电炉新技术基础讲座

现代电弧炉炼钢技术,1电弧炉炼钢生产的发展表1世界总年产钢量、电炉钢产量和电炉钢所占百分数,表2世界主要产钢国家近年来电炉钢比例（）,2电弧炉炼钢的主要技术特点,21原料传统的电弧炉炼钢是全废钢工艺以冷废钢为主，配加10左右的生铁块；现代电弧炉炼钢使用的其它原料还有：除冷生铁外，直接还原铁（DRI，HBI）、热铁水、碳化铁等。电弧炉炼钢的原料构成对其工艺、装备、指标等有决定性影响；不同原料结构下的生产过程是不可比的。或者说只有原料结构相当的情况下才是可比较的；可比的公认基准是上述全废钢（或基于全废钢）工艺。,废钢,电炉炼钢是一种铁资源回收再利用过程，也是一种处理污染的环保技术。仅就电炉炼钢工序而言，废钢是基本原料，和其他冶炼工序一样，精料是首要的基础工作，废钢原料的鉴别、分类等管理工作和打包、剪切等预处理工作都是非常重要的。当前电炉炼钢使用废钢原料的最大问题是金属残留元素，主要是残留的Ni，Cr，Mo等合金元素和Cu，Sn，Bi，Sd，Pb等有害元素。它们在电炉炼钢过程中尚无有效方法去除，残留在钢材中造成种种危害，并在废钢循环再利用过程中不断积累。目前采用的对策主要有：加强废钢管理；在废钢预加工过程中挑选或分离；冶炼过程配加其他铁源，稀释残留元素的浓度。采用稀释的办法会带来一系列的问题，例如废钢中含Cu0.50，若稀释到Cu0.35，则至少需配入30的洁净铁源，这就使炉料结构发生根本的改变，引起操作、装备、成本等发生变化。,其它金属料,冷生铁：配碳、稀释残留元素、渣量增加直接还原铁：粒状直接还原铁（DRI）和块状热压块（HBI）铁水：配加10的热铁水，带入的物理热约为25kwh/t-steel，化学热约25kwh/t-steel，（而氧耗67m3/t-steel）碳化铁(Fe3C)：技术问题，不能大量生产,电炉总能量平衡,表3在吹氧条件下，熔池中各元素氧化1kg时所产生的理论热值,成本构成典型的电炉冶炼碳素钢的成本构成(a)八十年代美国某厂（b）九十年代中国某厂,主要技术发展方向和动态,电弧炉技术的发展,电炉炼钢技术发展的主要方面,电炉技术进步及电气运行发展,有代表性的传统交流电弧炉,二次燃烧,泡沫渣产生的主要产物是CO，而在一般常规操作中，CO是在除尘系统二次燃烧掉的，任何潜在的化学能都没有及时利用。二次燃烧技术就是使用二次燃烧氧枪，将氧气吹送到熔池上方，使炉气中大部分的CO燃烧成CO2，并设法使二次燃烧产生的热量进入熔池。采用二次燃烧使电耗有相当程度的降低，甚至可低于400kWh/t；出钢到出钢时间也常常少于60分钟；但总的氧耗量会相应增大，一般会超过40m3。现在有不断增加用氧的倾向，有人估计到2002年，用氧量会达到50m3/t（其中11m3/t用于二次燃烧，11m3/t用于泡沫渣）。理论上，当CO在1600燃烧时，每立方米（标准态）二次燃烧的氧能产生5.8kWh。实际可节能3-4kWh/m3（标准态）。,典型的带二次燃烧的交流电弧炉,智能电弧炉,智能电弧炉的效果,美国依阿华（Iowa）州的北星（NorthStar）钢厂与米尔切克（MilltechHOH）公司合作研究用神经网络技术改善电弧炉的电极控制，1991年9月在一台80吨交流电弧炉炼钢生产中投入运行，所取得的成绩是：生产率提高10%20%电极消耗量降低0.40.6kg/t电能消耗减少1820kwh/t年效益216万美元,废钢预热和准连续化生产技术,利用电炉炼钢过程产生的炉气带走的物理热加热废钢原料是一种很自然的想法，各种废钢预热装置的设计和应用已有数十年的历史，但是由于预热的温度低、热效率不高、操作不方便，尤其是废钢中夹带的有机物在预热过程中产生致癌和有毒气体问题，使废钢预热技术几乎遭到彻底的否定。九十年代初，Fuchs公司的竖炉电弧炉（ShaftFurnace）获得了成功，使废钢预热技术重现应用前景，开创了各种余热利用、双壳炉和准连续生产发展的新局面。,竖炉电弧炉,竖炉电弧炉是FuchsSystem在1992年推出的。它有一个废钢预热系统，竖炉电弧炉可以是单竖炉或双竖炉，也可以是直流的或交流的。它用废气的潜热和化学热，加上在竖炉底部的氧燃烧嘴预热装在水冷竖炉内的废钢料柱。与普通的炉子比较，其氧燃烧嘴的热效更高，因为烧嘴在废钢里埋入的时间更长，位置也更深些。竖炉里至少可装全炉废钢的40%，剩下的废钢在开始熔化前直接加入炉内。竖炉电弧炉在炼钢生产中取得了良好的效果，我国张家港沙钢润忠的90t/65MVA竖炉电弧炉就是其中的成功一例。2000年年生产率（产钢量）超过65万吨/年，平均出钢次数N=7036炉次/年，变压器利用系数Ce=9742t/MVAa，冶炼电耗年均363Kwh/t，电极消耗1.83kg/t，在国内均居领先水平。,竖式电炉的能量平衡,指篦式竖炉电弧炉（FingerShaftFurnace）是竖炉电弧炉的改进，扣除预热废钢带入的55Kwh/t能量，总衡算仅为525Kwh/t，比常规电弧炉炼钢总能量衡算635Kwh/t节省了105Kwh/t，即节能近17%。据报导，美国孟菲斯（Memphis）市的135t/120MVA的指蓖式电弧炉设计生产率可达100万吨/年。,双壳电弧炉,顾名思义，双壳炉内有两个炉壳，共用一套电源。电极把持器可以共用一套或各有一套，并有双壳的竖炉电弧炉。双壳炉的技术特点是将废钢预热和节省非通电时间相结合：当一个炉壳内在熔化炉料时，另一炉壳就加入第一篮炉料。当第一个炉壳要出钢时电极就转向另一个炉壳，开始送电。这样停电时间可缩短610分钟，生产率大大提高。有些设计中，当一个炉壳在熔炼时将排出的热废气通入第二个炉壳，以预热废钢。在挥发性有机物和NOx方面有问题时，在第二个炉壳内预热废钢最好加上烧嘴。预热炉料的优点是缩短给电时间和节电，日本NipponSteel估计预热25分钟可节电35KWh/t。双壳电弧炉技术对于生产优质板材，直接向电弧炉兑入铁水再加废钢或直接还原铁是一种经济的方案，这样可大大降低电耗。,美国TSC公司双壳电弧炉,consteel生产技术,竖炉电弧炉和双壳电弧炉合理的逻辑发展是废钢原料预热和加料过程的连续化，显然这对电弧炉炼钢过程是非常有利的：电弧非常平稳，闪烁、谐波和噪音很低过程连续进行，非通电操作时间减至最少不必周期性加料，热损失和排放大大减少便于稳定控制生产过程和产品质量近年来发展了许多连续预热和加料的新技术和新炉型，但其出钢还是周期性的，故仍为准连续化生产技术。其中，开发较早的是德兴（Techint）集团的康钢法（Consteel），第一台工业性生产装置是1989年FloridaSteel公司的交流炉，表8是几台较早投产的Consteel炉的主要技术参数，可以看出其生产速率和变压器利用系数均远远高于传统的电弧炉。Consteel可用的炉料是：废钢、生铁和热压块、热的和冷的直接还原铁，可在预热器的某处加入。铁水（高炉或Corex）可用到占3040，铁水通过炉壳的一个通道连续加入。,Consteel电弧炉,电炉炼钢可持续发展战略,能耗能耗是可持续发展的一项重要指标，一方面是对能量资源的消耗，另一方面产生的热量和CO2又是对环境的污染。我国经济长期粗放增长。我国每公斤标准煤的能产生的国内生产总值为0.36美元，而印度为0.72美元，韩国为1.56美元，法国为3.24美元，日本为5.58美元。全世界平均为1.86美元。我国钢铁工业是能耗大户，经过多年的不懈努力，吨钢能耗已有很大的节约，例如，1978年冶金系统的平均吨钢综合能耗为2.52tce/t，1983年降至1.85tce/t，到1998年已降至1.29tce/t，二十年间降低了一半。与世界先进国家相比仍高很多，2000年可降至1.20tce/t以下，若按年产钢量1.2亿吨计算，全系统能耗将高达1.41.5亿吨标准煤。,电炉炼钢的优势关于我国钢铁行业2010年能耗构成的预测值，可以看出，矿石经高炉/转炉流程而成粗钢的单位能耗高于600kgce/t，其中氧气转炉炼钢工序能耗仅为10kgce/t，所占甚微，主要能耗是高炉和炼焦工序。考虑到NOx和粉尘的产生和治理，铁前系统烧结、炼焦和高炉炼铁是能耗大户，也是污染环境的大户。相比之下，废钢经电炉熔炼所生产的粗钢吨钢能耗仅为270kgce/t，而污染的产生及其治理更远优于高炉/转炉流程。,环境及污染,电能是电弧炉炼钢的主要能源，而发电也需要大量的碳和其他的矿物燃料，由此而产生的碳氧化物是排入大气中废气的主要成份，燃料燃烧也产生CO、氮氧化物、硫氧化物等排放物。转炉炼钢过程中每吨钢所产生的CO2排放量为1922公斤/吨钢。而采用电弧炉（EAF）炼钢工艺每吨钢所排放的CO2，