（冶金工程专业论文）短流程炼钢新技术研究.pdf

主 j ， ， 摘要 本文以广东德润钢铁有限公司年产1 0 0 万吨钢材，其中一期年产 5 0 万吨钢材技改工程为基础。对该项目电炉连铸连轧生产工艺 即短流程炼钢生产工艺中所应用的一系列新技术，如超高功率电炉( 水 冷炉壁) 、氧一燃烧嘴、废钢预热、钢包精炼炉、偏心炉底出钢、电炉 炼钢热点问题、小方坯连铸及其主要生产技术作了较为深入的研究，该 套设备正常运行近两年来，充分发挥了它的作用，实现了高产、优质、 低耗的目的，主要技术经济指标达到了设计要求。 关键词：短流程炼钢新技术、超高功率电炉( 水冷炉壁) 、氧一燃烧 嘴、废钢预热、钢包精炼炉、偏心炉底出钢、电炉炼钢热点问题、小方 坯连铸 ， 多 2 2短流程炼钢新技术研究 a b s t r a c t t h ea r c t i c l em a k e st h a tg u a n g d o n gd e r u ns t e e la n di r o nl i m i t e d c o m p a n yp r o d u c e s1 , 0 0 0 ，0 0 0t o n sr o l l e ds t e e la n n u a l ，t h e r i n t ot h ef i r s t t e c h n o l o g ya n da l t e r a t i o np r o j e c tp r o d u c e s5 0 0 ，0 0 0t o n sr o l l e ds t e e la n n u a l b a s e ，s t u d yo nas e r i e sn e wt e c h n o l o g yo fi t e m ，s u c ha su l t r a l l i g hf i e q u e n c y e l e c t r i c f u r a n c e ( w a t e r - c o o l i n gw a l l ) ，o x y g e n - b u m i n gb u r n e r , s c r a p w a r m - u p ，l a d l ef m e r y , e c e n t i cb o t t o mt a p i n g ，t h eh 唧o tp r o b l e mo fe l e c t r i c f u r a n c es t e e l - m a k i n g ，s m a l ls e c t i o nb i l l e tc o n c a s ta n dm o s t l ym a n f a c t u r e t e c h n o l o g y , t h e s ee q u i p m e n th a v ew o r k e di ng e a rn e a rt w oy e a r s ，i te x e r t a c t i o ne n o u g h , r e a l i z a t i o nt h eo fp u r p o s eh i 曲y i e l d ，1 1 i g hq u a l i t y , l o w n e s s c o n s u m e , p r i m a r r yt e c h n o l o g ya n d e n c o m i ct a r g e ta c h i e v ed e s i g nd e m a n d k e yw o r d ：u l t r a h i g hf i e q u e n c y e l e c t r i c f u r a n c e ( w a t e r - c o o l i n g w a l l ) ，o x y g e n - b u r n i n gb u r n e r , s c r a pw a r m - u p ，l a d l ef i n e r y , e c e n t i c b o t t o m t a p i n g ，t h eh 唧0 tp r o b l e mo fe l e c t r i cc o o k e rs t e e l - m a k i n g ，s m a l ls e c t i o n 短流程炼钢新技术研究 ! 1 上j l 刖舌 。 本课题以广东德润钢铁有限公司( 以下简称德润) 年产1 0 0 万吨钢铁生产短流 程工艺( 一期年产5 0 万吨钢材技改工程) 的生产实践，新建短流程钢铁厂项目为 依托，本人有幸以德润副总工程师的身份参加并主持了该项目的工厂设计、设备选 型、建设安装和生产调试的全过程工作，考察了国内先进的短流程钢铁厂、设备制 造厂和科研单位，并与唐钢设计院、西安重型电炉厂、大西洋连铸公司等单位合作， 结合德润自身实际情况，确定了该短流程钢铁项目技术、工艺和设备的运用，对当 今世界和国内短流程钢铁技术的最新发展动态有了比较深入的学习和研究。 1 2 c p 技术的现状及水平 我国已连续9 年产钢量居世界第一，也是世界上第一个产钢超2 亿吨的国家， 2 0 0 5 年产钢将超3 亿吨中国拥有的先进c p 技术和装备，也代表当今世界的先进 水平 自2 0 世纪7 0 年代后期以来，围绕电炉一连铸一连轧生产工艺一既短流程工 艺的一系列新技术，如超高功率电炉( 水冷炉壁) 、氧一燃烧嘴、废钢预热、钢包精 炼炉、偏心炉底出钢、l f 炉、小方坯连铸等，配合棒材、板材生产，以及c c h c r 、 c c d r 、e 霄r 、e c r 等技术的应用，c p 技术逐渐呈上升趋势，必将在与常规高炉一 转炉流程的竞争中占领更多的市场份额，为中国成为钢铁工业强国做出更大多贡 献 1 3 c p 技术研究目标和意义 通过对电炉、精炼炉、连铸机、连轧机设备和工艺的研究、各种c p 新技术不 断应用在钢铁厂，是推动钢铁工业生产的巨大动力，同时也使钢铁厂从生产模式到 钢厂结构发生了深刻的变革这些变化带来了能耗降低，生产流程缩短，产品质量、 显著提高，对当前所倡导的和谐可持续发展，走新型工业化道路具有重要的意义 c p 技术具有的优点： 生产周期短占地面积小固定资产投资少。金属收得率高 钢材性能好能耗少工厂定员大幅度降低 c p 技术发展趋势具有以下特点： 高速化，大型化新技术互相渗透。高速连续化。高精度轧制。 开发新品种。 高度自动化高性能辅助设备 tl，ij 4 4 短流程炼钢新技术研究 第一章：短流程炼钢新技术介绍 1 1 钢铁工业发展简介 地壳中铁元素的蕴藏量比较丰富，约占5 ，含铁矿物主要是以氧化物形式存 在，也有少量以铁的碳酸化合物形式存在由于铁与氧或碳酸根的化学亲和力不算 很强，用一般的冶金生产流程即可还原出来，生产成本不高铁与碳及其他各元素 ( 如s i 、m n 、o r 、d o 等) 容易形成各种不同类型的合金，这些合金能够满足当代 机械、电气、建筑、运输等国民经济重要部门对材料性能的要求，因而一个多世纪 以来，钢材一直是国民经济中最重要的原材料之一钢铁工业是工业国家的支柱产 业即使从2 0 世纪后半叶起，有色金属合金、塑料、陶瓷、复合材料等新兴材料 开始崭露头角，并以很高的速度发展，在某些领域中可以取代部分钢材，但直到目 前为止，钢材除因其价格低廉外，还因其可回收性强，对于坚持可持续发展道路的 国家来说，在国民经济中的重要地位并没有得到动摇 第二次世界大战以来，世界粗钢产量的变化见图l - - 1 o 由图l l 可见，从 1 9 4 6 年至1 9 7 5 年这3 0 年间。世界钢铁工业处于高速发展期，从一亿吨猛增至七亿 吨，年均增长大于6 5 ，2 0 世纪后1 4 时期，世界钢铁工业处于缓慢增长阶段， 按从7 亿t 增长至2 0 0 0 年的8 亿t 粗略计算，平均年增长率只有0 5 ，2 0 0 3 年为9 6 亿吨，比2 0 0 2 年增长6 6 。2 0 世纪前半叶，世界钢铁工业中心是英国；二次世界 大战之中以及战后的2 0 年间，钢铁工业头号强国转向了美国与苏联；自2 0 世纪7 0 年代中后期起，日本在世界钢铁生产中又处于领先地位。由于发达国家的钢产量已 基本达到社会需求，世界钢铁工业发展热头由欧洲转向美洲，又转到亚洲，人均钢 材消费日趋平衡。由于塑料、水泥、玻璃、陶瓷等其它原材料的竞争与科技的发展， 发达国家在汽车、造船、铁路、建筑、机械、轻工产品中单位钢材消耗量已有所下 降相反地，许多发展中国家与地区( 多处于亚洲，如中国、韩国、东南亚、西亚 等) 的人均消费量远远低于世界平均水平( 1 5 0 - 2 0 0k g a ) ，这些发展中国家的国 经经济正处于快速发展阶段，不可能避免地要大力发展钢铁工业 中国到1 9 9 7 年钢产量从示超过2 5 m t ( 1 9 7 7 年产量为2 3 7 4 m t ) 旧1 改革开放以后 中国的钢铁工来以高速发展。自1 9 7 8 1 9 9 8 年这2 0 年问，粗钢产量从3 1 7 8 m r 到 1 9 9 6 年第一次突破l 亿t ，成为世界第一产钢大国，2 0 0 3 年成为世界上产钢突破2 亿吨的国家【剐预计2 0 0 5 年将超过3 亿吨产量，也是世界唯一，已连续l o 年年产钢 量世界第一钢产量年均增长速度达到7 4 ，比世界钢产量高速发展期的年均增 长率还高1 个百分点 尽管自1 9 9 6 年以来，我国粗钢产量一直保持世界第一的位置，但是中国钢铁 界还应清醒地看到：我们现在还远不够一个世界钢铁强国除了人均钢材消费量不 # 短流程炼钢新技术研究 苎 及世界平均水平的一半以外，我国钢铁工业在能耗、环保、品种、质量、劳动生产 率及生产成本等方面与发达国家相比还很工落后考虑到中国已经加入世界贸易 嗣1 - ! 第三扶世界太战以来落界粗钢产量变绝 组织，而且现今世界钢材市场也已经进入全球化，今后还将更加全面的、彻底地实 现全球化，如果我们只满足于世界钢产量第一的表面现象而没有充分的危机感与竞 争意识，不加紧企业结构调整，不尽快采取现代化管理模式与手段，不尽快采用世 界先进的钢铁生产技术，那么我们不仅难以成为钢铁工业强国，甚至连钢铁头号大 国的地位也可能保不住，对此中国钢铁工业界必须要有清醒的认识 1 2 国内外钢铁生产流程技术的发展 当今钢铁生产所采用的生产流程，有两种主要的生产流程，即传统的高炉联合 企业生产流程以及电弧炉炼钢短流程。 现代钢铁生产，占主导地位的仍然是钢铁联合企业( i n t e g r a e e de n t e r p r i s e s ) 其生产流程源头是从矿石原料开始的。主要的矿物原料有三种：铁矿、煤、石灰石。 铁矿经选矿工序先选成铁精矿，然后进一步制成烧结矿或球团矿煤经过洗煤、配 煤工序后经过焦炉干馏，释放出挥发分而后得到焦炭。石灰石可直接用于高炉炼铁 的造渣熔剂以上三种主要原料进入现代炼铁高炉冶炼得到碳的质量分数在4 以 上的液态铁水高炉铁水经过氧气转炉吹炼( 配以精炼炉) 得到合格钢水钢水经 过浇铸( 连续浇铸或模铸) 成为钢坯或钢锭，再经过轧制工序最后成为钢材这种 流程的特点是生产环节多，规模庞大，组织生产复杂，生产周期长典型的现代钢 铁联合企业，从原材料进厂开始到出成品钢材的周期至少要3 4 d ( 7 6 h ) 另一种 炼钢生产流程的源头是回收后再利用的废钢，废钢经简单加工( 破碎或剪切、打捆 等) 后直接装入电炉中熔炼( 配以精炼炉) ，得到合格钢水，以后的工序与钢铁联 合企业相同，这种炼钢流程简捷，生产周期短。从废钢入炉算起到轧出钢材为止， 一般只需3 5 h 左右 习惯上把钢铁联合企业的生产流程称为传统流程或长流程( c o n v e n t i o n a l p r o c e s s ) ，把第二种流程，即电 卢一连铸一连轧的生产流程称为短流程或紧凑式流 程( c o m p a c t p r o c e s s ) ，在美国习惯将这样的紧凑式钢厂称为“小”钢厂( m 眦一m i u ) m i n im i l l s 起源于2 0 世纪7 0 年代典型流程为废钢e a f _ - 小方坯连铸一棒 材轧机，刚开始的典型规模为2 0 万仇，这也是为什么称为小钢厂( m i n i - m i l l ) 的 5 6 1 短流程炼钢新技术研究 原因。由于没有炉外精炼设备，只能生产质量不高的钢材，因此对于当时处于 主要的以矿石一高炉氧气转炉l 方坯连铸一棒材为典型流程，对于年产几 百万t， l 板坯连铸一板材 甚至超过1 0 0 0 万的大型钢铁联合企业来说，根本构不成任何威胁 全球粗钢产量由1 9 7 0 年的5 9 5 亿t 增加到1 9 9 0 年的7 7 亿t ，在近两亿t 钢产 量的增长中，电炉钢增长占7 5 ，转炉钢占2 5 ，进入2 0 世纪9 0 年代以来全球粗 钢产量一直在7 2 - 7 8 亿t 之间徘徊呻1 但以废钢为主要原料的电炉流程的m i n i - m i l l 所占份额却在逐年上升这是因为自2 0 世纪7 0 年代后期以来，围绕电炉炼钢的一 系列新技术如超高功率电炉( 水冷炉壁) 、氧燃烧嘴、废钢预热、钢包炉精炼、 偏心炉底出钢等，这些新技术的出现不仅大大提高了电弧炉炼钢的生产能力，而且钢 的质量也有明显提高不少m i n i - m i l l 的经营者，抓住这一契机，不断引进新技术使 得在2 0 世纪8 0 年代m i n i - m i l l 有了一个长足的发展，甚至在一些质量要求较高的长 材市场中也足以使大型联合企业感到威胁。进入2 0 世纪9 0 年代以美国纽柯( n t r 。o r ) 厂为代表的m i n i - m i l l 引入薄板坯连铸技术( 1 9 8 9 年) 打破了高炉转炉常规流程 在板材市场一统天下的局面，并生产出成本低廉的热轧板卷与转炉钢板材相抗衡” 与此同时出现了更大规模( 1 0 0 万讹以上) 的短流程钢厂，其产品除了原来就占优 势的普钢长材以外，几乎所有转炉能生产的产品，例如无缝石油钢管、中型结构型 钢，包括部分非合金的扁平材，电炉短流程钢厂都能生产，并且在质量与成本方面 有强大的竞争力 1 3 短流程与长流程的比较 1 3 1 炼钢能耗 废钢由于已经实现了氧化物向金属的转化过程，因此它实际上已经是一种化学 能( 铁矿石还原所需要的化学能) 的载能体在电炉冶炼过程中，对废钢的处理主 要是完成熔化过程所需的物理热增值，因此其过程能耗在理论上要比由铁矿石开头 的高炉一转炉流程低得多，如图1 2 所示”1 假定从钢水铸造以后的工序能耗相同， 废钢一电炉法的一次性能量总耗只有高炉一转炉流程总能耗的一半 表1 - 1 列出了我国1 9 9 1 年重点钢铁企业3 种炼钢工序平均能耗在考虑铁水 载能的前提下，整个钢生产流程的能耗，属电炉炼钢的综合能耗最低，平炉次之， 高炉转炉流程能耗最高蓊一 一鬟攀 短流程炼钢新技术研究 7 注：生铁耗能( 标煤) 值按7 3 5 5k g t 计。 高炉转炉流程系统庞大，环节多，无论是原料准备阶段还是冶炼过程操作均 需消耗大量的能源近年来，尽管针对高炉转炉流程的高能耗问题，在烧结、炼 焦、高炉操作和转炉冶炼等各方面采取了一系列节能措施，并开发出多种能源回收 技术，如千熄焦、高炉炉顶煤气回收发电，特别是转炉煤气回收0 ( 3 系统己使转炉 工序回收的能量达到或超过了整个转炉工序的能耗，甚至实现了“负能炼钢”，但 从矿石、焦煤开始的长流程其能耗仍远高于电炉流程 电炉生产环节少，流程短，原料处理过程比长流程简单得多，随着电炉技术 的进步和冶炼过程时间的缩短，其能耗还会进一步下降据分析”用1 0 0 万t 废 钢代替矿石生产同样的钢可节约焦煤3 5 万t 节能是电炉流程具有市场竞争力重 要原因之一 1 3 2 工程经济分析 电炉流程能强力发展是由其在当前社会条件和技术条件下的经济合理性所决 定的，专业化的生产模式是电炉流程取得经济合理性的内在原因 世界上废钢资源积累量可以稳定供给，价格比较稳定，如果国内废钢资源一时 不能自给自足，废钢的远洋运输也要比铁矿石容易得多，因为铁矿石运输往往需要 大型或超大型远洋矿船和深水港的配合，在我国，有时还要求有庞大的铁路运输能 力，不仅投资巨大，且有效运输费用高( 矿石中含有大量无价值脉石一起进入运输 过程) ，引起成本增高，而废钢运输则不存在上述问题。如前所述在能源消耗方面， 电炉流程比常规高炉一转炉流程的能耗要低一半左右，在能源日益短缺的今天，电 炉流程生产钢的成本显然要比高炉一转炉流程低得多从操作成本上比较，1 9 9 6 年美国巴尼特等曾有过计算，以线材为例成本为3 9 9 美元，而短流程电炉钢厂则仅 需2 4 4 美元”另外短流程钢厂普遍与其产品的最终用户市场相邻近，而大型钢铁联 合企业则为解决大批量的原料问题不得不依赖于重要的原料港口或原料供应地，因 此从生产成本来看，电炉短流同样存在明显的优势。 从劳动生产率的角度看，一流的现代化高炉一转炉流程的钢铁联合企业和生产 率为6 0 0 - 8 0 0 t o k a ) ，而以大型电炉为主体的现代化短流程企业的生产率已达到 1 0 0 0 3 0 0 0 以人a ) 从投资角度看，建设高炉一转炉联合企业年产能力每吨钢需要投资大约 1 0 0 0 - - 1 5 0 0 美元，而电炉流程仅需5 0 0 8 0 0 美元。另外建设电炉钢厂占地面积小。 速度快，资金回收期短，与高炉一转炉联合企业的转炉炼钢厂相比，电炉炼钢厂投 资就可节省1 4 1 3 ，占地面积减少1 2 3 5 ，建设周期可由4 年缩短到l 1 5 年 另一个不容忽视的问题是环境保护高炉一转炉流程，会因为其焦炉、烧结等 重点造成环境污染的环节，在日益高涨的生态环境呼声中可能会收到某些限制；相 反，电炉流程因其部分地改善了污染问题，而将会从政府、用户和公众中获得支持 相比之下，电炉流程的社会、经济环境要比高炉一转炉常规流程宽松一些，这 7 8 1 短流程炼钢新技术研究 也是世界上电炉流程快速发展的重要原因 1 4 目前短流程炼钢发展趋势 1 4 1 世界短流程炼钢发展趋势 如前所述，自2 0 世纪7 0 年代以来，在近2 亿t 粗钢产量增长中，电炉钢增长 占3 4 ，转炉负增长占1 4 ，而平炉钢是负增长世界上一些主要产钢国家如美国、 欧洲、日本等，近2 0 余年来电炉钢比例一直在稳步上升 进入2 0 世纪8 0 年代以来，世界电炉钢产量稳步增长，1 9 8 5 年为1 8 5 亿t ，1 9 9 0 年为2 1 5 亿t ，1 9 9 5 年为2 4 亿t ，2 0 0 0 年达到3 亿t ，约占世界总钢产量的3 7 5 以上，见图1 3 短流程炼钢的过程优化使得电炉炼钢自2 0 世纪6 0 年代中期到 现在，3 0 多年在生产率能量消耗方面有了长足进步以德国巴登钢厂为例( b s w ) ， 在出钢一出钢时间，电能消耗与电极消耗这三个工艺指标上，1 9 6 5 年的代表性数 据分别是1 8 0 m i n 、6 3 0 k w h t 与6 0 5k g t ，而1 9 9 9 年的代表性数据是4 2m i n 、 6 3 0 k w h t 与1 5k g t 这段期间电炉炼钢技术装备的改进与优化见图l4 【引 貉零鼙谨警妻疹嘿锈璺争谚：蕊鹜秽蘩；象缎文。嘲 笔赢叠囊熬勰燃蓑墅塑塑糍豫蔓癣i 磊嚣 短流程炼钢新技术研究 一9 1 4 2 我国短流程炼钢发展中的问题与展望 1 4 2 中国短流程炼钢发展情况 我国1 9 8 0 1 9 9 3 年电炉钢的发展趋势是上升的，但1 9 9 4 年以后电炉钢比逐渐 下降( 见图l - 4 ) ，1 9 9 9 年降至最底点1 5 ，与发达国家电炉钢发展趋势相反” 我国电炉炼钢生产发展轨迹与世界大趋势相比，在2 0 世纪8 0 9 0 年代表现出 明显不同。从1 9 8 3 1 9 9 2 年的1 0 年间，我国电炉钢占总钢产量比例一直徘徊在2 0 2 2 之间自1 9 9 3 年突破2 3 ，达到历史最高水平后，随着平炉的彻底淘汰， 没有像国外工业发达国家那样靠提高电炉产量来弥补取消平炉后失去的产量，而是 相反，电炉钢份额逐年下滑，至1 9 9 9 年达到谷底，所占比例不到1 6 ，见表l - 2 噙1 表l - 22 0 世纪9 0 年代我国电炉钢产量变化 年份1 9 9 01 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 9 电炉钢产量 1 4 0 21 5 o o1 7 6 3 2 0 7 51 9 6 61 8 1 l1 8 9 31 9 1 21 8 1 41 9 4 7 m t 总产量m t6 5 3 5 7 1 0 08 0 9 38 9 5 49 2 6 l9 5 3 61 0 1 21 0 8 9 1 1 4 6 1 2 4 0 电炉钢比例 2 1 4 52 1 1 1z 1 7 8 2 3 1 82 1 2 31 8 9 91 8 7 01 7 5 61 5 8 31 5 7 1 肠 分析其原因主要有以下几点： ( 1 ) 我国1 9 9 2 1 9 9 5 年和2 0 0 3 年钢材市场过热，造成大量小电炉苍促上马， 这些小电炉装备水平不高，变压器小，又无精炼、连铸装备与之配套。这些小电炉 生产的钢材能耗大，冶炼周期长，所生产的建筑钢材在质量、成本缺乏竞争力1 9 9 5 和2 0 0 5 年以后国内钢材逐渐走向买方市场，市场压缩，因此首当其冲，这此缺乏 竞争力的小电炉逐渐倒闭，从而丧失了几百万吨的生产能力 ( 2 ) 我国电价政策我国电炉钢用电电价一般在0 4 o 。8 元( k v h ) 之 间，属世界有电炉炼钢用电价的中、上水平( o 0 2 - 0 1 2 美7 e ( k w h ，据v a i 统计) 美国相应电价只有( o 0 3 枷0 5 美元，( k w h ) ，这就是为何其电炉钢比例超过4 0 的原因之一( 另一个原因是充足、价廉的废钢供应) 。 据不完全统计，我国目前水电成本只有0 0 9 元( k w h ) ，火电成本也只有0 1 8 t r ( k w h ) 由于电的价格属电力部门一家控制，没有竞争，不利于我国电炉炼钢 与工业发达国家在同一起跑线上竞争 ( 3 ) 电炉炼钢发展的另一关键因素是废钢的供应与价格西方工业国家如北美 与西欧，市场上废钢价格一般比生铁价格低2 0 3 0 美元几这个差价基本上相当于 于电炉炼钢的电费。再考虑电炉炼钢吨钢钢铁消耗与氧气消耗均低于氧气转炉， 因此电炉钢成本才可能与转炉钢抗衡，甚至占优势而我国则不同，近年来国内大 部分地区l 、2 号重废钢价格与生铁价格相关无几，一些钢铁联合企业中，铁水内 部价低于1 6 0 0 元，t ，明显低于市场上废钢价格，造成电炉钢成本难以转炉钢抗衡， 9 1 0 竺 短流程炼钢新技术研究 ( 4 ) 自2 0 世纪9 0 年代开始，我国陆续从国外引进一批现代化电炉，如天津钢 管公司( 德国，d e m a g1 5 0 t ) 、宝钢( 法国，c l e c i m1 5 0 t ) 、上钢三厂( 瑞士，a b b 直流1 0 0 t ) 、江苏沙钢流1 0 0 ( 德 y u c h s 9 0 0 、江阴兴澄钢铁公司( 德国，d e m a g 直流l o o t ) 、苏州钢厂( 德国，d e m a g 直流l o o t ) 、淮阴钢厂( 意大利，d a n i e l i7 m ) 、 上钢五厂( 德国，g h h1 0 0 t ) 等这些电炉厂大部分生产长材( 上钢三厂除外) 这些厂家已经达产，生产走向正常化，但产品在成本与质量方面还不到国外同类电 炉水平，这在某种程度上也限制了我国电炉炼钢的进一步发展。现代化大电炉发展 速度跟不上落后的小电炉退出市场的速度，在平炉淘汰的同时让转炉填补了空白。 1 9 9 9 年我国转炉钢产量为1 0 2 4 7 m r ，电炉钢为1 9 4 7 m t ，平炉钢只有2 2 m t 【硼 预计，随着国家产业政策淘汰落后产能和新的钢铁行业准入政策的实施落实， 随着小转炉、小电炉、小轧机生产线的淘汰，以及所有已经引进的现代化大电炉生 产正常化，我国电炉炼钢生产会走出低谷，沿着工业发展国家的短流程炼钢轨迹发 展。但这也不是两三年一蹴而就的事情，外部需要有国家电价、钢铁炉料价格政策 的支持与扶植，内部需要电炉炼钢厂自身苦练内功，强化管理，提高技术操作水平 小结：当代钢铁生产可分为“从矿石到钢材”( 长流程) 和“从废钢到钢材”( 短 流程) 两大流程，由于新装备、新技术在短流程炼钢的得到广泛应用以及在投资、 效率、环保等方面的优越性，以e a f l f ( v d ) - - c c m 为代表的短流程炼钢已成 为当今钢铁生产的两大主要流程之一 短流程炼钢新技术研究 旦 第二章德润钢铁公司短流程电炉炼钢厂情况 广东德润钢铁公司( 以下简称德润厂) 年产钢1 0 0 万吨钢技术改造扩建工程， 是在建于上世纪8 0 年代的宝山铁厂基础上进行的，第一期年产5 0 万吨炼钢技术改 扩建工程已经在2 0 0 4 年竣工投产，第二期工程正紧锣密鼓地进行。已经投产的炼 钢厂的生产流程是2 x 5 0 t e b t - - 6 0 t l f - - d r 方坯连铸一连轧1 0 0 4 0 热轧棒材。 选用两台5 0 t 电弧炉配备一期工程5 0 万吨热轧材需要，是基于广东地区限电和 峰谷用电优惠政策，并预留二期发展两台电炉设计产能为7 0 万吨a 左右( 作业 率按3 0 0 d ) ，实际平均日产时间只有1 6 h ，年产量只能达到5 5 万吨，a 2 1 工艺流程布置 电炉_ 、钢包炉及连铸机大包回转台在同一跨厂房内，原料系统布置在偏跨，与主 厂房成垂直布置，连铸机出坯方向也与主厂房垂直原料系统布置在偏跨，与主厂房成平 行布置 5 0 t 电炉用的钢铁料在废钢料场内配好，由废钢料篮车分别从两条料线进入主 厂房，废钢料场为3 个2 4 m 跨和1 个鼹天跨，可贮存l o d 的用量。钢铁料称量数值 大屏幕显示，并可直接输入电炉主控室。废钢料篮车进入主厂房后由桥式起重机分 3 次将炉料加入炉内。 钢包炉采用在线布置，布置在两台电炉的中间，由两台钢包车承载。 电炉与钢包炉用铁合金及散状渣料合为一套系统，在电炉及钢包炉的主控室内 分别控制。 钢包炉采用在线布置，布置在两台电炉的中问。由两台变频钢包车承载。 2 2 主要技术装备 2 2 1 废钢预热系统 废钢预热系统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，提高了废钢预热温度，消除对车间环境的污染和生产调度上的不便。 2 2 2 氧油烧嘴 在炉门口，出钢口冷区分别装有3 个氧油烧嘴，以促进废钢的均匀熔化和废钢预 热 2 2 3 水冷炉壁和炉盖 炉壁和炉盖的水冷面积达到3 5 以上有利于提高输入功率，强化冶炼过程和 节约耐火材料。 2 24 端部不带电导电横臂 使用端部不带电导电横臂，减少了供电系统电组，提高有效供电功率，同时减 小极心圆直径 2 2 s 水冷碳氧枪 使用水冷碳氧枪有利于冶金反应和泡沫渣操作，可远距离控制，减轻了工人劳 动强度。 2 2 6 自动加料系统 采用自动加料系统，满足超高功率电弧炉炼钢快节奏的需要 2 2 7 偏心炉底出钢 此出钢方式可实现留钢、留渣操作，促进废钢熔化，保证精炼效果，出钢时间 只有3 r a i n 。 2 3 主要设备技术参数 l 旦 短谎程炼钢新技术研究 两台5 0 t 超高功率e b t 电炉，一台6 0 t l f 炉，电炉除尘系统，由西安重型电炉 有限公司设计、制造和安装。一套r 9 m 4 机4 流连铸机，由大西洋连铸公司设计、 制造和安装。 2 3 15 0 t 超高功率电炉 5 0 t 电炉设备的主要工艺参数如表2 - 1 所示。 项目参数 炉子公称容量t5 0 变压器容量肺v a 3 2 电极直径，m m 5 0 0 极心圆直径r a m l o o o 炉壳直径m m 5 2 0 0 冶炼周期m i n 7 0 出钢方式 e b t 2 3 2l f 精炼炉 l f 炉炉体本身就是盛钢桶，俗称钢包。铜包底部都有出钢用的滑动水口及吹 惰性气体的透气砖。 l f 主要技术参数： 上部外径6 0 t 4 0 0 0 m m 砌筑后平均内径 2 4 5 0 m m 自由空间隔约5 0 0 m m 钢包容量：约5 1 t ( 钢结构2 5 t ，包衬耐材约2 6 t ) 冶炼时间：约4 0 m i n 电极直径：中3 5 0 ( 高功率电极) 电极分布园直径：m 6 0 0 2 3 3r 9 m 弧形连铸机的工艺参数如下： 铸机流数：4 机4 流 浇注断面：1 2 0 1 5 0m m 2 生产断面：1 5 0 1 5 0 m m 2 弧形半径：r - - 9 m 中间包容量：1 3 t 7 拉矫速度：平均2 7 m t u b a ( 普钢2 9 m r a i n ，合金钢高碳钢2 6 m r a i n ，最大拉速 3 5 m r a i n ) 矫直方式；r 9 m r 1 8 m _ r 一 液面控制：c 0 6 0 液面控制系统( 己取消，改为人工控制) 电磁搅拌：m | e m s 二次控制：计算机自动配水 2 4 炼钢车间工艺设计特点 2 4 1 生产率高 5 0 t 电炉设计冶炼周期为7 0 m i n 炉，最大出钢量6 0 t ，年作业率按3 0 0 d 计算， 两台电炉设计年生产能力可达7 0 万t ，由于广东地区限电和峰谷用电优惠，实际平 均日产时间只有1 6 h 。 2 4 2 布置紧凑且占地面积小 短流程炼钢新技术研究 旦 电炉、钢包炉、连铸机大包回转台均设在2 4 m 的单跨内，与出坯跨成垂直布置。 电炉主控室、液压站、变压器室、原料系统等均设在主厂房外偏跨内，节省了1 台 大型吊车及相应辅助设施，主厂房建筑面积节省约3 0 ，仅此一项节省投资o 如1 1 亿元，同时减少了生产中间环节，提高了生产效率。 2 4 3 热泼渣出渣方式 5 0 t 电炉氧化渣采用热泼渣的出渣方式，不用渣罐出渣，为避免熔融炉渣的热 辐射，设计了三面挡渣墙，内侧挂铸铁板以保护地面。此方法省略了炉渣的二次处 理，使用工程装载机就可以实现渣钢的直接回收，自投产以来，从未因炉出渣耽误 过炼钢生产对高效电炉炼钢不需停电处理炉坑，节省了宝贵的时间，同时也减轻 了工人劳动强度。 。 2 4 4 钢包炉在线布置 两台电炉节奏快，钢包炉采用在线布置，布置在两台电炉的中间，由两台变频 钢包车承载，节省了辅助时间，有利于生产调度，更重要的是工艺布置紧凑，节省 投资。 2 5 运行状况 炼钢厂生产运行近两年多来，虽然受到市场价格波动和限电影响，每天实际生 产时间只有1 6 h , 但仍获得了良好的生产实绩，表2 2 所示为电炉投产至2 0 0 5 年的 主要生产实绩。 表2 - 4 电炉投产至2 0 0 5 年的主要生产实绩 i时间年 寓t t电耗k w h 1 电极消耗蚝h 1 优质钢比例 f2 0 0 41 0 月0 5 年1 0 月 5 7 4 9 9 5 4 7 8 ( 含l f 炉) 4 9 3l l 经过5 0 t 高功率交流电弧炉正常运行一年多的实践，已经掌握了5 0 t 电炉冶炼 工艺及其主工生产技术，充分发挥了它的作用，实现了高产、优质、低耗的目的， 主要技术经济指标达到了设计要求。 1 4 竺 短流程炼，钢新技术研究 第三章：短流程电炉炼钢新技术 3 1 废钢预热 2 0 世纪末，人们全面开发了电炉炼钢节能技术，电炉在强化冶炼技术( 用氧 及矿物燃料) 增加辅助能源后，排出炉外的烟气温度大幅度上升。据测量常规电炉 用氧及增加辅助能源以后，烟气带的热量可占到电弧炉热量总收入的2 0 左右 1 9 7 9 年日本东申制钢与日本钢管( n k k ) 公司开始联合开发电炉炼钢节能技术， 1 9 8 0 年在一座5 0 t e a f 上安装了世界上第一套废钢预热装置”在此基础上，一年以 后又在1 0 0 t 电弧炉上安装了第二套预热装置。操作结果表明该装置可回收炉气显热 3 0 ，吨钢电耗可降低约3 0 5 0 k w ，冶炼时间缩短约8 分钟” 1 9 8 1 年底，德国巴登钢厂( b s w ) 装备了欧洲第一套废钢预热装置。1 9 8 5 年 该厂改造在两座6 0 t 电炉上都装上废钢预热装置。预热后废钢温度达到4 5 0 相当 于节电6 0k w i - i t ，同时降低了电极消耗与耐材消耗”1 进入2 0 世纪9 0 年代中期，由于欧洲严格的环保立法，传统的废钢预热方式在 欧洲逐渐被禁止，或者被迫将预热废钢以后的电炉废气用烧嘴重新加热至9 0 0 以 上，再进行急冷、除尘，以避免剧毒气体二恶英的生成与排放，这又是以新的能量 输入为代价目前来说，这是节能与环保关系中的一大矛盾，因此，冶金工作者不 得不寻求新的废钢预热方式 目前工为应用较为普遍的新型废钢预热的方式大约有以下三种： ( 1 ) 竖炉法竖炉法是德国福克斯( f r c h s ) 公司开发的技术，该方法产生于 2 0 世纪8 0 年代末期，其特点是在炉盖一侧直接装有废钢预热竖井，使排出炉外的 电炉烟气直接穿过待预热废钢，高温烟气与竖井内废钢进行充分的热交换，然后进 入除尘系统。 与常规电炉比较，节电与节能效果可达1 0 0 k w l d t ，金属收得率可增加2 “1 ( 2 ) 双炉壳法。2 0 世纪6 0 年代，瑞典第一次将双炉壳电炉用于生产中，即用 两个尺寸完全相同的炉壳，共用一套供电系统，两个炉子轮流进行装料、熔化、精 炼出钢操作，近年来在日本、德国也出现采用这种工艺操作的电炉，使电炉炼钢的 非通电时间大大缩短时可达到2 4 分钟( 比常规电炉可缩短l 肚1 5 分钟) 。双炉壳 电炉的主要特点是缩短冶炼时间，提高生产率( 比如单电炉不易掌握，操作难度大， 且与后步工序配合困难此处，还多出一套炉壳的投资费用，占地面积也相应加大， 因此建投资增加很多“” ( 3 ) 水平式废钢预热- - - - - c o n s t e e l 法“”水平热烟道下部的传送料车连续地送入 炉内，外排的炉内烟气与废钢逆向运动进行热交换。在水平烟道中的不二次燃烧， 出1 3 烟温度可达到1 0 0 0 c 。这种预热方式可以最大限度地利用与减少烟气中的物 理热与化学热，闻时烟气中的氧化铁尘粒同样可由废钢吸附带回炉内，提高金属收 得率水平、连续地预热废钢，预热后的废钢连续加入炉内，带来的好处不仅是烟 气余热利用与减少烟尘排放，而且这种独特的操作方式对稳定供电很有好处炉内 总能保持相当部分的液态钢水熔池，这非常有利于电极电弧稳定，消除电网闪烁， 保持较高的输入功率 废钢预热方式可以给电炉冶炼带来以下几个好处： ( 1 ) 节约能量；( 2 ) 节约时间；( 3 收得率提高：( 4 ) 减弱电网闪烁 3 2 水冷炉壁和水冷炉顶” 现代电炉的平均水冷炉壁面积己达到7 0 ，水冷炉顶面积己达到8 5 5 该技术的采用 短流程炼钢新技术研究 墅 使电炉的热损失增加5 1 0 ，但由于节省了5 0 7 5 的耐火材料成本和喷补料成 本，并使炉顶寿命提高了5 0 。渣线上部耐火材料的维护作业被取消，使工人劳动强度 大大降低。同时，由于电炉改用长弧操作，冶炼时间缩短5 l o m i n ，总体效益显著。 3 3 氧一燃烧嘴与炉门碳氧枪 3 3 1 炉炼钢化学能供应 现代电炉炼钢化学能输入有以下途径： ( 1 ) 氧气； ( 2 ) 碳粉、煤粉、石油焦等，主要是固体碳颗粒； ( 3 ) 天然气、丙烷等可燃气体； ( 4 ) 轻油、重油等液体燃料 除氧气外，其余三种也称为石化燃料( f o s s i l ef u e l ) 或矿物燃料( m i n e r a lf u e l ) 通过氧燃烧嘴将这些矿物燃料输入炉内输入化学能的目的是增加辅助能量，但这 不仅仅是起一个能量补充的作用，对于电炉炼钢来说，采用辅助能源输入还有以下 几个原因： ( 1 ) 电能及电极费用的普遍增长，提高了电炉熔化废钢等金属料的成本 ( 2 ) 对超高功率电炉来说既存在着电极附近的热区，也存在着远离电极的冷区， 为减少炉内炉料的不均匀性，以氧燃烧嘴作为辅助能源手段，对冷区进行热量补 偿 ( 3 ) 氧燃烧嘴安装在水冷炉壁上，与从炉门输入化学能相比，操作简单，维 护方便。 辅助能源输入以比较少的设备投资，换出缩短熔炼时间，提高生产率，节电、 节省电极的效果显著。一般可节电1 0 - 1 5 ，增加生产率6 1 0 ，安装后乱8 个月即可回收投资蜘。 氧燃烧嘴安装是辅助能源输入方式的一种，另外一种辅助能源输入方式是炉 门碳氧枪 不同化学能源的能量换算如下： 电( 按3 1 发电效率) 1 1 5 4 m j ( k w h ) 氧气( 拆准、状态) 8 7 m j m 按1 m 3 0 2 ( 标准状态) 耗电0 7 k w h 计算】 天然氧热量 3 6 8 5 m j m j 燃油发热量 3 8 5 m j k g 煤粉2 5 m j k g i m j = o 2 7 8 k w l l l k w h = 3 6m j 电炼钢总能耗计算( 以k w h t 计) ： ( 1 ) 1 0 0 废钢冷装： 电耗3 9 2 5 k w h t l f 电耗 4 7 3 5k w h t ， 如( 标准状态) 3 4 6 m = t相当于2 4 2 2k w h t 碳粉3 2 6 k g t相当于2 2 6k w h t 燃油6 k 眺 相当于“1 7k w h t 总能量输入 5 5 0 8 4k w h t ( 2 ) 3 0 铁水热装： 电耗 2 8 3k w h t 坚 短流程炼钢新技术研究 1 1 ,i i ) p 一一，i l lm 一i i 鼍鲁皇皇皇鲁鲁量曼皇皇鲁詈詈鼍鼍鼍葛 q ( 标准状态)3 5 ，9 血7 t相当于2 5 1 3k w h t 碳粉0 9 4 k g t相当于6 5 3k w h t 燃油 6 0 2 k g t 相当予6 4 4 3k w h t 炉后用液化石油气 仉3 2 k g t 相当于5 - 3 0 姗b t ( 按重容1 4m 3 k g 计，热值同天然气) 总能量输入4 2 8 3 9k w h t 铁水热装后节省能量8 2 4 5k w h t 2 但考虑到1 3 0 0 c 铁水本身带人物理热与化学热，省能应超过1 0 0k w h t ，说 明铁水热装节能还有潜力。 3 3 2 氧一燃烧嘴 a 。纯氧助燃的优越性 使用纯氧代替空气助燃，亦即避免惰性气体n ：进入燃烧区它有两个优点，一 是能提商火焰温度( 因为避免了无助燃作用，并且吸热的氮气混入) ；而是能提高 燃烧率 即燃料完全燃烧的程度) 。从图3 _ 7 可以看出脚使用空气助燃天然气，火 焰温度可达1 8 0 0 ，随着助燃气体中氧含量的增加，当达到1 0 0 纯氧时，火焰温 度可以提高1 0 0 0 度，达2 8 0 0 图3 8 表明订1 烟气温度上升对天然气完全燃烧不利，但使用纯氧助燃与使用空 气助燃，二者燃烧率下降幅度不同，使用氧气助燃时，燃烧率下降幅度小。同是1 6 0 0 的烟气温度，使用纯氧助燃，燃烧率在7 0 以上，丽使用1 0 过量空气助燃， 天然气燃烧效率只有2 0 因此，现代电炉使用的氧一燃烧嘴全部都是使用纯氧助 燃。 圈3 - ? 火焰温度与助燃物中氧气含量的关系 短流程炼钢新技术研究 旦 圈3 - - 8 燃烧率与烟气温度的关系 b 氧一燃烧嘴结构以及在电炉内的布置 依使用燃料种类不同，氧一燃烧嘴结构也会不同，但基本结构还是一致的最 外层一般都是冷却水保护，使烧嘴免受高温辐射以及溅渣等侵蚀里面依次是氧气 和燃料的喷嘴，假如使用液体或粉状材料，则燃料喷嘴内还要考虑有载气输送 烧嘴的大小和多少依据电弧炉容量( 也即电炉炉壳尺寸) 以及电炉冶炼工艺条 件( 如废钢种类、d r i 使用数量、是否有废钢预热或热装铁水等) 而定。一般来说， 使用废钢预热或有铁水热装的电炉，氧一燃烧嘴的个数与功率都可适当减少小，而 使用重型废钢或d r i 比例大的电炉，烧嘴配置应适当多些或功率需适当大些氧一 燃烧嘴一般是安装在电炉水冷壁上，个数3 6 只，大部分电弧炉烧嘴在炉壁上安装 的位置先靠近炉内的冷区( 如交流电弧炉，在电极之间共有3 个冷区，e b t 底出钢 电炉的留钢区域也是冷区) ，便于加速废钢熔化 较小的电炉可以在炉门上安装烧嘴，单个烧嘴安装在一支撑小车上可使烧嘴灵 活对准炉内某个区域，使烧嘴火焰有效地达到炉内冷区。 也有个别的电弧炉，氧燃烧嘴被设计安装在炉盖之上，这对于炉盖旋转或平 移的操作很不方便，但对于使用大量泡沫渣的电炉，炉盖烧嘴可以避免炉壁烧嘴出 现灌渣现象。 3 3 3 炉门碳氧枪 为加速炉内废钢熔化，传统电炉操作是采用人工吹氧的办法，即操作工手持吹 氧管从炉门从炉门切割废钢，或将吹氧管插入熔池加速废钢熔化，并可加速脱碳 现代电弧炉炼钢取消人工操作而代之以氧枪机械手，在电炉主控室内遥控吹氧。近 年来，由于造泡沫渣的需要，在向炉内吹氧的同时，用另一只喷枪向炉内喷枪向炉 内喷入碳粉。 炉门碳氧枪可分为两大类，一类是水冷碳氧枪， 一类是消耗式碳氧枪碳氧 枪系多层无缝钢管制造，端头为紫铜喷头，类似于氧气顶吹转炉的水冷氧枪，电炉 用水冷碳氧枪是在炉门前( 渣门)