電弧爐短流程煉鋼技術(shù)的應(yīng)用

電弧爐短流程煉鋼技術(shù)的應(yīng)用

精煉的“短工藝”是指將電拱爐和連鑄連壓相結(jié)合的緊湊生產(chǎn)流程。主要表現(xiàn)為由原材料制成的電弧爐精煉、連鑄和生產(chǎn)能力形成的緊湊過(guò)程。電弧爐短流程因其在投資、效率、環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì),已成為世界鋼鐵生產(chǎn)的兩大主要流程之一。電爐短流程工藝近年來(lái)迅速發(fā)展,在全球范圍內(nèi)電爐煉鋼占總產(chǎn)鋼量比例已從20世紀(jì)50年代初的7.3%,提高到近年來(lái)的32%~35%,特別是美國(guó)和歐盟電爐鋼比例已達(dá)50%以上。但在世界范圍內(nèi)發(fā)展情況不平衡,如中國(guó)雖然在近年內(nèi)新建了一批電爐短流程鋼廠,但因產(chǎn)鋼總量上升快,高爐-轉(zhuǎn)爐流程增產(chǎn)鋼能力占比例大,且因電爐短流程當(dāng)前存在成本因素制約,電爐鋼所占比例持續(xù)下降。但中國(guó)《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例”,這是實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略決策。本文將在分析電弧爐短流程工藝國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,初步探討其發(fā)展趨勢(shì)。1現(xiàn)代短工藝鋼法的發(fā)展1.1國(guó)外電弧爐短流程生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展“短流程”在產(chǎn)品高端化、能源多樣化、原料多元化等方面的優(yōu)勢(shì),引起了人們重視。由于各國(guó)各地區(qū)廢鋼、電、鐵礦石、煤炭、天然氣等資源條件的不同,電爐短流程鋼廠的發(fā)展情況也有所不同,如圖1所示。中國(guó)由于粗鋼產(chǎn)量的連年猛增,造成電爐鋼的比例不增反減,成為世界上少數(shù)幾個(gè)電爐鋼比例下降的國(guó)家之一。美國(guó)的電爐鋼生產(chǎn)占國(guó)際領(lǐng)先地位,其型鋼市場(chǎng)已被短流程鋼鐵企業(yè)完全占領(lǐng),北美地區(qū)厚板市場(chǎng)逐漸被IPSCO、NorthStar、Nucor、OregonSteel等公司的短流程鋼鐵企業(yè)所占領(lǐng),熱軋帶卷、冷軋板、鍍鋅板等薄板市場(chǎng)也逐漸被SDI、Nucor、Gallation、Deltasteel、Trico、Hylsa等公司的短流程鋼鐵企業(yè)所侵蝕,到2002年時(shí)美國(guó)已有7個(gè)廠共12流CSP生產(chǎn)線相繼建成投產(chǎn),產(chǎn)量超過(guò)1000萬(wàn)t,約為當(dāng)時(shí)全世界CSP產(chǎn)量的1/3。歐洲在20世紀(jì)90年代興起了電弧爐短流程發(fā)展的一個(gè)高潮,并在發(fā)展短流程煉鋼過(guò)程中開(kāi)發(fā)了一大批電弧爐新工藝和新裝備,如有ABB、MAN-GHH、VAI、Clecim等公司開(kāi)發(fā)的不同類(lèi)型直流電弧爐,Fuchs公司的豎式電弧爐、超音速水冷氧槍等技術(shù),Danieli公司的高阻抗交流電弧爐、基于底吹和二次燃燒技術(shù)的DANARC爐,奧鋼聯(lián)的Comelt、ABB公司的ARCON、MDH公司的CONARC和CONTIARC,此外還有雙殼電弧爐,以及薄板坯連鑄-連軋技術(shù)CSP、德興公司的Consteel電弧爐等。隨著連鑄、連軋技術(shù)的逐漸成熟,面向高附加值產(chǎn)品、綜合先進(jìn)技術(shù)的電爐短流程鋼廠的新擴(kuò)建也越來(lái)越多,如:Ezz帶鋼公司在埃及AinSukhna新建短流程鋼廠,采用Danarc交流電弧爐、二次精煉、達(dá)涅利最新的薄板坯連鑄連軋工藝,半無(wú)頭軋制和熱態(tài)鐵素體軋制,是世界上具競(jìng)爭(zhēng)力的超薄帶鋼生產(chǎn)廠;美國(guó)AK鋼鐵公司投資18億美元擴(kuò)建俄亥俄州贊恩斯威勒特殊鋼廠的電爐煉鋼車(chē)間,新添新型高阻抗電弧爐、新型鋼包精煉爐、新型連鑄機(jī)和電爐鋼精加工設(shè)備等設(shè)備用于生產(chǎn)高附加值、取向電工鋼等鋼材。1.2電化學(xué)基本成分不斷增加,電隨著電爐鋼產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng),電爐短流程鋼廠生產(chǎn)技術(shù)也有眾多特點(diǎn),主要有以下幾個(gè)方面:1)生產(chǎn)品種的增加,從起初的長(zhǎng)材、扁平材到如今的高附加值產(chǎn)品;2)電爐容量及短流程煉鋼生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,最大電爐容量達(dá)400t,新建電爐鋼廠電爐容量由80~120t增至150~200t,近年來(lái)還增建了若干250~300t電爐的短流程鋼廠;3)高化學(xué)能電爐的發(fā)展,使電弧爐電耗不斷降低;4)原料多樣化,出現(xiàn)了從鐵礦石到熱軋產(chǎn)品的電爐短流程鋼廠(聯(lián)合小鋼廠),不少電爐采用了部分熱裝鐵水工藝;5)將各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)綜合,組成連續(xù)布置的電爐短流程鋼廠;6)前沿技術(shù)組成的電爐短流程鋼廠,如廢鋼預(yù)熱、薄帶連鑄、無(wú)頭軋制等。原料來(lái)源是電爐短流程與高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程的主要區(qū)分點(diǎn),結(jié)合不同的地區(qū)資源出現(xiàn)不同電爐短流程形式,電爐原料供給形式主要表現(xiàn)在以下幾方面。1建筑電弧材料在大多數(shù)廢鋼資源不足的國(guó)家,發(fā)展DRI作為廢鋼的補(bǔ)充成為了客觀需要。據(jù)日本神戶(hù)預(yù)測(cè),2010年DRI產(chǎn)量將達(dá)到10500萬(wàn)t,與廢鋼相比,DRI具備以下優(yōu)勢(shì):①有害元素含量很低,能夠稀釋、降低鋼中的有害元素;②可實(shí)現(xiàn)連續(xù)裝料、成渣迅速、連續(xù)融化及熔池沸騰,促進(jìn)脫氣,降低鋼中N含量,利于快速形成泡沫渣,從而減少鋼中夾雜物;③縮短電爐精煉周期,提高Ni、Mo等有價(jià)元素收得率。目前投入工業(yè)應(yīng)用的主要有Midrex工藝、HYL-Ⅲ工藝、Finmet工藝、SL-RN工藝和Fast-met工藝等。其中,SMSSiemag公司和Midrex技術(shù)公司聯(lián)合推出從鐵礦石到熱軋帶的電爐短流程,以鐵礦石(球團(tuán)礦)為原料,經(jīng)Midrex裝置生成直接還原鐵(DRI)以600~700℃溫度熱裝至電爐(電爐車(chē)間距豎爐約100m)。DRI溫度每增加100℃,可節(jié)電20kW·h/t(以100%DRI為原料)。電爐鋼水精煉后,進(jìn)入CSP薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)熱軋帶鋼。據(jù)介紹,該工藝流程較傳統(tǒng)高爐轉(zhuǎn)爐流程,有更高的能源利用效率,且CO2排放量能減少一半。2鐵水熱裝比對(duì)電耗的影響近年來(lái),由于廢鋼資源區(qū)域性短缺,全廢鋼冶煉成本高,生產(chǎn)廠家為了替代冷生鐵和部分廢鋼發(fā)展了熱裝鐵水技術(shù)。由于熱裝鐵水帶來(lái)的物理熱和化學(xué)熱,使熔化期成渣時(shí)間提前,可相應(yīng)地減少鐵耗和電耗,縮短冶煉時(shí)間,使原料中有害殘余元素等大幅度降低。隨著當(dāng)今生產(chǎn)節(jié)奏的加快,電爐有轉(zhuǎn)爐化的趨勢(shì),熱裝鐵水比例也越來(lái)越高,日本DAI-WA電爐廠,鐵水比例高達(dá)75%。熱裝鐵水比和電耗的關(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出,隨鐵水熱裝比增加,冶煉電耗降低,當(dāng)鐵水熱裝比從40%增加到65%時(shí),每增加1%鐵水降低電耗約6kW·h·t-1。需要注意的是:大量使用鐵水或新建高爐系統(tǒng),使原來(lái)電爐短流程鋼廠的流程不再短,無(wú)法體現(xiàn)金屬材料的循環(huán)利用,仍需部分短缺的焦煤資源,增加了對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān),因此在有條件的地區(qū)適當(dāng)采用部分熱鐵水作為電爐原料是可以的。美國(guó)紐柯公司作為全球最大的電爐短流程鋼廠之一,也采用鐵水作為電爐原料。但如果電爐使用鐵水比例過(guò)大,也會(huì)減弱并可能導(dǎo)致部分喪失電爐短流程的固有優(yōu)點(diǎn),這是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。3廢鋼預(yù)熱技術(shù)廢鋼預(yù)熱技術(shù)有效提高了能源利用率,1980年日本鋼管公司NKK在50tEAF上安裝了第1座預(yù)熱裝置,該裝置可回收煙氣顯熱30%,電弧爐電耗降低40~50kW·h·t-1,冶煉時(shí)間縮短約8min,電極消耗量降低0.2~0.6kg/t,同時(shí)也降低了耐材消耗。廢鋼經(jīng)預(yù)熱后,能耗情況如表1所示。目前,世界上最廣泛被應(yīng)用的廢鋼預(yù)熱主要有吊籃式、雙爐殼法、豎爐法、Consteel等。20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)的具有廢鋼預(yù)熱與連續(xù)加料雙重功能的Consteel技術(shù)投入使用,采用留鋼操作,除可節(jié)能降耗等常規(guī)廢鋼預(yù)熱技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)外,還在穩(wěn)弧冶煉,消除電網(wǎng)閃爍,提高金屬收得率,降塵與消除廢鋼預(yù)熱過(guò)程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)均有很好的改善,并使煉鋼周期大大縮短,目前已得到較廣泛的推廣使用。日本近年來(lái)也開(kāi)發(fā)了ECOARC節(jié)能電爐,進(jìn)入工業(yè)化實(shí)施階段。國(guó)內(nèi)在廢鋼預(yù)熱技術(shù)方面,主要使用Consteel技術(shù)、豎爐,均為引進(jìn)的技術(shù),通過(guò)專(zhuān)利信息網(wǎng)查詢(xún),目前國(guó)內(nèi)企業(yè)也在開(kāi)發(fā)自己的廢鋼預(yù)熱技術(shù),廢鋼預(yù)熱與廢鋼連續(xù)加料技術(shù)將是未來(lái)是電弧爐煉鋼短流程發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)之一。1.3中國(guó)電解鋼工藝流程面臨的挑戰(zhàn)近年來(lái),中國(guó)新建了一批電爐短流程鋼廠,其電爐短流程工藝及裝備存在如下特點(diǎn)。1)設(shè)備方面:中國(guó)短流程中的電爐座數(shù)逐年減少,爐容向大型化發(fā)展(見(jiàn)表2)。50t及以上電爐產(chǎn)能約占中國(guó)電爐鋼總產(chǎn)能的85%,成為中國(guó)電爐鋼生產(chǎn)的主體設(shè)備,但100t及以上大電爐產(chǎn)能所占比例僅為42%,比例偏低,且國(guó)內(nèi)大部分電弧爐主體設(shè)備技術(shù)主要依靠進(jìn)口(表3),從電爐技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠糠治?表4),國(guó)內(nèi)在電爐裝備自主研發(fā)明顯不足。2)工藝方面:近10年來(lái),中國(guó)短流程中的電爐煉鋼技術(shù)得到了持續(xù)的發(fā)展,圍繞如何縮短冶煉周期、降低操作成本和生產(chǎn)高附加值鋼冶煉,開(kāi)發(fā)了諸如超高功率合理供電、富氧及燃料噴吹、偏心爐底出鋼、熱兌鐵水等技術(shù),但與國(guó)外同行相比,中國(guó)電爐煉鋼的綜合能耗偏高,尚未達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。3)從全流程的觀點(diǎn)看:出現(xiàn)了在總體上具有國(guó)際先進(jìn)水平的短流程,如興澄特殊鋼廠的合金鋼棒材生產(chǎn)流程、珠江鋼廠的電爐-薄板坯連鑄-連軋生產(chǎn)流程等?？傊?煉鋼短流程工藝柔性強(qiáng),在生產(chǎn)高碳、高合金鋼等特殊鋼方面具有優(yōu)勢(shì),并且隨著短流程工藝技術(shù)的進(jìn)步和完善,通過(guò)優(yōu)化品種結(jié)構(gòu)、提高高技術(shù)含量、高附加值鋼種的生產(chǎn)比例,短流程鋼材的成本逐步降低,同時(shí),在未來(lái)隨著鐵礦石資源的逐步減少,廢鋼資源的逐步增多,其噸鋼盈利率可望遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)長(zhǎng)流程。然而在現(xiàn)有條件下,國(guó)內(nèi)以電弧爐為核心冶煉設(shè)備的短流程工藝面臨著一系列挑戰(zhàn)。1)廢鋼資源的短缺。中國(guó)工業(yè)化進(jìn)程短,社會(huì)廢鋼資源不足,而且鋼鐵制造過(guò)程技術(shù)進(jìn)步使自產(chǎn)廢鋼不斷減少,同時(shí)廢鋼進(jìn)口量也相應(yīng)下降,所以中國(guó)廢鋼資源短缺、價(jià)格居高不下。2)電能短缺與電價(jià)成本。中國(guó)電力緊缺,短時(shí)期內(nèi)仍難滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)電爐鋼生產(chǎn)用電需求,缺電和限電導(dǎo)致電爐間歇式生產(chǎn),生產(chǎn)成本更趨升高。3)廢鋼循環(huán)過(guò)程中有害元素的富集。廢鋼作為短流程的主要原料,其質(zhì)量在不斷惡化。一方面隨著廢鋼循環(huán)次數(shù)的增加,有害元素不斷富集;另一方面鋼材表面涂層技術(shù)和復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用使回收的廢鋼帶有Cu、Zn、Pb、Sn、Mo、Ni等元素,這會(huì)不同程度地對(duì)鋼材質(zhì)量造成影響。4)大部分短流程沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全線優(yōu)化,生產(chǎn)效率不理想。因此應(yīng)以循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求來(lái)衡量,保證生產(chǎn)順行,減少設(shè)備故障和生產(chǎn)事故,合理調(diào)度,提高作業(yè)率。5)在節(jié)能環(huán)保方面存在較大差距。由于認(rèn)識(shí)不足、生產(chǎn)管理不善以及缺乏技術(shù)和投資等原因,造成大量的能源浪費(fèi)及環(huán)境污染。2發(fā)展趨勢(shì)2.1大型電化學(xué)生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)化技術(shù)電爐短流程煉鋼工藝是集中了當(dāng)今先進(jìn)的煉鋼生產(chǎn)技術(shù)于一身的先進(jìn)生產(chǎn)工藝,其關(guān)鍵技術(shù)將是整體工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)、物流參數(shù)的合理匹配以及總體裝備水平的最佳配置。短流程生產(chǎn)工藝體系的整體優(yōu)化不僅包括了大型電爐及其相關(guān)配套技術(shù)、精煉技術(shù)、近終型連鑄技術(shù)等單項(xiàng)的技術(shù)優(yōu)化進(jìn)步,更需要注意建設(shè)過(guò)程中的生產(chǎn)布局優(yōu)化和生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)物流優(yōu)化和工序持續(xù)優(yōu)化。傳統(tǒng)的工程初步設(shè)計(jì)往往采用類(lèi)似工程的簡(jiǎn)單套用和基于設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的主觀判斷法,并不能體現(xiàn)全局綜合物流優(yōu)化效果,而采用仿真技術(shù)將會(huì)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),其能夠?qū)Χ喾N方案進(jìn)行分析比較,將復(fù)雜動(dòng)態(tài)的鋼鐵運(yùn)行過(guò)程通過(guò)模型得以再現(xiàn),可定量對(duì)多方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選,優(yōu)化短流程生產(chǎn)工藝中的時(shí)間節(jié)奏和物流流量的匹配銜接,從而發(fā)揮短流程優(yōu)勢(shì),為鋼鐵工業(yè)的資源優(yōu)化、能源優(yōu)化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化提供了一條最優(yōu)化的工藝布局和路線。2.2電化學(xué)性能優(yōu)化電爐作為短流程工序的生產(chǎn)核心,其生產(chǎn)的高效化直接影響著該生產(chǎn)流程效益的發(fā)揮。電爐冶煉高效化追求的目標(biāo)是冶煉周期、通電時(shí)間盡可能縮短,冶煉電耗盡量降低。隨著電爐轉(zhuǎn)爐化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯,電爐的熔化周期成為短流程煉鋼的研究熱點(diǎn),已有學(xué)者以能量平衡為基礎(chǔ)分析了影響電爐熔化周期的因素,指出進(jìn)一步強(qiáng)化電弧爐煉鋼、提高生產(chǎn)率的手段主要在于提高能量供應(yīng)量和供應(yīng)強(qiáng)度,表現(xiàn)在技術(shù)層面上就是裝備的大型化、更高功率、提高化學(xué)能輸入強(qiáng)度以及減少非通電操作時(shí)間或輔助操作時(shí)間等。值得一提的是,讓電爐具有高爐連續(xù)生產(chǎn)特征的CRISP連續(xù)電弧爐煉鋼工藝已成功完成中試驗(yàn),以DRI為原料的CRISP爐,完全可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)加料、連續(xù)冶煉和周期出鋼:像高爐煉鐵一樣的連續(xù)煉鋼,該工藝在未來(lái)短流程的成果應(yīng)用將有效提高整個(gè)生產(chǎn)流程的生產(chǎn)效率。2.3成本構(gòu)成及構(gòu)成成本是制約短流程發(fā)展的關(guān)鍵因素。在短流程煉鋼工藝中,成本構(gòu)成包括原料成本、能源成本以及生產(chǎn)管理成本等。未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的勝利者將是那些所有擁有的技術(shù)能夠控制成本的廠家,因此任何降低成本的技術(shù)均能促進(jìn)短流程的發(fā)展。13降低原料成本的技術(shù)如加強(qiáng)對(duì)廢鋼的分類(lèi)、加工和管理。2續(xù)上料裝置的實(shí)現(xiàn)展開(kāi)電爐供電技術(shù)優(yōu)化的研究,加強(qiáng)爐氣物理熱和化學(xué)熱的回收,如采用電爐熱裝海綿鐵以及廢鋼預(yù)熱技術(shù)以及連續(xù)上料裝置的實(shí)現(xiàn)。據(jù)報(bào)道德國(guó)奧蒙德輸送技術(shù)有限公司(Aumundfordertechnik公司)開(kāi)發(fā)出一種新的直接還原鐵輸送系統(tǒng),可以將熱直接還原鐵密封輸送,該技術(shù)的應(yīng)用可使電能消耗降最多20%;另外,在缺電地區(qū),可發(fā)展EOF(EnergyOptimizingFurnace)的短流程煉鋼工藝。3新技術(shù)新裝備、新裝備的研發(fā),降低能耗及勞動(dòng)成本操作過(guò)程的連續(xù)化和自動(dòng)化,縮短熱停工時(shí)間,以及圍繞縮短電爐冶煉周期的新技術(shù)和新裝備的研發(fā),從而起到強(qiáng)化電爐冶煉,降低能耗提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,以使噸鋼能耗、耐材和電極等輔助材料消耗及勞動(dòng)成本大幅度降低。2.4主要技術(shù)電爐短流程就是有利于循環(huán)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)的生產(chǎn)流程,據(jù)統(tǒng)計(jì)在滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)需求的鋼產(chǎn)量一定時(shí),生產(chǎn)1t電爐鋼比生產(chǎn)1t轉(zhuǎn)爐鋼可以多循環(huán)利用廢鋼500~600kg,少消耗鐵礦石1.3t,降低可比能耗265kg標(biāo)煤,減少二氧化碳排放1126.3kg。生產(chǎn)1t轉(zhuǎn)爐鋼約排放二氧化碳1.8t,生產(chǎn)1t電爐鋼約排放0.6t,為轉(zhuǎn)爐鋼的1/3。從節(jié)能環(huán)保、實(shí)現(xiàn)電爐短流程可持續(xù)發(fā)展角度,需研究大量