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(fā)了《2030年前碳達峰行動方案》(以下簡稱《方案》)?！斗桨浮分刑岢?推動鋼鐵行業(yè)碳達峰,促進鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和清潔能源替代,大力推進非高爐煉鐵技術(shù)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(shù),深挖節(jié)能降碳潛力,鼓勵鋼化聯(lián)產(chǎn),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(fā)展。因此,電弧爐煉鋼的優(yōu)勢將越來越明顯,電弧爐煉鋼企業(yè)也將有更好的發(fā)展前景。本文圍繞電弧爐煉鋼的高效節(jié)能技術(shù),重點介紹其特點及發(fā)展現(xiàn)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(fā)展。由于國際、國內(nèi)電弧爐的發(fā)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(jù)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(wǎng)電阻和電抗,并且短網(wǎng)電抗平衡[4]。根據(jù)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(tǒng)的交流電弧爐,直流電弧爐的優(yōu)勢排序如圖1所示[5]。

圖1 直流電弧爐的優(yōu)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(wǎng)干擾的高阻抗電弧爐,這種高阻抗電弧爐的運行優(yōu)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(yōu)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(tǒng)傳遞電能作用于爐料,保證電弧功率連續(xù)穩(wěn)定有效地輸入。因此,電極控制系統(tǒng)是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),通過電爐電極控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)降低能耗、縮短冶煉時間的目標。常規(guī)的PID控制方式控制精度低、調(diào)節(jié)時間長,達不到理想的控制效果。為此,國內(nèi)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(tǒng)、以神經(jīng)網(wǎng)絡為基礎(chǔ)的PID控制系統(tǒng)、基于PDF的電弧爐電極控制系統(tǒng)、基于PLC的電弧爐電極控制系統(tǒng)[7]。

3 優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)技術(shù)

3.1 優(yōu)化固態(tài)爐料結(jié)構(gòu)

優(yōu)化固態(tài)爐料結(jié)構(gòu)。在電弧爐煉鋼過程中,廢鋼作為主要的固態(tài)爐料在多次使用過后,廢鋼中的有害雜質(zhì)不斷增加,導致成型的鋼鐵產(chǎn)品的力學性能不斷降低。因此,目前電弧爐煉鋼的固態(tài)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(zhì)量[8]。

3.2 熱裝鐵水技術(shù)

熱裝鐵水工藝是現(xiàn)代電弧爐煉鋼的一項新技術(shù)。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(nèi)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(jīng)濟技術(shù)指標見表2[9]。通過生產(chǎn)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(jīng)濟技術(shù)指標

4 強化冶煉技術(shù)

4.1 強化供氧技術(shù)

強化供氧技術(shù)主要有氧氣噴吹技術(shù)、爐門供氧技術(shù)、爐壁供氧技術(shù)、EBT供氧技術(shù)和集束射流供氧技術(shù)等等。近些年來,強化供氧技術(shù)的不斷發(fā)展對電弧爐煉鋼的節(jié)能降耗起到了非常重要的作用,通過強化供氧技術(shù)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(jié)能降耗的作用。有研究表明,以爐料中的碳、硅、錳等為主要發(fā)熱元素,對氧化一噸爐料中0.1%的發(fā)熱元素釋放的熱量和電能進行計算,結(jié)果見表3[10]。

表3 0.1%元素氧化釋放熱量與相當?shù)碾娔?1 t爐料)

4.2 泡沫渣技術(shù)

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(zhuǎn)換為熱能輸送向熔池[11]。爐渣的發(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)試驗結(jié)果得出獲得較好的爐渣發(fā)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(shù)的優(yōu)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(shù)

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(jié)構(gòu)中,熔池的流體流動是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)鋼生產(chǎn)、節(jié)能和降低成本的關(guān)鍵。因此,國內(nèi)外相繼研發(fā)出了將底吹攪拌技術(shù)和集束射流供氧技術(shù)高效有機結(jié)合起來的復合吹煉技術(shù)以及電磁攪拌技術(shù)(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(cè)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(zhì)量的交換,并且與底吹攪拌裝置相結(jié)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(huán)運動,從而達到加快鋼液成分的調(diào)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(fā)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(nèi)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(guān)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(nèi)示意圖

4.4 偏心爐底出鋼(EBT)技術(shù)

現(xiàn)代電弧爐為了實現(xiàn)無渣出鋼,均采用偏心爐底出鋼(EBT)技術(shù)。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(chǎn)生的氧化渣,而采用偏心爐底出鋼,實現(xiàn)無渣出鋼[17]。這項技術(shù)由德國Mannecman-Demag公司和Thyssen公司在1978年開發(fā)的。該技術(shù)應用于電弧爐煉鋼的主要優(yōu)勢在于[4]:①爐內(nèi)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(chǎn)率15%左右;②出鋼時,電爐傾動角度<15°(傳統(tǒng)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(jié)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(shù)

5.1 廢鋼預熱技術(shù)

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(yōu)越性日益凸顯。目前,國內(nèi)外采用廢鋼預熱的電弧爐按照技術(shù)特點可以分為三類:雙殼電弧爐、豎井式電弧爐以及連續(xù)加料電弧爐。這三類廢鋼預熱型電弧爐的技術(shù)指標見表5[19]。理論上,廢鋼預熱每提高100 ℃,可節(jié)約用電20 kW·h/t。實踐表明,現(xiàn)代電弧爐采用廢鋼預熱技術(shù)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(shù)指標

5.2 二次燃燒技術(shù)

現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)未經(jīng)燃燒就直接進入了除塵系統(tǒng)[20]。二次燃燒技術(shù)是通過向爐內(nèi)特定區(qū)域噴入額外的氧氣使得爐內(nèi)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(shù),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(shù)的應用效果見表6。生產(chǎn)實踐表明,采用預熱裝置二次燃燒技術(shù)可以達到縮短冶煉周期、降低電耗、提高生產(chǎn)率的效果。

表6 Consteel電弧爐預熱裝置二次燃燒技術(shù)應用效果

5.3 余熱鍋爐技術(shù)

熱管式余熱鍋爐近年來廣泛地應用于國內(nèi)的冶金行業(yè)熱能設備的余熱回收工程中。在電弧爐煉鋼過程中,爐內(nèi)產(chǎn)生的高溫煙氣被引入余熱鍋爐系統(tǒng)中,通過熱管使得高溫煙氣與水完成熱量傳遞,從而產(chǎn)生飽和蒸汽,這些高壓飽和蒸汽通過蓄熱器轉(zhuǎn)換成低壓蒸汽,這部分蒸汽熱能連續(xù)地供給低壓發(fā)電以及生產(chǎn)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?；厥盏臒崃窟_到408 MJ/t,相當于有408 MJ/t的熱量轉(zhuǎn)化成了蒸汽的熱能。

6 結(jié)論與展望

電弧爐煉鋼圍繞“節(jié)能降耗”的思想,開發(fā)了諸多高效冶煉技術(shù),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(yè)的轉(zhuǎn)型升級加速進行。隨著我國環(huán)保要求的日趨嚴格,未來我國電弧爐煉鋼的發(fā)展不僅需要引進與借鑒國外先進技術(shù),更需結(jié)合國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的實際生產(chǎn)情況,自主開發(fā)適合不同冶煉環(huán)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(shù),完善集操作、工藝、環(huán)保為一體的煉鋼流程,進一步提高我國鋼鐵工業(yè)的經(jīng)濟效益。