電弧爐煉鋼高效節能技術的發展現狀

劉璐華,劉永剛,2,周 偉,徐文文,楊 慶,賴朝彬

(1.江西理工大學材料冶金化學學部,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,國務院正式印發了《2030年前碳達峰行動方案》(以下簡稱《方案》)。《方案》中提出,推動鋼鐵行業碳達峰,促進鋼鐵行業結構優化和清潔能源替代,大力推進非高爐煉鐵技術示范,提升廢鋼資源回收利用水平,推行全廢鋼電爐工藝。推廣先進適用技術,深挖節能降碳潛力,鼓勵鋼化聯產,探索開展氫冶金、二氧化碳捕集利用一體化等試點示范,推動低品位余熱供暖發展。因此,電弧爐煉鋼的優勢將越來越明顯,電弧爐煉鋼企業也將有更好的發展前景。本文圍繞電弧爐煉鋼的高效節能技術,重點介紹其特點及發展現狀。

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展。由于國際、國內電弧爐的發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際、國內電弧爐的分類。如表1所示[1]。目前,國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。國內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。生產實踐證明,大型電弧爐煉鋼可以減少高功率供電對爐壁的輻射,同時增加煙氣在爐膛里的流動范圍,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 t

2 高效供電

根據供電功率來進行分類,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間利用率、較高的電效率和熱效率、較低的電弧爐短網電阻和電抗,并且短網電抗平衡[4]。根據供電類型進行分類,電爐又可分為交流和直流電弧爐。相比于傳統的交流電弧爐,直流電弧爐的優勢排序如圖1所示[5]。

圖1 直流電弧爐的優勢排序

姜子晴等人[6]提出一種采用飽和電抗器,可消除電網干擾的高阻抗電弧爐,這種高阻抗電弧爐的運行優勢有:二次電壓高、二次電流較小、電極消耗少、能源消耗少、熱輻射能力強等優點。配有飽和電抗器的電弧爐單線電路圖如圖2所示。

圖2 配有飽和電抗器的電弧爐單線電路

在電弧爐冶煉過程中,電極系統傳遞電能作用于爐料,保證電弧功率連續穩定有效地輸入。因此,電極控制系統是一個關鍵環節,通過電爐電極控制系統可以實現降低能耗、縮短冶煉時間的目標。常規的PID控制方式控制精度低、調節時間長,達不到理想的控制效果。為此,國內外許多學者提出了一些新型的控制模型,例如:模糊-PID控制系統、以神經網絡為基礎的PID控制系統、基于PDF的電弧爐電極控制系統、基于PLC的電弧爐電極控制系統[7]。

3 優化爐料結構技術

3.1 優化固態爐料結構

優化固態爐料結構。在電弧爐煉鋼過程中,廢鋼作為主要的固態爐料在多次使用過后,廢鋼中的有害雜質不斷增加,導致成型的鋼鐵產品的力學性能不斷降低。因此,目前電弧爐煉鋼的固態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不足的問題,還有利于促進廢鋼中有害殘余元素的稀釋,減少耐火材料的消耗,縮短冶煉時間,提高鋼材的質量[8]。

3.2 熱裝鐵水技術

熱裝鐵水工藝是現代電弧爐煉鋼的一項新技術。由于我國電力資源以及廢鋼資源的緊張,迫于成本壓力,國內很多鋼鐵廠在使用電弧爐煉鋼過程中會添加一定量的鐵水,某鋼鐵公司150 t電弧爐熱裝鐵水后的電弧爐經濟技術指標見表2[9]。通過生產實踐證明可知,在冶煉過程中,隨著鐵水的加入,大量的物理和化學熱被帶入電弧爐中,加快了冶煉速率,縮短了冶煉時間,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濟技術指標

4 強化冶煉技術

4.1 強化供氧技術

強化供氧技術主要有氧氣噴吹技術、爐門供氧技術、爐壁供氧技術、EBT供氧技術和集束射流供氧技術等等。近些年來,強化供氧技術的不斷發展對電弧爐煉鋼的節能降耗起到了非常重要的作用,通過強化供氧技術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,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源的10%～20%,有利于縮短熔化期的熔煉時間,達到節能降耗的作用。有研究表明,以爐料中的碳、硅、錳等為主要發熱元素,對氧化一噸爐料中0.1%的發熱元素釋放的熱量和電能進行計算,結果見表3[10]。

表3 0.1%元素氧化釋放熱量與相當的電能(1 t爐料)

4.2 泡沫渣技術

電弧爐煉鋼過程中,造泡沫渣操作可將空氣與鋼液隔離開,覆蓋電弧,減少電弧輻射散失的熱量,高效地將電能轉換為熱能輸送向熔池[11]。爐渣的發泡機理如下[12]:吹入的氧氣一部分與鋼液中的碳反應生成CO。另一部分被消耗在鐵的氧化過程中,形成FeO。此外,噴入的碳溶解在鋼液中還原FeO。碳和氧的反應與碳還原FeO的反應都會產生大量CO氣泡,因此鋼液表面形成泡沫狀的渣層,即泡沫渣。實際生產中,對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,根據試驗結果得出獲得較好的爐渣發泡效果的爐渣成分為[13]:w(FeO) = 20%～40%,w(CaO)+w(SiO2)=2.0～3.0。

泡沫渣技術的優點有:供電效率提高,電極消耗降低;電爐的熱效率提高,爐襯的熱負荷大幅減小;冶煉時間縮短,電能消耗減少;鋼的潔凈度提高。

4.3 熔池攪拌技術

在電弧爐煉鋼過程中,特別是在我國目前的高鐵水比爐料結構中,熔池的流體流動是實現優質鋼生產、節能和降低成本的關鍵。因此,國內外相繼研發出了將底吹攪拌技術和集束射流供氧技術高效有機結合起來的復合吹煉技術以及電磁攪拌技術(EMS)等。

復合吹煉噴吹裝置布置如圖3所示,通過從熔池頂部或側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量、熱量和質量的交換,并且與底吹攪拌裝置相結合,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鋼液作循環運動,從而達到加快鋼液成分的調整速度和溫度均勻化;縮短冶煉時間,降低電耗的目的[14]。

圖3 電弧爐復合吹煉噴吹裝置布置

ABB冶金公司開發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,因為攪拌器在電爐的整個直徑上延伸,電磁場穿過整個熔池深度,在整個熔池上獲得了良好的攪拌力。裝有ArcSave攪拌器的電爐內熔體流動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后的相關指標提升效果見表4[16]。

圖4 ArcSave電磁攪拌器外觀

圖5 裝有ArcSave攪拌器的電爐內示意圖

4.4 偏心爐底出鋼(EBT)技術

現代電弧爐為了實現無渣出鋼,均采用偏心爐底出鋼(EBT)技術。電弧爐偏心爐底出鋼工藝是在一個冶煉周期完成后不通過扒渣操作去除冶煉產生的氧化渣,而采用偏心爐底出鋼,實現無渣出鋼[17]。這項技術由德國Mannecman-Demag公司和Thyssen公司在1978年開發的。該技術應用于電弧爐煉鋼的主要優勢在于[4]:①爐內能保留98%以上的鋼渣,有利于爐料的熔化和脫磷,可提高生產率15%左右;②出鋼時,電爐傾動角度<15°(傳統電爐為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出鋼時鋼液呈圓柱形垂直下降流入鋼包,縮短了與空氣接觸的時間,從而降低出鋼溫度25～30 ℃,鋼包的使用壽命可提高15%,相應節電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

5.1 廢鋼預熱技術

電弧爐煉鋼過程中,有大量的熱量被爐氣帶走,這部分煙氣溫度可達1 200～1 500 ℃,帶走的熱量約占電爐輸入總熱量的15%～20%,換算成電能相當于80～120 kW·h/t[18]。為了回收能量,達到降低能耗的目的,在廢鋼入爐前,利用高溫煙氣對廢鋼進行預熱的工藝優越性日益凸顯。目前,國內外采用廢鋼預熱的電弧爐按照技術特點可以分為三類:雙殼電弧爐、豎井式電弧爐以及連續加料電弧爐。這三類廢鋼預熱型電弧爐的技術指標見表5[19]。理論上,廢鋼預熱每提高100 ℃,可節約用電20 kW·h/t。實踐表明,現代電弧爐采用廢鋼預熱技術對于縮短冶煉周期、降低電耗等效果非常顯著。

表5 廢鋼預熱型電弧爐技術指標

5.2 二次燃燒技術

現代典型的電弧爐在冶煉過程中,約20%～22%的能量被煉鋼過程中產生的煙氣帶走,這部分熱量包括高溫煙氣帶走的顯熱和沒有完全燃燒的H2和CO帶走的化學潛熱。煙氣中的CO約有15～20 m3/t,其中60%～70%的CO在爐內未經燃燒就直接進入了除塵系統[20]。二次燃燒技術是通過向爐內特定區域噴入額外的氧氣使得爐內的CO進一步氧化成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。西寧特鋼集團公司的Consteel電弧爐采用了一項名為預熱裝置的二次燃燒技術,在爐外的預熱裝置中完成CO氣體的二次燃燒和煙氣預熱廢鋼,該技術的應用效果見表6。生產實踐表明,采用預熱裝置二次燃燒技術可以達到縮短冶煉周期、降低電耗、提高生產率的效果。

表6 Consteel電弧爐預熱裝置二次燃燒技術應用效果

5.3 余熱鍋爐技術

熱管式余熱鍋爐近年來廣泛地應用于國內的冶金行業熱能設備的余熱回收工程中。在電弧爐煉鋼過程中,爐內產生的高溫煙氣被引入余熱鍋爐系統中,通過熱管使得高溫煙氣與水完成熱量傳遞,從而產生飽和蒸汽,這些高壓飽和蒸汽通過蓄熱器轉換成低壓蒸汽,這部分蒸汽熱能連續地供給低壓發電以及生產或生活的其他供熱使用。馬曉茜等人[21]計算得出,余熱鍋爐對煙氣熱能的回收率非常高,可達15.4%,約為煙氣預熱廢鋼過程中回收熱量的2.5倍。回收的熱量達到408 MJ/t,相當于有408 MJ/t的熱量轉化成了蒸汽的熱能。

6 結論與展望

電弧爐煉鋼圍繞“節能降耗”的思想,開發了諸多高效冶煉技術,在“雙碳”目標背景的推動下,短流程電弧爐煉鋼在我國將成為重要的煉鋼工藝,鋼鐵工業的轉型升級加速進行。隨著我國環保要求的日趨嚴格,未來我國電弧爐煉鋼的發展不僅需要引進與借鑒國外先進技術,更需結合國內鋼鐵企業的實際生產情況,自主開發適合不同冶煉環境、冶煉設備及冶煉要求的高效化、綠色化、智能化電弧爐冶煉技術,完善集操作、工藝、環保為一體的煉鋼流程,進一步提高我國鋼鐵工業的經濟效益。