張莉霞
電弧爐技術(shù)的最新發(fā)展著重于優(yōu)化廢鋼裝入、預熱技術(shù)、熔煉、無渣出鋼以及在裝料、出鋼、堵出鋼口期間連續(xù)供電操作。考慮到電弧爐的能量平衡，最大一部分的過程能量損耗是爐內(nèi)排放的熱廢氣，有效回收這種能量對提高電爐煉鋼的整體能量平衡顯得非常重要。因此，能源高效利用技術(shù)在電爐煉鋼降低單位能源消耗量和相關(guān)污染物排放方面建立了新的基準。
鋼鐵在目前以及未來幾十年中仍將是工業(yè)主要使用的材料。現(xiàn)今不斷增長的結(jié)構(gòu)鋼需求是全球電爐煉鋼市場的主要特點。預計到2015 年，電爐鋼年產(chǎn)量將增加至500 多萬t，到2020 年產(chǎn)量將增至575 萬t。因此需要電爐裝入的金屬原料(廢鋼、直接還原鐵、熱壓塊鐵/HBI)成本逐漸降低以及能源高效利用技術(shù)，以確保資源的最優(yōu)化。尤其是能源成本占據(jù)了小型鋼廠運營成本的大部分份額，能源價格上漲對電爐鋼鐵企業(yè)是一個重要風險。電爐煉鋼企業(yè)需要通過一項全面的能源管理以應對這一趨勢，以提高鋼鐵廠的能源效率。現(xiàn)有小型鋼廠如果使用全面的能源管理系統(tǒng)能夠使其節(jié)能量高達30%。
1 能源成為電爐煉鋼的主要挑戰(zhàn)
電爐鋼產(chǎn)業(yè)當今和將來面對的最主要的挑戰(zhàn)之一是日益增長的能源成本和更嚴格的環(huán)境法規(guī)。
1.1 更高的能源成本
除了電爐煉鋼原料，能源是當今電爐煉鋼生產(chǎn)中的主要成本支出，其在電爐煉鋼車間成本占37%，在軋鋼車間成本支出占30%。同時能源價格自2004 年以來也是不斷增加，預計在未來價格更高。因而降低運營成本，確保高績效水平煉鋼的關(guān)鍵是優(yōu)化工廠技術(shù)，最大限度地提高工廠效率，減少能源浪費。
1.2 更加嚴格的環(huán)保法規(guī)
隨著國際協(xié)定和國家法律日益要求減少污染和二氧化碳排放，必須采取先進的解決方案，以滿足當今和未來的環(huán)保法規(guī)。
2 提高能源效率的典型措施。
下面給出了幾個最節(jié)能的小型鋼鐵廠采取的創(chuàng)新案例。創(chuàng)新和現(xiàn)代化的組合顯示了一個小型鋼鐵廠的能量平衡如何可以得到改善。整個小型鋼廠節(jié)能可高達30%。
2.1 新一代電弧爐的廢鋼
預熱
日益增加的能源成本和嚴格的環(huán)境法規(guī)導致鋼鐵的生產(chǎn)成本較高。因此，一個最先進的電弧爐必須符合以下的技術(shù)和市場需求:
◆最大利用率和最小的停機時間以確保高生產(chǎn)率；
◆高程度的自動化過程控制，以實現(xiàn)質(zhì)量可靠和一致的鋼鐵產(chǎn)品；
◆煉鋼節(jié)能操作；
◆最大限度保障工作人員安全；
◆低電壓閃變效應；
◆符合當前和未來的環(huán)保法規(guī)要求。
Simetal EAF Quantum 是西門子新豎型電弧爐，結(jié)合數(shù)十年的工程經(jīng)驗和20 多個豎爐型爐子電爐工廠安裝獲得的知識和經(jīng)驗。高效利用爐子廢氣進行熱循環(huán)，使廢鋼100%在熔化前被預熱，同時廢鋼裝入和熔化允許通電時間被最大化。這些特點除了大幅減少冶煉周期接近30mmin 外，還可大量節(jié)約能源和成本。采用留鋼操作允許熔化階段采用平底熔池，減少了電壓閃變效應。當然這要結(jié)合已經(jīng)申請專利的FAST 出鋼系統(tǒng)(爐子先進的無渣出鋼)，這個系統(tǒng)集合新型廢鋼裝料系統(tǒng)、獨特的廢氣處理系統(tǒng)和操作高性能電弧爐應用分析技術(shù)。西門子新豎型電弧爐出鋼能量消耗只有280kWh/t，生產(chǎn)效率提高至少10%，單位電極消耗降低了30%。所有這些因素及其他優(yōu)點的組合使得生產(chǎn)成本下降約20%。投資回報可能在兩到四年，這取決于能源成本和生產(chǎn)計劃。
第一臺Simetal EAF Quantum 爐于2011 年12 月安裝在墨西哥鋼鐵生產(chǎn)廠(Tyasa)，出鋼量為t00t。
2.2 連續(xù)直接還原鐵熔煉
現(xiàn)在使用新Simetal EAF FAST DRI 可以連續(xù)地在一個電弧爐冶煉DRI(直接還原鐵)。該解決方案的一大亮點是，即使在出鋼過程中直接還原鐵的裝入和電力輸入也不間斷。西門子冶金技術(shù)開發(fā)這個爐型作為先進的直接還原鐵基電爐，其特征是一個改進的爐殼設計和留鋼操作以加速DRI 熔化，出鋼和補出鋼口在通電狀態(tài)下進行。由于全新的爐殼運動模式與FAST 無渣出鋼系統(tǒng)相結(jié)合這個才成為可能。殘渣最小化得益于出鋼通道的虹吸式設計。現(xiàn)有的爐子可以使用FASTDRI 系統(tǒng)進行升級改進。為了提高生產(chǎn)率，從直接還原廠來的熱直接還原鐵可以通過專門開發(fā)的DRI 板式輸送機傳送鏈在600℃左右裝入FAST DRI 爐中。
2.3 電爐性能最大化
有效利用電爐裝入原材料和能源的需求是電爐煉鋼發(fā)展的重要推動力量。電能和化學能輸入對照圖顯示了優(yōu)化潛力(圖1)。一項來自西門子冶金技術(shù)的最新電爐創(chuàng)新用來應對這一挑戰(zhàn)，即Simetal EAF Heatopt。此解決方案提供持續(xù)監(jiān)測爐廢氣、廢氣流量和熔渣水平。此外，天然氣、用于精煉和二次燃燒的氧氣以及用來進行爐渣管理的碳也由系統(tǒng)全面控制。
Simetal EAF Heatopt 是由四個主要部分組成:整體過程模型(HPM)本身-算法和預測策略的組合；Lomas 廢氣分析系統(tǒng)；SAM 廢氣流量分析儀；FOX300 爐渣泡沫化指示器。
這個系統(tǒng)具有以下特點:
◆生產(chǎn)率增加約3.6%；
◆減少氣體和氧氣耗約15%；
◆碳消耗平均減少15%；
◆鋼材生產(chǎn)成本降低約2$/t；
◆通過應用圖形分析得到高工藝透明度。
2.4 電爐廢氣余熱回收
在新Heat2Power 電弧爐能量系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電弧爐中常規(guī)的水和空氣冷卻排氣系統(tǒng)被一個熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)替換。根據(jù)可利用的空間，熱回收蒸汽發(fā)生器可以在車間內(nèi)部或外部安裝。
蒸汽緩沖存儲器(LD/BOF 煉鋼所熟知)，或者獨特的高溫熔鹽儲能系統(tǒng)，確保即使在爐子裝料或出鋼蒸汽也能穩(wěn)定供應。蒸汽可直接用于許多方面，如過程加熱、蒸汽噴射器、區(qū)域加熱或海水淡化等。此外，還開發(fā)了使用蒸汽來驅(qū)動汽輪機，具有出色的發(fā)電效率。根據(jù)回收系統(tǒng)的大小，使用這些發(fā)電系統(tǒng)可重新獲得高達35kWh/t 的電能。
2.5 全面優(yōu)化煉鋼操作
廣泛的先進工藝優(yōu)化系統(tǒng)、最新的工藝模型以及多樣的自動化軟件包可以降低從EAF 到二次精煉設施的原材料和能源的消耗。先進的能源管理解決方案和系統(tǒng)，生產(chǎn)執(zhí)行、質(zhì)量控制和狀態(tài)監(jiān)測的全面優(yōu)化，控制成本的有效操作是高性能電爐煉鋼的基礎(chǔ)。
2.6 高速長材鑄造
西門子冶金技術(shù)開發(fā)了高速方坯連鑄機。該連鑄機對典型規(guī)格130mm×130mm 方坯連鑄速度可以超過6m/min。許多技術(shù)特點使之成為可能。鑄機采用滑動水口的控制。成熟的具有板簧指導的Simetal DYNAFLEX 液壓振蕩器使結(jié)晶器振動參數(shù)可在線調(diào)整，以此作為基礎(chǔ)以確保鑄造產(chǎn)品的正確潤滑和防止不必要的機械部件的振動。專利授權(quán)的Simetal Diamond 解決方案采用了特殊形狀的結(jié)晶器管輪廓和擴展的足輥用來加快高速連鑄所需的坯殼凝固。二次冷卻系統(tǒng)的改進提供了結(jié)晶器出口以后所需要的理想冷卻條件，確保正確的鑄坯表面溫度和鑄坯凝固模式。
2.7 直接從鋼液連續(xù)生產(chǎn)長材
WinLink 是西門子冶金技術(shù)直接從鋼液連續(xù)生產(chǎn)長材的創(chuàng)新技術(shù)。鋼坯連鑄機直接與軋機相連，在連續(xù)不間斷的生產(chǎn)線上將鋼液加工成鋼筋或其他長材產(chǎn)品。在一個高度緊湊的生產(chǎn)廠，通過高速方坯連鑄機與軋機的直接鏈接，生產(chǎn)者將受益于較低的投資支出(CAPEX)，降低生產(chǎn)成本(OPEX)，顯著節(jié)約能源，減少二氧化碳排放量，提高了長材的盈利能力，可快速回收投資。
WinLink 很適合安裝在以廢鋼為基礎(chǔ)的，產(chǎn)能是30 萬t 和40 萬t 的棒材小型鋼廠，主要生產(chǎn)在建筑業(yè)和基礎(chǔ)設施應用的標準碳鋼牌號。
3 能量優(yōu)化研究
西門子冶金技術(shù)的能量優(yōu)化包括三個階段:能量檢查、能量提高學習和能源實現(xiàn)概念。在第一階段，對工廠能量狀態(tài)進行分析和確定相應的節(jié)能潛力。能源改進研究將對基于各個鋼廠配置節(jié)能潛力的詳細調(diào)查進行評估。提高能源利用效率的潛在行為定制評價是這第一階段的主要成果。最后，能源實現(xiàn)概念將闡述詳細的技術(shù)概念，包括改進項目的實施步驟。
3.1Simetal EMS
這種先進的能源管理系統(tǒng)提供了揭示煉鋼廠內(nèi)所需的實際能耗的透明度。高效靈活地記錄消費數(shù)據(jù)、能源規(guī)劃和分配、CO2 監(jiān)控和能量平衡的產(chǎn)生可以很容易地集成到現(xiàn)有的自動化系統(tǒng)。
Simetal EMS 是一個模塊化可配置的，可擴展成一套適用于不同的自動化水平和生產(chǎn)單元組合功能。太原鋼鐵(集團)有限責任公司從Simetal EMS 簽訂了第一筆訂單，獲得以下效果:
◆在能源需求、成本中心的消費方面提高透明度，大量節(jié)約能源；
◆通過自動報告信息顯示和關(guān)鍵績效指標(KPIs)強化成本控制；
◆煉鋼廠內(nèi)的能量消耗優(yōu)化，從而避免了高峰期的網(wǎng)絡負荷和不必要的閃變損失；
◆在數(shù)學模擬和計算模型的基礎(chǔ)上對能源需求進行可靠預測。
4 結(jié)束語
鋼鐵企業(yè)保持競爭力的關(guān)鍵是對小型鋼廠高效節(jié)能操作。小型鋼廠節(jié)約能源的潛力是巨大的，但不幸的是在許多情況下沒有持續(xù)推動。現(xiàn)有工廠能源強度顯示了相當大的差異。整個小型鋼廠節(jié)能的主要內(nèi)容可以在電弧爐廢鋼預熱，電爐廢氣能量回收，避免過程溫降中找到。CCM 和RM 之間的密切聯(lián)系是小型鋼廠下一步的發(fā)展方向，無論是熱送熱裝和直接軋制都能有高效的節(jié)能潛力。鋼鐵廠要更多關(guān)注更高能效的綠色技術(shù)。