我国现代电炉炼钢的发展与特钢生产问题(冶金管理)

我国现代电炉炼钢的发展与特钢生产问题摘要：目前我国电炉钢比例正面临着自1990年以来第二次逐年下降的局面，不利于全球铁矿、焦煤、土地、水资源的节约及环保，不利于节能。针对我国目前废钢及电力资源仍然紧缺的现状，认为要发展我国电炉炼钢，增加电炉钢比例，仍须采用生产高附加值钢材，降低操作成本的方法。指出了目前电炉生产高附加值产品的类型，认为电炉应生产优质普钢；电炉加部分铁水冶炼及利用集束氧枪提高供氧效率是降低操作成本的有效技术措施。建议有关部门现在要引导支持对我国现代电炉流程的第二轮投资。关键词：现代电炉炼钢，特钢，电炉加部分铁水冶炼，集束氧枪，投资1前言钢可以分为普钢和特钢两大类型。特殊钢包括优质合金钢与合金（合金可以不以铁为基，例如镍基、铁镍基高温合金等）。随着20世纪下半纪以来连铸技术及炉外处理技术的发展，钢的制备技术发生了根本的变化，现代钢生产流程主要有：转炉流程：高炉冶炼—铁水预处理—转炉冶炼—二次精炼—连铸—（热送热装）—轧制；电炉流程：电炉冶炼—二次精炼—连铸—（热送热装）—轧制；特种熔炼：特种熔炼（真空感应熔炼、冷坩埚熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束重熔、等离子熔炼或重熔等）—锭子锻造或轧制、挤压。现代炼钢流程主要是转炉流程和电炉流程。2004年世界粗钢产量达10.548亿t，其中转炉钢66452万t，占63%，电炉钢35652万t，占33.8%。特种熔炼产量小，但对国防建设、前沿技术、重要国民经济部门的发展具有重大意义。钢厂类型亦发生了很大变化。国外（例如美国）主要有钢铁联合企业（IntegratedIronandSteelCompany）、现代电炉钢厂（MiniMill）及专门的特钢厂（例如Cabot、Allvac等）。国内除钢铁联合企业（例如武钢、鞍钢、首钢等）以及现代电炉钢厂（珠江钢厂、大连钢厂等）以外，出现了大批的新型钢铁联合企业（NewIntegratedIronandSteelCompanywithMiniMill,，例如宝钢、沙钢、安钢、兴澄等）。特种熔炼通常是作为现代电炉钢厂的一个分厂或车间，也可以是新型钢铁联合企业中现代电炉钢厂的一个分厂或车间。由于转炉与电炉冶炼具有越来越多的共性[1]，转炉可以冶炼普通钢，也可以冶炼特殊钢；电炉可以冶炼特殊钢，也可以冶炼普通钢。钢厂只有转炉厂和电炉厂之分，最好不要再称为普钢厂或特钢厂。关于学会设置，建议中国金属协会成立新的统一的炼钢分会，下设转炉、电炉、特种冶金学术委员会，负责普钢和特钢的冶炼，特钢分会偏重金属材料。带有或没有特种熔炼装备的电炉厂除生产特钢外，应着重考虑生产普钢以提高自身的竞争能力，这也是本文试图讨论的重点。2国外电炉炼钢的发展情况自上世纪中叶至今，尽管转炉炼钢技术取得了长足的进步，但世界电炉钢比例不断增长，从1950年的7.3%增长到2003年的33.1%，其中美国从6.2%增长到48.9%，2004年美国电炉钢比例达53%[1]。电炉钢比例的增长，主要是由于跟高炉转炉长流程相比，电炉炼钢具有固定投资小，主要以废钢为原料，消耗铁矿石，焦炭，水等资源少，占地面积小，可比能耗低，对环境污染少，工厂可接近资源产地及市场，启动及停炉灵活等优点，符合全球可持续发展要求。特别值得指出的是：本世纪前四年，世界上年产钢500万t以上的主要产钢国家各国粗钢产量稳步增长，但一些国家电炉钢比例尚有所增加，例如，2001至2004年，美国粗钢产量从9010万t增加到9890万t，电炉钢比例从47.4%增加到3我国现代电炉炼钢的发展情况使电炉钢产量在一个水平线上波动，另外由于转炉钢产量的迅速增长，电炉钢产量增长比较慢，致使电炉钢比例下降，但这也正好说明“第一次上海会议”的意义及影响，如果没有1993年的“第一次上海会议”，在小电炉大量被淘汰的情况下，2000年我国电炉钢的比例恐怕还会低很多。2)从2000年至2003年，在世界电炉钢比例有所下降的同时，我国电炉钢比例却走出了低谷有所回升。从2000年的15.7%上升到2003年的17.6%。电炉钢比例回升说明在这一阶段，虽然全国钢产量迅速增长，但电炉钢增长的速度比钢总量增长的速度更快，见表1。由表1可见：在2001-2003年间，我国钢生产迅速发展，年增长速率达20~22%，远高于世界同期增长速度。电炉钢增长速度更高，达27-28%，电炉钢比例回升了约2个百分点。电炉钢比例有所回升的原因，除了国民经济发展的拉动以外，主要是由于上世纪九十年代钢铁企业在有关政府部门的引导和支持下，对发展我国现代电炉钢流程进行的一轮投资新增电炉钢生产能力的释放，一批现代电炉流程迅速投产、达产、超产以及我国电炉钢工作者在消化引进国外先进技术的基础上自主创新，开发具有中国特色的现代电炉炼钢技术方面取得了长足的进步，电炉冶炼周期大大缩短，生产率大大提高[3，5]。表12001~2003年我国及世界电炉钢的增长速度世界电炉钢比例，%钢增长速度，%钢产量，亿t中国电炉钢比例，%1.5091.8232.22415.816.717.6钢增长速度=（当年钢产量-去年钢产量）/去年钢产量*100%3）2004年以后进入第三阶段，在这一阶段，中国电炉钢比例正面临着1990年以来第二次逐年下降的局面，由于前一阶段我国对转炉流程进行大量投资导致的转炉钢生产能力的释放，使我国转炉钢产量大幅度增长，增长速度达27%，而电炉钢第一轮投资导致的潜能挖掘释放已经饱和，年增长速度大大降低到6.7%，转炉钢增长速度高于电炉钢，从而使电炉钢比例又有所下降，估计这次下降的势头比1993-2000年那次更猛，1993-2000年每年平均约降低了一个百分点，而这次在2003-2004年间，一年内就下降了约二个百分点，从17.6%下降到15.2%。2005年我国钢产量达到约3.5亿t，电炉钢比例可能低于13%。今后几年如不控制全国钢的总产量和转炉钢生产，较大幅度增加电炉钢产量，则电炉钢的比例还会迅速下降。4提高我国电炉钢比例的意义及技术措施电炉钢比例的下降，从全球的观点出发，意味着铁矿石、焦煤、水等资源的消耗增加，土地利用率相对降低，CO2、废渣等排放量增加，对环境不利，从而影响全球的可持续发展战略，不利于子孙后代。电炉钢比例的下降，不利于我国从一个钢铁大国转变为一个钢铁强国，我国从1996年开始，钢产量居世界第一，成为了一个钢铁大国，但目前还不是一个钢铁强国。根据文献[2]提出的评价钢铁强国特征的几个指标，设转炉最佳废钢比a为8~20%，电炉最佳铁水比b为30%，生产一吨转炉钢比生产一吨电炉钢，将少循环利用废钢约500～600kg。根据文献[6]提供的数据，吨钢的矿石消耗量Wi增加1.3t，CO2排放量增加1589kg，废渣排放量增加600kg,可比能耗增加350kg标煤。如何提高我国的电炉钢比例，应采取什么技术措施？我们认为：电炉炼钢在我国目前的废钢及电力仍然紧缺的条件下，还是要坚持生产高附加值优钢和以缩短冶炼周期为核心降低操作成本的方向[3，7]。对于电炉流程冶炼工序，高附加值优质产品因时、因地具有不同的含义。目前我国高附加值优质产品，也就是能盈利的电炉钢品种包括：a)转炉流程不适合生产的高合金钢、高温合金、大型铸锻件用钢；一些大型机械（包括冶金机械）部件，特别是铸钢件，用随时可以启动、终止的电弧炉冶炼比较合适，对一些特厚板，用电炉生产大型钢锭的轧材比用电炉或转炉生产的连铸坯的轧材质量好，对于一些军工产品，即使转炉流程能够生产，但军方不愿意重复试车，还得让电炉流程生产；b)转炉流程能够生产但目前在国内产量还是不大的一些合金钢钟，如轴承钢、齿轮钢、弹簧钢等；c)过去仅能用转炉流程生产的、现代电炉流程也能生产的一些品种，如高附加值的板材（薄板、中板、厚板）；d)优质碳素钢（低碳钢板材，中、高碳钢棒材）和低合金钢（包括使用量很大的螺纹钢）。作者认为电炉应考虑生产普钢。世界上电炉钢的比例为1/3左右，但特钢比例约15%，见表2。中国2003年合金弹簧钢、合金结构钢、滚珠轴承钢、合金工具钢、高合金工具钢、不锈钢总产量仅为1098万吨，钢总产量为22241万吨，表观消费量为25262万吨。表2世界主要产钢国家特钢生产及消费情况国2003年粗钢产2000年特钢表观消2003年特钢表观消2003年特钢占总钢家量*，万短吨费量*，万短吨费量*，万短吨产量比例**，%*根据国际钢铁协会提供及中国钢铁工业协会2003年ChinaSteelIndustry对外发表数据编制。国外电炉实际在生产特钢的同时，也在大量生产普钢，但为优质普钢。我国应充分利用“973”项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”开发的HSLC钢及超细晶粒钢的研究成果，用现代化电炉流程来生产400MPa级铁素体+珠光体类型薄板及长材可能是提高我国电炉钢比例的一个重要途径，因为它可以取代目前只经吹氩、喂线精炼的同类小转炉钢（这类钢目前总产量超过亿吨）。实践证明，用电炉流程生产的成分类似Q195的HSLC钢的屈服强度可达420MPa，成分类似16Mn或Q345不加Nb、V、Ti微合金元素的HSLC低C-Mn钢的屈服强度可大于450MPa。关于降低操作成本，仍然要坚持以缩短电炉冶炼周期为核心，来发展现代电炉炼钢技术，这里主要谈一下电炉加部分铁水冶炼及采用集束氧枪强化用氧问题。加部分铁水冶炼在缩短冶炼周期，提高生产率，降低电炉钢固定成本、人工成本、降低电耗方面具有显著效果。特别应该注意的是，现代电弧炉炼钢，为了缩短冶炼周期，除超高功率供电外，还必须提高配碳量，强化用氧，加生铁是最有效的方法，国外现代电炉炼钢有加40%生铁冶炼的。我国一般加20~30%的生铁块，电炉加部分铁水冶炼，实际上是以热铁水代替冷生铁，显然，这对节能具有重要作用，是一种技术进步，如果说欧洲、日本近十年来发展废钢预热为特征的电炉冶炼技术是对现代电炉技术发展做出的重大贡献，作者认为，目前我国广泛使用的电炉加部分铁水冶炼技术是我国对现代电炉技术发展做出的另一重大贡献，因为废钢预热的效果一般为吨钢节电60kWh，而加35%铁水冶炼吨钢节电120kWh以上，且装备简单。2003年，我国34台容量大于60t的电弧炉已有22台采用了电炉加部分铁水冶炼技术，其中16台生产率超过了8000t/t·a，7台超过了10000t/t·a。电炉加部分铁水冶炼有一个最佳的铁水比[2]，以冶炼周期最短为目标计算的最佳铁水比与平均供氧强度有关，见图2。炉门吹氧系统是使用年代最长，最普遍的供氧方式，我国早期引进的炉门机械手装置，目前国内完全能自主生产。它使国内电炉达到较高的冶炼水平，脱碳速度高于采用人工吹氧方式。传统的炉壁及EBT区吹氧方式是旨在代替氧燃烧嘴助熔，加速电炉炉内的废钢熔化及解决冶炼过程出现的冷区问题，同时达到炉内实现二次燃烧。传统炉壁吹氧方式的缺点是：当电炉炉料配碳较高时，脱碳速度不能满足冶炼节奏需要。电炉炉壁集束氧枪技术是集供氧、喷吹燃料、喷吹碳粉为一体的供氧喷吹技术。具有传统烧嘴的助熔功能，同时可通过炉壁喷吹集束氧气射流快速脱碳及喷吹碳粉实现炉渣泡沫化。集束供氧技术的核心为：取代传统意义上的炉壁助熔烧嘴及炉门氧枪，而且能够根据冶炼进程的变化，最大限度加快助熔速度，实现“关起炉门炼钢”。采用集束射流技术，其氧气射流比传统超音速方式增加40－80%的射程，可获得满意的脱碳和升温效果。可形成炉中多点脱碳能力，加速熔池脱碳。目前国内外部分先进电炉已采用该项技术，使电炉的技术经济指标大大提高。安阳钢铁公司100吨烟道竖炉电弧炉采用北京科技大学开发的集束供氧技术，获得了最佳的供氧效率，达到了提高金属收得率及进一步节电等冶炼效果。电炉生产2个月后的使用效果显示：该电炉在热装40%铁水条件下，冶炼电耗比原平均电耗220kWh/t又下降了60－80kWh/t，达到160kWh/t以下，金属收得率提高2-3%，冶炼时间缩短3-5min，生产成本降低了80元/t以上，进一步缩短了与同容量转炉在操作成本上的差距，加铁水后的强脱碳操作未产生大沸腾现象，杜绝了炉壁及炉顶粘钢现象的发生，提高了生产效率。在其它厂多座电炉上也取得了类似效果。5．引导支持对我国现代电炉流程的第二轮投资国家计划淘汰大批落后的小高炉、小转炉；我国废钢资源会逐渐增加。为了满足国民经济发展的需求，会面临需要增加钢生产能力的问题。但应新增哪类炼钢能力，我们认为应该严格控制一般的大转炉流程。目前应引导钢铁企业考虑对发展我国现代电炉炼钢的第二轮投资，新增现代电炉炼钢生产能力。历史经验证明，我国对现代电炉炼钢的第一轮投资，经过十年才达到产能充分释放，形成生产能力。再过十年。估计我国的废钢及电力紧缺的局面将会有大的改变，电炉炼钢的优势将会得以充分体现出来，到时候现抓电炉钢生产，就可能措手不及，失去机会，减少企业利润。此外，我们要建设创新型国家，企业是创新的主体，创新的目的是什么？除了获取更多的经济效益，还应注意节约资源，尽可能减少乃至完全消除企业在生产过程中对环境的破坏，更多地承担社会责任，这也使作者认识到要重视我国电炉钢比例面临再次逐年下降的问题，重视尽快地发展我国的电炉钢生产。1993年美国有容量为100t以上的电炉40多座，2003年日本年产电炉钢2900万t，有100t以上的电炉22座，而我国目前只有13座100t以上的电炉，根据不同条件，目前应考虑进行新一轮的投资，适当的新建100t左右级别的现代电弧炉，否则，可能会导致无序地新建不符合产业政策，容量小于60t以下的电弧炉，或使尚存的大批小容量的电炉重新起动。韩国发展钢铁工业的一些经验值得借鉴。1970年韩国颁布了“钢铁工业育成法”，考虑到韩国缺乏焦煤和铁矿石这一实际情况，为确保钢铁企业的规模效益，规定只允许浦项一家企业建高炉转炉生产流程，其余的发展电炉钢，电炉所需废钢除一半进口外，其余的在政府积极组织下回收，保证了生产能力为1000万t的大型钢铁联合企业浦项钢铁公司的建成，继而又建设了生产能力为1200万t的光阳厂，1985年电炉钢产量达到404万t，韩国在钢产量从1