能量平衡理論在電爐節能方面的運用

趙偉杰，張艷梅，仇秋玲

(1.上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200000； 2.江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

目前，世界鋼鐵制造普遍采用的煉鋼方式主要有轉爐煉鋼和電爐煉鋼，相比轉爐煉鋼，電爐煉鋼具有工序短、投資省、建設快、節能減排效果突出等優勢[1-2]。進入 21 世紀后，由于廢鋼資源的限制，我國電弧爐開始普遍使用鐵水熱裝技術，鐵水提供了大量的物理熱和化學熱，減少了廢鋼中殘余金屬元素帶來的污染，是電弧爐煉鋼高效、節能的首選條件[3-4]。

某鋼鐵集團為降低電爐冶煉電耗和生產成本，積極推行 “高熱裝鐵水比”冶煉制度，某車間100 t Concast電弧爐自投產以來，一直存在冶煉電耗高、氧耗高及生產成本高等問題。本文通過理論和統計相結合的方法建立電爐能量平衡模型，分析了電爐冶煉過程中的能量輸入輸出情況，找到了能量損失的缺口，并提出了節能降耗的有效措施，降低了電爐冶煉電耗和生產成本。

1 能量平衡模型的建立

電爐煉鋼過程的物料及熱平衡是建立在物質與能量守恒的基礎上，通過研究整個冶煉過程中的物料及能量收支項，可以為改進操作工藝制度，確定合理的設計參數提供定量的判斷依據[5-6]。100 t電爐車間鐵水成分、溫度、廢鋼結構及冶煉終點不穩定，在生產過程中隨機因素變化較大時會影響模型計算的準確性。為減小偶然因素的影響，本文以物料平衡和熱平衡為基礎，并運用統計學方法篩選出200爐中高碳鋼的生產數據，作為能量平衡計算的依據。能量平衡分為熱量輸入項與熱量輸出項兩大類，輸入項包括鐵水物理熱、廢鋼物理熱、燒嘴燃燒熱、化學反應熱、電能、噴碳粉供熱，輸出項分為鐵水物理熱、爐渣物理熱、爐氣物理熱、爐塵物理熱、冷卻水吸熱、電路系統損失熱、爐體輻射熱量。

能量平衡模型的主要計算參數如下：①入爐廢鋼為25 ℃，平均成分設為w(C)=0.1%，w(Si)=0.2%，w(Mn)=0.4%，w(P)=0.015%；②入爐鐵水質量及成分為測量值，設入爐鐵水溫度為1 300 ℃；③爐渣成分為車間電爐爐渣的平均值：w(CaO)=34.07%，全鐵含量為24.65%，w(FeO)=22.24%，w(Fe2O3)=10.41%，設爐渣平均溫度為(出鋼溫度-200) ℃；④每爐鋼煙塵質量為每天收集的煙塵總量/爐次，爐塵成分w(FeO)=77%，w(Fe2O3)=20%；⑤鋼鐵料消耗為月鋼鐵料消耗平均值，為1 105 kg/t；⑥電爐冷卻水系統包括煙道、爐蓋、爐壁、氧槍及偏心塊冷卻系統，各個部分帶走的熱量由進出水溫和流量計算得到；⑦電能有效熱利用率75%～82%[7]，本文取78.4%;⑧每爐鋼余渣量約為7～10 t，設所有爐次余鋼余渣量相同，均為8 t。⑨原料平均比熱容及鐵水中元素反應熱如表1、表2所示[8-9]。

表1 原料平均比熱容

表2 化學反應熱(25 ℃)

2 結果與討論

2.1 熱平衡計算結果與分析

熔池主要輸入能量來源為鐵水的物理熱、化學反應熱、電能和噴嘴燃燒供熱，主要輸出能量包括鋼水、爐渣、爐氣的物理熱、冷卻水帶走熱量、爐體輻射和電爐系統熱損失。表3為熔池中每噸鐵能量平衡計算結果，從表3中可以看出，主要熱量來源為鐵水物理熱、鋼水有效熱利用率僅為64.2%，熔池中大量熱量被冷卻水、爐渣、爐氣帶走，其中電爐冷卻水帶走熱量占17.2%，爐渣帶走熱量占8.6%。表4為電爐冷卻水系統中各個模塊帶走的熱量，其中煙道冷卻水模塊、爐蓋冷卻水模塊及鋼渣界面以上的爐壁冷卻水模塊帶走的熱量主要來源于高溫爐氣的熱交換，因此爐氣帶走的熱量在損失的熱量中占很大比重。

表3 噸鐵能量平衡表

表5為電爐熔池中各個元素化學反應熱，爐內化學從能量輸入的角度看電爐爐氣中C轉化為CO2占比為5%，說明爐氣中CO的二次燃燒率很低，一般電爐煉鋼中30%～40%CO發生二次燃燒[10]，這可能是因為煙道抽氣量較大，生成的煙氣在鋼渣界面停留時間較短[11]，CO主要在熔池外燃燒，二次燃燒產生的熱量主要被煙氣及冷卻水帶走。

表4 冷卻水系統各個模塊帶走的熱量

表5 熔池中各個元素化學反應熱

2.2 煙道參數優化

圖1為車間電弧爐煙道除塵工藝流程圖，電爐冶煉過程中產生的高溫爐氣在主風機負壓的作用下通過沉降室，一部分煙氣經余熱鍋爐吸收熱量產生蒸汽，混風后進入過濾除塵器，經煙筒排入大氣；另一部分煙氣進入水冷煙道冷卻系統，經噴水冷卻降溫后進入過濾除塵器，然后排入大氣。試驗前余熱鍋爐冷卻系統閥門開度為100%，流量約為20萬m3/h(標準)，水冷煙道系統閥門開度為70%，流量約為30萬m3/h(標準)。試驗保持余熱鍋爐閥門開度100%不變，將水冷煙道的系統閥門開度由70%降低到30%，考察煙道參數優化電耗和車間環境情況。

圖1 電弧爐除塵工藝流程

2.3 煙道參數優化效果

生產過程跟蹤表明，煙道參數優化后車間生產過程平穩，車間空氣環境良好，和試驗前無明顯差別。圖2為煙道參數優化前后電爐噸鐵電耗和鐵水比的關系，圖中灰色、黑色線條分別為擬合的試驗前、后噸鐵電耗與不同鐵水比的變化關系曲線。從圖2中可以看出，隨著鐵水比的增加電爐噸鐵電耗是降低的；鐵水比越高，電爐節省的電量越少；在相同鐵水比條件下，鐵水比越低節省的電量越多，根據圖2中擬合的電耗與鐵水比關系可以看出，當鐵水比為0.65時，試驗前噸鐵平均電耗約為76 kW·h，煙道參數優化后噸鐵平均電耗約為56 kW·h，因此，煙道參數優化后節省電量約20 kW·h·t-1。煙道參數優化后節省電量的主要原因可能是減小了爐氣和冷卻水帶走的熱量，并且增加了爐氣在鋼渣界面的停留時間，提高了CO的二次燃燒率，熔池內化學反應熱增加，減少了電爐冶煉電耗。

鋼水有效熱利用率是指鋼水物理熱與總輸入能量的比值，反映了熔池的熱利用效率。圖3為試驗前后鋼水有效熱效率與鐵水比的關系,圖中灰色、黑色線條分別為擬合的試驗前、后鋼水有效熱利用率與不同鐵水比的變化關系曲線。從圖3中可以看出，試驗后鋼水有效熱利用率是提高的，隨著鐵水比的增加，熔池的熱效率先升高后降低，當鐵水比達到0.6～0.7(即鐵水裝入量為67.2～78.4 t)時熔池的熱效率最高，這是由于鐵水比較低(如兌入一包鐵水)，熔池形成較慢，冶煉前期通電的較長時間段內電極不能埋弧操作，造成了大量的電能損失；當鐵水比較高(如兌入兩包鐵水)時，產生的煙氣量多，較多的熱量被煙道及冷卻水帶走。熱平衡計算對電爐“高熱裝鐵水比”冶煉模式的指導意義：當高爐鐵水不充裕時，應避免“一包餓、兩包撐”的現象，應分開兌入，可以有效提高熔池的熱利用率，降低電爐冶煉電能消耗。

圖3 鋼水有效熱利用率和鐵水比的關系

3 結 論

本文通過理論和統計法相結合的方法建立了電爐能量平衡模型，分析了電爐冶煉系統中能量輸入輸出情況，研究發現：

(1)電爐損失的熱量主要被冷卻水、爐渣及爐氣帶走，熔池內CO二次燃燒率較低是熔池熱效率低的重要原因；

(2)煙道參數優化后提高了電爐熔池的熱利用率，降低了電爐冶煉電耗約20 kW·h·t-1。

(3)當鐵水比達到0.6～0.7時，熔池的熱利用率最高，當高爐鐵水不充裕時，應避免“一包餓、兩包撐”的現象，應分開兌入，可以有效提高熔池的熱利用率，降低電爐冶煉電能消耗。