電弧爐煉鋼工藝的節(jié)能降耗技術(shù)-周衛(wèi)國

1、電弧爐煉鋼工藝的節(jié)能降耗技術(shù)周衛(wèi)國（西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院冶金工程系，陜西西安710043）摘要：世界范圍內(nèi)能源價格的持續(xù)上漲，不斷推動電爐煉鋼工藝和操作的優(yōu)化。人們致力于最高效率條件下的最低成本生產(chǎn)，只有在兩者兼顧的情況下，才能保證電爐煉鋼工藝的競爭力。對于復(fù)雜電弧爐煉鋼工藝的優(yōu)化，不僅需要豐富的煉鋼知識，而且需要合適的成套工藝技術(shù)。只有這樣，才能實現(xiàn)煉鋼過程中化學(xué)能和電能的高效利用，達(dá)到冶煉工藝的最優(yōu)化。本文介紹了世界電弧爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展，并從增加能量供應(yīng)，增加輸入功率和提高能量的利用效率三個方面分析了電弧爐煉鋼企業(yè)所采用的主要節(jié)能技術(shù)。關(guān)鍵詞：電弧爐煉鋼，能源效率，電能，節(jié)能降耗Ene

2、rgysavingtechnologyofEAFsteelmakingZHOUWei-Guo(Xi'anUniversityOfArchitectureAndTechnologyHuaqingCollegeofmetallurgyengineering,Xi'anShaanxi700043)Abstract:risingenergypricesworldwide,andconstantlypromotetheoptimizationofEAFsteelmakingprocessandoperation.Thelowestcostpeoplecommittedtothehighe

3、stefficiencyundertheconditionsofproduction,butinbothcases,inordertoensurethecompetitivenessofelectricarcfurnacesteelmakingprocess.Fortheoptimizationofcomplexprocessoftheelectricarcfurnacesteelmaking,requiresnotonlyknowledge,butalsoneedtocompletetheprocessofappropriatetechnology.Onlyinthisway,chemica

4、lenergytoachievethesteelmakingprocessandenergyefficientuse,optimalsmeltingprocess.Thispaperpresentsthedevelopmentofelectricarcfurnacesteelmakingtechnology,andfromincreasingenergysupply,increasingtheinputpowerandthethreeaspectstoimprovetheefficiencyofenergyutilizationanalysisofthemainenergysavingtech

5、nologiesusedinelectricarcfurnacesteelmakingenterprises.一前言電弧爐煉鋼的發(fā)展及現(xiàn)代電弧爐煉鋼自上世紀(jì)中葉至今，盡管轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，但世界電爐鋼的比例不斷增長，從1950年的713%增長到2003年的3311%,其中美國從612%增長到4819%,2004年美國電爐鋼的比例達(dá)53%1。1950年以后，電弧爐煉鋼所占份額迅速上升，成為與轉(zhuǎn)爐流程相抗衡的第二大鋼鐵制造流程，主要原因有：（1）平爐煉鋼為氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼所代替，積累的廢鋼轉(zhuǎn)由電弧爐煉鋼流程來消化。（2）超高功率電弧爐煉鋼技術(shù)成功應(yīng)用，使電弧爐煉鋼的效率顯著提高，生產(chǎn)成本大

6、幅度降低。（3）連鑄、連軋技術(shù)的成功應(yīng)用，廢鋼）電弧爐煉鋼）連軋型的“小鋼廠”迅速發(fā)展，占領(lǐng)長型材生產(chǎn)份額?，F(xiàn)代電弧爐煉鋼的特征總Z為：高效、節(jié)能、環(huán)保。其中現(xiàn)代電弧爐煉鋼的首要特征就是“高效低耗”，多項現(xiàn)代電弧爐高效低耗煉鋼技術(shù)在我國得到了研究、推廣及應(yīng)用與長足發(fā)展。近年來，我國電弧爐煉鋼生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅速，電弧爐的部分經(jīng)濟(jì)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國際水平，但還有一定的差距。與此同時，國內(nèi)、國際競爭日趨激烈，能源、環(huán)境問題日益突出。節(jié)能降耗是電弧爐生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。二電爐煉鋼能量消耗電爐煉鋼的能量消耗受能源效率、能量回收、原材料消耗和操作水平等工藝參數(shù)的影響如圖1所示。圖1電爐煉鋼工藝能源消耗的影響

7、因素電弧爐煉鋼主要有這幾方面的消耗：鋼鐵料消耗鋼鐵料消耗是一個重要的減量化指標(biāo)，目前我國電弧爐鋼鐵料消耗指標(biāo)的平均水平大概為1100kg/t鋼至ij1150kg/t鋼之間，我國個別企業(yè)可以達(dá)到1030kg/t鋼到1040kg/t鋼之間。為減少鋼鐵料消耗而采取的技術(shù)措施主要有：廢鋼質(zhì)量的提高。通過對廢鋼實施分類堆放、加強(qiáng)分揀、減少泥沙等措施，可減少鋼鐵料的消耗，降低電耗，縮短冶煉周期，提高鋼水收得率，降低或控制鋼中的殘余元素。固態(tài)爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。電弧爐中爐料主要以廢鋼為主，應(yīng)用較多的還有直接還原鐵、熱壓塊鐵、冷生鐵等。石灰的消耗石灰作為電弧爐煉鋼重要的“造渣劑”，我國電弧爐石灰消耗從過去使用普通

8、石灰時100kg/t鋼到150kg/t鋼之間，降低到現(xiàn)在使用活性石灰的50kg/t鋼左右，我國先進(jìn)水平達(dá)到了44kg/t鋼左右，縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。為減少石灰消耗而采取的技術(shù)措施是：建設(shè)一流活性石灰生產(chǎn)線，其中，麥爾茲（MAERZ）石灰窯技術(shù)在我國引進(jìn)的事例較多，業(yè)績也很好，適合大、中、小型鋼廠或特鋼企業(yè)建設(shè)。根據(jù)煉鋼實踐，使用活性石灰可以提高脫磷脫硫效率80%耐火材料的消耗在眾多高溫工業(yè)中，鋼鐵工業(yè)是耐火材料最重要的用戶，耐火材料在鋼鐵工業(yè)中的使用量約占總量的65%70%。目前我國底出鋼電弧爐的耐火材料消耗大概為每噸鋼12kg,我國電弧爐噸鋼耐火材料單耗平均水平約為1015kg。為減

9、少耐火材料消耗而采取的技術(shù)措施主要有：直流電弧爐技術(shù)（耐火材料消耗可降低30%）;泡沫渣技術(shù)；電弧爐偏心底出鋼技術(shù)（噸鋼耐火材料消耗可降低25%）。電極的消耗石墨電極在鋼鐵冶煉中占有一定成本的比例，而且消耗量不小，各企業(yè)和廠家比較看重電極的消耗和使用效果。因此，電極消耗不僅是企業(yè)生產(chǎn)中一項重要的考核指標(biāo)，也是重要的減量化指標(biāo)。為減少電極消耗而可以采用的技術(shù)措施有：直流電弧爐技術(shù)；泡沫渣技術(shù)；超高功率電弧爐技術(shù)。燃料的消耗從圖2和圖3可以看出，電爐能耗是輸入的氧氣和碳的函數(shù)，電爐的高效操作意味著冶煉能耗低，同時氧氣和天然氣消耗也低。由于并不是所有的電爐都能有效使用氣體和碳質(zhì)燃料，所以這兩種原料消

10、耗與電爐的能量消耗沒有直接關(guān)系圖7,8的氧耗和碳耗數(shù)據(jù)關(guān)系變化表明，氧耗、碳耗與電爐能耗并沒有直接關(guān)系。只有合理使用碳質(zhì)燃料，同時提高化學(xué)能利用效率，才能降低電爐能耗。、圖253個商業(yè)運行的工廠的電爐電耗和氧氣消耗的比較8507巴吩電轉(zhuǎn)訓(xùn)輒圮德ANmr，無敕氣苒疑47Nmsfl（前隹650'13*事f.1而V*東4%J*：；1*ff*卜，t?SQ1J1，力2Q,0M。為0咤柑礴W,kli圖353個商業(yè)運行的工廠的電爐電耗和碳消耗的比較近些年來，電弧爐的綜合用氧技術(shù)日漸成熟和高效化，主要體現(xiàn)在以助熔為目的的氧燃燒嘴技術(shù)，氧燃燒嘴可分為煤氧燒嘴、氧油燒嘴、氧天然氣燒嘴及氧煤氣燒嘴。為了更有

11、效的利用氧氣和煤粉等燃料而可以采用的技術(shù)有：超高功率電弧爐技術(shù)；氧燃燒嘴技術(shù)；近幾年采用的一種新氧槍即聚流氧槍技術(shù)，它具有射流長度長、吸入空氣少、射流發(fā)散少、衰減慢和射流沖擊力大等優(yōu)點。2.6電能的消耗電弧爐煉鋼以消耗電能為主，電耗在鋼成本中占很高比例，節(jié)電是降低成本的主要途徑之一。在通電過程中，由于電爐的不當(dāng)操作引起的能量損失主要有：（1）熔化和精煉過程中的化學(xué)能損失（燒嘴位置和流量設(shè)定等）；（2）不恰當(dāng)?shù)呐菽斐呻娔艿膿p失；（3）非標(biāo)準(zhǔn)化操作造成的能量損失。斷電過程中的能量損失也是增加冶煉能耗的因素，包括加料、出鋼和轉(zhuǎn)動等過程，以及工的延誤，也會造成一定的能量損失。目前我國電弧爐冶煉電耗

12、的平均水平已達(dá)到350kWh/t鋼，我國先進(jìn)水平噸鋼耗電量達(dá)到了310kWh該指標(biāo)處于世界先進(jìn)水平行列。如果配合相應(yīng)的技術(shù)措施電耗指標(biāo)可以降到更低。為了降低電耗而采用的技術(shù)措施有：超高功率電弧爐技術(shù)（生產(chǎn)率可達(dá)120t/h3）;鐵水熱裝技術(shù)（每熱裝1t鐵水，就可以節(jié)約電494kWh4）;電弧爐偏心第2期吳海，等：電弧爐煉鋼發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的研究27底出鋼技術(shù)（綜合節(jié)電能22%）;導(dǎo)電橫臂技術(shù)（與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，損耗減少10%）；合理供電技術(shù)；電弧爐底吹攪拌技術(shù)。此外，文章前面部分所提到的直流電弧爐技術(shù)、強(qiáng)化供氧技術(shù)、泡沫渣技術(shù)等也都是降低電耗的方法和技術(shù)措施。出檢監(jiān)供電-Jrv_K1（轉(zhuǎn)初H間）:0

13、圖4通電和斷電情況下影響電爐能量損失的因素三電弧爐煉鋼節(jié)能技術(shù)電弧爐煉鋼的功能在于將冷廢鋼加工成為成分和溫度合格的鋼水，其中包括了功能和冶金兩方面的操作。討論電弧爐煉鋼的能量問題，包括三個工程技術(shù)問題：（1）增加能量供應(yīng)，包括電能和其它物理熱和化學(xué)能，換取生產(chǎn)率的提高；（2）增加輸入功率，包括電功率和單位時間內(nèi)其它物理熱和化學(xué)熱的供應(yīng)量，提高電弧爐煉鋼的生產(chǎn)速率，亦即縮短冶煉周期、提高生產(chǎn)節(jié)奏；（3）提高能量的利用效率。超高功率供電技術(shù)電弧爐煉鋼采用超高功率冶煉，提高熔池能量輸入密度，加速爐料熔化，大幅度縮短冶煉時間，從而使電弧爐的熱效率提高，單位電耗顯著下降。超高功率電弧爐具有獨特的供電制度

14、，在整個冶煉過程中采用高功率供電，熔化期采用高電壓、長電弧快速化料，熔化末期采用埋弧泡沫渣操作，促使熔池升溫和攪拌，保證熔體成分和溫度的均勻化，同時減輕爐襯的熱負(fù)荷，達(dá)到提高電弧爐煉鋼生產(chǎn)率，降低電耗的目的。圖5列出了某國72t不同功率電弧爐的主要技術(shù)參數(shù)，可以看出采用超高功率冶煉的電弧爐的總效率也較高。fflnmsits掰fcw.IVA*11iVbW*h*i/%鞭琳20恨第2751S61削宰307J硼4146570腿辨50的覦6241778圖5某國75t不同功率電弧爐的主要技術(shù)參數(shù)強(qiáng)化用氧技術(shù)強(qiáng)化用氧技術(shù)主要有氧燃燒嘴、吹氧助熔和熔池脫碳、爐門噴碳粉和吹氧機(jī)械手、底吹氧氣和二次燃燒技術(shù)等。近

15、年來，強(qiáng)化用氧技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對電弧爐煉鋼技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的改善起到了重要的作用。其中氧燃燒嘴、氧槍和二次燃燒是主要的用氧方式，將它們結(jié)合使用可起到改善熔池攪拌效果、促進(jìn)冶金反應(yīng)、降低電耗以及提高生產(chǎn)率等作用。強(qiáng)化用氧具有一最佳值，目前電能與氧之間的消耗比例還遠(yuǎn)未達(dá)到此最佳值。高效、節(jié)能是21世紀(jì)電弧爐煉鋼工藝的指導(dǎo)思想，合理利用能源已成為發(fā)展電弧爐煉鋼新技術(shù)的主攻方向成為發(fā)展電弧爐煉鋼新技術(shù)的主攻方向。在電弧爐冶煉過程中進(jìn)行強(qiáng)化用氧的目的除了加快脫碳速度以外，還充分利用氧氣與原料中易氧化元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所放出的熱量，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。各種元素氧化的理論熱值如表3所示，根據(jù)理論計算，對于普通鐵水

16、，每吹入1m3的氧氣，所含元素在1600C時反應(yīng)理論發(fā)熱值約為4kWh,可以計算出強(qiáng)化用氧供能占總能量供應(yīng)的25%30%6。近代電弧爐煉鋼大量使用氧氣，再加上其他煉鋼技術(shù)使冶煉周期縮短至4060min,故有“電弧爐煉鋼轉(zhuǎn)爐化”之說。因此，強(qiáng)化用氧技術(shù)已經(jīng)成為電弧爐煉鋼重要的技術(shù)方向。熱裝鐵水技術(shù)電弧爐兌入部分鐵水冶煉是我國冶金工作者對現(xiàn)代電弧爐煉鋼技術(shù)發(fā)展的貢獻(xiàn)。實踐證明它不僅能縮短供電時間和冶煉周期、降低冶煉電耗、稀釋廢鋼中的有害元素、利于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼水、開發(fā)新鋼種提高產(chǎn)品競爭力，而且可解決部分廢鋼短缺問題。目前我國許多冶金企業(yè)在電弧爐內(nèi)兌鐵水后取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。鐵水在1350C時其熱焰為1

17、221kJ/kg。因此每加熱1t鐵水即可帶入物理熱1.22M06kJ,相當(dāng)于339kWh的電能。從元素氧化釋放熱量的角度來看，氧化鐵水中元素所釋放的熱量要比氧化廢鋼中元素所釋放的熱量多。以1t鐵水代替1t廢鋼為例，按1400C時元素氧化釋放的熱量計算，鐵水氧化后多釋放的化學(xué)熱為559265kJ,相當(dāng)于155kW-h的電能。因此熱裝1t鐵水，可節(jié)電339+155=494kWh7。電弧爐煉鋼法的基礎(chǔ)是廢鋼的穩(wěn)定供給，而由高爐。向電弧爐直供熱裝鐵水不但可以緩解廢鋼資源緊缺的壓力，同時，熱裝鐵水帶入大量的物理顯熱，并有大量的C,Si,Mn等元素與O反應(yīng)釋放大量的化學(xué)潛熱，可有效地提高熔池溫度，降低冶煉

18、電耗，減少電極等輔助材料的消耗，縮短冶煉周期，從而提高煉鋼生產(chǎn)效率。電弧爐熱裝鐵水能顯著降低冶煉能耗與煉鋼本身的總能耗，但鐵水煉鋼是一個從鐵礦石到冶煉的長流程工藝，其總能耗比用廢鋼為原料的短流程工藝約高出一倍，因此電弧爐熱裝鐵水只適用于具有多余鐵水的鋼鐵企業(yè)。泡沫渣技術(shù)泡沫渣技術(shù)是在電弧爐冶煉過程中，吹氧的同時向熔池內(nèi)噴碳粉或碳化硅粉，加劇碳氧反應(yīng)，在渣層內(nèi)形成大量的CO氣體泡沫，使渣層厚度達(dá)到電弧長度的2.53.0倍，電弧完全被屏蔽，從而減少了電弧輻射，提高了電弧爐的熱效率，也延長了電弧爐的壽命。隨著超高功率電弧爐的出現(xiàn)和發(fā)展而得以應(yīng)用的電弧爐泡沫渣技術(shù)，綜合起來有以下優(yōu)點：使長弧操作變?yōu)榭?/p>

19、能；降低電耗、縮短冶煉時間、提高生產(chǎn)率；降低電極消耗；有利于脫硫、脫磷和去除氣體。采用泡沫渣后加熱效率可達(dá)到60%以上，節(jié)電1030kW-h/t,縮短冶煉時間14%。電弧爐煉鋼余熱利用技術(shù)從某種意義上講，電爐煉鋼引入輔助能源的主要效果是降低電耗，而無助于降低總能耗。降低電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。爐氣能量有兩種，一種是高溫爐氣帶走的物理顯熱，另一種是爐氣可燃成分的化學(xué)能。為了充分利用這部分能量，人們發(fā)展了二次燃燒技術(shù)及廢鋼預(yù)熱技術(shù)。電爐廢氣中的能量損失約為80200kWh/,t由于這些能量的損失使煉鋼工作者致力于采用廢鋼預(yù)熱方法回收廢氣中

20、的顯熱，采用二次燃燒技術(shù)回收廢氣中的CO和H2的潛熱?；瘜W(xué)余熱再利用一一二次燃燒二次燃燒技術(shù)是通過二次燃燒裝置噴射適量的輔助氧氣來燃燒CO和操作中產(chǎn)生的其他氣體，放出大量的熱量預(yù)熱周圍的廢鋼并返回熔池內(nèi)部，從而縮短冶煉時間，取得節(jié)能降耗的效果。二次燃燒技術(shù)主要包括三項技術(shù)：水冷氧槍、氧氣流量控制和氣體分析系統(tǒng)。二次燃燒是新出現(xiàn)的技術(shù)，其目的是降低能源成本，增加電弧爐的生產(chǎn)率。這是泡沫渣技術(shù)的直接延續(xù)。電弧爐爐氣的二次燃燒可以達(dá)到如下效果：減少電耗；提高生產(chǎn)強(qiáng)度；提高爐料的配碳量；有利于廢氣處理。物理余熱利用廢鋼預(yù)熱物理預(yù)熱的利用近年來取得了重大突破。目前廢鋼預(yù)熱型電爐主要有以下3類：雙殼爐、以

21、FUCH妒為代表的豎爐和以Consteel技術(shù)為代表的連續(xù)煉鋼技術(shù)電弧爐煉鋼結(jié)合廢鋼余熱的最新發(fā)展是Fuchs公司開發(fā)的豎爐-電弧爐，即將傳統(tǒng)的爐外廢鋼預(yù)熱裝置移到爐子上部，進(jìn)行爐內(nèi)廢鋼預(yù)熱，充分進(jìn)行二次燃燒化學(xué)能的轉(zhuǎn)換和高溫爐氣的物理余熱回收，兼顧過濾煙塵。在電弧熔化廢鋼前，使?fàn)t氣的顯熱和化學(xué)熱用于預(yù)熱廢鋼，從而節(jié)省了爐內(nèi)輸入能量。該工藝的生產(chǎn)率和加工成本因下列原因而改善：廢鋼熔化前得到余熱，縮短了熔化時間；功率輸入有所改善，提高了爐子的生產(chǎn)率；金屬收得率有所提高；節(jié)省電極和耐火材料；減輕環(huán)境污染。除塵余熱利用技術(shù)最大限度地回收電爐煙氣中的余熱是電爐煉鋼企業(yè)節(jié)約能源、降低除塵系統(tǒng)運行費用和企業(yè)生產(chǎn)成本的重要途徑，也是企業(yè)實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和清潔生產(chǎn)的重要途徑之"o以電弧爐為主的短流程煉鋼過程中會產(chǎn)生一些鐵素資源，如產(chǎn)生的爐氣中會有大量的煙塵灰和污泥，這些回收的含鐵塵泥通過干化、混勻后進(jìn)入燒結(jié)配料槽，作為燒結(jié)原料利J用；短流程中的連鑄連