电弧炉炼钢节电技术的回顾及对策.doc
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电弧炉炼钢节电技术的回顾及对策
殷宝言
摘 要 回顾了近20年来国内外电炉炼钢在节电技术方面取得的重大进展,提出了减少我国电炉炼钢电耗的参考意见。
关键词 电炉炼钢 节电技术 整体节能
LOOKBACKONTECHNOLOGIESFORENERGYSAVINGIN
ELECTRICARCSTEELMAKINGANDFUTUREPOLICY
YinBaoyan
No.5SteelCo.LtdofShangHaiIronandSteelCorp.
Synopsis ThetremendousprogressachievedinthetechnologiesofenergysavinginthefieldofelectricarcsteelmakingintherecenttwodecadesisviewedinretrospectandproposalstofurtherreduceChina′senergyconsumptionintheelectricarcsteelmakingalsooffered.
Keywords electricarcsteelmaking technologyforenergysaving energysavingasawhole
1 前 言
我国是一个能源生产大国,同时也是一个能源消耗大国,特别是钢铁工业又是能耗大户,其中以电炉炼钢耗电最多,全国电炉冶炼电耗已达80亿度/a左右。
现在,我国电力比较紧张,缺电数量逐年在增加,缺电地区和范围不断扩大,预计到2000年,我国电力供应将有较大缺口。
要使电炉炼钢在这种电力日趋紧张的形势下求得发展,只能走节电降耗、挖潜增益的道路。
降低电炉冶炼电耗是一项异常复杂的系统工程,涉及到方方面面,影响因素很多,因此,利用整体节能观点加强用电管理极为重要,只有这样,才能使降低电炉冶炼电耗具有实际意义。
国内外在电炉炼钢节电技术上都取得了进展。
2 发达国家电炉炼钢节电技术
2.1 最佳节能炉
最佳节能炉是1982年西德KORF公司在改造平炉的基础上发展起来的,简译为EOF炉。
EO。
国内外在电炉炼钢节电技术上都取得了进展。
有2级或3级对流式废钢预热器和热交换器,回收的废气又可用其化学热发电,使能源利用达到最佳化。
炉墙上安装3种烧嘴。
熔池面以下有埋入式水平煤一氧烧嘴,用于吹O2和喷C粉。
熔池上方有斜插氧枪和超声氧枪用于向炉气供O2进行二次燃烧。
在上列两种烧嘴之间有油一氧烧嘴,用于保持和调节炉温及预热炉底。
EOF工艺实质上是氧气炼钢,产品是普碳钢,它的炉料适用范围广。
冶炼无需用电和电极,利用廉价的氧气和碳素作为主要能源。
应用剩余钢水,有利节能。
90年代初,巴西攀斯厂两座30tEOF炉已达如下指标:
吹炼时间15~20min,日产27~59炉,耐材消耗<1kg/t,油耗1.2kg/t,氧耗75m3/t,石灰用量<40kg/t,生产率和钢质均达到BOF水平,吨钢电耗25kWh,冶炼成本仅是电炉的50%。
2.2 竖炉电炉
竖炉是英国谢尔尼斯钢厂发明。
竖炉的炉盖固定不动,预热器置于上方一侧。
炉床在轨道上可移动。
炉子上有6个氧一燃烧嘴,4个分布在竖炉下方。
备有一支自动氧枪进行助熔和脱碳。
炉料40%为碎废钢,60%为大块废钢。
可缩短冶炼时间5~7min,总能耗减少20%~25%,冶炼周期<60min,而该公司一般炉子为80~100min。
竖炉烟尘排放量降低20%,废气中60%热量可回收。
目前,美、英、法、卢、墨、比、土等国都采用竖炉技术,容量90~240t,结构、炉体运动方式、供电方式、底电极、石墨电极、原料使用等技术不尽相同,吨钢电耗264~288kWh。
2.3 双壳电炉
西欧FuchsSystemtechnik公司开发出一种新型双壳电炉工艺,可充分利用熔化时产生的废气中的热能,对环境无污染。
两个炉壳容量各为110t,共用一个变压器和一套电极装置,两个炉壳平行布置,安装在各自的平台上。
生产时,两台电炉的熔化期、氧化期、合金辅材添加期、出钢期互相错开,从而使电力、O2供应平衡、LF-RH、浇铸等设备能力都能充分利用,冶炼周期<50min,生产能力提高1倍,吨钢节电90kWh。
日本、卢森堡等国都有双壳电炉。
法国一台双壳炉可在42min内冶炼一炉150t钢水,温度达1630℃,精炼后送入连铸机。
2.4 等离子炼钢炉
等离子技术,国外60年代进入工业应用,70年代直接用于熔炼金属。
等离子炼钢炉分直流和交流两种,初期多为直流式。
1983年11月奥钢联林茨厂45t/60t直流等离子炉投产。
炉壳φ5800mm,额定功率36MVA。
炉壁上安装4支等离子枪,最大功率7~8MVA,Ar耗40Nm3/h,熔速30t/h。
枪长可调,火焰长度1m,寿命2000h。
炉底电极寿命700炉,倾动出钢,每炉1.5h,主要生产合金钢和普碳钢,电耗450kWh/t,噪音80dB,炉衬寿命150炉。
随后Krupp公司又发明了交流等离子炉,可节电25%,噪音73~80dB,等离子弧定向稳定且呈收缩状,可保护炉壁,减少炉衬消耗。
等离子炼钢炉目前仍处在发展时期,技术关键是解决热效率和等离子枪的寿命问题。
2.5 DC电炉
1982年第1台12tDC炉开始运行。
1984年4月美国将1台30t、12MVA的AC炉改成DC炉。
1985年1月15日炼出第一炉钢水,结果电极比AC炉节约60%,电耗减少3.3%,每炉吹O2时间减少16min。
以后DC炉受到全世界关注,如德、法、瑞、意、美、俄、土、日、韩等国都纷纷采用DC炉,炉容量越来越大,底电极结构不断更新,使DC炉的技术经济优势进一步得到发挥。
目前,DC炉主要技术指标已达到如下水平:
(1)电极消耗达1.1~1.5kg/t,比AC炉节约60%以上;
(2)吨钢电耗350~420kWh,比AC炉降低5%~10%;
(3)耐火材料节约30%~35%;
(4)功率因素可达0.93~0.95,比AC炉提高3%~6%;
(5)电压闪烁率比AC炉低50%以上;
(6)噪音比AC炉下降10~15dB。
其他如电极支撑机构、调节系统、电缆等都有节省,总之,DC炉的经济效益十分显著。
2.6 EBT电炉
70年代末、德马克发明了中心底出钢(CBT)电炉,这是电炉出钢方式的一次重大变革。
实践证明,CBT电炉虽有许多优点,但不能无渣出钢,出钢口维修不方便,故在80年代初,德马克和DDS厂联合开发了100t的偏心底出钢(EBT)电炉。
EBT电炉除做到无渣出钢外,还有提高生产率、节约电极、降低电耗、净化钢水、减少环境污染等优点。
以100~120tEBT电炉为例,可达如下指标:
(1)炉墙水冷面积可达90%,炉墙耐材可节省3kg/t左右;
(2)节省冶炼电耗3.5%左右;
(3)熔化时间缩短3.5min,出钢时间缩短3~4min;
(4)出钢温度降低50℃;
(5)电极消耗降低6%;
(6)减少吸气量,减少二次氧化,提高钢的质量。
因此,近10年来,国外EBT电炉发展很快,有条件的老式电炉纷纷改造成EBT电炉,新建电炉几产全部用EBT技术。
此外,EBT炉型和出钢机构也发生了变化,使电炉的无渣出钢技术更趋完善和多样化。
2.7 Comeit电炉
Comeit电炉在结构上主要特征是具有数支倾斜电极和1个存放废钢的炉身,废钢用工艺废气预热。
由于采用倾斜电极的熔化原理和特殊的废钢预热装置,Comeit电炉具有许多明显的优点:
(1)总能耗比传统的电炉降低约100kWh/t;
(2)出钢—出钢时间<45min;
(3)电极消耗比常规的DC炉大约节约30%;
(4)单位投资低,投资的返回期比AC炉和DC炉均短;
(5)废气量最多可减少70%,且废气可全部回收;
(6)噪声电频最多可降低15dB;
(7)电网的短路容量是AC炉的25%,或是常规DC炉的50%,不用动态补偿,不产生闪烁。
2.8 新型炼钢原料——碳化铁(Fe3C)
随着钢铁工业的迅速发展,清洁废钢的缺口越来越大。
70年代初,美国提出用Fe3C作炼钢原料的设想。
Fe3C具有双重潜力,它既是金属来源,又是燃料的来源。
Fe3C生产过程简单,生产成本只相当于DRI的77%。
目前,美国、日本和欧洲的一些国家已用Fe3C代替废钢炼钢,取得显著的节能效果。
Fe3C的节能效果与Fe3C中的磁铁矿含量有关,见图1。
图1 电耗随Fe3C含量的变化
实践表明,以Fe3C为原料炼钢,还能解决废钢中残留的有害元素过多和电炉钢含N量过高两大难题,提高钢的质量。
一种新型的直接以100%Fe3C为原料的自供能双室全封闭炼钢工艺在美国试行。
2.9 K-ES工艺
为了在EAF炉中有效地利用矿物能,德国克鲁克纳公司和日本东京制钢公司于1987年把转炉炼钢技术应用于电炉炼钢,即K-ES工艺。
该工艺包括下列要素:
(1)利用煤或焦炭与O2燃烧,代替电能;
(2)利用二次燃烧补充热量,传给炉料和熔池,最大限度地利用工业废气;
(3)底部供气,搅拌熔池,加速熔化,缩短冶炼时间,改善钢渣平衡,控制钢水的气体含量。
K-ES工艺原理见图2。
日本东京钢公司高知厂27t炉、意大利奥索波费里耶尔诺尔厂80t炉和帕多瓦AV厂27t炉都利用K-ES工艺。
图2 K-ES工艺原理
2.10 二次燃烧技术
传统的电炉炼钢,产生的CO作为废气排出。
这部分CO具有约3kWh/m3CO的化学能。
二次燃烧技术,就是向熔池上方吹O2,使CO氧化为CO2,可提供5.8kWh/m3O2的低成本能量。
与废钢预热相比,吹O2二次燃烧的效率更高。
发达国家电炉炼钢节电技术除上述介绍的外,其他还有超高功率、废钢预热、水冷技术、泡沫渣、底供气、强化用氧、钢包炉、计算机控制等,这些已有文章介绍,不再重复。
3 我国电炉节电技术
目前,我国的电炉炼钢采用的节电技术有VHP操作、废钢加工和预热、以氧代矿、熔氧结合、快白渣、炉内喷粉、不锈钢倒包、炉外精炼、水冷氧枪、水冷电缆、用铁水、不烘炉、氧—燃烧嘴、泡沫渣、余钢余渣回炉、无渣出钢、水冷电极、电极涂层、电极升降控制、合理超装、计算机控制等,这些新工艺新技术不但降低了电炉电耗,而且提高了电炉钢的产量和质量,具体效果见表1。
表1 我国采用的电炉节电技术及主要效果
单位
工艺
主要效果
成无、齐钢
唐钢、五钢
上三、石钢
氧—燃烧嘴
缩短冶时20~60min,降低电耗50~70kWh/t
长城、抚顺、太钢
五钢、大连、齐钢
炉内喷粉,
炉外精炼
缩短冶时20~40min,降低电耗20~60kWh/t
五钢、抚顺、大连
长城、本钢
熔氧结合,
快白渣
缩短冶时20~60min,降低电耗20~75kWh/t
五钢、大冶、本钢
重特、长城
不锈钢倒包
单炉冶时3h,冶炼电耗达到460~530kWh/t
北满、抚钢、
西宁
EBT
电炉+模铸生产轴承钢,钢中最低氧含量已接近SKF水平
大冶
虹吸出钢
冶时缩短26min,电耗降低57~72kWh/t,轴承钢中平均氧含量13.4×10-6
凌源、武进
济钢、承钢
水冷电缆
缩短冶时10min,吨钢节电20~30kWh,无维修费用,无热停工时间
石钢
喷煤粉
节电89kWh/t,缩短冶时23min
安钢
用10%铁水
电耗稳定在470kWh/t
长城
偏流中心水冷
氧枪
吹氧时间缩短4min,平均电耗降低16kWh/t,吹氧管节约5.26kg/t,脱C速度增加70%
承钢
不烘炉
节电2.5~3.0kWh/t
五钢、承钢
余钢、余渣回炉
缩短冶时12~15min,节约电耗30~40kWh/t
五钢、南昌、沙洲
泡沫渣
节电19kWh/t,提高生产率20%
石钢
废钢预热
缩短冶时4~8min,节电30~50kWh/t,电极降低0.7~0.9kg/t
广钢、天管
UHP
平均电耗552kWh/t,平均冶炼周期132min
沙钢
竖炉
电耗330kWh/t,产量90t/h,电极消耗2kg/t
除表1中列举的单项节能技术外,有些小型电炉从工艺、设备、管理进行综合冶理,如某钢厂对5t电炉,配置5500kVA变压器,实施下列5条措施后,取得显著效果。
(1)短网由平面布置改成三角形布置;使电抗不平衡度由45%降到21.7%;
(2)采用中相电抗器,提高中相电抗,使电抗不平衡度降到10.9%;
(3)根据指定钢种,采用最低电耗供电曲线;
(4)改进交流双电机电极调节器,为实现使用最小电耗供电曲线创造条件;
(5)原料量化管理。
4 降低电炉冶炼电耗的设想
从热平衡角度看,电炉炼钢节能包括两方面。
一是减少热损,缩短热停工时间;二是采用新技术新设备,缩短冶炼时间。
我国电炉炼钢节电技术虽有较大发展,但各企业间能耗差距大,与国外先进国家相比,差距更大。
因此,我们应密切跟踪世界炼钢技术发展动向,认真学习外国先进的节电技术。
目前,我国电炉炼钢尚存在4大问题:
即生产能力布局不平衡;工艺和装备落后;热效率低,能源单一;废钢紧张,加工处理不力。
要解决这些问题,必须依靠技术进步,实现科学炼钢,才是根本出路。
从宏观看,在具有电力和废钢且管理比较先进的地方,应发展短平快、效益高、应变能力强的新型电炉,改造或新建以电炉—连铸—连轧短流程为主体的高效工厂。
合理大型化、高功率化、紧凑型是电炉炼钢的发展方向。
在那些电力比较紧张,煤资源比较丰富、有铁无钢(或出材缺坯)、有小高炉小轧机的小型钢厂(10~100万t/a),如有平炉,采用EOF技术;如无平炉,采用竖炉技术,实为增产降耗的明智选择。
EBT技术是一种高效的电炉炼钢法,此法对较大型电炉更可获得良好的经济效益。
从结构看,高架式或半高架式电炉采用EBT技术较安全方便。
但我国老企业的绝大部分电炉都不是高架式,炉底没有空间,采用EBT技术难度较大,采用水平出钢法是一种节能安全的方法。
目前我国3t以下的电炉要占电炉总数的50%左右,对于这些小型电炉,宜结合本设备、本产品的具体情况,进行小改小革,采用单项(或多项)技术,如钢包炉、熔氧结合、氧一燃烧嘴、单渣法、泡沫渣、合理供电、合理配料、强化用氧等,同样能收到明显的节能、增产效果。
5 结 语
在能源日趋紧张的今天,降低电弧炉炼钢能耗已成为大势所趋。
上述介绍了国内外电炉炼钢、节电技术方面取得的进展和各种节电降耗技术及其效果,对我们在电炉炼钢节电降耗方面有一定的借鉴意义。
总之,我们应抓住一切机遇,积极稳妥因地制宜采用各种新工艺、新技术、新设备,在电炉炼钢节电降耗上取得新突破。
联系人:
殷宝言,高级工程师,上海市(200940)上海五钢集团有限公司技术中心科技信息研究所
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