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    我國電弧爐煉鋼發展現狀

    【摘要】:
    電冶金專題   我國“十三五”《鋼鐵工業調整升級規劃(2016-2020年)》指出:加快發展循環經濟,按照綠色可循環理念,注重以廢鋼為原料的短流程電爐煉鋼的發展。可以預見,隨著我國“長流程”煉鋼向“短流程”煉鋼的轉換及節能環保的需要,電弧爐煉鋼將迎來新的發展機遇,再加上我國廢鋼鐵資源和電力能源的逐步豐沛,電冶金工藝尤其是電弧爐短流程工藝將受到越來越多地關注;同時,為慶祝中國金屬學會電冶金分會成立,

                                                            電冶金專題

          我國“十三五”《鋼鐵工業調整升級規劃(2016-2020年)》指出:加快發展循環經濟,按照綠色可循環理念,注重以廢鋼為原料的短流程電爐煉鋼的發展。可以預見,隨著我國“長流程”煉鋼向“短流程”煉鋼的轉換及節能環保的需要,電弧爐煉鋼將迎來新的發展機遇,再加上我國廢鋼鐵資源和電力能源的逐步豐沛,電冶金工藝尤其是電弧爐短流程工藝將受到越來越多地關注;同時,為慶祝中國金屬學會電冶金分會成立,《世界金屬導報》策劃編輯了電冶金係列專題報道,以饗讀者。

     

    1.中國電弧爐煉鋼產量持續增長

    2003年我國電爐鋼產量占比最高達17.6%, 2016年占比下滑到最低點7.3%,產量僅為5884萬噸。2003年我國粗鋼產量為2.22億噸,2016年增加到8.08億噸,主要是由於轉爐鋼產量的提高。

    造成電爐鋼產量比例低的原因是電爐煉鋼成本方麵的競爭力低於轉爐煉鋼。主要原因是2003-2016年間,①國內廢鋼資源的供應緊張,廢鋼使用成本高;②工業電價偏高,造成電爐煉鋼鐵水兌入比例持續升高,甚至出現了不用廢鋼的全鐵水電爐轉爐化冶煉方式,不能充分發揮電弧爐煉鋼在資源能源節約、環境友好方麵的優勢;③由於爐外精煉技術的完善,一些原來由電爐流程生產的軸承鋼、齒輪鋼以及不鏽鋼等傳統特鋼產品,轉爐流程占了大部分產量,電爐煉鋼除在鑄造行業及高合金鋼生產領域仍占一定地位外,生產特鋼的優勢明顯下降,嚴重阻礙了電弧爐煉鋼產量及技術在中國的發展。

    2017年國家大力淘汰中頻爐“地條鋼”產能1.2億噸,落後鋼鐵產能5000萬噸,廢鋼量達1.4億噸,廢鋼資源以及電力供應情況得到改善。同時,對鋼鐵行業節能減排及加強環保督察等工作的日益重視,不少電爐生產企業積極複產或部分企業新上電弧爐,為中國電爐煉鋼的發展提供了機遇。2017年我國電爐鋼產量約7750萬噸,2018年全國電爐鋼產量將繼續增加,具有明確計劃投產的電弧爐產能合計1560萬噸左右,再加上2017年新建和複產產能的完全釋放、老電弧爐的技改、產能利用率的提升,增量有可能超過3000萬噸。

    據統計,2018年上半年中國電爐鋼產量累計約為5183.2萬噸,所占比例為11.9%,預計2018年全年產量有望達到1億噸。目前,還有56座電爐計劃2018-2023年投產,產能約4700萬噸。預計2025年中國廢鋼產生量將達2.8億噸,巨大的廢鋼資源量,必然促進以廢鋼為主要原料的電弧爐煉鋼產量的提高和技術的發展,預計2025年電弧爐生產的粗鋼產量占比將達到20%-25%。

     

    2.電弧爐所用原燃料結構

    2.1電弧爐所用的金屬料

    廢鋼是電弧爐冶煉的最主要原料。廢鋼資源不足是影響電弧爐煉鋼發展的主要原因。廢鋼來源一般有三個方麵,即鋼鐵企業在生產過程中的自產廢鋼、工礦企業在生產過程中的加工廢鋼、社會(生產、生活、國防等)廢棄鋼鐵材料(包括拆舊廢鋼如:報廢汽車、艦船、鋼結構橋梁與建築鋼等)。由於技術的進步,前兩個原因產生的廢鋼量下降,社會廢鋼量不斷增加。由於社會廢鋼重複使用或含有較多量的Cu、Sn、As、Pb等不易去除的有害元素,造成一些有害元素在鋼中富集,廢鋼質量下降。為了解決廢鋼短缺及質量下降的問題,必須開發廢鋼替代品。目前,主要的廢鋼替代品有:鐵水(生鐵)、直接還原鐵(DRI)、脫碳粒鐵、碳化鐵、複合金屬料等。

    2.1.1鐵水(生鐵)

    現代電弧爐廣泛采用碳氧槍、二次燃燒、氧燃燒嘴技術、爐氣二次燃燒技術等,吸收融合了轉爐強化冶煉技術,特別是供氧強度大大提高,用氧量高達30Nm3/t左右,有的甚至超過40Nm3/t,接近轉爐用氧量。與之相應的是配碳量提高,加鐵水(生鐵)是最有效的配碳方法。當鐵水加入量較大時,由於氧化鋼液中的元素(主要是碳),產生大量的化學熱,冶煉時可有一段時間不供電,即電爐轉爐化冶煉,我國甚至出現了全鐵水電爐轉爐化冶煉方式。長流程鋼鐵企業有電弧爐的基本都采用加鐵水工藝,而且部分電弧爐流程鋼廠新建高爐提供鐵水,以解決廢鋼資源短缺及電爐流程生產成本高的問題。新建高爐為電弧爐供給鐵水的方法,從目前及今後的發展來說不可取。

    電弧爐煉鋼加鐵水技術具有以下優點:

    1)對非平熔池冶煉爐型,可以優化供電,提前形成熔池,增加大功率供電時間,縮短冶煉周期;

    2)增加物理熱和化學熱,提高熱效率;

    3)可以稀釋鋼液中的有害金屬雜質元素含量。

    加鐵水量不是越多越好,將鐵水比控製在30%-50%是較為合適。當供氧強度較低時,最佳鐵水比約為30%左右;供氧強度大時,鐵水比可達50%。德國普銳特公司開發的Quantum 電弧爐,為了獲得足夠好的預熱效益,提出廢鋼至少應當使用50%。全鐵水電爐轉爐化冶煉方式,已使電弧爐失去了在可持續發展方麵的優越性。

    生鐵主要是將鐵水(液態鐵)鑄造成鑄錠,全球生鐵在電弧爐中的平均使用量為金屬總量的5%-10%。

    2.1.2直接還原鐵

    目前,95%的直接還原鐵用於電弧爐生產。直接還原是指鐵礦石和含鐵氧化物,在低於熔化溫度之下,還原成金屬產品的煉鐵過程,一般在豎爐或回轉窯中進行。根據產品不同,分為海綿鐵、金屬化球團及熱壓塊鐵三類。生產方法有氣基直接還原法和煤基直接還原法。國內某電爐廠使用直接還原鐵的數據如表1所示。由表1的數據可以得出電弧爐煉鋼使用直接還原鐵的優點:

    1)化學成分穩定,有害雜質少,特別是P、S、N含量,有利於生產高附加值產品;

    2)質量穩定和低殘餘類元素(如銅小於0.002%),可以很好地稀釋廢鋼中有害元素,增加廢鋼供應的選擇空間;

    3)海綿鐵和熱壓塊鐵可以連續地裝入爐內,斷電時間少、熱損失小,有利於節電,也有利於縮短電爐的冶煉時間,提高產量;

    4)有利於造泡沫渣,延長爐內耐材和電極使用壽命。

    但由於脈石及氧化鐵在直接還原鐵中的含量較高,增加了冶煉難度,石灰、電耗、熔化時間等指標均受到影響,因此不宜大量使用,一般用量不超過20%,國內有研究表明,使用量控製在12%為最佳。但是,在國外DRI的使用量已超過50%。

    2.1.3脫碳粒鐵

    脫碳粒鐵的全稱為脫碳粒化生鐵,是在高爐出鐵時,經過高壓水淬火,製取不同粒度的粒化生鐵(3-10mm)。然後將其裝入回轉窯,通入一定量的混合氣體,加熱至一定溫度,進行生鐵脫碳,得到可供電弧爐煉鋼所用的原料。脫碳粒鐵的成分如表2所示。

    電弧爐使用脫碳粒鐵具有以下優點:

    1)脈石含量較直接還原鐵低1%-3%,可降低電耗約10%;

    2)S、P含量低,雜質元素也較直接還原鐵低;

    3)粒鐵表麵少量的FeO,有利於電弧爐造泡沫渣。

    2.1.4碳化鐵

    生產碳化鐵的基本原理是將鐵礦石送進具有一定溫度、壓力的流化床反應器中,通入預熱的工業氣體(CO、CO2、CH4、H2、H2O蒸汽)與其發生反應生成碳化鐵,其反應式為:

    3Fe2O3+ H2+ CH4= 2Fe3C+9H2O

    碳化鐵成分如表3所示。

    由表3可見,碳化鐵中含碳量高達6%,可滿足現代電弧爐煉鋼高配碳的要求,並且具有以下優點:

    1)有利於電爐低氮鋼的生產,電弧爐噴吹碳化鐵煉鋼時,鋼中的氮含量從0.007%降低到0.003%-0.004%;

    2)有利於造泡沫渣,使用碳化鐵作原料時,即使不向熔池噴吹碳粉,也能很好地造泡沫渣;

    3)有利於降低脫硫成本。碳化鐵潔淨,硫、磷含量低,一些扁平材生產廠使用部分碳化鐵取代爐料中鐵水,很容易降低噸鋼脫硫成本;

    4)有利於節能。碳化鐵可在電弧爐爐頂加入,無需開啟爐蓋,減少了溫度損失。

    2.1.5複合金屬料

    複合金屬料是俄羅斯研製成功的一種用於替代煉鋼生鐵、球團礦、合格爐料坯及廢鋼的新型爐料。它是通過鑄鐵機,利用熔融的鐵水和一定的配加工藝,填加15%-25%的填加料(燒結礦或球團礦),經冷卻固結後而形成的。主要由煉鋼生鐵和內封的氧化鐵組成。開發的複合金屬料成分如表4所示。

    在電弧爐上應用時,較低溫度下(1150-1200℃)即可形成泡沫渣。複合金屬料塊熔化時,“封存”於其中的填加料鐵氧化物溫度高於1100℃時,即開始與鐵中的雜質進行化學反應,並形成渣相和CO;溫度高於1200℃的情況下(低於廢鋼的熔化溫度),電弧爐內就已經形成了可流動的起泡液體渣,連續地釋放出一氧化碳氣泡。實踐表明:應用複合金屬料,減少了氧氣的消耗量,降低了電耗,縮短了冶煉時間。

    綜上所述,電弧爐配加一部分廢鋼替代品,不僅彌補了低殘餘元素廢鋼的不足,而且提高了鋼水的純淨度,但也存在增加環境汙染(主要是CO排放量)、提高生產成本以及浪費某些金屬元素的缺點,尤其當大量配入時,廢鋼利用率下降。電弧爐所用造渣料與轉爐類似。

    2.2電弧爐所用的燃料

    電弧爐所用的主要燃料包括氧氣、天然氣及碳粉。

    強化用氧技術的發展和應用,對電弧爐煉鋼經濟指標的改善起到了重要的作用。其中氧燃燒嘴、爐門氧槍和二次燃燒是主要的用氧方式,將它們結合使用,可起到改善熔池攪拌效果、促進冶金反應、降低電耗以及提高生產率等作用。

    氧燃燒嘴可以保證冷區的溫度,強化二次燃燒,因此,能有效地縮短冶煉時間,提高電弧爐的生產效率。

    爐門碳氧槍的氧氣以超音速離開噴頭,穿透爐渣進入鋼液進行冶金反應,碳粉則通過壓縮空氣載體噴入爐內造泡沫渣,並還原鋼渣中的氧化鐵。爐門碳氧槍具有提高熱源、脫碳和形成泡沫渣的作用。側壁碳槍所用碳粉,通過壓縮空氣載體噴入,為造泡沫渣提供碳源,保證泡沫渣質量的改善。目前,國內主要電弧爐燃料的消耗情況如表5所示。

    3

    電弧爐煉鋼裝備的發展

    現代電弧爐煉鋼技術的發展與LF精煉技術的出現和發展有著密切的關係,它使電弧爐的冶煉功能簡單化。如圖1所示,電弧爐煉鋼功能的演變過程包括以下三個階段:

    第一階段:包括熔化、氧化、還原的傳統型電弧爐。

    第二階段:由於出鋼槽式電弧爐爐型的原因,電弧爐必須造好還原渣才能出鋼,鋼渣混出,還原精煉的任務由LF來完成。

    第三階段:無渣出鋼技術的成功開發,還原期全部由LF精煉完成,形成了電弧爐(EAF)+鋼包精煉(LF)+連鑄(CC)的現代電弧爐煉鋼流程。

    電弧爐煉鋼技術的發展是圍繞縮短冶煉周期和降低能耗,與此相應促進了電弧爐裝備的發展。

    20世紀60-70年代,主要是發展超高功率供電及其相關技術,包括高壓長弧操作、

    水冷爐壁、水冷爐蓋、泡沫渣技術等,並開始采用鋼包精煉及強化用氧技術。但這一階段,電弧爐容量較小,采用爐體傾動還原渣出鋼方式,僅是部分還原期移至爐外進行。

    20世紀80年代初,鋼包精煉(LF)技術及偏心爐底出鋼(EBT)技術的應用,將全部還原期移至爐外進行;應用超高功率供電,充分利用變壓器功率,提高熔化速度,縮短冶煉周期。

    20世紀80年代末,大型超高功率直流電弧爐問世,由於其對電網衝擊小﹑石墨電極消耗低的原因,占據絕對的優勢。與此同時,高配碳、強化用氧技術(包括超音速氧槍﹑碳氧槍﹑氧燃燒嘴﹑底風口﹑二次燃燒技術)趨於成熟,奧鋼聯將其稱之為K-ES技術,達涅利公司將其稱之為Danarc技術,德馬克公司將其稱之為Korf arc技術。這一階段廢鋼預熱開始,大量化學能和物理熱的輸入增加了新能源,使得冶煉周期大大縮短,電極消耗進一步降低。

    20世紀90年代中期,由於連鑄單流產量提高,一機多流、多爐連澆技術的發展以及薄板坯厚度的增加,要求進一步縮短冶煉周期,交流電弧爐與直流電弧爐形成競爭發展的趨勢。這時更加關注廢鋼預熱,即二次燃燒和煙氣顯熱的利用問題,不同的廢鋼預熱方式產生了不同類型的電弧爐,它們分別是Consteel電弧爐、煙道豎爐電弧爐、Comel t中心廢鋼預熱豎爐電弧爐、帶手指煙道豎爐電弧爐、MSP多級廢鋼預熱電弧爐、Danarc Pl us電弧爐、Conarc電轉爐、Contiarc電弧爐。廢鋼預熱必須考慮排放廢氣中有害氣體CO﹑二惡英(Dioxin)和呋喃(Furan)等的含量,料籃廢鋼預熱因二惡英及呋喃等有害氣體含量超標被淘汰。

    進入2000年,出現了Ecoarc技術,它不僅具有廢鋼預熱的優勢,還可使二惡英和呋喃排放量降低到0.1ngTEQ/Nm3以下,可滿足日本和歐洲有關環保要求,成為對環境友好的電弧爐技術。2003-2016年間,由於國內廢鋼短缺及電力價格高的原因,嚴重阻礙了電弧爐煉鋼技術及裝備在中國的發展。

    2017年國家大力淘汰中頻爐“地條鋼”及落後產能,對鋼鐵行業節能減排及環保更加重視,促進了電弧爐煉鋼的發展。為順應中國電弧爐發展的需求,國外紛紛推出高效節能、環保型電弧爐。除Consteel電弧爐和ECOARC電弧爐外,還有達涅利公司開發的EAF ECS、西馬克公司開發的ShArc、普銳特公司開發的Quantum EAF以及中冶賽迪公司開發的CISDIGreenEAF。這些爐型在上料方式方麵,出現了類似高爐上料的料車加料形式;在向爐內加料方麵,有以Consteel電弧爐為代表的水平加料方式、不開蓋加料的頂裝料方式電弧爐(Quantum、ShArc)和側頂斜槽全密閉加料電弧爐(CISDIGreenEAF);出鋼方式方麵,有采用FAST-虹吸無渣出鋼方式。更加注重強調“環境友好型” 廢鋼預熱係統,在保證對廢鋼進行連續高溫預熱、抑製預熱中的氧化反應,在實現效益最大化的同時,建設減少包括二惡英和呋喃在內的有機物排放的廢氣處理裝置。

    另外,由於大留鋼量的平熔池冶煉,電壓閃變低,在電壓閃變補償裝置方麵,使用低容量的補償設備即可應對。

    部分電弧爐采用了智能操作控製係統。智能電弧爐是一項綜合技術,集成各種超高功率電弧爐及其配套技術,是電弧爐的主要發展方向。電弧爐煉鋼常用的過程數模為熱模型、冶金模型和神經網絡模型。熱模型用來計算冶煉每爐鋼所需的能量及能量輸入的方式。冶金模型的目的在於,以最低的成本達到鋼水的目標成分和出鋼溫度。模型借助智能控製技術,實現電弧爐全自動煉鋼,以提升產能、降低消耗。

    電爐噴槍技術已經成為高效節能電爐的必備裝備,對於加速熔化、提高電爐效率、節能降耗具有重要作用。我國國產電爐的噴槍技術還遠遠落後於國際先進水平,應加快更高效、更節能、多功能噴槍技術的應用,包括頂吹氧槍、爐壁氧槍、底吹、複合噴吹等。

    電弧爐底吹技術於20世紀90年代初就已開始應用,在冶煉過程中表現出了明顯的優勢。Tenova公司應用了Consteel電弧爐底吹電磁攪拌技術,加強煉鋼熔池攪拌,提高了電弧爐冷區的熱量傳送,促進了熔池溫度和成分的均勻化,加速了爐內反應速度,縮短了冶煉周期,提高了金屬收得率,減少了石墨電極的消耗。石墨電極是電弧爐以電弧形式釋放電能,對爐料進行加熱和熔化的導體材料,對電弧爐煉鋼的穩定運行起著支撐性作用。電極消耗是考核電弧爐運行成本的一個重要指標。降低電極消耗,已成為電弧爐煉鋼降低成本、節約能源的重要措施。在保證高效、節能、優質的電極質量的基礎上,電弧爐煉鋼過程中,盡量減少電極氧化的消耗、減少電極升華的消耗、減少溶解和剝落的發生、減少折斷,降低電極消耗,采取水噴淋電極、浸漬電極及表麵塗層電極等措施,可以進一步降低電極消耗。同時,新工藝、新技術的應用也可以間接地降低電極消耗。

           西安AG贵宾厅冶金設備製造有限責任公司成立於2009年1月23日,公司位於中國陝西西安,主導業務為冶金設備設計製造、環保除塵技術設計、冶煉原料處理和先進冶煉工藝技術開發,公司的願景是成為能夠為用戶提供先進適用的成套冶煉技術解決方案的服務型主導企業,公司矢誌將“AG贵宾厅冶金”打造成電爐行業的優秀品牌。公司致力於EAF煉鋼電弧爐,LF精煉爐,DC直流電弧爐,VOD,AOD精煉爐,鐵合金電弧精煉爐的設計製造銷售以及安裝和服務。谘詢電話:13389219118/13630250959。

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