中國的連續(xù)式電弧爐節(jié)能煉鋼技術研究
閱讀：2120發(fā)布時間：2012-6-28
hbzhan內(nèi)容導讀：對電弧爐節(jié)能技術在我國的發(fā)展與應用進行了綜述，重點介紹了廢鋼預熱、連續(xù)加料、高溫煙塵凈化、余熱利用技術等提高電弧爐冶煉效率，降低電弧爐冶煉能耗的技術裝備在我國的研發(fā)與應用情況。
一、電弧爐煉鋼的發(fā)展及現(xiàn)狀
電爐煉鋼自問世以來，呈不斷增長的發(fā)展勢頭，迄今為止占世界總鋼產(chǎn)量達31%以上，且保持著繼續(xù)上升的態(tài)勢，發(fā)達國家上升速度相對較快。我國電爐鋼產(chǎn)量近幾年也在不斷攀升，1996年以后，一大批現(xiàn)代化的電爐投產(chǎn)，電爐發(fā)展進入新的歷史時期，我國電爐鋼生產(chǎn)能力從90年代中期的2000萬噸／年，提高到2002年的4035萬噸/年。與此同時，采用*技術對現(xiàn)有電爐進行改造成為企業(yè)節(jié)能增效的一項重要舉措，其中，舞陽鋼鐵公司采用DP90型廢鋼預熱水平連續(xù)加料設備對2#電爐加料系統(tǒng)進行技術改造，投產(chǎn)后，各項技術經(jīng)濟指標均比改造前有了大幅提升，取得了明顯的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，隨后，舞鋼1#爐、3#爐、4#爐相繼改造成功，進一步證明了電爐煉鋼具有強大的市場競爭力！與轉爐流程比較，DP新型電爐煉鋼流程具有以下主要優(yōu)點：
1.1投資：電爐流程投資省，占地面積小，建設周期短；
1.2資源：隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，鐵礦石、焦煤等資源將日益匱乏，而廢鋼資源則會不斷積累，因此從長遠看電爐流程具有較大成本優(yōu)勢；
1.3環(huán)保：電爐流程產(chǎn)生的CO2、NOx、SOx等有害氣體量較高爐-轉爐流程少；
1.4能耗：廢鋼—電爐—鋼水短流程煉鋼與高爐—轉爐—鋼水長流程煉鋼兩種工藝相比，短流程總能耗僅為長流程的50%。
1.5廢鋼資源：據(jù)預測，到2020年左右基本實現(xiàn)工業(yè)化后，鋼鐵消費將達到峰值，此后廢鋼資源將越來越多，而以廢鋼為主的電爐鋼資源的成本優(yōu)勢也將日益凸顯。
1．6電爐煉鋼與中頻爐煉鋼比較：長期以來，采用中頻電爐煉鋼、連鑄、軋鋼的生產(chǎn)工藝也得到發(fā)展，由此興起很多小型煉鋼廠，當前，在東南亞及不少發(fā)展中國家也呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢頭，因其投資少見效快，在某些地區(qū)已成為電爐煉鋼的強有力競爭者，與中頻爐煉鋼相比，DP新型電爐煉鋼流程具有以下明顯優(yōu)勢：
1.6.1電弧爐生產(chǎn)工藝具有脫[C]、脫[P]、脫[O]、脫[S]，調(diào)整溫度、成分，去氣、去夾雜功能，而中頻爐只具備調(diào)整成分、及脫[O]功能，只能算是化鋼爐。
1.6.2中頻爐額定容量小，冶煉時間長，產(chǎn)能遠遠小于電弧爐。例如70t偏心底出鋼超高功率節(jié)能型電弧爐每爐鋼冶煉周期可縮短至45分鐘，年產(chǎn)鋼量可達到60-70萬噸。
1.6.3因電弧爐與中頻爐生產(chǎn)工藝不同，質量優(yōu)于中頻爐，可生產(chǎn)軸承鋼、油井管、高質量彈簧鋼等特鋼，而中頻爐只能生產(chǎn)質量要求不高的常用的碳素結構鋼；電弧爐成分容易控制，品種命中率可達到99.5%以上，而中頻爐[C]、[P]及合金元素配料高時不能調(diào)整，品種命中率低下。
1.6.4電弧爐+LF爐可與連鑄一對一匹配，生產(chǎn)節(jié)奏容易控制，中頻爐與連鑄難以做到，且生產(chǎn)節(jié)奏慢。
1.6.5經(jīng)應用和工業(yè)性對比測算，超高功率電弧爐如采用DP節(jié)能型廢鋼預熱連續(xù)加料技術，電耗成本可比中頻爐低約110元/t鋼。
1.6.62010年6月21日，*會同有關部門制定的《鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)范條件》規(guī)定：電爐公稱容量70噸及以上的煉鋼廠允許建設，70t以上超高功率節(jié)能型煉鋼電弧爐符合國家政策，企業(yè)可長期、持續(xù)、健康發(fā)展。而中頻爐則屬國家明令禁止和淘汰范圍之內(nèi)。
近年來鐵礦石大幅*，礦石資源危機已成定勢，我國《鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》明確指出要“逐步減少鐵礦石比例和增加廢鋼比重”，減少原生資源的開采，增加循環(huán)資源的利用，實現(xiàn)資源合理配置，這是實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略決策，廢鋼鐵作為可循環(huán)利用資源，是緩解鐵礦石危機的重要途徑。以廢鋼鐵為主要冶煉原料的電爐煉鋼工藝，其生產(chǎn)和發(fā)展對我國鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要影響。據(jù)統(tǒng)計，世界電爐鋼產(chǎn)量的比重約占鋼總產(chǎn)量的32%-35%左右，發(fā)達地區(qū)和國家如歐盟、美國等電爐鋼比重已達到50%以上，隨著我國鋼鐵工業(yè)迅猛發(fā)展，在轉爐鋼產(chǎn)量急劇增漲的背景下，我國電爐鋼產(chǎn)量也逐年增加，電爐煉鋼的迅速發(fā)展已是大勢所趨。
2、國外電弧爐節(jié)能煉鋼技術裝備的研發(fā)及展
隨著電爐煉鋼行業(yè)的發(fā)展，人們對電爐節(jié)能技術的研究日益重視，日本利用電爐余熱預熱廢鋼，該系統(tǒng)采用遠距離分體布置，爐氣由管道輸入廢鋼余熱爐，入口爐氣溫度700-800度，廢鋼預熱至300度左右，每噸鋼可以節(jié)電30—45kw/h，冶煉周期縮短5-8分鐘，但該方法存在占地面積大,爐氣熱損失高，廢鋼預熱溫度低，有害氣體排放超標等難以解決的問題，現(xiàn)已停止使用。隨后又出現(xiàn)了雙殼電爐技術，利用兩臺爐交替使用的冶煉方法。既其中一個爐體進行冶煉時將其排出的廢氣送入另一個裝滿廢鋼的爐體中預熱廢鋼，其特點是充分利用了電爐廢氣的熱量，但是該設備存在操作難度大，兩爐切換的節(jié)奏不易掌握，占地面積大、投資大，運行費用高等缺點，當前已沒有再推廣的價值。20世紀90年代，采用豎爐進行廢鋼預熱和煙塵回收，其特點是將廢鋼預熱的料籃直接置于電爐頂部廢氣排放口處，工作時先把廢鋼裝在料籃內(nèi)，電爐內(nèi)1200—1500度高溫的廢氣穿過廢鋼進行預熱操作，廢鋼預熱溫度達到600度以上，節(jié)電可以達到100kw小時/噸鋼以上，但是豎爐也存在手指結構復雜，維修難度大、費用高，車間高度大等缺點，當前采用豎爐的廠家越來越少。上世紀90年代初，國外研制水平廢鋼預熱輸送設備，該機是利用電爐四孔的一次高溫煙氣預熱廢鋼，與同類產(chǎn)品相比，具有冶煉周期短，運行可靠、耗能低等優(yōu)點。但也存在預熱通道密封性差、廢鋼預熱溫度低、結構復雜且占地面積大、投資大等缺點，已逐漸被國產(chǎn)新型DP廢鋼預熱輸送設備所取代。
3、我國電弧爐節(jié)能煉鋼技術裝備的研發(fā)與應用
我國當前電弧爐煉鋼技術在產(chǎn)量、裝備技術、化技術和潔凈化技術方面均取得了一定的進展，但就能耗與國外同行業(yè)相比，我國電爐煉鋼的綜合能耗偏高，節(jié)能降耗是電弧爐生產(chǎn)技術發(fā)展的必然趨勢，尤其是我國面對廢鋼資源短缺、電力等能源緊張的現(xiàn)實情況，更要對電弧爐煉鋼的節(jié)能降耗進行深入研究，因此，圍繞進一步縮短冶煉周期、降低噸鋼能耗等核心課題，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)化電弧爐冶煉技術裝備，是我國大力發(fā)展電爐煉鋼的迫切任務。
近年來，河南太行全利重工股份有限公司自主研發(fā)的DP系列廢鋼預熱輸送成套設備，采用廢鋼預熱、連續(xù)給料、電爐余熱回收利用、高溫煙塵凈化等一系列*和手段，有效解決以電爐煉鋼為生產(chǎn)方式的鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)能耗高、生產(chǎn)效率低、環(huán)境污染嚴重的問題，*，已成為我國電爐煉鋼行業(yè)進行技術改造和新建項目工程的，其主要特點為：
1、DP系列廢鋼預熱輸送成套設備可將在線預熱的廢鋼連續(xù)加入電爐，實現(xiàn)了連續(xù)預熱廢鋼，連續(xù)投放加料，連續(xù)熔化廢鋼，連續(xù)氧氣冶煉的電爐冶煉工藝技術更新。全程熔化氧化冶煉及全程泡沫渣操作，簡化了傳統(tǒng)電爐工藝的廢鋼熔化過程，大幅度削弱了廢鋼熔化期內(nèi)三相電流對電網(wǎng)的無功沖擊，從根本上抑制了電壓閃變及高次諧波的發(fā)生，提高了電網(wǎng)的安全運作指數(shù)。
1.1全程熔化氧化冶煉是電爐煉鋼技術進步的充分體現(xiàn)
傳統(tǒng)意義上的超高功率電爐，未實施廢鋼預熱與連續(xù)加料技術三次廢鋼熔化期，累計化料時間大約35min，采用大留鋼量全程熔池氧化冶煉技術后，熔化期不復存在，演變成了熔化氧化過程。除留鋼量偏小的電爐外其余冶煉時間段，三相負荷平衡，電弧平穩(wěn)，因此電壓閃變及高次諧潑發(fā)生幾率可減少60%以上。
傳統(tǒng)冶煉工藝，一般而言每爐需施開爐蓋加料三次，每次平均耗材4min，采取廢鋼連續(xù)加料后，減少熱停工時間至少12min以上（若需壓料耗材時將會延長），按超高功率類比計算，可提高電爐產(chǎn)能2%以上，即使用該煉鋼技術后，在不增加其它任何投資的情況下，原電爐年產(chǎn)鋼能力增加2%，增效顯著，另一方面單行冶煉時間縮短12min，為電爐煉鋼實現(xiàn)的連續(xù)化生產(chǎn)提供了強有力的工藝保證。傳統(tǒng)電爐煉鋼，熔化期內(nèi)功率因數(shù)一般在0.5左右，電能利用率很低，實施全程熔化氧化冶煉后，變壓器功率因數(shù)量期增加到0.85以上，顯然電能輸入密度提高了，電能利用率也同等提高了，冶煉電耗必然降低，冶煉周期必將縮短。
2003年舞鋼國產(chǎn)化改造了一座90T電弧爐。該電弧爐采用超高功率供電、部分熱裝鐵水、DP90型廢鋼預熱水平連續(xù)加料、RBT出鋼、水冷爐壁、輔助能源優(yōu)化利用、USTB集束氧槍、環(huán)境保護等多項*技術，經(jīng)過幾年運行，各項指標達到*水平，號稱“中國電爐王：效率zui高、能耗zui低！”。截止2009年舞鋼已經(jīng)連續(xù)投產(chǎn)應用DP系列廢鋼預熱輸送系統(tǒng)的4條生產(chǎn)線，均取得了顯著的節(jié)能減排、煉鋼效果。
舞鋼2#電爐取得的經(jīng)濟技術指標
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冶煉周期平均38min/爐；
zui短30min/爐；
zui高日產(chǎn)43爐/天，產(chǎn)量4560t/d；
電耗平均222kWh/t.鋼；
zui低160kWh/t.鋼；
氧耗平均41Nm3/t.鋼；
電極消耗平均1.3kg/t.鋼；
zui低1.08kg/t.鋼；
1.2結合鐵水熱裝工藝，進一步發(fā)揮廢鋼預熱與連續(xù)加料節(jié)能煉鋼優(yōu)勢
電爐煉鋼時加一定量的熱裝鐵水，其主要原因一是廢鋼價格與鐵水成本現(xiàn)階段相差不大；二是鐵水熱裝充分利用了熱能并能夠降低冶煉電耗；三是加入30%以上鐵水與大留鋼量冶煉操作具有同等功效，能夠實施全過程熔化冶煉。
從理論上講，電爐鐵水熱裝*熱裝比是40-50%，該比例不僅大幅度降低了冶煉電耗，而且兼顧了電爐冶煉節(jié)奏，保證了煉鋼全線生產(chǎn)的連續(xù)性。
電爐實施鐵水熱裝后，需要在不同時段對氧氣壓力及氧氣流量進行實時合理控制，同時為避免熔化溫度發(fā)生梯度變化而導致熔化大沸騰，往往需要對熔化進行深吹與淺吹相結合的吹氧攪拌，另一方面全程泡沫渣工藝必須同步到位，渣層厚度上必須保證。
2、多途徑提高廢鋼預熱溫度，充分挖掘節(jié)能效果
DP系列廢鋼預熱輸送成套設備其節(jié)能效果與廢鋼預熱方式，廢鋼的預熱時間，預熱通廊的密封性及高溫煙氣的性能等因素密切相關，如何zui大限度提高廢鋼預熱溫度即是體現(xiàn)節(jié)能效果的關鍵指標，也是提升產(chǎn)品綜合性能的研發(fā)重點。為此做出以下有益探索：
2.1不斷完善廢鋼預熱料槽結構設計的合理性
廢鋼預熱槽結構模式，河南太行全利重工股份有限公司早期產(chǎn)品采取水冷結構，這種結構的優(yōu)點是設備運行可靠，故障率低，維修量小。但是與料槽相接觸的廢鋼預熱溫度因水冷料槽的冷卻所削減，進而影響廢鋼的預熱效果，對于廢鋼厚度不超過10㎜或堆比重不超過1.0kg/cm3的這類廢鋼，因廢鋼密度小受影響并不突出，但是對于厚度超過10㎜的各種壓塊或中、重型廢鋼則不然。
2.2提高熱氣流的滲透性，是提高廢鋼預熱溫度的有效途徑
高溫煙氣在預熱通道內(nèi)的密度沿煙道截面分布是不同的，阻力小的區(qū)域密度就高，反之密度就低，也就是說預熱槽上無序堆放的廢鋼其截面熱氣流的密度不及通道內(nèi)中心區(qū)域，所以提高熱氣流在廢鋼料層的滲透性是提高廢鋼預熱溫度的必要手段。在保溫煙罩內(nèi)增設傾斜式煙氣阻尼裝置，能將煙氣運動軌跡改變?yōu)椴ɡ耸角斑M，有效提高熱氣流在廢鋼料層的滲透性，以達到增加高溫煙氣與廢鋼相互接觸的面積，繼而提高廢鋼預熱溫度。
2.3減少混風面積，提高煙氣熱能
電爐入料口是廢鋼連續(xù)加料及高溫煙氣的工藝通道，要求電爐進行搖爐放渣操作時對不中斷廢鋼連續(xù)預熱和連續(xù)加料作業(yè)。即電爐向爐前方向傾爐3度時，電爐入料口與振動小車料槽不發(fā)生碰撞。另外電爐爐蓋提升后外旋與廢鋼預熱水*罩不發(fā)生碰撞，但是縫隙面積過大混入的緩向野風比例也大，每增加0.1㎡混風面積，混風量就增加7200m3/h,電爐入料口與料槽相關的三個邊都存在一定的工藝間隙。一般而言入料口的混風面積不低于0.6㎡由此混入的野風可達到43200m3/h，幾年下來混入的野風可占廢鋼預熱煙氣工況風量的1/3。假設電爐高溫煙氣在入料口處溫度為1100-1200℃,混風后煙氣溫度必會下降，不考慮電爐爐內(nèi)與大氣壓差時，混風后的煙氣溫度約900℃.因此妥善解決電爐入料口動態(tài)密封，是確保煙氣熱能的重要途徑。
3、開發(fā)DP系列新產(chǎn)品適應市場需求
3.1研制DP-L垂直型廢鋼預熱輸送設備
DP標準型廢鋼預熱輸送設備是在電爐非短網(wǎng)側沿電爐中心線水平布置的，長度一般為40至50m，若太短則廢鋼在預熱通道的時間過短，預熱溫度低（附表：預熱長度與預熱溫度對照表）。有的企業(yè)，同一跨廠房內(nèi)擁有多個電爐，電爐之間距離較近，若采用廢鋼預熱設備時，現(xiàn)有的廢鋼預熱輸送設備均不能滿足要求，需要研制新的廢鋼預熱輸送輸送設備，為此，河南太行全利重工股份有限公司與蘇鋼合作，研制了DP-L垂直型廢鋼預熱輸送設備，該機的特點是將移動式振動給料機煙罩側面開孔與尾部振動輸送機垂直連接，工作時，給料機上部的水*罩固定不動，給料機本體則可沿電爐（四孔側）中心線水平前后移動進入電爐或從爐內(nèi)退出，實現(xiàn)向電爐連續(xù)給料、連續(xù)預熱廢鋼的工藝要求。該機的研制成功，進一步拓寬了DP系列廢鋼預熱輸送成套設備的應用范圍，zui大限度的滿足了各種爐型、各種布局電爐車間的技改需要。
3.2研制DP-T脫磷爐廢鋼預熱輸送設備
浦項不銹鋼有限公司是主要生產(chǎn)、銷售不銹鋼的企業(yè)，2010年9月份，該公司投資建設脫磷爐，該爐安裝在現(xiàn)有140tEAF車間維修跨17-19#柱間，廢鋼輸送的有效距離僅有31m；所用原料一部分是不銹鋼廢料，一部分則是高磷鎳鐵塊式基料，鎳鐵塊厚度≥120㎜，堆比重超過3.0kg/cm3,這些原料的基本特性是不導磁，料厚，比重大，用電磁吸盤無法吊運，標準型的廢鋼預熱輸送設備不能滿足脫磷爐連續(xù)加料、連續(xù)預熱廢鋼的工藝要求。
2011年初，河南太行全利重工股份有限公司與浦項不銹鋼合作，研制成功了DP-T60型脫磷爐廢鋼預熱輸送設備，該機除了具有標準型DP廢鋼預熱輸送設備的全部性能外，還具有以下主要特點
1、采用了超長型的移動式振動給料機（給料槽長度約9m）；
2、超短型的廢鋼預熱輸送通道（輸送槽有效長度20m）；
3、移動式雙層料倉結構；
4、雙層輸送料槽結構；
5、高溫煙氣導流煙道等。
經(jīng)過近六個月的生產(chǎn)使用，采用DP-T60型脫磷爐廢鋼預熱輸送設備的浦項60t脫磷爐與現(xiàn)有普通電爐對比，具有以下明顯優(yōu)勢：
冶煉電耗低：噸鋼節(jié)電80-100Kwh。（1）脫磷爐冶煉時不用掀開爐蓋，熱能損失低；（2）廢鋼被預熱400℃以上；（3）熔池連續(xù)熔化廢鋼，電弧平穩(wěn)，電能利用效率高。
電極消耗少：噸鋼節(jié)省0.6-0.75Kg（1）平熔池冶煉,電弧平穩(wěn),電極折斷率幾乎為零；（2）廢鋼被預熱，電能利用率增大、熱能充分利用，平均每爐送電時間由原來的50min下降到40min（3）脫磷爐是電極加熱鋼水，鋼水加熱廢鋼，沒有電極穿孔過程。
冶煉周期短：每爐鋼zui少縮短15-20min（1）脫磷爐加料時不用掀開爐蓋，節(jié)省了加料、壓料時間；（2）電能、熱能利用率提高后冶煉節(jié)奏加快。
電壓閃變及高次諧波發(fā)生概率低：分別降低31-40%，34-43%；脫磷爐實施連續(xù)加料后，冶煉工藝被更新優(yōu)化全程熔池冶煉，三相電弧平穩(wěn)，無傳統(tǒng)工藝熔化期中單相短路現(xiàn)象發(fā)生。
噪音小：噪聲降低量≥20dB（1）冶煉工藝全程熔池冶煉，無沖擊負荷；（2）全程泡沫渣，埋弧冶煉；（3）爐蓋不開啟，提高了隔音效果。
脫磷爐年出鋼產(chǎn)量高：提高20%，同等配置條件下電爐單爐冶煉周期縮短了15-20min。
該項目竣工投產(chǎn)以來，整套設備*不銹鋼生產(chǎn)工況的要求，節(jié)能減排效果明顯，得到使用單位贊譽。
4、結論
4.1我國電弧爐煉鋼的發(fā)展應該在現(xiàn)有工藝的基礎上，圍繞縮短冶煉周期、降低噸鋼能耗這一核心課題，大力開發(fā)和推廣應用具有自主知識產(chǎn)權的現(xiàn)代電弧爐節(jié)能煉鋼技術及裝備；
4.2面對我國廢鋼資源短缺、電力緊張的現(xiàn)實情況，采用DP廢鋼預熱輸送設備，是進一步縮短電弧爐冶煉周期、提高電弧爐煉鋼生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)能耗，節(jié)能減排的有效措施；
4.3DP新型電爐煉鋼流程將在線預熱的廢鋼連續(xù)加入電爐，實現(xiàn)了連續(xù)預熱，連續(xù)加料，連續(xù)熔化，連續(xù)冶煉的電爐冶煉工藝技術創(chuàng)新，是實現(xiàn)電爐煉鋼轉爐化zui直接、zui有效的技術措施，也是中頻爐等小型煉鋼企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉型的方向，對于我國在新的條件下促進電弧爐煉鋼的發(fā)展具有十分重要的意義；
4.4DP新型電爐煉鋼流程已在國內(nèi)外多家鋼鐵企業(yè)得到成功實施和應用，并將對今后時期電爐煉鋼工藝設計、設備選型、專業(yè)人才培養(yǎng)等諸多方面產(chǎn)生較為深遠的影響；河南太行全利重工股份有限公司愿與廣大煉鋼企業(yè)、科研院所和社會有志之士開展廣泛的交流與合作，共同開啟新世紀低碳冶金新的篇章。
