李士琦, 張漢東, 陳 煜, 劉潤藻, 林 綱
(北京科技大學冶金與生態工程學院, 北京100083)
摘 要:闡述了電弧爐煉鋼的基本功能以及提高能量轉換的3 個工程問題——— 增加能量供應、增加輸入功率、提高能量的利用效率, 詳細論述了現今電弧爐煉鋼在整個鋼鐵制造流程中銜接上下工序匹配的重要作用。根據2003和2004 年國內4 個大型電弧爐煉鋼流程的生產實績說明我國大型電弧爐煉鋼生產率已接近國際先進水平, 其生產速率已達到國際領先水平, 電能消耗已降到200 ～ 400 kW h /t 的國際先進水平, 但實際能量-物質轉化效率的水平仍然不高, 電弧爐煉鋼節能工作仍有待進一步提高。
關鍵詞:電弧爐煉鋼;能量;流程
當前, 在煉鋼工業生產中占絕對統治地位的是電爐煉鋼生產技術, 一般情況下“電爐煉鋼”即為“電弧爐煉鋼” 。
電爐煉鋼的功能在于將冷廢鋼加工成為成分和溫度合格的鋼水, 其中包括了供能和冶金兩方面的操作。討論電爐煉鋼的能量問題, 包括3 個工程技術問題:
(1) 增加能量供應, 包括電能和其它物理熱和化學能, 換取生產率的增加。電爐的公稱容量由20世紀50 年代的3 ～ 5 t , 增至120 ～ 150 t 以上, 增大了40 ～ 50 倍;主變壓器容量由2 000 kV A 左右,增至90 ～ 100 MV A , 也增大了近50 倍;單爐的生產率由每年產鋼數千噸增至每年產鋼100 萬t 以上, 增大了100 倍以上, 與之相應的能量供應也大大增加[ 1] ;
(2) 增加輸入功率, 包括電功率和單位時間內其它物理熱和化學熱的供應量, 提高電爐煉鋼的生產速率, 亦即縮短冶煉周期、提高生產節奏。20 世紀50 年代以來, 電爐煉鋼的冶煉周期由4 h 降至1 h以內, 生產速率提高了4 倍以上, 年出鋼爐次由不足2 000 次提高至10000 次以上, 增長5 ～ 6 倍[ 2] ;
(3) 提高能量的利用效率, 按占用電網的容量來計算為單位主變壓器容量每年生產的合格鋼水量, 即變壓器利用系數。每噸鋼水所具有的熱焓差異不大, 電爐煉鋼的節能實際是提高單位能量實現物質轉換的效率。節電, 實質上是提高單位電能生產的合格鋼水量[ 3] 。
1 電爐煉鋼與流程下游工序的匹配
電爐煉鋼在流程中的功能是:以一定的速率將原料加工成成分和溫度都合格的鋼液。就當前一般的工程技術水平而言, 電爐煉鋼工序在流程中的主要特征有兩點:
(1) 電爐煉鋼過程是間歇性操作, 冶煉周期約為60 min , 為保證連鑄工序實現多爐連澆, 電能和化學能、物理能的輸入應與之匹配。進一步提高生產速率, 冶煉周期有低于50 min 甚至45 min 的趨勢。然而冶煉周期的縮短使通電時間相應縮短、非通電時間所占比例增大, 這對電源能力的利用是不合理的。按目前發展的趨勢, 可以看見將余熱充分利用和實現連續煉鋼的苗頭。在當前, 每座電爐每年出鋼次數應為7000 ～ 10 000 次, 即單位爐容的利用系數或年生產速率為(0. 7 ～ 1. 0)萬t /(t a);
(2) 電爐煉鋼提供的合格鋼水是保證下游各工序高效、流暢運行的物質基礎, 電爐煉鋼的生產率應與熱軋生產率相匹配。在60 ～ 70 年代, 長型材的熱連軋機組的生產率約為30 萬t /a , 若電爐煉鋼的年生產速率為0. 5 萬t /(t a), 相應的電爐容量為60t 。當前長型材熱連軋機組的生產率已提高至(70 ～80)萬t /a , 相應的電爐容量應為70 ～ 100 t 。單流的薄板坯連鑄連軋流程生產率為(100 ～ 120)萬t /a ,煉鋼電爐的容量可取120 ～ 150 t 。
熱連軋生產率達到200 萬t /a 以上, 煉鋼電爐容量將超過200 t , 由于電爐變壓器、石墨電極等技術條件所限, 已不合理, 故熱軋寬帶企業不宜配用電爐煉鋼(此外還應考慮廢鋼原料中金屬殘余元素對板帶材質量的不利影響)。
2 電爐煉鋼與流程上游工序的匹配
(1) 如前所述, 傳統的電爐煉鋼使用廢鋼為主要原料, 配入10 %～ 15 %的生鐵塊以保證一定的配碳量。一般說來, 常溫(25 ℃)的廢鋼原料所具有的物理熱很少。在吹氧助熔的條件下, 冷爐料產生的化學熱量也不多, 冶煉過程需要外界大量的熱能。
根據我國近年來各種統計數據, 電爐煉鋼工序(包括精煉、連鑄及車間輔助項目)能耗為250 ～ 300kg , 略高于國際鋼鐵協會IISI 的結果。
(2) 使用不同比例的熱鐵水作為原料, 電爐煉鋼工序取得了明顯的效益, 其主要原因是熱鐵水是具有很高的物理熱和化學熱的載能體, 且成本較低。將電爐煉鋼置于流程之中, 不難看出熱鐵水所攜帶的物理熱和化學熱來自于前道高爐煉鐵工序。根據一些企業300 ～ 380 m3 高爐的實際數據計算, 生產1 t 熱鐵水, 高爐煉鐵工序的能耗是377 kg , 折合3080 kW h / t 。
考慮燒結、球團和焦化等工序, 折合到每噸熱鐵水的能耗是500 ～ 550 kg /t , 即4084 ～ 4493kW h / t , 而熱裝鐵水帶到電爐煉鋼過程中的物理熱和化學能共計只有600 ～ 650 kW h / t 。
(3)目前國內電爐配加熱鐵水的比例為25 %～30 %。按年產100 萬t 鋼計, 需鐵水30 ～ 35 萬t /a 。取高爐利用系數為3 t /(m3 :d), 所配高爐容積為300 ～ 350 m3 。
(4) 直接還原鐵的使用。使用直接還原鐵為電爐煉鋼提供純凈鐵源是近年來國際上重要的發展方向。世界范圍內各種直接還原鐵的產量自1990 年以來已增加了1 倍多, 近年來產量已超過4 000 萬t /a , 與電爐鋼產量之比大約為15 %, 已成為電爐煉鋼重要的鐵源[ 4] 。
直接還原鐵的生產技術進步很快, 特別是w(C)接近2 %的熱壓塊(HBI), 為電爐煉鋼提供了高密度、高化學能的純凈鐵源。在世界范圍內直接還原鐵的生產技術以氣基法為主流, 氣基法在直還鐵生產量中占了90 %。然而, 我國天然氣缺乏, 優質鐵礦較少, 資源限制了直接還原鐵生產技術的發展。當前, 國內最大的直接還原鐵生產廠屬天津鋼管有限公司, 每噸直接還原鐵的能耗約為900 ～ 1 000kg[ 5] 。
3 我國大電爐煉鋼流程的生產實績
本文選用4 家不同工況的電爐的煉鋼生產實績來說明我國電爐煉鋼的能量狀況。
(1)基本情況, 見表1 。
(2)主要工況, 見表2 。
(3)基本的評價
1) 天津鋼管公司、安陽鋼鐵公司的電爐兩年的年平均產鋼量達到100 萬t , 韶關鋼鐵公司和興澄特鋼的單臺的電爐年平均產鋼量也達到了75 ～ 87萬t /a 。表明我國大型電爐煉鋼的生產率已接近國際先進水平, 我國電爐煉鋼流程實現單通道的高效化生產已具備了基本的工程技術基礎。
2) 4 家電爐煉鋼的生產速率亦即平均年出鋼爐次達到了7 000 ～ 9 500 次, 分別按年日歷作業時間365 ×24 =8760 h 和年額定工作時間7 000 h 計算,兩年平均冶煉周期如表3 所列。對于大型電爐煉鋼的平均生產節奏如此之快是難能可貴的, 已居國際先進水平。說明我國大型電爐煉鋼生產技術水平、管理水平和流程的通暢都達到了很高的水平。
3) 3 座交流電弧爐的單位變壓器容量的年利用系數(表4)達到11000 ～ 14000 t /(MV.A.a),已居國際領先水平(直流爐變壓器容量較大, 不可比)。該指標描述的是單位供電容量一年所生產的合格鋼坯(水)量, 表述了用能量換取產量的效率, 由于各廠使用的原料結構不同, 這項指標尚缺乏可比性。
考慮到熱鐵水帶入的熱能較多, 折算結果一并列于表5 。折算的利用系數數值雖然有所降低, 但仍能在10000 t /(MV A a)左右, 表明我國大電爐煉鋼的能量利用水平也已達到國際先進水平。
4) 4 座電爐煉鋼冶煉電能消耗見表5 , 為193 ～379 kW h / t , 直觀上可以認為已達到國際領先水平。
由于所用原料結構不同, 為此, 利用本文第3 部分中的數據進行修正, 折算后的結果也列于表5 。可以看出, 折算后每噸鋼坯的冶煉電耗約為370 ～430 kW h / t , 與國際先進水平相當。其中安陽鋼鐵公司的冶煉電耗較低, 可能是利用廢熱預熱技術得到有效的發揮。
(4) 電耗與熱鐵水配比的關系
4 座電爐共95 個月的冶煉電耗與熱鐵水配比數據的簡單相關關系繪于圖1 , 統計檢驗表明, 其線性相關的信度水準非常高。線性回歸式為:
該式表明爐料中熱鐵水配比增加1 %, 相應的噸坯電耗減少5. 17 kW h , 這一結果與前文中的理論分析, 大致可相互印證。
考慮到爐料結構的影響, 采用折算電耗, 得到散點圖2 , 其相關性的信度水準很差, 這表明:熱鐵水配比增加, 能量利用沒有改善。
(5) 電耗與利用系數之間的關系
冶煉電耗與爐容利用系數及變壓器利用系數的簡單相關關系如圖3 和圖4 所示, 統計檢驗表明出線性相關的顯著性的信度水準都非常高, 這表明冶煉速率的提高、生產節奏的加快, 有利于電耗降低。
4 結論
(1) 電爐煉鋼過程需要大量熱能。其單元操作層次的特征是:煉鋼電爐是一種大功率的電-熱能量轉換裝置;其工序級的特征是:原料結構、能量結構和爐型;其流程中的特性是:與上下工序的物流和能量流的匹配與銜接。對于電爐煉鋼過程的能量的研討, 應在高的生產率、高的生產速率和高度能量利用率的前提下展開。
(2) 將電爐煉鋼置于生產流程之中, 除物流匹配外, 過程的能量狀況受到整個流程及上、下游工序的影響。我國近年來大量使用熱鐵水作為電爐煉鋼的原料, 對電爐煉鋼的生產率、生產速率、質量、成本都是非常有利的。然而, 電爐煉鋼過程的綜合能耗略有降低, 過程的能量利用率并未提高, “短流程”的優勢受到損害, 噸鋼的室溫氣體和污染物的排放量增加。
(3) 列舉了國內4 家不同工況的大型電爐近兩年24 個月的煉鋼實績, 表明我國已具備發展現代電爐煉鋼流程的基本條件, 電爐煉鋼的操作水平和綜合管理水平已居世界一流, 我國大型電爐煉鋼電能消耗已達到國際先進水平。然而, 若扣除配加鐵水提供的能量, 實際能量-物質轉化效率的水平仍然不高, 電爐煉鋼節能工作仍有待進一步提高。