電弧爐煉鋼技術(shù)講座(終稿)

北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院目錄1總論1.1產(chǎn)量的增長(zhǎng)1.2過(guò)程工業(yè)與過(guò)程系統(tǒng)1.3煉鋼生產(chǎn)的高效化和潔凈化1.4兩類鋼鐵生產(chǎn)流程世界鋼產(chǎn)量增長(zhǎng)情況1.1產(chǎn)量的增長(zhǎng)世界鋼產(chǎn)量預(yù)測(cè)我國(guó)鋼產(chǎn)量增長(zhǎng)情況各國(guó)電爐鋼產(chǎn)量比例

鋼鐵生產(chǎn)屬于過(guò)程工業(yè)－原料經(jīng)一系列的單元工序被加工成合格產(chǎn)品的工業(yè)，其中包括能量的轉(zhuǎn)換。過(guò)程系統(tǒng)－處理物流或能量流的人造目的系統(tǒng)，即實(shí)現(xiàn)物質(zhì)或能量轉(zhuǎn)換的工業(yè)系統(tǒng)。另一種說(shuō)法可以是：由被加工的物流或能量流經(jīng)過(guò)的諸單元工序所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為過(guò)程系統(tǒng)，與之相應(yīng)的是過(guò)程工業(yè)。1.2過(guò)程工業(yè)與過(guò)程系統(tǒng)

系統(tǒng)與環(huán)境一起構(gòu)成更大系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的優(yōu)化取決于更大系統(tǒng)所確定的目標(biāo)和約束，即資源、產(chǎn)品、市場(chǎng)和環(huán)境。冶金工程系統(tǒng)構(gòu)成物質(zhì)流能量〔流〕信息流――風(fēng)、水、電、氣、汽財(cái)務(wù)〔資金流〕冶金工程的過(guò)程系統(tǒng)特征

過(guò)程工業(yè)和制造工業(yè)工業(yè)：大規(guī)模制造、可重復(fù)、穩(wěn)定的進(jìn)行〔不希望變異〕過(guò)程工業(yè)：ProcessIndustry化工、石油、冶金、電力、建材、核能等行業(yè)。制造工業(yè)：ProductsIndustry汽車、家電、電子國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的前幾名一般都是過(guò)程工業(yè)行業(yè)。過(guò)程工業(yè)制造工業(yè)〔1〕原料：自然資源過(guò)程工業(yè)的產(chǎn)品〔2〕產(chǎn)品：供給制造工業(yè)人類使用、市場(chǎng)〔3〕生產(chǎn)過(guò)程：連續(xù)、半連續(xù)分散、單件〔4〕物理、化學(xué)變化機(jī)械加工，外形物理變化〔5〕放大規(guī)模生產(chǎn)Scale-up生產(chǎn)線〔6〕污染重、能耗大、負(fù)荷大環(huán)境、負(fù)荷輕過(guò)程工業(yè)和制造工業(yè)的特點(diǎn)過(guò)程系統(tǒng)

過(guò)程系統(tǒng)工程定義：處理物質(zhì)流/能量流的系統(tǒng)。過(guò)程工業(yè)：原料經(jīng)過(guò)一系列單元工序轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的工業(yè)。1.3煉鋼生產(chǎn)的高效化和潔凈化高的生產(chǎn)率高的生產(chǎn)速率高的能量利用效率煉鋼生產(chǎn)的高效化高的生產(chǎn)率

生產(chǎn)率指標(biāo)是單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)鋼量—萬(wàn)噸/年、噸/日或噸/時(shí)。實(shí)現(xiàn)全連鑄、特別是連鑄—連軋生產(chǎn)流程后，鋼鐵企業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于單通道串聯(lián)結(jié)構(gòu)，煉鋼工序的生產(chǎn)率與煉鋼裝備的生產(chǎn)率的關(guān)系簡(jiǎn)單化。

煉鋼工序的生產(chǎn)率取決于后步工序的需求目前寬帶熱連軋200－400

104t/a

薄板坯連鑄連軋100－250

104t/a

長(zhǎng)型材連軋50－100

104t/a

煉鋼裝備的合理大型化大型化有利于提高裝備水平和技經(jīng)指標(biāo)大型化與生產(chǎn)率之間關(guān)系需參考生產(chǎn)速率指標(biāo)大型化的合理性應(yīng)符合物流通量的平衡

生產(chǎn)速率指標(biāo)是每噸公稱爐容量在單位時(shí)間內(nèi)的鋼產(chǎn)量——萬(wàn)噸/噸位·年，噸/噸位·日，噸/噸位·時(shí)。在當(dāng)前，煉鋼生產(chǎn)是一種間歇式操作或周期性操作，生產(chǎn)速率的特征表現(xiàn)為生產(chǎn)節(jié)奏——爐次/小時(shí)或冶煉周期——分鐘/爐次，整個(gè)煉鋼工序應(yīng)處于相對(duì)穩(wěn)定的節(jié)奏中。生產(chǎn)速率是一種強(qiáng)度指標(biāo)，更直接地反映出煉鋼生產(chǎn)的裝備、操作、工藝的綜合水平。

高的生產(chǎn)速率

影響生產(chǎn)速率的因素——冶煉周期構(gòu)成有效冶煉時(shí)間——提高冶煉強(qiáng)度輔助操作時(shí)間——機(jī)械化、自動(dòng)化非操作時(shí)間——作業(yè)率，爐襯、維修、管理等

建議的指標(biāo)是氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼：1.5萬(wàn)爐次/年和30分鐘/爐次電弧爐煉鋼：7000爐次/年和60分鐘/爐次

目標(biāo)：建立一座轉(zhuǎn)爐吹煉制，使一座轉(zhuǎn)爐的產(chǎn)量到達(dá)傳統(tǒng)2座轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)能力。冶煉周期20－25min，年產(chǎn)爐數(shù)≥15000爐轉(zhuǎn)爐爐齡≥15000爐100%鐵水三脫預(yù)處理，鐵水P、S≤0.01%

轉(zhuǎn)爐少渣冶煉，渣量≤30kg/t

快速吹煉，供O2強(qiáng)度從3.5Nm3/t.min提高到

5.0Nm3/t.min

全自動(dòng)吹煉，控制噴濺率≤1%

快速出鋼，從終點(diǎn)到出鋼結(jié)束的時(shí)間縮短到5min以內(nèi)提高爐齡到15000爐以上消除補(bǔ)爐操作電弧爐快速冶煉工藝目標(biāo)：供電時(shí)間縮短到20－25min，冶煉周期≤45min，冶煉電耗〔全廢鋼〕≤350kWh/t，電極消耗≤1kg/t。超高功率供電，比功率到達(dá)1000kVA/t強(qiáng)化冶煉，供O2強(qiáng)度到達(dá)0.8－1.0Nm3/t.min,提高化學(xué)能輸入比例廢鋼預(yù)熱，平均廢鋼預(yù)熱溫度≥600℃連續(xù)加料，縮短加料時(shí)間提高爐齡，減少補(bǔ)爐時(shí)間高的能量利用效率

從某種意義講，冶煉是一種以能量換取合格鋼生產(chǎn)量的過(guò)程。冶煉能耗用于合格鋼水的物理熱——有用能量380kwh/t－steel或1368MJ/t－steel合格鋼水與雜質(zhì)的別離——冶煉操作耗能可利用的余熱——物理余熱和化學(xué)余熱熱損失對(duì)于電弧爐煉鋼，電能利用效率的指標(biāo)是變壓器利用系數(shù)：t/kVA·d或t/MVA·a。國(guó)內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)原平均指標(biāo)是13－15t/kVA·d，相當(dāng)于－5000t/MVA·a，而國(guó)際水平是1.2104t/MVA·a。噸鋼電耗與變壓器日利用系數(shù)關(guān)系

兩種原料和能源

鐵水/純氧氣輸入的物理熱+化學(xué)熱遠(yuǎn)大于合格鋼水帶走的物理熱。故主要的任務(wù)在于氧氣的供給，同時(shí)改善能量的有效利用。廢鋼/電能過(guò)程所需的能量依賴于電能只有電弧才能保證足夠的能量密度到達(dá)30－80MW，而一般油氧的功率只有2－3MW。煉鋼生產(chǎn)的潔凈化

鋼質(zhì)的潔凈化〔內(nèi)在潔凈化〕

鋼的潔凈化生產(chǎn)〔外部潔凈化〕潔凈鋼冶煉

目標(biāo)：鋼水純潔度對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)可到達(dá)：S+P+T.O+[N]+[H]≤100×10-6成分控制精度：C〔0.01%〕;Si、Mn〔0.02%〕;△Ti,△V,△Nb<〔0.01%〕。夾雜物：dS≤10〔μ〕，無(wú)脆性?shī)A雜物。節(jié)能與環(huán)境保護(hù)

目標(biāo)：

轉(zhuǎn)爐煉鋼工序通過(guò)余熱利用，工序能耗接近或低于

0kgce/t-steel；

電爐煉鋼采用廢氣預(yù)熱廢鋼，節(jié)電100kWh/t；

減少煉鋼渣量50%；

全部粉塵回收利用。當(dāng)前主要的兩類鋼鐵生產(chǎn)流程及其單元工序1.4兩類鋼鐵生產(chǎn)流程電爐流程與轉(zhuǎn)爐流程在鋼鐵循環(huán)以及社會(huì)中的地位與功能

目標(biāo)：提高全員勞動(dòng)生產(chǎn)率50%以上；提高生產(chǎn)效率10%。

兩種煉鋼方法不同點(diǎn)

原料不同是根本礦石——鐵水——氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼廢鋼——電弧爐煉鋼

能源轉(zhuǎn)爐法——主要是鐵水的物理熱和化學(xué)熱電爐法——主要是電弧的物理熱在吹氧條件下，熔池中各元素

氧化1kg所產(chǎn)生的理論熱值

鐵水/氧氣法的物料衡算

鐵水/氧氣法的能量衡算廢鋼/電能法的物料衡算

廢鋼/電能法的能量衡算

2電弧爐煉鋼工藝及能量分析2.1煉鋼電弧爐的構(gòu)造〔1〕電弧爐的電氣設(shè)備①高壓電源②隔離開(kāi)關(guān)③斷路器④電抗器⑤電爐變壓器：高電壓、低電流；大電流、低電壓?jiǎn)挝唬篕VA、MVA單位功率：KVA/tRP(RegularPower)－EAF，HP(HighPower)－EAF，UHP(UltraHighPower)－EAF⑥短網(wǎng)、電極：石墨電極－導(dǎo)電性能好、耐高溫氧化〔2〕電弧爐爐體①爐殼②爐門(mén)、出鋼槽〔口〕③爐頂圈、爐蓋、電極密封圈④電弧爐爐襯〔3〕電弧爐的機(jī)械設(shè)備①電極夾持器②電極升降裝置③爐體傾動(dòng)和爐蓋開(kāi)啟機(jī)械偏心爐底出鋼電弧爐爐襯圖2.2電弧爐煉鋼工藝堿性電弧爐氧化法煉鋼工藝氧化法：去除雜質(zhì)、爐料適應(yīng)性強(qiáng)不氧化法：回收廢鋼中的合金元素，要求爐料好補(bǔ)爐－裝料－熔化期－氧化期－復(fù)原期－出鋼〔1〕補(bǔ)爐〔2〕裝料配料－生鐵、廢鋼等；裝料〔3〕熔化期50％時(shí)間、電耗60－70％任務(wù)：快速熔化爐料、提前造渣脫磷爐料熔化過(guò)程：起弧、穿井、主熔化、熔清堿性電弧爐氧化法煉鋼工藝熔化期熔化時(shí)間(小時(shí))t=(W1Q1+W2Q2)/(PCη-P1)Q1

－熔化單位爐料所需的電能340kwhQ2

－熔化單位爐渣所需的電能540kwhW1、W2

－爐料和爐渣的質(zhì)量P－變壓器功率P1－單位時(shí)間熱損失Cη－功率因數(shù)CosФ和電效率的乘積，表示變壓器實(shí)際的功率輸出，一般取0.77－0.86縮短熔化期措施：①提高變壓器功率水平②強(qiáng)化用氧、提高化學(xué)熱輸入③廢鋼預(yù)熱、減少熱損失〔4〕氧化期任務(wù)：①繼續(xù)氧化脫磷②脫碳反響CO去氣、去夾雜③調(diào)整熔池溫度脫磷反響：2[P]+5(FeO)=(P2O5)+5[Fe]2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO.P2O5)+5[Fe]脫磷條件：氧化渣〔FeO〕含量〔5〕復(fù)原期任務(wù)：①脫氧②脫硫③合金化、調(diào)整熔池溫度脫氧：參加合金元素與氧的親和力大于鐵與氧的親和力，實(shí)現(xiàn)鋼水脫氧脫氧方式：沉淀脫氧和擴(kuò)散脫氧脫硫：[FeS]+(CaO)=(FeO)+(CaS)脫硫條件：復(fù)原渣(FeO)〔6〕出鋼溫度、成分合格傳統(tǒng)的電弧爐煉鋼操作集爐料熔化、精煉和合金化于一爐，包括熔化期、氧化期和復(fù)原期，在電弧爐內(nèi)即要完成熔化、脫磷、脫碳、升溫，又要進(jìn)行脫氧、脫硫、去氣、去除夾雜物、合金化以及鋼液溫度、成分的調(diào)整，因而冶煉周期長(zhǎng)。這即難以保證對(duì)鋼材越來(lái)越嚴(yán)格的質(zhì)量要求，又限制了電弧爐生產(chǎn)率的提高。

現(xiàn)代電弧爐煉鋼工藝典型60分鐘冶煉周期第一次裝料3min

第一次料熔化20min

第二次裝料3min

第二次料熔化14min

精煉10min

出鋼3min

修補(bǔ)爐7min

總計(jì)60min

2.3能量分析從能量利用的角度，可以認(rèn)為電弧爐煉鋼〔以至整個(gè)冶金過(guò)程〕是以能量換取鋼〔合格產(chǎn)品〕產(chǎn)量，或者是說(shuō)以功率換取生產(chǎn)速率。理論計(jì)算指出：1560℃-1570℃的普通鋼液具有熱焓約為380kWh/t。典型爐料結(jié)構(gòu)下的能量狀況〔以每噸鋼液為基準(zhǔn)的理論計(jì)算結(jié)果〕爐料結(jié)構(gòu)ⅠⅡⅢⅣⅤ冷廢鋼冷生鐵熱鐵水直還鐵85：15總物料量/kg1069.51248.51248.51265.01095.2用氧/m312.368.968.910.120.4總能量/kWh456.4614.8614.8571.5479.1收入項(xiàng)物理熱/kWh5.36.9355.07.15.5化學(xué)熱/kWh60.5335.6335.649.599.8支出項(xiàng)鋼水/kWh380.2380.2380.2380.2380.2爐渣/kWh17.351.851.8107.922.3爐塵/kWh15.415.415.414.515.4爐氣/kWh1.244.644.62.27.4其他/kWh42.3122.8122.866.753.8需補(bǔ)加熱能/kWh390.6272.3514.9373.8多余熱能/kWh75.8

實(shí)際的煉鋼過(guò)程使用的爐料結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是上述理想狀況的不同搭配。爐料中使用其他含鐵原料取代1％的冷廢鋼引起能量收支的變化，理論數(shù)值約為：配加1％的冷生鐵冶煉電耗減少1.18kWh/t配加1％的熱鐵水

冶煉電耗減少4.66kWh/t配加1％的直還鐵冶煉電耗增加1.24kWh/t〔1〕電弧爐煉鋼大型化、超高功率化〔2〕煉鋼流程合理化：EAF－RF－CCM〔3〕強(qiáng)化用氧、增加輔助能源〔4〕原料多樣化：DRI，HBI，F(xiàn)e3C，鐵水改善爐料結(jié)構(gòu)，提高鋼水潔凈度，降低有害元素的濃度〔鉛、錫、砷、銻、鉍、銅〕3供電3.1等效電路3.2電工學(xué)原理3.3電抗模型3.4電氣運(yùn)行特性3.5工作點(diǎn)總表3.6供電曲線3.7高阻抗電弧爐3.8直流煉鋼電弧爐超高功率供電

電弧爐供電電路主回路〔進(jìn)線隔離開(kāi)關(guān)——高壓斷路器——電抗器——電爐變壓器——短網(wǎng)——電弧〕三相交流電弧爐等效電路〔a〕三相等效電路圖〔b〕單線等效電路圖電弧穩(wěn)定燃燒條件(1)按電源性質(zhì)可將電弧分為直流電弧和交流電弧兩大類，工業(yè)應(yīng)用的電弧大多數(shù)是交流電弧。理想的交流電弧的電壓和電流為正弦波形，其電壓、電流和極性隨時(shí)間周期性地改變。為了保證電弧的燃燒，兩電極端面之間，應(yīng)有一定數(shù)量的帶電質(zhì)點(diǎn)，并要求有一定強(qiáng)度的電場(chǎng)，也就是應(yīng)有一定大小的電弧電壓。電弧開(kāi)始燃燒的電壓稱為起弧電壓或燃弧電壓。為了不滅弧，要求電路有一定的感性，使電弧電流和電源電壓之間有一相位差φ，在煉鋼情況下，要求的理論值是功率因數(shù)cosφ≤0．866。(2)交流電弧的極性在燃燒過(guò)程中快速地變化。在熔化期，由于冷鋼的存在，電弧不斷地從一塊爐料跳向另一塊爐料，電弧電壓和電流波形無(wú)規(guī)那么地劇烈變動(dòng)。這些情況更導(dǎo)致了電弧在工作條件下的不穩(wěn)定性。交流電弧在工作中的劇烈變化使得電弧電流和電弧電壓的波形嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生一系列的高次諧波，降低了供電電網(wǎng)的質(zhì)量。電流波形

各次諧波電流占基波百分比三相交流電路參數(shù)電壓kV電流A有功kW無(wú)功kVar視功kVA功率因數(shù)A相30.711176.521650512527207730.795B相30.861134.161603012315202840.792C相30.61165.521669611841205230.815平均值30.721158.7316410.3312227.6720526.670.80標(biāo)準(zhǔn)差0.1321.98342.94351.24244.520.01標(biāo)準(zhǔn)差比0.42%1.90%2.09%2.87%1.19%1.56%南鋼100t/60MVA高阻抗電弧爐三相不平衡實(shí)測(cè)結(jié)果〔468組〕操作阻抗（每相）Ω電極（?。╇娏鳎肯啵〢表觀功率（三相）V·A無(wú)功功率（三相）Var有功功率（三相）W線路功率損失（三相）W電弧功率（三相）W電效率（三相）%功率因數(shù)（三相）電弧電壓（每相）V3.2電工學(xué)原理〔a〕阻抗三角形〔b〕電壓三角形〔c〕功率三角形3.3非線性電抗模型以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為根底，以電極電流為自變量，工作電抗為因變量，采用曲線y=a·exp〔b/x〕類型的函數(shù)形式建立電弧爐任何級(jí)電壓的工作電抗模型。150t超高功率電弧爐操作電抗和工作電流的關(guān)系圖

3.4電氣運(yùn)行特性

電氣運(yùn)行特性曲線或理論工作特性曲線，系指在無(wú)限容量電網(wǎng)的理想情況下，對(duì)給定的次級(jí)相間電壓、線路電阻和電抗所得到的各項(xiàng)功率及重要的運(yùn)行參數(shù)隨電極電流變化的曲線圖。電弧爐電氣特性曲線

超高功率電弧爐與小電爐電氣運(yùn)行的比較3.5工作點(diǎn)總表工作點(diǎn)總表給出了在每個(gè)電壓級(jí)別下各個(gè)工作點(diǎn)處的功率情況和電弧穩(wěn)定性。制定工作點(diǎn)總表在優(yōu)化電弧爐供電系統(tǒng)中是承前啟后的工作。是研制供電曲線的直接依據(jù)。按兩方面指標(biāo)，對(duì)工作點(diǎn)總表予以判別：①功率因數(shù)是否過(guò)高，不能穩(wěn)定運(yùn)行；②變壓器容量或工作電流是否過(guò)載，不宜長(zhǎng)期使用。從而得到許用工作點(diǎn)總表的評(píng)價(jià)。注：△表示功率因數(shù)過(guò)高，電弧不穩(wěn)定不可用；★表示變壓器過(guò)載嚴(yán)重，不易長(zhǎng)期使用；◎表示可以平安、穩(wěn)定運(yùn)行。許用工作點(diǎn)總表的評(píng)價(jià)3.6供電曲線制定合理供電曲線的工作原那么主要是平安、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)兼顧生產(chǎn)節(jié)奏許可的范圍，即：①保證電爐變壓器承受的視在功率不過(guò)載；②電弧穩(wěn)定高效燃燒，即0.75≤cosφ≤0.86；③電壓有載切換次數(shù)盡可能少。一籃料典型的供電曲線3.7高阻抗電弧爐高阻抗電弧爐主電路3.8直流煉鋼電弧爐直流電弧爐構(gòu)造DC爐的有效功率

4供氧

4.1集束氧氣射流特性4.2氧槍安裝位置4.3集束射流的助熔效果4.4Cojet噴槍4.1集束氧氣射流特性應(yīng)用可壓縮流體的原理，在氧氣超音速射流外部增設(shè)伴隨流。伴隨流對(duì)主氧氣流股起著“封套〞的作用，隔絕了環(huán)境氣體的影響，使主氧氣流股處于類真空狀態(tài)，形成在一定距離內(nèi)不衰減〔類似于激光〕的集束射流。采用CFX計(jì)算軟件，在不同流量及壓力下，伴隨氧對(duì)超音速射流的影響規(guī)律。模擬結(jié)果顯示：當(dāng)超音速氧流量為2500Nm3/h、壓力為0.8MPa，伴隨氧為500Nm3/h時(shí)，射流的有效射程最長(zhǎng)。采用CFX軟件模擬伴隨流對(duì)超音速射流長(zhǎng)度的影響

氧氣主射流位于噴嘴中央，直接射向熔池；氧氣輔助射流燃燒煤氣流包裹主射流，保證主射流的聚合長(zhǎng)度；主射流的流量參數(shù)一般選擇在850－2400Nm3/h；采用水冷結(jié)構(gòu)保護(hù)。4.2氧槍安裝位置安裝位置主要考慮氧槍安裝高度、與熔池的夾角及在爐壁上的布置。氧槍的安裝高度主要考慮氧氣的穿透深度及水冷條件，氧氣穿透深度確實(shí)定主要考慮溶池的深度、垂直穿透深度?！瞐〕俯視圖〔b〕單支氧槍側(cè)視圖100t電弧爐爐內(nèi)的4支氧槍1支碳槍布置圖集束射流在爐內(nèi)的行為

4.3集束射流的助熔效果Cojet噴槍三種操作模式(1)燒嘴模式快速加熱與熔化廢鋼(2)碳氧槍模式熔清后可轉(zhuǎn)換成氧槍脫碳方式(3)二次燃燒模式可獨(dú)立向熔池上方噴吹二次燃燒氧氣4.4Cojet噴槍?xiě)?yīng)用效果美國(guó)伯明翰廠125tAC電爐應(yīng)用效果：電耗節(jié)省29kwh/t坯

電極消耗下降15%，即節(jié)省0.3kg/t爐蓋壽命平均提高150次鋼產(chǎn)量從105t/h提高到117t/h渣中FeO含量降低，金屬收得率提高0.5%，鋼中[N]下降(10－15)×10－6?！?〕輔助軟件工具電弧爐煉鋼的冶金模型和熱模型的理論根底是物質(zhì)守恒定律、能量守恒定律以及電弧爐煉鋼的工藝狀況。通過(guò)系統(tǒng)分析，將電弧爐煉鋼系統(tǒng)所涉及的變量和參數(shù)分為三類，工藝變量、輸入變量或參數(shù)〔分為物料輸入變量和能量輸入?yún)?shù)〕和輸出變量或參數(shù)〔分為物料輸出變量和能量輸出參數(shù)〕。熱模型是在冶金模型的根底上建立起來(lái)的，冶金模型共有80個(gè)變量，熱模型有49個(gè)變量。5能量集成根據(jù)系統(tǒng)分析理論，建立描述現(xiàn)代電弧爐煉鋼過(guò)程物料衡算和能量衡算的熱化學(xué)計(jì)量模型。該模型中，共有變量129個(gè)，代數(shù)式近500個(gè)。在此根底上，使用Excel電子數(shù)據(jù)表建立電弧爐煉鋼熱化學(xué)計(jì)量模型的模擬計(jì)算用軟件，將其命名為M&HEAF?！?〕能量集成

按照冶金操作過(guò)程，利用輔助軟件工具將供電和供氧輸入的能量在電弧爐工位按節(jié)電目標(biāo)進(jìn)行有效集成。電弧爐煉鋼過(guò)程冶金操作與能量變化狀況工位級(jí)節(jié)電集成過(guò)程就是依據(jù)原材料結(jié)構(gòu)將有關(guān)的操作按時(shí)間順序展開(kāi)，把一次冶金操作定為一個(gè)時(shí)刻，利用輔助軟件工具計(jì)算出每一時(shí)刻與冶煉終點(diǎn)之間的缺能情況，決定了各元素氧化所需的耗氧量，產(chǎn)生的反響化學(xué)熱與總能之間的差值由電能來(lái)補(bǔ)充，直至到達(dá)冶煉終點(diǎn)的要求。出鋼－出鋼時(shí)間內(nèi)典型的供電和供氧曲線

6煉鋼電弧爐其他爐型豎爐－電弧爐雙爐殼電弧爐CONSTEEL智能電弧爐ECOARC－節(jié)能環(huán)保電弧爐豎爐電弧爐1992年由FuchsSystem推出，豎爐有一個(gè)廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)，可以是單豎爐或雙豎爐，可以是直流或交流的。它用廢氣的物理熱和化學(xué)熱、以及在豎爐底部的氧-燃燒嘴來(lái)加熱裝在水冷豎爐內(nèi)的廢鋼料柱。國(guó)內(nèi)張家港沙鋼潤(rùn)忠的90t/65MVA豎爐就是成功的一例。帶指托的豎爐電弧爐操作示意圖

多級(jí)豎爐電弧爐連續(xù)加料豎爐電弧爐

廢鋼預(yù)熱與余熱利用電弧爐煉鋼的能量平衡雙爐殼電弧爐準(zhǔn)連續(xù)化生產(chǎn)〔減少非通電時(shí)間〕Consteel

廢鋼由傳送帶通過(guò)動(dòng)態(tài)密封送入該系統(tǒng)的預(yù)熱器，廢鋼通過(guò)預(yù)熱器，靠爐氣的化學(xué)能和物理熱加熱至550－600℃，然后進(jìn)入熔池，爐內(nèi)總有一定的剩余鋼水，有助于熔化加熱的廢鋼?？捎玫臓t料是：廢鋼、生鐵和熱壓塊、熱的和冷的直接復(fù)原鐵。ConsteelConsteel

consteel冶煉過(guò)程示意圖

Consteel其他方案〔1〕其他方案〔2〕其他方案〔3〕智能電弧爐

神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能電弧爐控制特征智能電弧爐的效果ECOARC爐

ECOARC的操作模式

廢鋼運(yùn)送系統(tǒng)的示意圖ECOARC的廢氣清潔系統(tǒng)ECOARC－EcologicalFriendlyandEconomicalARCFurnace的縮寫(xiě)，目的：一是進(jìn)一步降低電耗，二是減少電弧爐過(guò)程對(duì)環(huán)境的污染。試驗(yàn)爐電耗可低于200kWh/t，最低達(dá)150kWh/t。ECOARC－節(jié)能環(huán)保電弧爐7資源電弧爐煉鋼的含鐵原料廢鋼冷生鐵直還鐵和熱壓塊熱鐵水碳化鐵脫碳粒鐵廢鋼鐵來(lái)源世界粗鋼產(chǎn)量和廢鋼消耗量歐洲廢鋼分類系統(tǒng)

類別牌號(hào)來(lái)源厚度尺寸(mm)密度不溶解物(%)Cu(wt%)Sn(wt%)Cr+Ni+Mo(wt%)社會(huì)廢棄廢鋼E3E11#重熔2#重熔>=6<6>=0.6>=0.6<1<1.5<=0.25<=0.40<=0.01<=0.02<=0.25<=0.30低殘余元素廢鋼E2E8E6碎熟鐵鍛造廢鋼碎熟鐵鍛造廢鋼新打包>=3<3<3>=0.6>=0.4>=1.0<0.3<0.3<0.3Total<=0.30切碎廢鋼E40E46切碎MW煅燒

>=0.9>=0.8<0.4Fe>92<=0.25<=0.50<=0.02<=0.07

車削廢鋼E5H

E5M均勻來(lái)源混合車削

使用前分析成分<=0.40<=0.03<=1高殘余元素含量廢鋼EHRBEHRM鋼筋機(jī)械備件

>=0.5>=0.6<1.5<0.7<=0.45<=0.40<=0.03<=0.03<=0.35<=1.0直接復(fù)原鐵直接復(fù)原鐵是指鐵礦石在低于熔化溫度下進(jìn)行復(fù)原得到的海綿狀金屬鐵，通常又稱海綿鐵、預(yù)復(fù)原鐵，簡(jiǎn)稱直接復(fù)原鐵〔DRI－DirectReductionIron〕。直接復(fù)原過(guò)程一般是在回轉(zhuǎn)窯或豎爐內(nèi)進(jìn)行，所用復(fù)原劑有煤基和氣基兩類。根據(jù)工藝不同，主要有三類產(chǎn)品：①海綿鐵；②金屬化球團(tuán)；③熱壓塊鐵〔HBI－HotBriquettedIron〕HBI的使用價(jià)值0100100%優(yōu)質(zhì)原料100%劣質(zhì)原料冶煉本錢(qián)%劣質(zhì)廢鋼總本錢(qián)高-由于原料本錢(qián)高最低冶煉本錢(qián)-最優(yōu)點(diǎn)總本錢(qián)高-由于加工本錢(qián)高非經(jīng)濟(jì)區(qū)92%MetHBIImprovesYieldatCasima

PelletBasedBriquettes(T=96.3)HBIFinesBasedBriquettes(T=98.2)-25+6.3mm-25+6.3mm-6.3mm-6.3mm熱鐵水鐵水具有無(wú)Sn、Pb、As、Sb、Bi等有害元素，無(wú)Cr、Ni、Mo、Cu等剩余元素的特點(diǎn)。電爐熱裝鐵水可大大改善電爐冶煉條件，提高鋼材質(zhì)量。兌入鐵水后，鐵水與爐內(nèi)的留鋼留渣迅速形成溶池，這時(shí)，爐壁氧氣射流吹入的氧氣射流與鐵水中的碳、硅、錳等元素快速反響，在爐內(nèi)冷區(qū)放出大量的化學(xué)熱，使?fàn)t內(nèi)溫度和成份均勻，同時(shí)鐵水的兌入使泡沫渣的形成時(shí)間提前，提高了電能的效率。碳化鐵碳化鐵生產(chǎn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，通過(guò)氣－固反響一步生成。化學(xué)反響式為：3Fe2O3+5H2+2CH4=2Fe3C+9H2O配料計(jì)算方法確定某爐根本需要原料品種、品質(zhì)原料來(lái)源原料有害物含量碳平衡?參加生鐵架碳調(diào)整供氧率溶劑添加合金添加取得最低產(chǎn)品本錢(qián)廢品率-量鋼煉鋼產(chǎn)鋼率軋鋼成材率出鋼-出鋼時(shí)間與熱效率電耗鐵含量脈式含量原料本錢(qián)N2裝料方法操作調(diào)整鋼種對(duì)廢鋼中剩余元素含量的限制HBI參加量對(duì)鋼中剩余元素的影響原料中剩余元素DRI：Cu、Sn平均在0.005%以下；02%、Sn為0.005－0.01%；廢鋼：Cu平均含量達(dá)0.35%以上，是鋼中剩余有害金屬元素的最主要來(lái)源。金屬年開(kāi)采量（萬(wàn)噸）可開(kāi)采年數(shù)備注鉛錫銀金鋅銅鎳錳鈷鐵鋁石油天然氣煤57718.11.440723584.89.18億噸9963

2223303141531291501742322334356328（1）全世界資源是有限的；（2）所有的金屬中，鐵量占約90％，所以未來(lái)的鋼鐵材料仍然是最主要的金屬材料。世界資源情況

8.環(huán)境1996年美國(guó)環(huán)保署關(guān)于溫室效應(yīng)氣體(CO2)排放量的數(shù)據(jù)1922kg/t-steelBOF/LD642kg/t-steelEAF〔含發(fā)電〕

轉(zhuǎn)爐流程的排放量大約是電爐流程的4倍輸入物料(1t粗鋼)礦石－鋼鐵聯(lián)合企業(yè) 廢鋼－小鋼廠

鐵礦石1500kg煉焦煤 610kg 熔劑 40kg燃料煤 60kg 合金 10kg塊礦 150kg 熱/冷生鐵熔劑 200kg DRI 1130kg廢鋼 175kg 廢鋼Σ＝2695kg Σ=1180kg水 5m3 (水) 3m3輸出物料(1t粗鋼)排放物(1t粗鋼)礦石－鋼鐵聯(lián)合企業(yè) 廢鋼－小鋼廠廢水(ss,油,NH3) 3m3固體懸浮物(ss) 1.6kg油 150kg氨態(tài)氮 110kg酚,甲基類,氰化物8kgCO 28kg CO2.5kgCO2 2.3t CO2 120kgSO2 2.2kg SO2 60gVOC 0.3kg NOX 0.5kgNOX 2.3kg 顆粒物16kg顆粒物 1.1kg其他(金屬,H2S) 65kg

輸入能源(1t粗鋼)

礦石－鋼鐵聯(lián)合企業(yè) 廢鋼－小鋼廠煤 19.2GJ(