王新江 翁泰祥

世界電爐煉鋼的發(fā)展在上個世紀發(fā)生了很大變化，從圖1可以看到這些變化所帶來的生產(chǎn)效率和主要技術(shù)經(jīng)濟指標的提升。電爐煉鋼的技術(shù)思維從早期的熱平衡，發(fā)展到除了考慮廢熱的再回收，還考慮如何讓產(chǎn)生的熱量在爐內(nèi)被利用，如何增加化學(xué)能、物理能、電能，進而縮短冶煉周期以提高生產(chǎn)效率及降低成本。

圖1 1965-2005年現(xiàn)代電爐技術(shù)發(fā)展情況

本世紀初期，中國鋼鐵工業(yè)得到快速發(fā)展，但是中國的電爐鋼比例遠低于世界發(fā)達國家30%的水平，其中電爐鋼比例更從2003年的17.6%一直降低至2016年的6.2%。2004年中國煉鋼專家在日本交流參觀了日本第一套ECOARC（生態(tài)電弧爐）電爐在岸和田制鋼的生產(chǎn)情況。雖然中國國內(nèi)多家煉鋼廠對ECOARC電爐的技術(shù)經(jīng)濟指標表現(xiàn)出濃厚的興趣，但日方希望該經(jīng)濟環(huán)保型電爐在日本和世界范圍內(nèi)多測試幾個案例再向外推廣。ECOARC電爐是日本政府委托當時的NKK（日本鋼管）設(shè)計的經(jīng)濟環(huán)保型電爐，當時為鼓勵日本國內(nèi)建設(shè)這種環(huán)保型電爐，日本政府為電爐廠出資約1/3的建設(shè)費用。因此，當時NKK（現(xiàn)SPCO的主要股東之一）決定將ECOARC電爐先在日本國內(nèi)推廣。

雖然部分電爐專家就短流程的溫室氣體排放、兌鐵水等提出了一些呼吁，希望電爐煉鋼工作者能更好利用電能，同時一些歐洲電爐設(shè)計廠也提出類似問題，并力圖推動電爐短流程在中國的發(fā)展。但是與此同時，中國正值轉(zhuǎn)爐處于大發(fā)展時期，電爐煉鋼比例處于急速下行通道。

一、電爐產(chǎn)能及能量投入

電爐產(chǎn)能。電爐產(chǎn)能要考慮冶煉周期，見圖2。冶煉周期長短關(guān)系著產(chǎn)能的大小。因此，在管理上如何縮短斷電時間及如何選擇設(shè)備就顯得尤為重要。

圖2 電爐冶煉周期關(guān)聯(lián)圖

電爐能量投入。電爐能量的投入大致上可分為物理能、化學(xué)能和電能。圖3是目前各鋼鐵廠使用的各類能量投入方式。下面針對這三種輸入能量進行討論。

圖3 電爐能量平衡圖

化學(xué)能。不同的鋼鐵冶煉流程都會伴隨著碳與氧的互相作用。圖4為碳氧反應(yīng)在鋼鐵冶煉不同過程的變化。在配加鐵水冶煉之初，大部分技術(shù)人員認為，由于總碳的投入增加，氧氣的投入會比原來只加廢鋼冶煉的情況增加更多。然而在生產(chǎn)一段時間之后，許多工廠發(fā)現(xiàn)，投入氧氣的總量并沒有因為加入高碳鐵水而增加太多，這是因為吹氧效率的提高。上世紀九十年代，日本的一些工廠就已經(jīng)開始分析每爐的[C]/[O]比值，目的就是為了分析吹氧效率的高低。當吹氧效率不高時，電爐煉鋼會產(chǎn)生很多自由氧，不僅會造成電極氧化嚴重，增加電極消耗，而且會造成粉塵中金屬氧化物過高，降低廢鋼的回收率。這是很多廢鋼預(yù)熱設(shè)計的電爐都會發(fā)生的問題。

圖4 鋼鐵冶煉不同工藝過程的碳氧反應(yīng)

物理能。由能量公式(kW·h/kgFe)=(2.27×10-4×T)+0.0142可知，每一噸鐵從常溫25℃提升到1600℃約需要358kW·h的電力。因此，投入的原料如果能夠高于室溫就可降低電力的投入。例如，中國鋼鐵企業(yè)廣泛使用的加熱鐵水或鎳鐵水(不銹鋼)，加入熱DRI及各種形式的預(yù)熱，這些都是為了降低物理能。目前，也有設(shè)備廠商在努力降低熱損。

電能。1964年，W.E.Schwabe提出了電爐的高功率(Ultra High Power)，即電爐變壓器在500kVA/t-600kVA/t以上通過投入大電力以縮短冶煉時間。發(fā)展至今，電爐變壓器大于1000kVA/t已非常普遍，甚至能達到1300kVA/t-1500kVA/t。一直以來，煉鋼廠及設(shè)備制造商對電能的使用，都在考慮如何在最短時間內(nèi)投入最大電力，進而縮短投入電力的時間，提高生產(chǎn)能力。在購買變壓器設(shè)備時，還要考慮冶煉工藝的特點（比如ECOARC爐型的工藝特點），而并非一味追求購買較大功率變壓器，以免無法有效利用到較高的電力投入。也就是說，ECOARC爐型選擇比常規(guī)爐型較小的變壓器就能達到高的功率輸入。

二、選擇ECOARC的理由

從總體角度考慮：電爐流程在廢鋼充裕及重視環(huán)保的議題下，應(yīng)該會迎來新一輪的發(fā)展。要想在中國現(xiàn)階段高速發(fā)展的電爐煉鋼中取得領(lǐng)先的位置，工藝應(yīng)具有以下特點：一是符合環(huán)保需求(面對未來更嚴苛的中國環(huán)保要求)，二是生產(chǎn)不可替代的產(chǎn)品，三是比別人更低的生產(chǎn)成本。

ECOARC是新一代的環(huán)保型電爐，該流程不僅可以有效控制二噁英，降低粉塵的排出，而且ECOARC是目前市售電爐中在全廢鋼生產(chǎn)中電力消耗最低的。ECOARC可以控制自由氧，有效提高廢鋼的收得率。由于低的電力消耗以及對自由氧的控制，可以更好抑制電極尖端消耗及側(cè)邊氧化，在電極價格高漲期間，ECOARC具有絕對的優(yōu)勢。ECOARC可以選擇更便宜的輕型廢鋼，不用考慮廢鋼的堆比重和裝料次數(shù)的問題。

從環(huán)保的角度考慮：ECOARC是應(yīng)日本政府要求，專門為符合環(huán)保要求而生，在日本新建該型爐子，日本政府會給予1/3設(shè)備費用的專項補貼。ECOARC是在目前運行的電爐中，可以達到最高二噁英控制標準的新型電爐（二噁英＜0.1ng-TEQ/Nm3）。由于密封式的設(shè)計，粉塵量為普通電爐的一半，對于粉塵處理的費用大大降低，因此除塵設(shè)備費用也相應(yīng)大大降低。因為熔池在冶煉過程中比較穩(wěn)定，有低噪音、低閃爍和高電弧效率等優(yōu)點，ECOARC可使用較小的變壓器達到較高的電能利用。

從化學(xué)能的角度考慮：因為ECOARC的一爐鋼冶煉過程都是在穩(wěn)定的熔池中進行，氧氣可以一開始就直接吹噴入鋼液中，氧氣效率高于傳統(tǒng)的電爐。電爐煉鋼專家傅杰教授研究指出，1Nm3氧氣相當于6kW·h/t的電能消耗，這表明氧氣置換電能的數(shù)字是高于傳統(tǒng)電爐的，并在高的氧氣效率下可實現(xiàn)。

從物理能的角度考慮：廢鋼預(yù)熱，在進入鋼液前可達到800℃-1000℃的高溫。因為自由氧的控制，降低FeO生成，能有效提高廢鋼的收得率，并且降低廢鋼粘黏在一起的概率，提高廢鋼溶化速率。ECOARC可以降低電爐的熱損：廢鋼投入，沒有開啟爐蓋的熱損；降低水冷爐壁所帶走的熱量；緊閉的排渣口，減少冷空氣進入；氣密設(shè)計，降低熱廢氣排出量。

從電能的角度考慮：傳統(tǒng)電爐在精煉期的電力投入比高功率因數(shù)的熔化期還高，是因為在穩(wěn)定的鋼液送電情況下，單位時間投入電力反而較高。因此，在生產(chǎn)相同產(chǎn)能時，ECOARC電爐可選擇較低變壓器容量。ECOARC電爐具有高的收得率，可降低電能的投入(每提高1%的收得率約節(jié)省9kW·h/t的電力)。ECOARC電爐從開始生產(chǎn)(除第一爐的第一桶廢鋼)就可在全程泡沫渣下生產(chǎn)，電力投入效率達到最高。ECOARC電爐的電力消耗最低，電力成本低于其他類型的爐子，全廢鋼冶煉電耗低于250kW·h/t。石墨電極消耗低，實際為0.9kg/t。

從產(chǎn)能的角度考慮：ECOARC電爐具有短的Power on Time；由于化學(xué)能及物理能的提升，降低電能的投入，縮短電力投入時間；因為全程泡沫渣及穩(wěn)定鋼液中送電，電弧電力投入鋼液的效率及吸收率提升，由此減少電力投入時間；降低Power off Time；廢鋼連續(xù)加料，沒有斷電及開爐蓋的問題，減少斷電時間；電極耗量低，減少接續(xù)的時間。

從主要原料廢鋼的角度考慮：使用輕薄料是ECOARC電爐在中國市場的最大優(yōu)勢，是其他爐型所不能比擬的。而且廢鋼收得率較高，廢鋼成本相較其他爐型有很大的降本優(yōu)勢，從而使冶煉成本得到較大程度的降低。

三、結(jié)論

在中國倡導(dǎo)綠色鋼鐵生產(chǎn)、智能制造的環(huán)境下，ECOARC電爐在溫室氣體排放和二噁英處理中表現(xiàn)出了生態(tài)環(huán)保電爐所獨有的特性。在廢鋼選擇上，ECOARC電爐以全部適用輕薄料的優(yōu)良特性，呈現(xiàn)出一定的冶煉成本優(yōu)勢。在主要技術(shù)經(jīng)濟指標上，ECOARC電爐低的電耗（全廢鋼250kW·h/t）和電極消耗（0.9kg/t）具備強大的競爭優(yōu)勢。在未來中國電爐的大規(guī)模發(fā)展時代，鋼廠選擇一個符合政策、環(huán)保、產(chǎn)能、成本要求的ECOARC電爐，會使生產(chǎn)運行和經(jīng)營處于較有利的位置。