電弧爐煉鋼工藝裝備和技術(shù)發(fā)展的思考

電弧爐煉鋼工藝裝備和技術(shù)發(fā)展的思考

1基本情況1.1并以鋼為原料生產(chǎn)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(zhuǎn)爐和堿性轉(zhuǎn)爐的制備方法。隨后的平爐精煉法能夠吸收大量報(bào)廢的鋼鐵素。1900年前后,電弧爐煉鋼方法問(wèn)世,主要以廢鋼鐵為原料,生產(chǎn)特殊鋼。其實(shí),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(chǎn)率、優(yōu)良的質(zhì)量和低廉的成本,幫助鋼鐵產(chǎn)品成為社會(huì)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(zhuǎn)爐煉鋼方法居主導(dǎo)地位。2000年前后,大致形成了氧氣轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼年產(chǎn)量各占2/3和1/3的局面。全世界粗鋼產(chǎn)量的增長(zhǎng)情況列于表1和圖1,可以看出鋼鐵生產(chǎn)經(jīng)歷了初期、平爐主導(dǎo)期、轉(zhuǎn)爐主導(dǎo)期、電弧爐取代平爐時(shí)期、新世紀(jì)電弧爐及轉(zhuǎn)爐高速發(fā)展5個(gè)階段,特別是2000年以來(lái),世界鋼產(chǎn)量以每年7020萬(wàn)t的增量高速增長(zhǎng)。1.2中國(guó)電弧鋼發(fā)展情況考察近20年來(lái)最重要的幾項(xiàng)變革性技術(shù),如薄板坯連鑄連軋技術(shù)、熔融還原煉鐵技術(shù)以及己處于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用前景的薄帶連鑄技術(shù),可以發(fā)現(xiàn),緊湊化或短流程化是鋼鐵制造流程進(jìn)化的主要趨勢(shì)。緊湊化或短流程化常常會(huì)和電弧爐煉鋼聯(lián)系在一起。地區(qū)發(fā)達(dá)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(zhǎng)期存在的合理性,同時(shí)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(zhuǎn)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(chǎn)的生鐵與粗鋼產(chǎn)量之比始終維持在0.7左右,無(wú)論是粗鋼總產(chǎn)量大幅度的增長(zhǎng),或是平爐煉鋼法的消亡,還是氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼方法的崛起,都未能使鐵鋼比這一結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生明顯的變化,如圖2所示。中國(guó)電爐鋼發(fā)展情況見(jiàn)表2和圖3。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),中國(guó)粗鋼產(chǎn)量的高速增長(zhǎng)也未能引起全球鐵鋼比產(chǎn)生重大變化。特別要指出的是,占全球首位的中國(guó),鐵鋼比一直居高不下,而除中國(guó)以外全球的鐵鋼比僅有0.6左右,且有進(jìn)一步下降的趨勢(shì)。廢鋼/電弧爐煉鋼流程的優(yōu)點(diǎn)不僅僅是建設(shè)投資低、占地面積小、達(dá)產(chǎn)快、資源和環(huán)境負(fù)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(biāo)煤和600kg左右,而礦石/高爐煉鐵/氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼相應(yīng)的分別是750kg標(biāo)煤和2000kg,由圖4不難看出,若將中國(guó)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(biāo)煤和噸鋼200kg二氧化碳,考慮到未來(lái)可能征收的能源稅和溫室氣體排放稅,以及能源、環(huán)保準(zhǔn)入制度,這一結(jié)構(gòu)參數(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)含義將有更長(zhǎng)遠(yuǎn)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(lái)中國(guó)鋼產(chǎn)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(jià)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(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間,原因是:①中國(guó)是發(fā)展中國(guó)家,大量鋼材用于建筑回收周期長(zhǎng),廢鋼生成量較小;②鋼鐵生產(chǎn)總量增長(zhǎng)迅速,其中轉(zhuǎn)爐煉鋼消耗掉大量的廢鋼,中國(guó)轉(zhuǎn)爐產(chǎn)鋼量特別大,所消耗的廢鋼量也相當(dāng)大;③非理性消耗,中國(guó)還未形成先進(jìn)合理的廢鋼回收、分類(lèi)、管理機(jī)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(wú)米為炊”的困境。2)電力緊張,發(fā)電能源結(jié)構(gòu)不合理。電弧爐是用電大戶,雖然近年來(lái)中國(guó)電力裝機(jī)容量迅速增長(zhǎng),但國(guó)民經(jīng)濟(jì)其他部門(mén)和人民生活質(zhì)量迅速提高,對(duì)電量的需求也快速增長(zhǎng),特別是中國(guó)發(fā)電技術(shù)構(gòu)成不合理,火力發(fā)電所占比例很大,水力、風(fēng)能、核能、光伏等清潔能源發(fā)電比例很低,對(duì)石化能源依賴度很高。3)電弧爐煉鋼企業(yè)年生產(chǎn)規(guī)模較小,規(guī)模效益競(jìng)爭(zhēng)力較差。2電弧式砌塊法的發(fā)展提高電弧爐煉鋼的生產(chǎn)率、生產(chǎn)速率和能量利用效率是近60年來(lái)技術(shù)發(fā)展的主流方向,有以下幾點(diǎn)。1電弧爐供電和電氣運(yùn)行方式的改變20世紀(jì)60年代,美國(guó)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(dǎo)了近60年電弧爐煉鋼生產(chǎn)技術(shù)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(gè)方面:①提高每噸鋼配置的主變壓器容量,即將功率級(jí)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(shí)間的比例。大型超高功率電弧爐主變壓器容量很大,達(dá)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(wàn)～6萬(wàn)A的合理范圍以內(nèi),電弧爐的供電和電氣運(yùn)行方式需發(fā)生改變,其技術(shù)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(guò)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(guò)程最重要的技術(shù)特征。近20年來(lái),中國(guó)對(duì)不同容量的電爐的電氣運(yùn)行技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,掌握了自行開(kāi)發(fā)合理運(yùn)行技術(shù)的經(jīng)驗(yàn):非線性電抗模型研究和許用工作點(diǎn)開(kāi)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(guò)程中的熱工特點(diǎn)使?fàn)t內(nèi)存在3個(gè)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(chǎn)的大型電弧爐幾乎100%采用了氧-燃輔助能源技術(shù),使用的燃料一般是天然氣和輕柴油。國(guó)內(nèi)80年代開(kāi)發(fā)了氧-煤助熔技術(shù),由于煤發(fā)熱值較低,發(fā)展使用油或燃?xì)庾鳛橹廴剂?。單支?燃燒嘴的功率達(dá)到2～3MW,氧-燃輔助能源所供應(yīng)的能量占電弧爐煉鋼總供應(yīng)能量的30%～40%。電弧爐煉鋼過(guò)程中還氧化脫除多余的C、Si、Mn、P等雜質(zhì)元素,生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)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(chǎn)高效化、冶煉時(shí)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(jiàn)表3。國(guó)內(nèi)外各家開(kāi)發(fā)了大型集束射流氧槍技術(shù),單支氧槍的氧氣額定供氧流量超過(guò)了3500m3/h。30年中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量和廢鋼供應(yīng)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(guó)際不少國(guó)家大量使用直接還原鐵(DRI),中國(guó)近年來(lái)則樂(lè)于配加熱鐵水。在近期一段時(shí)間內(nèi),電弧爐煉鋼的原料結(jié)構(gòu)仍將保持多元化。按國(guó)內(nèi)廢鋼資源積累量(圖7)的增加和電弧爐煉鋼生產(chǎn)能力的增長(zhǎng),中國(guó)電爐鋼的年產(chǎn)量和電爐鋼比都將有所增長(zhǎng),樂(lè)觀的估計(jì)到2020年以后,將有大的增長(zhǎng)。首先,新中國(guó)成立以來(lái),1949年至1999年的50年間,中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量總計(jì)約為30億t;而2000年至2009年的10年間,總產(chǎn)鋼量也為30億t;按年產(chǎn)鋼5億t計(jì),2010年至2019年的總產(chǎn)鋼量約為50億t。亦即到2020年,中國(guó)廢鋼的總表觀儲(chǔ)量將超過(guò)100億t,廢鋼儲(chǔ)量和電爐鋼年產(chǎn)量之比將超過(guò)100∶1,廢鋼供應(yīng)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(guó)特定情況下的資源利用。對(duì)于電弧爐煉鋼而言,熱鐵水提供了大量的物理熱和化學(xué)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(huì)廢鋼中殘余金屬雜質(zhì)帶來(lái)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(zhǎng)。第三,各種非高爐、非焦煉鐵技術(shù)在不斷進(jìn)步,當(dāng)前中國(guó)已進(jìn)入第3個(gè)大力發(fā)展直還鐵階段。開(kāi)發(fā)直接還原鐵技術(shù)的特點(diǎn)更為理性化,各種煤基方法得到廣泛的關(guān)注,期望在生產(chǎn)技術(shù)方面能有所突破。4減少非通氣時(shí)間比例減少供電功率低、占時(shí)長(zhǎng)的還原期時(shí)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(shù)的發(fā)展和普及,首先的受益者就是電弧爐煉鋼過(guò)程,其后底出鋼技術(shù)使非通電時(shí)間所占比例大大減少。減少非通電時(shí)間比例方面主要有3點(diǎn)進(jìn)步:①裝備大型化、機(jī)械化和自動(dòng)化水平提高;②爐料結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)冶煉—精煉—連鑄全流程匹配順行。中國(guó)許多100t左右的電弧爐冶煉周期已降至40min,如南京鋼鐵集團(tuán)電爐廠的100t電弧爐,全年出鋼次數(shù)超過(guò)了10000次。5廢鋼預(yù)熱技術(shù)電弧爐煉鋼過(guò)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(shù)。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(lái)預(yù)熱廢鋼,可達(dá)到提高電弧爐煉鋼節(jié)能、降耗、提高生產(chǎn)效率的目的。目前,各種廢鋼預(yù)熱技術(shù)應(yīng)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(shù)在現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)流程中,燒結(jié)、高爐煉鐵以及后步的連鑄、連軋基本上都實(shí)現(xiàn)了半連續(xù)或連續(xù)化生產(chǎn),而煉鋼過(guò)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(chǎn)的高效化進(jìn)程,將促進(jìn)連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)的誕生。例如電弧爐煉鋼的高效化技術(shù)結(jié)構(gòu)示意于圖8。電弧爐煉鋼過(guò)程實(shí)現(xiàn)連續(xù)化具有一系列優(yōu)點(diǎn):①電弧非常平穩(wěn),閃爍、諧波和噪音很低;②過(guò)程連續(xù)進(jìn)行,減少非通電操作時(shí)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(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量。電弧爐煉鋼過(guò)程連續(xù)化已有可喜的技術(shù)發(fā)展,如截至2004年,Consteel技術(shù)在全世界建設(shè)了20套生產(chǎn)線,其中9套在中國(guó)。近來(lái)國(guó)內(nèi)有幾家企業(yè)已分別開(kāi)發(fā)了國(guó)產(chǎn)的連續(xù)加料系統(tǒng),這就為中國(guó)電弧爐煉鋼生產(chǎn)的連續(xù)化提供了技術(shù)支持。關(guān)于其他各種連續(xù)煉鋼方案,國(guó)內(nèi)外已有多種提出,因此,可以期望電弧爐煉鋼將是煉鋼生產(chǎn)連續(xù)化的突破口或先驅(qū)。7發(fā)電或供真空精制用蒸汽技術(shù)除廢鋼預(yù)熱技術(shù)外,汽化冷卻回收蒸汽發(fā)電或供真空精煉用蒸汽技術(shù),在國(guó)外應(yīng)用已有20多年,中國(guó)曾引進(jìn)但未正式使用,目前萊鋼已在生產(chǎn)中試運(yùn)行。3發(fā)展電弧爐鋼板潔凈化技術(shù)包括提高鋼質(zhì)潔凈度和減輕外部環(huán)境的負(fù)荷內(nèi)外兩方面。電弧爐煉鋼就是消納社會(huì)廢棄鋼鐵物資,再循環(huán)利用的生產(chǎn)技術(shù),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(chǎn)。除此之外,電弧爐煉鋼技術(shù)的潔凈化發(fā)展如下。1鋼水回收利用技術(shù)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(diǎn)鋼水w[O]≤450×10-6;③爐渣改質(zhì);④潔凈鋼精煉工藝;⑤鋼水保護(hù)澆注;⑥電磁制動(dòng)與大型夾雜控制技術(shù)。2發(fā)展余熱回收技術(shù)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(shù);④開(kāi)發(fā)電弧爐廢鋼預(yù)熱技術(shù);⑤精煉渣煉鋼返回利用技術(shù);⑥粉塵回收處理技術(shù)。4小裝置企業(yè)一枝獨(dú)秀電弧爐煉鋼生產(chǎn)技術(shù)近年來(lái)有長(zhǎng)足的進(jìn)步,繼20世紀(jì)60年代緊湊型小鋼廠風(fēng)起云涌,改變了聯(lián)合企業(yè)一枝獨(dú)秀的局面。近年來(lái)更產(chǎn)生了一些使用前沿技術(shù)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(wú)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(wú)頭軋制帶鋼生產(chǎn)線。設(shè)計(jì)年產(chǎn)能力為200萬(wàn)t,可生產(chǎn)厚0.8～12.0mm,寬1590mm帶鋼。2成品薄帶設(shè)計(jì)公司改造后的電弧爐煉鋼車(chē)間,在鑄機(jī)和熱軋機(jī)架間未設(shè)加熱裝置,帶鋼通過(guò)熱軋機(jī)架,即厚0.7～2.0mm,寬2000mm成品薄帶,設(shè)計(jì)年產(chǎn)能力約50萬(wàn)t。采用Castrip工藝,由于冷卻速率高,凝固時(shí)間短,拉速高(一般為80～1500m/min),因而具有高生產(chǎn)率,并且能獲得極細(xì)的微觀組織。該生產(chǎn)線如圖9所示,在2002年投產(chǎn)后到2008年9月,已累計(jì)生產(chǎn)0.85～1.5mm薄鋼板85萬(wàn)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(guó)米德蘭公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的采用轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)高質(zhì)量生鐵的煤基直接還原技術(shù)。ITmk3技術(shù)只需一步便可從粉礦和煤粉直接獲得熔融鐵。使用該技術(shù)可在10min內(nèi)將鐵礦粉冶煉成為無(wú)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(guó)明尼蘇達(dá)州建設(shè)了ITmk3示范廠,2004年25000t/a示范廠證實(shí)該工藝可行,產(chǎn)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(guó)動(dòng)力鋼與神戶制鋼兩家組成的新合資公司MesabiNuggetDelawareLLC,2008年進(jìn)入50萬(wàn)t/aITmk3工業(yè)化裝置建設(shè),2009年4季度開(kāi)始試運(yùn)行,生產(chǎn)粒鐵直接用于動(dòng)力鋼公司電弧爐煉鋼。5發(fā)表評(píng)論和評(píng)論5.1近年來(lái)的技術(shù)發(fā)展近30年來(lái)電弧爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展,可總結(jié)出以下幾點(diǎn)。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(yīng)性更強(qiáng),更是稀釋了廢鋼中的殘余元素,提高了鋼水質(zhì)量,拓展了電爐鋼產(chǎn)品范圍。2實(shí)現(xiàn)低電流長(zhǎng)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(wǎng)污染的前提下實(shí)現(xiàn)低電流長(zhǎng)弧操作,大大提高輸入功率,縮短冶煉周期。直流爐的優(yōu)勢(shì)還在于對(duì)電網(wǎng)的污染小、電極消耗低、基本上可以無(wú)偏弧、噪音相對(duì)較小、對(duì)熔池有攪拌作用等。3不同的能量利用技術(shù)為降低電(能)耗,提高能量輸入強(qiáng)度以縮短冶煉周期,多種形式的能量利用技術(shù)被采用,如機(jī)械式氧碳槍、二次燃燒、爐壁氧-燃燒嘴、底吹氣等。同時(shí),為利用爐氣中的余熱,各種廢鋼預(yù)熱手段相繼出現(xiàn)。4電弧爐煉焦技術(shù)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(gè)方面。電弧爐煉鋼技術(shù)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(yīng)用,均從不同方面推進(jìn)了電弧爐煉鋼設(shè)備及工藝技術(shù)的發(fā)展。5成為環(huán)保措施三級(jí)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(mén)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(wù)轉(zhuǎn)化為能量的供應(yīng)傳統(tǒng)的電弧爐煉鋼以回收廢棄鋼鐵為鐵源,其工藝過(guò)程的特點(diǎn)是由電弧提供高溫?zé)嵩?特別是還原精煉過(guò)程移至爐外以后,電弧爐煉鋼工序的主要冶金任務(wù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為能量的供應(yīng)。由于電弧爐煉鋼是以廢鋼為主要原料來(lái)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(fù)荷。隨著廢鋼積累量的增加,電弧爐煉鋼將成為鋼鐵生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要模