劉璐華,劉永剛,2,周 偉,徐文文,楊 慶,賴(lài)朝彬

(1.江西理工大學(xué)材料冶金化學(xué)學(xué)部,江西 贛州 341000;2.新余鋼鐵股份有限公司,江西 新余 338001)

2021年10月26日,國(guó)務(wù)院正式印發(fā)了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《方案》)?！斗桨浮分刑岢?推動(dòng)鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰,促進(jìn)鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和清潔能源替代,大力推進(jìn)非高爐煉鐵技術(shù)示范,提升廢鋼資源回收利用水平,推行全廢鋼電爐工藝。推廣先進(jìn)適用技術(shù),深挖節(jié)能降碳潛力,鼓勵(lì)鋼化聯(lián)產(chǎn),探索開(kāi)展氫冶金、二氧化碳捕集利用一體化等試點(diǎn)示范,推動(dòng)低品位余熱供暖發(fā)展。因此,電弧爐煉鋼的優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越明顯,電弧爐煉鋼企業(yè)也將有更好的發(fā)展前景。本文圍繞電弧爐煉鋼的高效節(jié)能技術(shù),重點(diǎn)介紹其特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀。

1 電弧爐爐容大型化

為了提高電弧爐煉鋼熱效率,電弧爐正逐漸向大型化發(fā)展。由于國(guó)際、國(guó)內(nèi)電弧爐的發(fā)展水平存在一定差距,有人給出一種按照爐子容量不同的方式給國(guó)際、國(guó)內(nèi)電弧爐的分類(lèi)。如表1所示[1]。目前,國(guó)外主流電弧爐容量為80～120 t,近幾年已逐步增至150～200 t。就設(shè)備大型化而言,目前世界上最大的電弧爐是意大利制造的420 t直流電弧爐。國(guó)內(nèi)最大的電弧爐是中冶東方江蘇重工有限公司的220 t康斯迪電爐。生產(chǎn)實(shí)踐證明,大型電弧爐煉鋼可以減少高功率供電對(duì)爐壁的輻射,同時(shí)增加煙氣在爐膛里的流動(dòng)范圍,從而提高二次燃燒率及余熱回收率[2]。

表1 按爐子容量不同電弧爐的分類(lèi) t

2 高效供電

根據(jù)供電功率來(lái)進(jìn)行分類(lèi),電爐變壓器可分為普通功率、高功率和超高功率三種,分別以RP(regular power)、HP(high power)、UHP(ultra high power)表示。高效率的電爐噸鋼電功率輸入已達(dá)到1 000 kVA以上[3]。超高功率電弧爐具備較高的單位功率水平、變壓器最大功率以及時(shí)間利用率、較高的電效率和熱效率、較低的電弧爐短網(wǎng)電阻和電抗,并且短網(wǎng)電抗平衡[4]。根據(jù)供電類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi),電爐又可分為交流和直流電弧爐。相比于傳統(tǒng)的交流電弧爐,直流電弧爐的優(yōu)勢(shì)排序如圖1所示[5]。

圖1 直流電弧爐的優(yōu)勢(shì)排序

姜子晴等人[6]提出一種采用飽和電抗器,可消除電網(wǎng)干擾的高阻抗電弧爐,這種高阻抗電弧爐的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)有:二次電壓高、二次電流較小、電極消耗少、能源消耗少、熱輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。配有飽和電抗器的電弧爐單線(xiàn)電路圖如圖2所示。

圖2 配有飽和電抗器的電弧爐單線(xiàn)電路

在電弧爐冶煉過(guò)程中,電極系統(tǒng)傳遞電能作用于爐料,保證電弧功率連續(xù)穩(wěn)定有效地輸入。因此,電極控制系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),通過(guò)電爐電極控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)降低能耗、縮短冶煉時(shí)間的目標(biāo)。常規(guī)的PID控制方式控制精度低、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng),達(dá)不到理想的控制效果。為此,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了一些新型的控制模型,例如:模糊-PID控制系統(tǒng)、以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的PID控制系統(tǒng)、基于PDF的電弧爐電極控制系統(tǒng)、基于PLC的電弧爐電極控制系統(tǒng)[7]。

3 優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)技術(shù)

3.1 優(yōu)化固態(tài)爐料結(jié)構(gòu)

優(yōu)化固態(tài)爐料結(jié)構(gòu)。在電弧爐煉鋼過(guò)程中,廢鋼作為主要的固態(tài)爐料在多次使用過(guò)后,廢鋼中的有害雜質(zhì)不斷增加,導(dǎo)致成型的鋼鐵產(chǎn)品的力學(xué)性能不斷降低。因此,目前電弧爐煉鋼的固態(tài)爐料中除了廢鋼還包括:冷生鐵、直接還原鐵(DRI)、熱壓鐵塊(HBI)、脫碳粒鐵、碳化鐵、復(fù)合金屬料等。用這些金屬爐料替代廢鋼不僅可以解決廢鋼供應(yīng)不足的問(wèn)題,還有利于促進(jìn)廢鋼中有害殘余元素的稀釋,減少耐火材料的消耗,縮短冶煉時(shí)間,提高鋼材的質(zhì)量[8]。

3.2 熱裝鐵水技術(shù)

熱裝鐵水工藝是現(xiàn)代電弧爐煉鋼的一項(xiàng)新技術(shù)。由于我國(guó)電力資源以及廢鋼資源的緊張,迫于成本壓力,國(guó)內(nèi)很多鋼鐵廠在使用電弧爐煉鋼過(guò)程中會(huì)添加一定量的鐵水,某鋼鐵公司150 t電弧爐熱裝鐵水后的電弧爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2[9]。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明可知,在冶煉過(guò)程中,隨著鐵水的加入,大量的物理和化學(xué)熱被帶入電弧爐中,加快了冶煉速率,縮短了冶煉時(shí)間,降低了電耗,稀釋了廢鋼中的有害元素。

表2 某鋼鐵公司150t電弧爐熱裝鐵水后的電弧爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

4 強(qiáng)化冶煉技術(shù)

4.1 強(qiáng)化供氧技術(shù)

強(qiáng)化供氧技術(shù)主要有氧氣噴吹技術(shù)、爐門(mén)供氧技術(shù)、爐壁供氧技術(shù)、EBT供氧技術(shù)和集束射流供氧技術(shù)等等。近些年來(lái),強(qiáng)化供氧技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)電弧爐煉鋼的節(jié)能降耗起到了非常重要的作用,通過(guò)強(qiáng)化供氧技術(shù)在電弧爐中噴吹氧氣,電爐中的各元素(C、Si、Mn、P、S、Fe)等充分氧化反應(yīng),從而釋放出更多的熱量,各元素的氧化放熱約占電弧爐冶煉能量來(lái)源的10%～20%,有利于縮短熔化期的熔煉時(shí)間,達(dá)到節(jié)能降耗的作用。有研究表明,以爐料中的碳、硅、錳等為主要發(fā)熱元素,對(duì)氧化一噸爐料中0.1%的發(fā)熱元素釋放的熱量和電能進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表3[10]。

表3 0.1%元素氧化釋放熱量與相當(dāng)?shù)碾娔?1 t爐料)

4.2 泡沫渣技術(shù)

電弧爐煉鋼過(guò)程中,造泡沫渣操作可將空氣與鋼液隔離開(kāi),覆蓋電弧,減少電弧輻射散失的熱量,高效地將電能轉(zhuǎn)換為熱能輸送向熔池[11]。爐渣的發(fā)泡機(jī)理如下[12]:吹入的氧氣一部分與鋼液中的碳反應(yīng)生成CO。另一部分被消耗在鐵的氧化過(guò)程中,形成FeO。此外,噴入的碳溶解在鋼液中還原FeO。碳和氧的反應(yīng)與碳還原FeO的反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生大量CO氣泡,因此鋼液表面形成泡沫狀的渣層,即泡沫渣。實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)爐渣的泡沫化程度起決定性作用的是爐渣的堿度CaO/SiO2和(FeO)含量,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出獲得較好的爐渣發(fā)泡效果的爐渣成分為[13]:w(FeO) = 20%～40%,w(CaO)+w(SiO2)=2.0～3.0。

泡沫渣技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有:供電效率提高,電極消耗降低;電爐的熱效率提高,爐襯的熱負(fù)荷大幅減小;冶煉時(shí)間縮短,電能消耗減少;鋼的潔凈度提高。

4.3 熔池?cái)嚢杓夹g(shù)

在電弧爐煉鋼過(guò)程中,特別是在我國(guó)目前的高鐵水比爐料結(jié)構(gòu)中,熔池的流體流動(dòng)是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)鋼生產(chǎn)、節(jié)能和降低成本的關(guān)鍵。因此,國(guó)內(nèi)外相繼研發(fā)出了將底吹攪拌技術(shù)和集束射流供氧技術(shù)高效有機(jī)結(jié)合起來(lái)的復(fù)合吹煉技術(shù)以及電磁攪拌技術(shù)(EMS)等。

復(fù)合吹煉噴吹裝置布置如圖3所示,通過(guò)從熔池頂部或側(cè)面的噴槍噴出的集束射流流股射入熔池,形成較大的穿透深度,加速了氧氣和熔融液相之間的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的交換,并且與底吹攪拌裝置相結(jié)合,將Ar、N2、CO2、CO、O2、天然氣等氣體吹入熔池底部,在浮力的作用下帶動(dòng)鋼液作循環(huán)運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到加快鋼液成分的調(diào)整速度和溫度均勻化;縮短冶煉時(shí)間,降低電耗的目的[14]。

圖3 電弧爐復(fù)合吹煉噴吹裝置布置

ABB冶金公司開(kāi)發(fā)了一種用于電弧爐操作的新一代電磁攪拌器(ArcSave),外觀如圖4所示[15]。相比于噴吹氣體攪拌裝置,ArcSave電磁攪拌器的攪拌能力更強(qiáng),因?yàn)閿嚢杵髟陔姞t的整個(gè)直徑上延伸,電磁場(chǎng)穿過(guò)整個(gè)熔池深度,在整個(gè)熔池上獲得了良好的攪拌力。裝有ArcSave攪拌器的電爐內(nèi)熔體流動(dòng)示意圖及熔體模擬速度示意圖如圖5所示,熔體流速與攪拌器的電流成正比。瑞典的Outokumpu Steel AB (OSAB)公司電弧爐在安裝ArcSave后的相關(guān)指標(biāo)提升效果見(jiàn)表4[16]。

圖4 ArcSave電磁攪拌器外觀

圖5 裝有ArcSave攪拌器的電爐內(nèi)示意圖

4.4 偏心爐底出鋼(EBT)技術(shù)

現(xiàn)代電弧爐為了實(shí)現(xiàn)無(wú)渣出鋼,均采用偏心爐底出鋼(EBT)技術(shù)。電弧爐偏心爐底出鋼工藝是在一個(gè)冶煉周期完成后不通過(guò)扒渣操作去除冶煉產(chǎn)生的氧化渣,而采用偏心爐底出鋼,實(shí)現(xiàn)無(wú)渣出鋼[17]。這項(xiàng)技術(shù)由德國(guó)Mannecman-Demag公司和Thyssen公司在1978年開(kāi)發(fā)的。該技術(shù)應(yīng)用于電弧爐煉鋼的主要優(yōu)勢(shì)在于[4]:①爐內(nèi)能保留98%以上的鋼渣,有利于爐料的熔化和脫磷,可提高生產(chǎn)率15%左右;②出鋼時(shí),電爐傾動(dòng)角度<15°(傳統(tǒng)電爐為40°～45°),爐體水冷爐壁面積加大,噸鋼耐火材料消耗可降低25%;③出鋼時(shí)鋼液呈圓柱形垂直下降流入鋼包,縮短了與空氣接觸的時(shí)間,從而降低出鋼溫度25～30 ℃,鋼包的使用壽命可提高15%,相應(yīng)節(jié)電20～25 kW·h/t,并且減少了鋼液的二次氧化;④偏心爐底出鋼有利于提高鋼液的純凈度,減少夾雜物的含量,提高鋼液脫硫效率,防止鋼液的回磷。提升效果如表4所示。

5 余熱利用技術(shù)

5.1 廢鋼預(yù)熱技術(shù)

電弧爐煉鋼過(guò)程中,有大量的熱量被爐氣帶走,這部分煙氣溫度可達(dá)1 200～1 500 ℃,帶走的熱量約占電爐輸入總熱量的15%～20%,換算成電能相當(dāng)于80～120 kW·h/t[18]。為了回收能量,達(dá)到降低能耗的目的,在廢鋼入爐前,利用高溫?zé)煔鈱?duì)廢鋼進(jìn)行預(yù)熱的工藝優(yōu)越性日益凸顯。目前,國(guó)內(nèi)外采用廢鋼預(yù)熱的電弧爐按照技術(shù)特點(diǎn)可以分為三類(lèi):雙殼電弧爐、豎井式電弧爐以及連續(xù)加料電弧爐。這三類(lèi)廢鋼預(yù)熱型電弧爐的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5[19]。理論上,廢鋼預(yù)熱每提高100 ℃,可節(jié)約用電20 kW·h/t。實(shí)踐表明,現(xiàn)代電弧爐采用廢鋼預(yù)熱技術(shù)對(duì)于縮短冶煉周期、降低電耗等效果非常顯著。

表5 廢鋼預(yù)熱型電弧爐技術(shù)指標(biāo)

5.2 二次燃燒技術(shù)

現(xiàn)代典型的電弧爐在冶煉過(guò)程中,約20%～22%的能量被煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣帶走,這部分熱量包括高溫?zé)煔鈳ё叩娘@熱和沒(méi)有完全燃燒的H2和CO帶走的化學(xué)潛熱。煙氣中的CO約有15～20 m3/t,其中60%～70%的CO在爐內(nèi)未經(jīng)燃燒就直接進(jìn)入了除塵系統(tǒng)[20]。二次燃燒技術(shù)是通過(guò)向爐內(nèi)特定區(qū)域噴入額外的氧氣使得爐內(nèi)的CO進(jìn)一步氧化成CO2并且釋放出大量的熱量傳遞至爐料,從而加快廢鋼的熔化速度。西寧特鋼集團(tuán)公司的Consteel電弧爐采用了一項(xiàng)名為預(yù)熱裝置的二次燃燒技術(shù),在爐外的預(yù)熱裝置中完成CO氣體的二次燃燒和煙氣預(yù)熱廢鋼,該技術(shù)的應(yīng)用效果見(jiàn)表6。生產(chǎn)實(shí)踐表明,采用預(yù)熱裝置二次燃燒技術(shù)可以達(dá)到縮短冶煉周期、降低電耗、提高生產(chǎn)率的效果。

表6 Consteel電弧爐預(yù)熱裝置二次燃燒技術(shù)應(yīng)用效果

5.3 余熱鍋爐技術(shù)

熱管式余熱鍋爐近年來(lái)廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的冶金行業(yè)熱能設(shè)備的余熱回收工程中。在電弧爐煉鋼過(guò)程中,爐內(nèi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔獗灰胗酂徨仩t系統(tǒng)中,通過(guò)熱管使得高溫?zé)煔馀c水完成熱量傳遞,從而產(chǎn)生飽和蒸汽,這些高壓飽和蒸汽通過(guò)蓄熱器轉(zhuǎn)換成低壓蒸汽,這部分蒸汽熱能連續(xù)地供給低壓發(fā)電以及生產(chǎn)或生活的其他供熱使用。馬曉茜等人[21]計(jì)算得出,余熱鍋爐對(duì)煙氣熱能的回收率非常高,可達(dá)15.4%,約為煙氣預(yù)熱廢鋼過(guò)程中回收熱量的2.5倍?；厥盏臒崃窟_(dá)到408 MJ/t,相當(dāng)于有408 MJ/t的熱量轉(zhuǎn)化成了蒸汽的熱能。

6 結(jié)論與展望

電弧爐煉鋼圍繞“節(jié)能降耗”的思想,開(kāi)發(fā)了諸多高效冶煉技術(shù),在“雙碳”目標(biāo)背景的推動(dòng)下,短流程電弧爐煉鋼在我國(guó)將成為重要的煉鋼工藝,鋼鐵工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)加速進(jìn)行。隨著我國(guó)環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格,未來(lái)我國(guó)電弧爐煉鋼的發(fā)展不僅需要引進(jìn)與借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù),更需結(jié)合國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況,自主開(kāi)發(fā)適合不同冶煉環(huán)境、冶煉設(shè)備及冶煉要求的高效化、綠色化、智能化電弧爐冶煉技術(shù),完善集操作、工藝、環(huán)保為一體的煉鋼流程,進(jìn)一步提高我國(guó)鋼鐵工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。