電弧爐煉鋼節能技術的探討

石秋強，劉 祎

(1.中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122； 2.西安電爐研究所有限公司，陜西 西安 710061)

隨著節能環保技術的發展，在全球總體不斷增長的鋼產量中，利用電弧爐煉鋼技術生產的鋼量所占的比例飛速上升[1]，中國電爐鋼總產量快速增長已經超過了美國電爐鋼總產量,也超過了德國鋼的全部產量。隨著國家對節能環保的要求越來越高，使用電弧爐進行煉鋼的節能型技術正在飛速發展。在國際上，中國研發的電弧爐的各項經濟指標都已具有一定的水平，但這與國際先進煉鋼技術比起來還存在著一定的差距。由于環境、能源問題在國際上日益突出，國內外競爭愈來愈烈。節能降耗、降低生產成本、提高煉鋼生產率給國內外企業帶來諸多挑戰，已經成為各企業技術提升的關鍵所在。本文從節能的觀點出發，著重對電弧爐煉鋼過程中的幾種主要節能技術進行了剖析，重點介紹了各種節能技術的特點和使用規律。

1 熱兌鐵水技術

電弧爐熱兌鐵水技術是近年來在電爐煉鋼領域發展起來的一種新工藝。在傳統電爐煉鋼過程中，采用的技術是等量生鐵配碳，而電弧爐熱兌鐵水技術通過采用熱裝工藝將此傳統技術替代，電爐煉鋼過程中的能量、物料平衡得到了明顯的改善。在冶煉過程中大量的碳被鐵水帶進電爐，使得在熔化期能夠更快地化料升溫，在氧化期反應過程能更充分，吹氧脫碳更有效。由于熔化期結束得更快，氧化期開始得更早，所以冶煉過程中脫碳的效率更高，冶煉所需的時間比傳統工藝明顯更短。熱兌鐵水技術不但使得廢鋼緊缺的境況得到緩解,還使得冶煉過程中的電耗明顯降低，冶煉周期大大縮短，提高了生產效率。冶煉時，隨著鐵水的加入，大量的化學和物理熱被帶入電爐中，電爐的供電情況發生變化，廢鋼中殘余的有害元素被稀釋，鋼的質量得到了提高。

由于在電爐中，當鐵水達到1 350 ℃的溫度時，熱焓為1 221 kJ/kg，所以冶煉過程中鐵水每增加1 t，便有1.22×106kJ的熱量被帶入了電爐中，相當于將339 kW·h的電能帶入爐內。以1 kg元素為依據，計算其發生氧化反應給熔池帶來的熱量，在1 400 ℃的條件下，每加入1 t鐵水，爐中元素被氧化后，便因氧化反應產生了559 265 kJ的熱量，產生的熱量相當于多帶入155 kW·h的電能。其中，鐵水和廢鋼中各元素成分如表1所示。

表1 鐵水和廢鋼中各元素成分 %

在電弧爐冶煉過程中，每當向電爐內多加入1 t的鐵水，理論上電能可以節約339+155=494 kW·h。

進一步進行理論計算，結果顯示，當裝入熱兌鐵水量在7.7%～40%時，每噸鐵水可以節省17.9～116.5 kW·h的電能，冶煉過程縮短了0.2～1 min/t。

經過實踐證明：熱兌鐵水在冶煉時的最佳含量為31.8%，電能消耗在此條件時達到325.4 kW·h/t(可以節約電能116.5 kW·h/t)的最低值，冶煉所需時間消耗縮短了1 min/t，所需時間縮短至4.9 min/t[2]。

圖1為鐵水比例與電耗關系圖，從冶煉過程的電能消耗情況可以看出，冶煉過程消耗的電能隨著鐵水比例的逐漸升高而下降。在冶煉過程中，每當鐵水比例增加1%，冶煉每噸鋼所消耗的電能降低5.84 kW·h[3]。

圖1 鐵水比例與電耗關系

圖2為鐵水比例與電極消耗關系圖，從圖2可以看出，隨著鐵水比例的逐漸增加，電極的消耗越來越少。每增加1%的鐵水比例，冶煉每噸鋼的平均電極消耗可以降低0.066 5 kg[3]。

圖2 鐵水比例與電極消耗關系

2 強化用氧技術

為了使電爐煉鋼過程中的脫碳速度更快，通過強化用氧技術在電弧爐中加入氧氣，使廢鋼中的元素充分反應，從而更多釋放熱量，達到節約能源、降低消耗的目的。為了更好地提高電弧爐煉鋼的供氧強度,產生了各種供氧方式,如爐門吹氧、爐壁吹氧、EBT吹氧等等。這些技術的供氧主要采用超音速射流的方式，供氧時氧氣射流的長度較長且幾乎不會發生發散現象，衰減的速度響應較慢，供氧時吸入的氧氣量少且沖擊力大。

在電爐煉鋼過程中，電弧爐需要的冶煉時間最長，所消耗的電能也最高。因此，采用在電弧爐中吹入氧氣的方法，來輔助加速爐料的熔化，從而降低電能消耗。冶煉時，將氧氣吹入爐中，爐中廢鋼更快地被氧化，氧化反應釋放的熱量將熔池溫度進一步提高，加快了爐料的熔化速度，有效降低了電能的消耗。

當向電弧爐中吹入氧氣時，電爐中各元素(碳、錳、硅、鐵)會被氧化并釋放出熱量。吹入電爐中的氧氣越多，廢鋼中各元素被氧化的越多，釋放的熱量也就越多。

以爐料中碳、硅、錳為主要發熱元素進行計算研究。對每噸爐料氧化期發生反應時，0.1%的爐料元素產生的熱量和該熱量相當的電能進行計算，結果如表2[4]所示，結果顯示吹氧輔助熔煉具有良好的節能效果。

表2 0.1%元素反應放熱與當量電能(一噸爐料)

在電弧爐冶煉過程中，有10%～20%的能量來源于表2中這些元素被氧化后釋放的熱量，釋放的這些熱量能夠迅速地加熱鋼液并熔化廢鋼，不僅能夠使廢鋼的熔化時間顯著縮短，而且能夠使得熔煉過程的電耗大大降低。

3 泡沫渣技術

在使用電弧爐對廢鋼進行冶煉時，通常在熔化和氧化結束時形成具有氧化性的爐渣。吹氧時，將SiC粉末或C粉加入熔池中，以強化碳和氧的反應。隨著反應的進行，碳元素被氧化生成了大量的CO氣體，這些氣體逐漸充入渣層并產生泡沫，渣層隨著越來越多泡沫的產生而變得越來越厚，當厚度增大到2.5～3.0倍的電弧長度時，渣層會將電弧完全屏蔽起來，屏蔽了電弧輻射，提高了設備的熱效率，延長了設備壽命。

在電爐熔煉過程中，形成的爐渣通常處于熔化后期和氧化階段，是一種具有氧化性的泡沫爐渣。熔煉時，廢鋼中的碳元素與氧元素發生反應并生成CO氣體，或者在熔煉過程中向爐內噴入一定顆粒的焦炭粉末，然后使用氧氣對熔渣進行吹掃，經氧化反應釋放的CO逐漸向爐渣中擴散，達到一定條件時爐渣開始起泡，使得熔煉后的爐渣被泡沫化。

影響電弧爐發生氧化反應生成發泡性爐渣的主要因素有堿性CaO/SiO2的含量、渣中(FeO)的含量、其他組分的含量。當爐渣堿度達到2.0左右的時候，爐渣的發泡性能最佳。渣中(FeO)含量是產生發泡氣源的重要影響因素。根據工業性試驗結果，推薦獲得較好的爐渣發泡效果的爐渣成分為w(FeO)=20%～40%，w(CaO)+w(SiO2)=2.0～3.0[5]。

4 復合吹煉技術

鋼鐵冶煉復合吹煉技術使用多元爐料結構作為基礎，將熔池攪拌過程進行強化的冶煉技術，冶煉過程中將底吹攪拌與供氧、供電等多方面融合起來，金屬材料和輔助材料的耗損被大大降低，氧氣的利用率被大幅度地提高，從而達到了降低損耗、節約能源、減少成本的目的[6]。

以發展的目光來看，隨著時代發展全球廢鋼量會逐年累積并越來越多，這會使得廢鋼、鐵水的價格越來越便宜，并且環保的要求也越來越高，采用電弧爐冶煉技術冶煉廢鋼成為未來煉鋼行業發展的大勢。因此，在電弧爐煉鋼技術中，復合吹煉技術將成為一項重點技術被人們關注使用。

復合吹煉技術是將電弧爐煉鋼底吹氣體攪拌技術和集束射流供氧技術的高效有機結合的技術。

4.1 煉鋼底吹氣體攪拌技術

在使用電弧爐進行廢鋼冶煉時，用電弧產生的熱量對爐中的鋼液進行加熱，電爐上部電弧區內的鋼液會被首先加熱，而處于電弧區以外以及熔池底部的鋼液不能被直接加熱，當熱量從電弧區傳遞過來后這些鋼液才會被加熱，并且熱量的傳遞過程較慢。此外，由于電爐冶煉熔池攪拌能力較弱，因而煉鋼所需時間較長，為此通過加快攪拌速度，可以有效加快電爐內部的反應速率，從而可以縮短熔煉的時間，減少成本支出。在鋼鐵熔煉過程中，將氣體吹入熔池底部用來攪拌鋼液，熔液的溫度提升加快，各化學成分充分混合，熔液的反應速率大大加快。通過模擬計算能夠得出，使用底吹技術熔液的攪拌速度為不使用底吹技術的3～5倍。

4.2 集束射流供氧技術

集束射流供氧技術將集束射流供氧、燃料噴吹以及碳粉噴吹等技術進行綜合，其煉鋼過程助熔方式不僅可以使用傳統的燒嘴進行,還可以利用集束射流供氧來實現碳粉的噴吹以及進行脫碳。

通常情況下，將集束射流裝置裝在冷區爐壁之上。熔化期時，將天然氣、煤粉、氧氣、柴油、重油等燃料噴入熔池之中。在該裝置的輔助下，電爐冷區溫度逐漸提升，熔池溫度也隨之均勻，爐料熔化的速度相應加快。整個電爐冶煉過程中，熔化期時間占了65%以上，所占時間較長，并且約占電能消耗的70%，所以對于有效減少熔化期時間，節能節耗，改善冶煉過程各項指標來說，集束射流供氧技術是一種行之有效的方法。

在實際煉鋼過程中，對無復合吹煉和有復合吹煉的各項指標進行了對比，對比結果如表3所示[7]。通過表3可以發現，使用復合吹煉技術后，鋼水的溫度以及爐中各成分能夠更充分地均勻，脫碳速度更快，氧氣、石灰和鋼鐵料的消耗有效減少。

表3 有無復吹冶煉指標對比

5 電爐煉鋼余熱利用技術

以每噸鋼水為條件，從電弧爐冶煉過程中的能量平衡的角度進行分析，具體平衡關系如表4所示，從表中可以發現大量的熱量被煉鋼過程中產生的煙氣帶走，因此，應該把電爐煉鋼時煙氣中的熱量能否進行有效的利用作為煉鋼過程的重點進行關注。

表4 典型電弧爐能量平衡關系(以每t鋼水計)

電弧爐煉鋼余熱的利用方式主要分為兩種，即物理余熱的利用和化學余熱的利用。

5.1 物理余熱的利用——廢鋼預熱技術與余熱鍋爐技術

電弧爐冶煉廢鋼預熱技術眾多。電弧爐冶煉廢鋼過程中，熔化期煙氣的溫度為150～200 ℃，氧化期煙氣的溫度為500～600 ℃，利用這些煙氣可以對加入電爐中的廢鋼初步預熱。煙氣的顯熱通常情況下基本為定值，大約為15%～20%的入爐總熱量，這些熱量可以將廢鋼預熱到200～250 ℃的溫度。在預熱過程中，可以回收30%預熱中的廢氣，總能耗能夠減少6%，電能消耗約減少6%。

余熱鍋爐技術主要是將電弧爐冶煉過程中的600 ℃的煙氣引入余熱鍋爐系統，可以用余熱鍋爐系統產生的熱能來進行發電或用于其他供熱。根據工程實踐，余熱鍋爐對熱能的回收率非常高，熔煉時廢氣可達到15.4%的熱能回收率，可以將約408 MJ/t的熱能轉化為蒸汽熱能。相比于廢鋼預熱過程中所回收熱量，使用余熱鍋爐所回收的熱量可以增加約2.5倍，余熱鍋爐可以利用的熱能更多，能量的利用率更高[8]。

據文獻記載，熔煉過程中每噸鋼產生的廢氣帶走超過150 kW·h/t的熱量[8]，當安裝了廢鋼預熱設備后，可以回收約65 kW·h/t的熱量，使用余熱鍋爐技術仍可再次回收30 kW·h/t的熱量，兩種技術總計可以回收105 kW·h/t的余熱，可以達到70%的能量回收率。

5.2 化學余熱的利用——二次燃燒技術

近年來，在電爐煉鋼中氧燃噴吹技術、原料高配碳技術、泡沫渣技術等逐漸被應用，這些技術都不能使爐氣完全燃燒。通過對能量的分析，電爐冶煉時輸出能量損失了很多，但是采用吹氧輔助時，在C-CO的反應過程中，產生了20.7 MJ/kg(C)的熱量?？梢钥闯?，大量的熱能產生在二次燃燒的過程中，二次燃燒技術潛力巨大。

6 連續化生產技術

在煉鋼節能技術中，連續化生產能夠有效提高生產效率，是節能技術發展的必然趨勢，在電爐煉鋼中連續化生產技術已經被逐漸應用[9]。比如，使用廢鋼預熱技術型的電弧爐就應用了連續化生產技術，電弧爐中加入廢鋼是連續不斷地加入，在電爐冶煉時廢鋼也時連續不斷地熔化。連續生產的情況下，很大地提高了金屬的收得率，有效降低了電極的消耗，大幅減少了冶煉過程的電能消耗。并且可以減少使用甚至不再使用爐壁燒嘴，使用普通功率的變壓器就可以達到很高的生產率。除此之外，還響應了國家的環境保護要求。

近年來，雖然電弧爐煉鋼節能技術不斷進步，但是在實際中，用戶常常具有各種不同的需求，多樣化的用戶需求難以通過僅僅對普通的電弧爐進行改造來滿足。由于只憑舊爐改造難以實現連續化，所以各國企業為了滿足需要，研制出了多種能夠實現連續化的新型冶煉技術，比如新型廢鋼預熱技術的、中冶賽迪開發出的CISDI-ARC廢鋼預熱電弧爐。

連續化生產型電弧爐有如下優點：①冶煉過程中不需將爐蓋掀開，降低了噪音，減小了熱能損失；②使用煙氣對廢鋼進行預熱，充分利用了熱能，提高了電能的利用率；③加料無需掀開爐蓋，加料、壓料所消耗的時間減少，冶煉時間有效減小，冶煉生產率大幅提高；④全程使用平熔池進行冶煉，無沖擊，大大降低了高次諧波和電壓閃變的發生量。

7 結 論

(1)電弧爐煉鋼新技術的發展比較迅速，在先進工藝技術的指導下充分發揮煉鋼設備的性能，在節電降耗, 提高鋼產品的質量以及提高勞動生產率方面都起到了至關重要的作用。電弧爐設備屬于高耗能的設備，對于能源緊缺是長期面臨問題，因此，我們應該從多方面研究節能措施及相關技術，挖掘電弧爐煉鋼降低電耗的潛力, 從而以促進我國電弧爐煉鋼生產的快速發展。

(2)電弧爐煉鋼需要根據具體原料結構和當地能源情況，因地制宜，有機地將“熱兌鐵水技術、強化用氧技術、復合吹煉技術、泡沫渣技術、余熱利用技術”進行結合，從而實現連續化生產，進而達到電弧爐高效化節能的目的。

(3)對于鋼鐵企業來說，節能技術是一個整體綜合的過程，節能并不是說某一個工藝、某一個技術上的節能，企業應該基于整體節能考慮，綜合取得各部分能耗以及總能耗的降低，從而綜合節能降耗，得到最佳的經濟效益。故而鋼鐵企業在實際的冶煉生產時，必須將結構、技術、系統等各方面節能技術進行有機的結合，在冶煉的過程中充分地對各種綜合因素進行掌控。