电弧炉炼钢工艺的节能降耗技术-周卫国.doc

电弧炉炼钢工艺的节能降耗技术
周卫国
（西安建筑科技大学华清学院冶金工程系，陕西 西安 710043）
摘 要：世界范围内能源价格的持续上涨，不断推动电炉炼钢工艺和操作的优化。人们致力于最高效率条件下的最低成本生产，只有在两者兼顾的情况下，才能保证电炉炼钢工艺的竞争力。对于复杂电弧炉炼钢工艺的优化，不仅需要丰富的炼钢知识，而且需要合适的成套工艺技术。只有这样，才能实现炼钢过程中化学能和电能的高效利用，达到冶炼工艺的最优化。本文介绍了世界电弧炉炼钢技术的发展，并从增加能量供应，增加输入功率和提高能量的利用效率三个方面分析了电弧炉炼钢企业所采用的主要节能技术。
关键词：电弧炉炼钢，能源效率，电能，节能降耗
Energy saving technology of EAF steelmaking
ZHOU Wei-Guo
(Xi'an University Of Architecture And Technology Huaqing College of metallurgy engineering, Xi'an Shaanxi 700043)
Abstract: rising energy prices worldwide, and constantly promote the optimization of EAF steelmaking process and operation. The lowest cost people committed to the highest efficiency under the conditions of production, but in both cases, in order to ensure the competitiveness of electric arc furnace steelmaking process. For the optimization of complex process of the electric arc furnace steelmaking, requires not only knowledge, but also need to complete the process of appropriate technology. Only in this way, chemical energy to achieve the steelmaking process and energy efficient use, optimal smelting process. This paper presents the development of electric arc furnace steelmaking technology, and from increasing energy supply, increasing the input power and the three aspects to improve the efficiency of energy utilization analysis of the main energy saving technologies used in electric arc furnace steelmaking enterprises.

一 前言
电弧炉炼钢的发展及现代电弧炉炼钢
自上世纪中叶至今, 尽管转炉炼钢技术取得了长足的进步, 但世界电炉钢的比例不断增长, 从1950年的713% 增长到2003 年的3311% , 其中美国从612% 增长到4819% , 2004 年美国电炉钢的比例达53% [ 1] 。1950年以后, 电弧炉炼钢所占份额迅速上升, 成为与转炉流程相抗衡的第二大钢铁制造流程, 主要原因有: ( 1) 平炉炼钢为氧气转炉炼钢所代替, 积累的废钢转由电弧炉炼钢流程来消化。( 2) 超高功率电弧炉炼钢技术成功应用, 使电弧炉炼钢的效率显著提高, 生产成本大幅度降低。( 3) 连铸、连轧技术的成功应用, 废钢) 电弧炉炼钢) 连轧型的“小钢厂”迅速发展, 占领长型材生产份额。现代电弧炉炼钢的特征总结为: 高效、节能、环保。其中现代电弧炉炼钢的首要特征就是“高效低耗”, 多项现代电弧炉高效低耗炼钢技术在我国得到了研究、推广及应用与长足发展。近年来，我国电弧炉炼钢生产技术发展迅速，电弧炉的部分经济指标已经达到国际水平，但还有一定的差距。与此同时，国内、国际竞争日趋激烈，能源、环境问题日益突出。节能降耗是电弧炉生产技术发展的必然趋势。

二　电炉炼钢能量消耗
电炉炼钢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艺参数的影响如图1所示。

图1　电炉炼钢工艺能源消耗的影响因素
电弧炉炼钢主要有这几方面的消耗：
2.1 钢铁料消耗
钢铁料消耗是一个重要的减量化指标，目前我国电弧炉钢铁料消耗指标的平均水平大概为1 100kg /t 钢到1 150 kg /t 钢之间，我国个别企业可以达到1 030 kg /t 钢到1 040 kg /t 钢之间。。为减少钢铁料消耗而采取的技术措施主要有:⑴废钢质量的提高。通过对废钢实施分类堆放、加强分拣、减少泥沙等措施，可减少钢铁料的消耗，降低电耗，缩短冶炼周期，提高钢水收得率，降低或控制钢中的残余元素。⑵固态炉料结构的优化。电弧炉中炉料主要以废钢为主，应用较多的还有直接还原铁、热压块铁、冷生铁等。
2.2 石灰的消耗
石灰作为电弧炉炼钢重要的“造渣剂”，我国电弧炉石灰消耗从过去使用普通石灰时100 kg /t 钢到150 kg /t 钢之间，降低到现在使用活性石灰的50kg /t 钢左右，我国先进水平达到了44 kg /t 钢左右，缩小了与世界先进水平的差距。为减少石灰消耗而采取的技术措施是: 建设一流活性石灰生产线，其中，麦尔兹( MAERZ) 石灰窑技术在我国引进的事例较多，业绩也很好，适合大、中、小型钢厂或特钢企业建设。根据炼钢实践，使用活性石灰可以提高脱磷脱硫效率80%。
2.3 耐火材料的消耗
在众多高温工业中，钢铁工业是耐火材料最重要的用户，耐火材料在钢铁工业中的使用量约占总量的65% ～ 70%。目前我国底出钢电弧炉的耐火材料消耗大概为每吨钢12 kg，我国电弧炉吨钢耐火材料单耗平均水平约为10 ～ 15 kg。为减少耐火材料消耗而采取的技术措施主要有: ⑴直流电弧炉技术( 耐火材料消耗可降低30%) ; ⑵泡沫渣技术; ⑶电弧炉偏心底出钢技术( 吨钢耐火材料消耗可降低25%) 。
2.4 电极的消耗
石墨电极在钢铁冶炼中占有一定成本的比例，而且消耗量不小，各企业和厂家比较看重电极的消耗和使用效果。因此，电极消耗不仅是企业生产中一项重要的考核指标，也是重要的减量化指标。为减少电极消耗而可以采用的技术措施有: ⑴直流电弧炉技术; ⑵泡沫渣技术;⑶超高功率电弧炉技术。
2.5 燃料的消耗
从图2和图3可以看出，电炉能耗是输入的氧气和碳的函数，电炉的高效操作意味着冶炼能耗低，同时氧气和天然气消耗也低。由于并不是所有的电炉都能有效使用气体和碳质燃料，所以这两种原料消耗与电炉的能量消耗没有直接关系图７，８的氧耗和碳耗数据关系变化表明，氧耗、碳耗与电炉能耗并没有直接关系。只有合理使用碳质燃料，同时提高化学能利用效率，才能降低电炉能耗。、
图2　５３个商业运行的工厂的电炉电耗和氧气消耗的比较

图3　５３个商业运行的工厂的电炉电耗和碳消耗的比较
近些年来，电弧炉的综合用氧技术日渐成熟和高效化，主要体现在以助熔为目的的氧燃烧嘴技术，氧燃烧嘴可分为煤氧烧嘴、氧油烧嘴、氧天然气烧嘴及氧煤气烧嘴。为了更有效的利用氧气和煤粉等燃料而可以采用的技术有: ⑴超高功率电弧炉技术; ⑵氧燃烧嘴技术; ⑶近几年采用的一种新氧枪即聚流氧枪技术，它具有射流长度长、吸入空气少、射流发散少、衰减慢和射流冲击力大等优点。
2.6 电能的消耗
电弧炉炼钢以消耗电能为主，电耗在钢成本中占很高比例，节电是降低成本的主要途径之一。在通电过程中，由于电炉的不当操作引起的能量损失主要有：（１）熔化和精炼过程中的化学能损失（烧嘴位置和流量设定等）；（２）不恰当的泡沫渣造成电能的损失；（３）非标准化操作造成的能量损失。断电过程中的能量损失也是增加冶炼能耗的因素，包括加料、出钢和转动等过程，以及工的延误，也会造成一定的能量损失。
目前我国电弧炉冶炼电耗的平均水平已达到350kWh /t 钢，我国先进水平吨钢耗电量达到了310kWh，该指标处于世界先进水平行列。如果配合相应的技术措施电耗指标可以降到更低。为了降低电耗而采用的技术措施有: ⑴超高功率电弧炉技术( 生产率可达120 t /h［3］) ; ⑵铁水热装技术( 每热装1 t 铁水，就可以节约电494 kWh［4］) ; ⑶电弧炉偏心第2 期 吴 海，等:电弧炉炼钢发展循环经济的研究 27底出钢技术( 综合节约电能22%) ; ⑷导电横臂技术( 与传统结构相比，损耗减少10%) ; ⑸合理供电技术; ⑹电弧炉底吹搅拌技术。此外，文章前面部分所提到的直流电弧炉技术、强化供氧技术、泡沫渣技术等也都是降低电耗的方法和技术措施。
图4　通电和断电情况下影响电炉能量损失的因素
三 电弧炉炼钢节能技术
电弧炉炼钢的功能在于将冷废钢加工成为成分和温度合格的钢水，其中包括了功能和冶金两方面的操作。讨论电弧炉炼钢的能量问题，包括三个工程技术问题：（1）增加能量供应，包括电能和其它物理热和化学能，换取生产率的提高；（2）增加输入功率，包括电功率和单位时间内其它物理热和化学热的供应量，提高电弧炉炼钢的生产速率，亦即缩短冶炼周期、提高生产节奏；（3）提高能量的利用效率。
3.1 超高功率供电技术
电弧炉炼钢采用超高功率冶炼，提高熔池能量输入密度，加速炉料熔化，大幅度缩短冶炼时间，从而使电弧炉的热效率提高，单位电耗显著下降。超高功率电弧炉具有独特的供电制度，在整个冶炼过程中采用高功率供电，熔化期采用高电压、长电弧快速化料，熔化末期采用埋弧泡沫渣操作，促使熔池升温和搅拌，保证熔体成分和温度的均匀化，同时减轻炉衬的热负荷，达到提高电弧炉炼钢生产率，降低电耗的目的 。图5 列出了某国72 t 不同功率电弧炉的主要技术参数，可以看出采用超高功率冶炼的电弧炉的总效率也较高。

图5 某国75 t 不同功率电弧炉的主要技术参数
3.2 强化用氧技术
强化用氧技术主要有氧燃烧嘴、吹氧助熔和熔池脱碳、炉门喷碳粉和吹氧机械手、底吹氧气和二次燃烧技术等。近年来, 强化用氧技术的发展和应用对电弧炉炼钢技术经济指标的改善起到了重要的作用。其中氧燃烧嘴、氧枪和二次燃烧是主要的用氧方式, 将它们结合使用可起到改善熔池搅拌效果、促进冶金反应、降低电耗以及提高生产率等作用。强化用氧具有一最佳值, 目前电能与氧之间的消耗比例还远未达到此最佳值。高效、节能是21世纪电弧炉炼钢工艺的指导思想, 合理利用能源已成为发展电弧炉炼钢新技术的主攻方向成为发展电弧炉炼钢新技术的主攻方向。在电弧炉冶炼过程中进行强化用氧的目的除了加快脱碳速度以外，还充分利用氧气与原料中易氧化元素发生化学反应所放出的热量，达到节能降耗的效果。各种元素氧化的理论热值如表3 所示，根据理论计算，对于普通铁水，每吹入1m3的氧气，所含元素在1 600 ℃时反应理论发热值约为4 kW·h，可以计算出强化用氧供能占总能量供应的25％～ 30% 6 。近代电弧炉炼钢大量使用氧气，再加上其他炼钢技术使冶炼周期缩短至40 ～ 60min，故有“电弧炉炼钢转炉化”之说。因此，强化用氧技术已经成为电弧炉炼钢重要的技术方向。
3.3 热装铁水技术
电弧炉兑入部分铁水冶炼是我国冶金工作者对现代电弧炉炼钢技术发展的贡献。实践证明它不仅能缩短供电时间和冶炼周期、降低冶炼电耗、稀释废钢中的有害元素、利于生产优质钢水、开发新钢种提高产品竞争力, 而且可解决部分废钢短缺问题。目前我国许多冶金企业在电弧炉内兑铁水后取得显著的经济效益。
铁水在1 350 ℃时其热焓为1 221 kJ/kg。因此每加热1 t 铁水即可带入物理热1.22×106 kJ，相当于339 kW·h的电能。从元素氧化释放热量的角度来看，氧化铁水中元素所释放的热量要比氧化废钢中元素所释放的热量多。以1 t 铁水代替1 t 废钢为例，按1 400 ℃时元素氧化释放
的热量计算，铁水氧化后多释放的化学热为559 265 kJ，相当于155 kW·h 的电能。因此热装1 t铁水，可节电339＋155＝494 kW·h 7 。电弧炉炼钢法的基础是废钢的稳定供给，而由高炉。
向电弧炉直供热装铁水不但可以缓解废钢资源紧缺的压力，同时，热装铁水带入大量的物理显热，并有大量的C，Si，Mn 等元素与O 反应释放大量的化学潜热，可有效地提高熔池温度，降低冶炼电耗，减少电极等辅助材料的消耗，缩短冶炼周期，从而提高炼钢生产效率。电弧炉热装铁水能显著降低冶炼能耗与炼钢本身的总能耗，但铁水炼钢是一个从铁矿石到冶炼的长流程工艺，其总能耗比用废钢为原料的短流程工艺约高出一倍，因此电弧炉热装铁水只适用于具有多余铁水的钢铁企业。
3.4 泡沫渣技术
泡沫渣技术是在电弧炉冶炼过程中，吹氧的同时向熔池内喷碳粉或碳化硅粉，加剧碳氧反应，在渣层内形成大量的CO 气体泡沫，使渣层厚度达到电弧长度的2.5 ～ 3.0 倍，电弧完全被屏蔽，从而减少了电弧辐射，提高了电弧炉的热效率，也延长了电弧炉的寿命。随着超高功率电弧炉的出现和发展而得以应用的电弧炉泡沫渣技术，综合起来有以下优点：使长弧操作变为可能；降
低电耗、缩短冶炼时间、提高生产率；降低电极消耗；有利于脱硫、脱磷和去除气体。采用泡沫渣后加热效率可达到60%以上，节电10～30 kW·h/t，缩短冶炼时间14%。
3.5 电弧炉炼钢余热利用技术
从某种意义上讲, 电炉炼钢引入辅助能源的主要效果是降低电耗, 而无助于降低总能耗。降低电炉炼钢总能耗的根本措施在于减少能量消耗, 其中, 废气的余热再利用是很重要的一个方面。炉气能量有两种，一种是高温炉气带走的物理显热，另一种是炉气可燃成分的化学能。为了充分利用这部分能量，人们发展了二次燃烧技术及废钢预热技术。电炉废气中的能量损失约为80~ 200 kWh / ,t 由于这些能量的损失使炼钢工作者致力于采用废钢预热方法回收废气中的显热, 采用二次燃烧技术回收废气中的CO 和H2 的潜热。
3.5.1 化学余热再利用——二次燃烧
二次燃烧技术是通过二次燃烧装置喷射适量的辅助氧气来燃烧CO 和操作中产生的其他气体，放出大量的热量预热周围的废钢并返回熔池内部，从而缩短冶炼时间，取得节能降耗的效果。二次燃烧技术主要包括三项技术：水冷氧枪、氧气流量控制和气体分析系统。
二次燃烧是新出现的技术，其目的是降低能源成本，增加电弧炉的生产率。这是泡沫渣技术的直接延续。电弧炉炉气的二次燃烧可以达到如下效果：减少电耗；提高生产强度；提高炉料的配碳量；有利于废气处理。
3.5.2物理余热利用——废钢预热
物理预热的利用近年来取得了重大突破。目前废钢预热型电炉主要有以下3 类: 双壳炉、以FUCHS炉为代表的竖炉和以C onsteel技术为代表的连续炼钢技术
电弧炉炼钢结合废钢余热的最新发展是Fuchs 公司开发的竖炉-电弧炉，即将传统的炉外废钢预热装置移到炉子上部，进行炉内废钢预热，充分进行二次燃烧化学能的转换和高温炉气的物理余热回收，兼顾过滤烟尘。在电弧熔化废钢前，使炉气的显热和化学热用于预热废钢，从而节省了炉内输入能量。该工艺的生产率和加工成本因下列原因而改善：废钢熔化前得到余热，缩短了熔化时间；功率输入有所改善，提高了炉子的生产率；金属收得率有所提高；节省电极和耐火材料；减轻环境污染。
3.5.3 除尘余热利用技术
最大限度地回收电炉烟气中的余热是电炉炼钢企业节约能源、降低除尘系统运行费用和企业生产成本的重要途径, 也是企业实现循环经济和清洁生产的重要途径之一。
以电弧炉为主的短流程炼钢过程中会产生一些铁素资源，如产生的炉气中会有大量的烟尘灰和污泥，这些回收的含铁尘泥通过干化、混匀后进入烧结配料槽，作为烧结原料利用; 短流程中的连铸连轧单元，会产生大量的氧化铁皮，大块的铁皮经简单烘干后送炼钢厂作为转炉氧化剂使用; 小块铁皮经原料场进入烧结、球团单元配料槽，作为烧结、球团的原料使用。
四 结语
从世界电弧炉炼钢技术的发展来看，电弧炉冶炼过程节能降耗是一个永恒的课题。本文对电弧炉冶炼过程中通常采用的主要节能技术进行了分析。然而，节能是钢铁企业整体的节能并不是某个工艺、某个技术的节能，应该从整体节能的观点出发，着重降低总能耗、综合能耗，以期取得最佳综合效益。减少能量需求，特别是充分利用余热，将对降低电能和总能耗有良好的效果。因此，在实际生产过程中，要实现技术节能、结构节能、系统节能的有机结合，必须在原料、设备、工艺、供电和管理等方面进行宏观综合性掌控。随着能源技术的发展和能源结构的改善，电炉炼钢流程的绿色化程度与环境友好的优势将持续增长，因此电弧炉短流程钢铁企业发展循环经济大有可为，而且是现实的。从适应循环经济社会的要求出发，电弧炉短流程需要继续改革与发展，致力成为清洁生产和能源、资源循环的典范。

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