現代電爐煉鋼技術發展趨勢分析

操龍虎

（中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢430223）

以電弧爐煉鋼為核心的短流程煉鋼工藝，在噸鋼資源消耗、工程投資、占地面積和二氧化碳、氮氧化物等污染物排放量方面均比長流程煉鋼工藝大幅降低，符合綠色發展和低碳經濟發展的要求[1-3]。電爐煉鋼自問世以來，呈現不斷增長的趨勢，迄今為止，已占世界總鋼產量的30%以上。尤其在歐美等發達國家，電爐煉鋼的占比達到50%以上。我國近十年粗鋼產量雖然逐年增加，但電爐鋼的比例卻呈現一定的下降趨勢。截止2016年，我國電爐鋼比例僅占總出鋼量的7.3%，遠低于世界平均水平[4]。這與近年廢鋼價格和電力價格有密切的關系。但隨著國家環保需求的不斷提高及廢鋼資源的增加，同時政府取締中頻爐、地條鋼和配套政策的支持，使得電爐短流程產量明顯增加。同時鋼鐵企業逐步淘汰落后電爐產能使得綠色節能電爐的需求也不斷增強。因此，在目前我國鋼鐵工業發展方式發生轉變的重要時期，了解電弧爐技術的發展對我國電爐的發展具有重要意義。

1 我國電爐煉鋼的現狀

近年來，我國鋼鐵產量總體平穩，但電爐煉鋼的比例卻在不斷下降，廢鋼價格是制約我國電爐煉鋼發展的最大瓶頸。目前我國的廢鋼積累量和現實循環量都遠遠低于發達國家，除中國外的全球電爐鋼生產比例達到42%，而我國仍不足10%。加之我們轉爐鋼產量巨大，也可消耗大量廢鋼，所以對電爐煉鋼的發展也構成了一定的制約。表1 所示為我國近十年粗鋼及電爐鋼產量的變化趨勢。隨著我國廢鋼積蓄量的不斷增加，廢鋼回收利用量逐漸提高，鋼鐵行業取締“地條鋼”也使廢鋼資源逐步增加。此外，環境限制不斷增強，電力價格不斷降低，發展電爐煉鋼相對優勢將會愈發凸顯。總體而言，發展電爐煉鋼的有利條件正在逐步顯現。

但目前國內大多數仍采用傳統頂裝料電爐煉鋼方式，效率低，生產成本高，污染嚴重，尤其是二噁英污染問題嚴重[5-6]。隨著國家對節能減排，鋼種生產質量及環境問題的重視，采用更加節能環保高效的電爐煉鋼技術是未來的發展方向。主要從以下幾個方向進行發展：綠色環保、廢鋼預熱、提高電極和爐襯壽命以及電爐煉鋼智能化等。

2 環保技術的發展

二噁英是目前世界上毒性最強的化合物之一，其毒性相當于氰化物的1 000倍，對環境和人類有巨大危害。在鋼鐵工業生產過程中，長流程燒結工序是主要的二噁英產生來源，但短流程電爐煉鋼工序也會產生大量二噁英。《煉鋼工業大氣污染物排放標準》（GB 28664—2012）規定，電爐煙氣中二噁英的排放限值為0.5 ng-TEQ/m3，而河北省更要求電爐煉鋼過程中二噁英類排放濃度低于0.2 ng-TEQ/m3。電爐冶煉過程中需要將含塑料和油脂的廢鋼裝入電爐內進行預熱，但由于廢鋼預熱溫度和二噁英形成溫度相近，前驅體合成及熱分解反應促使了煙氣中二噁英的形成。同時廢鋼中微量銅、鎳等氧化物可作為反應催化劑，促進二噁英的形成。此外，在高溫煙氣冷卻過程中，會以從頭合成的方式生成二噁英。實驗結果表明，當煙氣溫度高于850 ℃，氧氣含量不低于6%時，可有效分解二噁英。在完成二噁英氧化熱分解后，要求防止它們在250～500 ℃通過從頭合成機理再次合成，這就要求電爐煙氣在氧化熱分解之后迅速冷卻至250 ℃以下，實現二噁英減排[7-8]。

表1 中國近十年粗鋼及電爐鋼產量

為了適應環境發展的要求，抑制二噁英的排放，采用合適的減排手段尤為必要。具體方法如下：

（1）減少含油脂、涂料等廢鋼入爐，同時在入爐前強化分選和預處理，有效去除氯源，最大限度降低含塑料、油脂等含有機物廢鋼的入爐量，同時提高鐵水的投入量。

（2）燃燒室熱分解，當煙氣預熱廢鋼后，進入燃燒室，并通過燒嘴燃燒煙氣，使其溫度達到850 ℃以上，從而使二噁英等有害氣體發生分解。

（3）煙氣急冷，經過高溫熱分解的煙氣應在冷卻塔內進行快速冷卻，從而抑制二噁英的從頭合成。

（4）高效過濾及活性炭吸附技術。二噁英在低溫條件下會以固態形式吸附在煙塵表面，因此，通過高效除塵器可降低二噁英排放量。而活性炭吸附技術是在布袋除塵器前噴入活性炭粉末，吸附煙氣中的二噁英，達到降低二噁英排放的目的。

（5）催化分解。美國戈爾公司研發的催化過濾Remedia 技術[9]，主要是將表面過濾技術同催化過濾技術集成在濾袋上，能夠使二噁英在較低溫度下（200 ℃左右）通過催化反應徹底分解成CO、H2O 和HCl，該技術去除二噁英徹底且不存在二次污染。

針對上述環境和技術要求，日本株式會社（Steel Plantech）開發了Ecoarc 生態電弧爐。從目前4 個工業應用結果來看，采用Ecoarc 電爐煉鋼的二噁英排放量均低于各國限值[10]。

3 節能降耗技術的發展

電爐煉鋼技術自1899年問世以來，其冶煉技術和裝備水平不斷提高，出現了超高功率、氧槍操作、水冷爐壁和爐蓋、泡沫渣埋弧操作、偏心爐底出鋼、氧燃燒嘴、碳氧槍，廢鋼預熱、底吹攪拌，兌鐵水等煉鋼技術，有效地縮短了冶煉時間和節能降耗，并在不斷開發及優化。當前國內外在節能降耗方面的主要工作如圖1所示。

圖1 電爐煉鋼裝備與技術發展

3.1 降低電耗

隨著鋼產品市場的競爭加強，最大限度地節約生產成本是每個企業追逐的重要目標。電爐煉鋼過程中電耗消費在成本中占據很重的比例，如何節約電能是實現盈利的重要環節。

3.1.1 電爐大型化

采用超高功率電爐煉鋼，可以縮短廢鋼熔化時間、提高功率因素、縮短冶煉周期、降低電耗。同時易于與爐外精煉、連鑄相配合，實現高產低耗的目的。采用超高功率電爐煉鋼后，生產效率可從1.5 t/（h·MW）提高到2.5 t/（h·MW）以上，同時電耗能降低100 kW·h/t 左右。目前國內新建電爐的容量普遍在100 t 以上，且不斷淘汰小型電爐。

3.1.2 廢鋼預熱技術

廢鋼預熱技術能有效節約電能，促進廢鋼的熔化。目前廢鋼預熱的技術主要有四種：傳統料籃式廢鋼預熱、雙爐殼電爐、豎井式電爐及康斯迪電爐，目前以豎井式電爐和康斯迪電爐的應用技術開發最為廣泛。

1）豎窯式電爐

20 世紀90年代，德國福克斯公司開發出第一代Fuchs 豎爐，其原理是在爐頂第四孔（直流電弧爐第二孔）處安裝一豎井通道，而廢鋼填充到豎井內，并與熔化室連接。在電爐冶煉過程中，高溫煙氣從第四孔排出，進入豎井內預熱廢鋼。為實現100%預熱廢鋼，福克斯公司開發出手指式豎爐，在豎井與熔化室之間安裝一活動托架。當廢鋼加入到豎井內預熱完成后，打開托架加入熔化室中。豎爐的優點是廢鋼預熱溫度高，冶煉周期短。但是手指式豎爐的“手指”在高溫下使用壽命低，維護成本高，影響電爐的連續生產，目前在國內基本淘汰。為了減緩上述問題，進一步提高預熱效率，相繼開發了Shaft arc furnace、Ecoarc 及Quantum 等電爐[11]。Shaft arc furnace電爐[12]是一種改進型豎爐，最大的特點就是電爐上有兩個半圓形豎井，保持豎井內煙氣自然對流，從而使預熱更均勻。但目前在歐洲僅有140 t 和100 t 的爐子在生產。Ecoarc 生態電弧爐[13]是基于減少二噁英排放的環保需求而開發的，其特征是預熱豎爐和熔化室是直接連接在一起的，它能使廢鋼連續存在的狀態下進行熔化，同時密封性良好，有效降低廢鋼氧化，廢鋼預熱溫度可達850 ℃以上，電耗也降至210 kW·h/t，甚至于低于150 kW·h/t。目前全世界有6家企業在生產，主要分布在日本、韓國和泰國。Quantum量子電爐[14-15]是西門子奧鋼聯開發出的一種新型電弧爐，屬于Fuchs 豎式電爐的改進型。其梯形設計的豎井以及手指系統改進設計提高了廢鋼預熱效果，同時有效降低了廢鋼在豎爐內發生黏結和堵塞的問題。目前國內已經簽約8座量子電爐，應用效果有待驗證。

2）康斯迪電爐（Consteel）

康斯迪電爐是一種連續加料、預熱和熔化的電爐。其廢鋼預熱的方式是在連續加料的過程中，利用冶煉過程中產生的高溫廢氣對行進的爐料連續預熱，可使廢鋼入爐前的溫度達到250～300 ℃。

為進一步實現節能環保的目的，康斯迪電爐對廢鋼預熱系統做了技術改進，稱為增強型康斯迪電爐[16]。增強型康斯迪的技術革新主要在電爐冶煉和廢鋼預熱兩部分：電爐冶煉部分主要采用了更大的留鋼量和更好的留渣操作，同時結合合適的噴吹系統，進一步節能降耗。廢鋼預熱技術改革主要體現在預熱通道上，其核心技術是引入了燒嘴加熱廢鋼通道（通道B），并和煙氣加熱廢鋼（通道A）分開，從而實現均勻加熱。采用增強型康斯迪電爐進行廢鋼預熱，預熱溫度可達400～450 ℃，節約電耗70 kW·h/t。圖2為增強型康斯迪電爐的基本構造及其預熱通道。

3.1.3 減少爐蓋開啟

電爐爐蓋開啟少，可減少熔池暴露造成的熱輻射損失。相比于傳統頂裝料電爐，新型設計的康斯迪電爐具有良好的連續加料方式，可降低爐蓋開啟時間，從而有效降低電能消耗。而其他新型電爐在加料方式上也在逐步改進和完善，如量子電爐利用帶溜槽的升降機系統將廢鋼從地下傾卸站裝入電弧爐，而不需要使用天車或廢鋼料籃，實現全自動操作，從而減少爐蓋開啟頻次。

圖2 增強型康斯迪電爐的基本構造

3.2 降低電極消耗

電極的正常消耗主要為尖端消耗和側面消耗。電極尖端消耗主要是石墨在高溫下升華和在鋼渣中熔化所致。在正常作業情況下，尖端消耗可達到電極總消耗的50%。電極被氧化是側面消耗的主要原因，消耗量約占總消耗的40%，其氧化反應速度與溫度密切相關。降低電極消耗的主要方法如下：

（1）平熔池操作。在電爐冶煉過程中采用留鋼操作，預熱的廢鋼直接加入到熔化的鋼液中，實現了平熔池操作，減少閃變，降低了電極折斷的幾率。

（2）提高密閉性。由于高溫條件下石墨電極易被空氣氧化，提高密閉性，減少空氣侵入爐內，可有效降低電極的消耗。同時盡量減少赤熱的電極在爐外的暴露時間，規范吹氧操作。采用量子電爐、生態電弧爐進行冶煉時，由于提高了密閉性，噸鋼電極消耗可從2.5 kg/t降低至1.0 kg/t。

（3）提高廢鋼預熱溫度。提高廢鋼預熱溫度，可降低電耗，從而降低電極消耗。

（4）燒嘴助熔。提高電爐噸鋼用氧量，增加電爐內化學能輸入是強化電爐冶煉，提高電爐節奏的最有效手段之一。每噴吹1 m3氧氣相當于向爐內供應3～4 kW·h電能。同時采用氧燃燒嘴技術也可大幅降低電能。

4 電爐煉鋼智能化

電弧爐冶煉過程中，如果只憑借操作者經驗很難控制電爐生產水平，同時也限制了電弧爐生產率提高和冶煉過程優化。通過開發一系列先進的監測模型和控制模型，結合數據信息交流和過程優化，可進一步促進電弧爐裝備技術的發展。

4.1 煉鋼終點溫度控制

電弧爐煉鋼終點溫度的精確控制是降低生產成本、加快冶煉節奏的關鍵。然而電爐煉鋼系統很復雜，包括金屬原料成分和來源，冶煉操作等均有很大的波動，常規的機理模型很難準確預測。隨著智能化的發展，人工神經網絡，支持向量機，遺傳算法等逐漸應用到電爐煉鋼的終點預測中，從而改善了單一算法的不足。近年來，研究者開發出基于支持向量機（SVM）、人工神經網絡技術和遺傳算法相結合的電爐煉鋼終點溫度預報模型[17-18]，達到了較為不錯的效果。北京科技大學依靠爐氣分析檢測和鋼液溫度測量手段，建立了基于爐氣分析和物料衡算的脫碳指數-積分混合模型和鋼液終點溫度智能神經網絡預報模型，實現最終碳含量命中率90%，終點溫度命中率88%[19]。

4.2 煙氣分析技術

冶煉過程的實時動態預報是電爐達到最佳性能的關鍵。基于此，Tenova 開發了Goodfellow EFSOP 系統，進行電爐煙氣成分實時監測，并用于優化電爐的化學能使用，在節能降耗，提高生產率以及環境保護等方面有積極的作用[20-21]。分析電爐過程煙氣是了解電爐過程動態的關鍵因素，也是提供EFSOP 直接動態控制功能的關鍵，因此空氣稀釋之前應保證純凈的過程煙氣被連續采集。EFSOP 分析儀提供4 種關鍵氣體的連續分析，包括CO、CO2、H2、O2等。通過連續可靠的煙氣分析結果，可有效地動態閉環控制燒嘴、氧槍、碳槍和爐壓操作。EFSOP技術使用經過工業驗證的專利探頭，直接安裝在電爐第四孔。過程中還可對電弧爐中水分進行監測，防止水分過高引起爆炸。Siemens 開發的Simetal Lomas 連續煙氣分析系統，由于對氣體采樣探測器進行了特殊的設計，并結合安裝的自動清潔裝置和水冷裝置，能夠全自動連續測量和分析廢氣。

4.3 測溫取樣技術

鋼液的溫度測量和取樣[22-23]一直是制約電弧爐生產效率和電能消耗的重要環節之一。而目前，國內大部分電弧爐煉鋼企業仍采用傳統的人工取樣測溫方式，存在安全性差，時間成本高等問題。Siemens 設計的Simetal Liqui Rob 自動測溫取樣機器人，可自動更換取樣器和測溫探頭，確保了連續、安全、可靠的煉鋼過程。同時還開發出基于組合式超音速噴槍的非接觸式鋼液測溫系統（Simetal RCB Temp），能夠在短時間內準確地測出鋼液溫度和出鋼時間，使電爐煉鋼過程的通斷電時間達到最佳，提高電爐煉鋼的生產能力。

4.4 智能電爐煉鋼技術

隨著電爐生產工藝越來越復雜，再加上對提高設備生產能力、降低環境污染的要求越來越高，就需從整體過程出發，將冶煉過程獲取的信息與過程基本機理進行有效結合分析，并決策和控制電爐冶煉操作，實現電爐煉鋼整體優化。

傳統的電爐控制技術很難控制爐子的操作。特諾恩的iEAF 智能電爐煉鋼[24]技術整合了EFSOP 煙氣分析技術及先進的工藝模型，同時結合一次和二次傳感器，以閉環形式動態控制和優化整個電爐冶煉過程。iEAF智能煉鋼技術根據傳感器提供的信號，依據控制參數和電極調節器等來管理冶煉過程，從而更便捷地優化冶煉操作。

Siemens 開發的EAF Heatopt 是一種整體性工藝優化系統，集廢氣監測系統和整體工藝模型于一身，可對燒嘴和吹氧裝置進行閉環控制。同時還可對碳的噴吹進行控制，優化泡沫渣。該系統能夠降低電能、電極、氧氣和天然氣的消耗，提高金屬收得率，增大產能。

Daneli 開發的Q-MELT 系統將連續溫度檢測、爐渣檢測和廢氣分析等分析技術綜合為一體，再結合碳平衡法，可完全實現所有相關輸入和輸出數據的監視管理和分析[25]。

5 余熱回收技術

在現代電爐輸入的總能量中，大約有30%的能量是隨著煙氣逸散出電爐的，同時再加上將在二次燃燒室中燃燒的CO 所能提供的能量，如果不加利用，大量的能量將會被浪費。目前轉爐已實現負能煉鋼，而電爐的余熱回收仍需不斷加強。而一般情況下，超過25%輸入電爐的能量是可以被余熱回收系統回收利用的。傳統電爐技術是利用水冷煙道系統，但由于加熱后的冷卻水達不到足夠高的溫度和壓力（4～5 bar），因此，冷卻水會被泵再次送到蒸發冷卻塔中，從而使得大量熱量被釋放到大氣中，造成能量浪費。Tenova 開發的iRecovery 智能余熱回收技術利用15～40 bar 水壓的高壓鍋爐管替換傳統的低壓水冷管，能高效回收余熱，所產生的高壓蒸汽可用于補充或取代工廠中的蒸汽鍋爐。

Tenova 系統利用冷卻水（20～40 ℃）從電爐廢氣管道回收熱能，以高壓和高溫熱水（180～250 ℃）作為熱交換介質回收高溫含塵廢氣熱量，從而降低了通過蒸發分離廢氣的熱量。具體系統流程如圖3 所示，先在600 ℃利用輻射熱傳遞，再用廢熱鍋爐回收低溫熱水入口的熱能。該余熱回收技術可以回收35%～70%的煙氣能量損失，即回收10%～25%的初始能量輸入，并減少對環境的影響。

6 結 論

隨著國家對能源和環境問題的越來越重視，節能環保型電爐煉鋼生產技術將不斷發展，這將對電爐煉鋼工作者提出更高的要求。未來電爐煉鋼裝備技術將朝著更高效的廢鋼加料和預熱技術、更節能的操作冶煉水平、更智能的電爐煉鋼過程控制方向邁進。

圖3 iRecovery余熱鍋爐系統