過了10000次。5廢鋼預熱技術電弧爐煉鋼過程中真正的節(jié)能措施是電弧爐爐氣帶走的能量回收利用技術。電弧爐煉鋼總能量中有10%～20%的能量隨煙氣而排放,利用這部分能量來預熱廢鋼,可達到提高電弧爐煉鋼節(jié)能、降耗、提高生產效率的目的。目前,各種廢鋼預熱技術應用中,主要有3種:Fuchs豎爐-電弧爐;Consteel電弧爐;ECOARC電弧爐。6電弧爐鋼板的高效化技術在現(xiàn)代鋼鐵生產流程中,燒結、高爐煉鐵以及后步的連鑄、連軋基本上都實現(xiàn)了半連續(xù)或連續(xù)化生產,而煉鋼過程仍然是至今流程中唯一間歇式操作的環(huán)節(jié),鋼鐵生產的高效化進程,將促進連續(xù)化生產技術的誕生。例如電弧爐煉鋼的高效化技術結構示意于圖8。電弧爐煉鋼過程實現(xiàn)連續(xù)化具有一系列優(yōu)點:①電弧非常平穩(wěn),閃爍、諧波和噪音很低;②過程連續(xù)進行,減少非通電操作時間;③不必周期性加料,熱損失和排放大大減少;④便于穩(wěn)定控制生產過程和產品質量。電弧爐煉鋼過程連續(xù)化已有可喜的技術發(fā)展,如截至2004年,Consteel技術在全世界建設了20套生產線,其中9套在中國。近來國內有幾家企業(yè)已分別開發(fā)了國產的連續(xù)加料系統(tǒng),這就為中國電弧爐煉鋼生產的連續(xù)化提供了技術支持。關于其他各種連續(xù)煉鋼方案,國內外已有多種提出,因此,可以期望電弧爐煉鋼將是煉鋼生產連續(xù)化的突破口或先驅。7發(fā)電或供真空精制用蒸汽技術除廢鋼預熱技術外,汽化冷卻回收蒸汽發(fā)電或供真空精煉用蒸汽技術,在國外應用已有20多年,中國曾引進但未正式使用,目前萊鋼已在生產中試運行。3發(fā)展電弧爐鋼板潔凈化技術包括提高鋼質潔凈度和減輕外部環(huán)境的負荷內外兩方面。電弧爐煉鋼就是消納社會廢棄鋼鐵物資,再循環(huán)利用的生產技術,不消耗不可再生資源,使用最清潔的能源——電能,發(fā)展電弧爐煉鋼本身就是發(fā)展?jié)崈艋a。除此之外,電弧爐煉鋼技術的潔凈化發(fā)展如下。1鋼水回收利用技術①原料中增加純凈鐵源的比例(如直接還原鉄和鐵水);②低氧冶煉,控制終點鋼水w[O]≤450×10-6;③爐渣改質;④潔凈鋼精煉工藝;⑤鋼水保護澆注;⑥電磁制動與大型夾雜控制技術。2發(fā)展余熱回收技術①電弧爐煉鋼使用清潔能源;②采用脫Si工藝,減少渣量;③推廣煤氣回收工藝技術;④開發(fā)電弧爐廢鋼預熱技術;⑤精煉渣煉鋼返回利用技術;⑥粉塵回收處理技術。4小裝置企業(yè)一枝獨秀電弧爐煉鋼生產技術近年來有長足的進步,繼20世紀60年代緊湊型小鋼廠風起云涌,改變了聯(lián)合企業(yè)一枝獨秀的局面。近年來更產生了一些使用前沿技術集成型的電弧爐短流程鋼廠。1廠主要電弧爐公司建成了全球第1套ArvediESP無頭軋制帶鋼廠,包括1座250t電弧爐,2座250t鋼包精煉爐和ESP無頭軋制帶鋼生產線。設計年產能力為200萬t,可生產厚0.8～12.0mm,寬1590mm帶鋼。2成品薄帶設計公司改造后的電弧爐煉鋼車間,在鑄機和熱軋機架間未設加熱裝置,帶鋼通過熱軋機架,即厚0.7～2.0mm,寬2000mm成品薄帶,設計年產能力約50萬t。采用Castrip工藝,由于冷卻速率高,凝固時間短,拉速高(一般為80～1500m/min),因而具有高生產率,并且能獲得極細的微觀組織。該生產線如圖9所示,在2002年投產后到2008年9月,已累計生產0.85～1.5mm薄鋼板85萬t,主要用于建筑和制造業(yè),并可部分代替冷軋薄板。3煤粉熔融鐵partITmk3(IronTechnologyMarkⅢ)被稱為第3代煉鐵法,是日本神戶鋼鐵公司和美國米德蘭公司聯(lián)合開發(fā)的采用轉底爐生產高質量生鐵的煤基直接還原技術。ITmk3技術只需一步便可從粉礦和煤粉直接獲得熔融鐵。使用該技術可在10min內將鐵礦粉冶煉成為無渣、粒度勻稱且接近于純凈的粒鐵(nugget)。神戶制鋼于2001年12月在美國明尼蘇達州建設了ITmk3示范廠,2004年25000t/a示范廠證實該工藝可行,產品的典型成分為wMFe96%～97%,wC2.5%～3.0%,wS0.05%～0.07%,粒度5～25mm。2007年底成立了美國動力鋼與神戶制鋼兩家組成的新合資公司MesabiNuggetDelawareLLC,2008年進入50萬t/aITmk3工業(yè)化裝置建設,2009年4季度開始試運行,生產粒鐵直接用于動力鋼公司電弧爐煉鋼。5發(fā)表評論和評論5.1近年來的技術發(fā)展近30年來電弧爐煉鋼技術的發(fā)展,可總結出以下幾點。1等作為電弧爐原料相繼采用鐵水、DRI/HBI、碳化鐵等作為電弧爐原料,不僅使電弧爐的適應性更強,更是稀釋了廢鋼中的殘余元素,提高了鋼水質量,拓展了電爐鋼產品范圍。2實現(xiàn)低電流長弧操作從傳統(tǒng)的交流爐向超高功率、高阻抗交流爐及直流爐發(fā)展,在降低電網污染的前提下實現(xiàn)低電流長弧操作,大大提高輸入功率,縮短冶煉周期。直流爐的優(yōu)勢還在于對電網的污染小、電極消耗低、基本上可以無偏弧、噪音相對較小、對熔池有攪拌作用等。3不同的能量利用技術為降低電(能)耗,提高能量輸入強度以縮短冶煉周期,多種形式的能量利用技術被采用,如機械式氧碳槍、二次燃燒、爐壁氧-燃燒嘴、底吹氣等。同時,為利用爐氣中的余熱,各種廢鋼預熱手段相繼出現(xiàn)。4電弧爐煉焦技術發(fā)展的體現(xiàn)降低電弧爐煉鋼總能耗的根本措施在于減少能量消耗,其中廢氣的余熱再利用是很重要的一個方面。電弧爐煉鋼技術發(fā)展的集中體現(xiàn),是基于不同的解決方案,各種爐型的不斷涌現(xiàn),如豎爐、Consteel爐、雙爐殼、CONARC爐、ECOARC爐等形式的電弧爐。這些爐型的成功應用,均從不同方面推進了電弧爐煉鋼設備及工藝技術的發(fā)展。5成為環(huán)保措施三級除塵、綜合利用電弧爐除塵粉、爐渣再利用等己成為常規(guī)的環(huán)保措施。眾多電弧爐均重視全封閉冶煉,在控制煙塵放散方面采取了專門措施,特別是ECOARC爐,其可將二惡英放散的可能性降至最低。5.2電弧爐鋼鐵工序的任務轉化為能量的供應傳統(tǒng)的電弧爐煉鋼以回收廢棄鋼鐵為鐵源,其工藝過程的特點是由電弧提供高溫熱源,特別是還原精煉過程移至爐外以后,電弧爐煉鋼工序的主要冶金任務進一步轉化為能量的供應。由于電弧爐煉鋼是以廢鋼為主要原料來源,直接體現(xiàn)了金屬材料的循環(huán)利用,不直接使用鐵礦和焦煤等不可再生資源,減輕了環(huán)境負荷。隨著廢鋼積累量的增加,電弧爐煉鋼將成為鋼鐵生產可持續(xù)發(fā)展的重要模