双碳背景下电炉炼钢技术的发展趋势探讨.pdf

第 8 期双碳背景下电炉炼钢技术的发展趋势探讨徐新琰（安阳钢铁集团生产安全处，河南 安阳455004）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 43 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.43 No.8Aug.2023摘要：中国的粗钢产量居世界第一，同时也是世界上最大的钢铁生产和消费国，现已建成世界上最完备、最先进的钢铁生产体系。近年来，电炉炼钢技术发展迅速，在冶金行业中取得了巨大成就。随着时代的发展，外部生产环境逐渐发生变化，在“双碳”目标要求，叠加全球能源危机的双重背景下，中国钢铁企业探索突破性技术和工艺的发展应用是未来钢铁工业的主要发展方向。目前，电炉炼钢技术已经从传统的手工操作发展到新式的自动化、智能化，未来也必将出现更多新的炼钢技术。关键词：电炉炼钢技术；炼钢发展趋势作者简介：徐新琰（1984），男，湖北襄阳人，主要研究方向：炼钢。在经济全球化的背景下，中国钢铁行业也得到了快速发展，特别是近几年，中国已成为世界上最大的钢铁生产国。随着全球能源供应和需求结构变化、环境保护要求以及技术进步等因素的影响，国内钢铁企业面临着日益严峻、复杂多变的竞争形势。自从国际社会提出节能减排“双引擎”战略概念，以积极应对新环境问题以来，中国也紧跟时代步伐大力推进绿色发展理念，努力提高资源利用率及降低碳排放量。2021 年，工信部 钢铁行业产能置换实施办法 发布后，炼钢技术很大程度上得到了提升，电炉炼钢作为国内使用较为广泛的一种冶炼工艺，在该办法中也被提及。国家鼓励钢企发展电炉短流程炼钢，这意味着电炉炼钢将成为后期发展的一种趋势。文章通过对电炉炼钢技术的现状进行分析，探讨未来中国钢铁行业在这一领域进一步发展的方向。1电炉炼钢技术概述电炉炼钢是一种通过电极激发炉气来冶炼钢铁的技术。它通常用于生产低碳钢、中碳钢和高碳钢等钢铁产品，电炉基本构造如图 1 所示。电炉炼钢技术具有以下几个特点：1.1节能环保电炉炼钢使用的是电极和燃料，不需要使用煤、油等能源，因此比传统的炼钢方法更加节能环保。1.2高效电炉炼钢可以在很短的时间内完成冶炼，从而提高生产效率。1.3低成本电炉炼钢可以通过降低钢铁的成本来提高竞争力，因为它只需要购买电极和燃料，而不需要购买冶炼设备和建筑材料等。1.4自动化电炉炼钢可以实现自动化生产，从而提高生产效率和质量。总的来说，电炉炼钢技术是一种高效、节能、低成本的钢铁生产技术，对于钢铁行业的发展具有重要的意义。电炉炼钢主要是利用石墨电极与废钢（铁水）之间产生电弧所发生的热量来熔化废钢和对铁水进行加热，其工作区域内的高温可达到 4000。通常情况下，在冶金过程中会被划分为 3 个阶段：熔化期、氧化期和还原期。在熔炼的炉子中，它不但可以导致氧化气氛，还可以导致还原气氛，所以，它具有很高的脱磷脱硫的效率。在整个冶炼技术发展的过程中，电炉经历了传统开盖式电炉、Fuchs 电炉（竖式预热废钢）、Consteel 电炉（水平连续加料）、Quantum 电炉（量子电炉）、Ecoarc 电炉（环保生态电弧炉）、Sharc 电炉（竖井电弧炉）、CISDI-Green 电炉（赛迪绿色智能电炉）、CERI-s1-Arc 电炉（中冶京诚新型废钢预热电炉）等不同类型的发展咱1暂。2017年以来，Consteel 电炉设备被国产化后，在“中改电”的背景下，由于其高效率、低成本、稳定可靠等优点而得电极图 1电炉基本构造炉门熔池出钢槽181冶金与材料第 43 卷到迅速发展。炼钢厂新建的炼钢装置中，85%的装置采用了卧式、连续进料方式。但也存在环境污染问题，钢企的电炉炼钢技术还需要研发更多的技术手段。2电炉炼钢技术的高效化随着经济的快速发展，工业生产能力也不断提高，煤炭、石油等不可再生能源大量消耗，导致环境污染问题日益严重，如何有效处理这些污染物，并减少对生态环境造成的伤害已成为全世界共同关注的话题。在这种情况下建设一个绿色环保型国家显得尤为重要了，而重中之重是要大力推进节能减排技术与清洁能源技术的发展应用，因此研究关于双氧水电厂炼钢工艺及相关管理措施刻不容缓。短流程电炉炼钢使用废钢作为原料，以电为能源，在电炉内熔化和合金化得到钢液，再经过二次精炼及连铸、轧制等后期处理，生产出特殊钢和优质合金钢，其高效的特点十分突出，下面对电炉炼钢流程控制高效化方面进行分析。2.1电炉炉容大型化目前，国际上电弧炉炼钢的发展趋势有以下几个特点：大型装置、高功率配置、过程炉外精炼、自动化计算机控制、智能化的控制和操作。就设备大型化而言，全球最大的电弧炉是于 2010 年完成，位于意大利的达涅利，容量为 420t。大型钢铁冶炼技术，在钢铁冶炼技术先进的国家早已成熟。2.2超高功率供电技术在电弧炉炼钢的应用中，超高功率供电技术是当前的发展趋势，也是最重要的技术之一。通过对熔断器、辅助触头及接触电阻等控制系统优化，来提高电弧效率、缩短冶炼时间、提高生产效率和电热效率、降低电耗，从而实现高效低耗生产。现代超高功率电炉的比功率在 7001000kVA/t，最高比功率为 1500kVA/t（120t 电炉，180MVA 变压器）。在完全熔炼的情况下，新型超大功率电炉的出钢时间可缩短到 40min，电耗为 270kW h/t，电极消耗为 1.0kg/t，炉龄可达为 1000 炉次。2.3熔池搅拌集成技术传统的电弧炉炼钢技术熔池搅拌的强度比较弱，对熔池中的搅动作用较小，材料的能量传输速度较快，这是很困难的。为了加快熔炼的速度，对复合吹炼技术和电磁搅拌技术进行了深入的探讨，包括提高供氧量、加强底吹搅拌等。有关数据显示，全程有效地底部搅拌可以提高脱碳速度 2030，提高脱磷率 510，缩短冶炼周期 4min，降低冶炼电耗 9kW h/t，降低钢铁料消耗9kg/t。与复合吹炼技术对比，电磁搅拌技术虽未得到广泛普及，但是熔池搅拌的效果较好，在工业应用效果中反响较好咱2暂。最新的熔池搅拌技术是一种将增强供氧、底吹搅拌、电磁搅拌三者结合在一起的综合性技术，能够完全适应在多种炉料的条件下，电弧炉冶金技术的要求。2.4热装铁水技术热装铁水技术的应用，使电弧炉的生产能力得到了极大地提高，在炼钢上具有一定优势。根据电力、废钢等资源情况，部分电炉炼钢厂在炼钢过程中都会添加一定量的铁水，热装铁水工艺能有效的缩短电弧炉的冶炼周期，同时帮助企业灵活应对废钢市场价格波动，具备一定经济效益。3电炉炼钢技术的绿色化绿色化、环保化发展，是世界钢铁工业的一个重要特征。它不仅可以提高劳动生产率，还能降低能源消耗，减少环境污染，其主要技术手段如下：3.1焦炭代替技术在常规的电弧炉中，要达到熔池的温度升高、搅拌以及形成泡沫渣的埋弧，就必须使用焦炭来进行配碳。虽然中国的焦炭产量逐年递增，但由于生产成本较高，且对环境污染较大等问题使得其发展受到了一定制约。焦炭代替技术的发展成为必要技术之一。目前通用的方法主要是利用废旧橡胶轮胎或塑料制品等燃料来代替焦炭。3.2噁二英防治技术在钢铁工业生产过程中，除了烧成过程，电炉冶炼噁是二氧杂环化合物的重要排放源。二英在体内可对内分泌、免疫、神经系统等系统造成极大的破坏，对环境和人类的危害巨大咱3暂。噁二英的形成主要是在燃烧过程中有机物和氯气噁参与反应。因此对于电弧炉炼钢时产生的二英排放问题，可采用的主要措施有：3.2.1对废钢进行预处理将废钢进行分选，含有机物的废钢不采取废钢预热处理，减少有机物入炉量；3.2.2用急冷来处理炼钢过程中的一次烟气将 1000益以上的一次烟气进行急冷处理，使其快速冷却到 200噁以下，减少烟气在二英产生温度区间的停留时间；3.2.3有目的地添加缓蚀剂在 600800的温度下，将石灰粉喷洒到烟气中，在250400噁温度范围内喷入氨均可减少二英的产生。3.3废钢预热与连续加料技术用高温烟雾来加热废钢，能够很好的克服常规电弧炉在熔炼过程中所产生的黑烟，同时还能够加快废钢的熔化，降低电力消耗，提高生产率。废钢在入炉前182第 8 期徐新琰：双碳背景下电炉炼钢技术的发展趋势探讨可预热到 400800益，从尾气中回收大约 45%的热能，可提高 10%的产量，电耗、电极消耗明显下降。4电炉炼钢技术的智能化中国是世界上煤炭储量最多的国家，随着经济发展和能源结构转型升级，资源、环境问题日益突出，在传统工业中“三废”排放量大而导致了严重污染问题。近年来由于煤矿企业对环境保护认识不足以及技术落后等原因，造成大量瓦斯气体的泄漏致使生态环境遭到破坏、水土流失加剧和土壤盐碱化等一系列地质灾害，使得矿区土地塌陷、植被退化及生态环境恶化，成为制约经济社会可持续发展进程的重要因素。电弧炉智能化控制技术在工业中应用越来越多，新型电炉已经完成了一系列的智能化监控技术，包括了智能配料、智能化取样测温和泡沫渣智能化监控与控制等。4.1自动电极调节电极调节控制技术是智能化供电重要技术之一，目前世界上比较成熟的三大类电弧炉电极调整技术是：美国的 IAFTM、SmartArcTM 及德国的 Simelt RNEC系统。另外，SIMETAL 电极控制系统是以 PLC 为基础，结合工业计算机的硬件平台开发出来的，它是一种新型的电弧炉智能电极控制系统，它的特点是可以根据实际的工艺需要发出动态响应，提高了工作效率。4.2智能测温随着电弧炉自动化测量能力和效率不断提升，对电弧炉温度精度要求也越来越高，在实际生产中，需要采用智能化测温装置。国内很多企业都引进了先进的设备进行现场监测，目前较先进的方式是机器人全自动测温和非接触式测温。4.3泡沫渣测量在传统的炼钢过程中，泡沫渣技术是将目视观察和人工喷碳操作相结合的方式。通过对泡沫渣进行智能监控，并基于海量数据构建控制模型，实现了对电弧和熔池的完全覆盖，既可以减少生产成本和热损失，还可以节约资源、降低电耗。4.4电弧炉炼钢过程整体智能化控制随着神经网络技术的发展和应用，电弧炉能够在线检测、搜集和存储炉料、炼钢过程参数（成分、温度、能耗、炉气、炉渣）、电气参数、设备状态等诸多信息，该新型智能化系统能够提高各个作业单位之间的智能配合及协作作业的准确性，并利用高精度的熔炼终端控制模式及神经元的自我学习能力，从而达到“一键式”智能化的目的，使冶炼过程能始终处于最佳工艺状态。5电炉炼钢技术的发展建议电弧炉炼钢的未来发展方向将以“资源节约、环境友好”为主要目标。在对现有装备进行升级改造过程中，逐步淘汰落后产能及污染严重的装置或工艺。5.1注重加强电炉炼钢技术的绿色化发展实现绿色环保、高效生产的目标，是当前电弧炉炼钢技术发展过程中需要重点关注和解决的问题。电炉炼钢过程中的环保问题主要包括烟气余热的回收、炉噁壳的保温节能、低热值废水余热的利用、二英的治理、含锌除尘灰中提取高品质附加物、炉渣改质利用技术等。今后的电弧炉炼钢技术，应进一步加强上述问题方面的控制与管理，促进电炉炼钢的绿色化发展。5.2关注电炉炼钢技术的智能化发展方向随着智能控制技术的不断发展，电炉炼钢技术也将朝着智能化的方向发展。未来，电炉炼钢可能会实现智能控制，通过对冶炼过程中的温度、成分、时间等参数的实时监测和调整，实现高效、低成本的炼钢。未来，电炉炼钢还会实现智能维护，通过对冶炼过程中的参数监测和诊断，及时发现故障并进行维护，提高电炉炼钢的稳定性和可靠性。同时，还可以实现对电炉炼钢过程的实时监控和调整，提高电炉炼钢的质量和效率。为了适应社会的发展，满足人们对于高品质钢的迫切需求，钢铁企业应该积极引进和学习更先进、更智能的电弧炉炼钢技术，例如智能化废钢和炉料配料技术、多功能机器人检测技术、泡沫渣检测和液面监测控制技术、炉气在线分析、终点控制技术等。6结语随着“双碳”目标的实现，以及中国日益严格的环境与低碳政策需求，短期内中国钢铁行业的关注重点集中于原材料与能源两个层面。伴随着废钢资源结构的改变，以及国家扶持政策的相继推出，利用对短流程工艺和设备技术的集中研发、自主创新，最终形成具有自主知识产权、独创性的相关技术，中国的电炉炼钢短流程将会加快发展并稳定提升，与此同时也会极大地推动中国钢铁工业的绿色低碳高质量可持续发展。参考文献1 勾淼.现代电炉炼钢技术发展趋势 J.中国金属通报，2018，（4）：24+26.2 亓福川.现代电炉炼钢技术发展趋势 J.山东工业技术，2018，（3）：164.3 杨玉国.现代电炉炼钢技术发展趋势研究 J.科技成果纵横，2020，29（5）：96.183