現(xiàn)代電爐煉鋼技術(shù)發(fā)展趨勢分析

操龍虎

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢430223）

以電弧爐煉鋼為核心的短流程煉鋼工藝，在噸鋼資源消耗、工程投資、占地面積和二氧化碳、氮氧化物等污染物排放量方面均比長流程煉鋼工藝大幅降低，符合綠色發(fā)展和低碳經(jīng)濟發(fā)展的要求[1-3]。電爐煉鋼自問世以來，呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，迄今為止，已占世界總鋼產(chǎn)量的30%以上。尤其在歐美等發(fā)達國家，電爐煉鋼的占比達到50%以上。我國近十年粗鋼產(chǎn)量雖然逐年增加，但電爐鋼的比例卻呈現(xiàn)一定的下降趨勢。截止2016年，我國電爐鋼比例僅占總出鋼量的7.3%，遠低于世界平均水平[4]。這與近年廢鋼價格和電力價格有密切的關(guān)系。但隨著國家環(huán)保需求的不斷提高及廢鋼資源的增加，同時政府取締中頻爐、地條鋼和配套政策的支持，使得電爐短流程產(chǎn)量明顯增加。同時鋼鐵企業(yè)逐步淘汰落后電爐產(chǎn)能使得綠色節(jié)能電爐的需求也不斷增強。因此，在目前我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展方式發(fā)生轉(zhuǎn)變的重要時期，了解電弧爐技術(shù)的發(fā)展對我國電爐的發(fā)展具有重要意義。

1 我國電爐煉鋼的現(xiàn)狀

近年來，我國鋼鐵產(chǎn)量總體平穩(wěn)，但電爐煉鋼的比例卻在不斷下降，廢鋼價格是制約我國電爐煉鋼發(fā)展的最大瓶頸。目前我國的廢鋼積累量和現(xiàn)實循環(huán)量都遠遠低于發(fā)達國家，除中國外的全球電爐鋼生產(chǎn)比例達到42%，而我國仍不足10%。加之我們轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量巨大，也可消耗大量廢鋼，所以對電爐煉鋼的發(fā)展也構(gòu)成了一定的制約。表1 所示為我國近十年粗鋼及電爐鋼產(chǎn)量的變化趨勢。隨著我國廢鋼積蓄量的不斷增加，廢鋼回收利用量逐漸提高，鋼鐵行業(yè)取締“地條鋼”也使廢鋼資源逐步增加。此外，環(huán)境限制不斷增強，電力價格不斷降低，發(fā)展電爐煉鋼相對優(yōu)勢將會愈發(fā)凸顯。總體而言，發(fā)展電爐煉鋼的有利條件正在逐步顯現(xiàn)。

但目前國內(nèi)大多數(shù)仍采用傳統(tǒng)頂裝料電爐煉鋼方式，效率低，生產(chǎn)成本高，污染嚴重，尤其是二噁英污染問題嚴重[5-6]。隨著國家對節(jié)能減排，鋼種生產(chǎn)質(zhì)量及環(huán)境問題的重視，采用更加節(jié)能環(huán)保高效的電爐煉鋼技術(shù)是未來的發(fā)展方向。主要從以下幾個方向進行發(fā)展：綠色環(huán)保、廢鋼預(yù)熱、提高電極和爐襯壽命以及電爐煉鋼智能化等。

2 環(huán)保技術(shù)的發(fā)展

二噁英是目前世界上毒性最強的化合物之一，其毒性相當于氰化物的1 000倍，對環(huán)境和人類有巨大危害。在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程中，長流程燒結(jié)工序是主要的二噁英產(chǎn)生來源，但短流程電爐煉鋼工序也會產(chǎn)生大量二噁英?！稛掍摴I(yè)大氣污染物排放標準》（GB 28664—2012）規(guī)定，電爐煙氣中二噁英的排放限值為0.5 ng-TEQ/m3，而河北省更要求電爐煉鋼過程中二噁英類排放濃度低于0.2 ng-TEQ/m3。電爐冶煉過程中需要將含塑料和油脂的廢鋼裝入電爐內(nèi)進行預(yù)熱，但由于廢鋼預(yù)熱溫度和二噁英形成溫度相近，前驅(qū)體合成及熱分解反應(yīng)促使了煙氣中二噁英的形成。同時廢鋼中微量銅、鎳等氧化物可作為反應(yīng)催化劑，促進二噁英的形成。此外，在高溫?zé)煔饫鋮s過程中，會以從頭合成的方式生成二噁英。實驗結(jié)果表明，當煙氣溫度高于850 ℃，氧氣含量不低于6%時，可有效分解二噁英。在完成二噁英氧化熱分解后，要求防止它們在250～500 ℃通過從頭合成機理再次合成，這就要求電爐煙氣在氧化熱分解之后迅速冷卻至250 ℃以下，實現(xiàn)二噁英減排[7-8]。

表1 中國近十年粗鋼及電爐鋼產(chǎn)量

為了適應(yīng)環(huán)境發(fā)展的要求，抑制二噁英的排放，采用合適的減排手段尤為必要。具體方法如下：

（1）減少含油脂、涂料等廢鋼入爐，同時在入爐前強化分選和預(yù)處理，有效去除氯源，最大限度降低含塑料、油脂等含有機物廢鋼的入爐量，同時提高鐵水的投入量。

（2）燃燒室熱分解，當煙氣預(yù)熱廢鋼后，進入燃燒室，并通過燒嘴燃燒煙氣，使其溫度達到850 ℃以上，從而使二噁英等有害氣體發(fā)生分解。

（3）煙氣急冷，經(jīng)過高溫?zé)岱纸獾臒煔鈶?yīng)在冷卻塔內(nèi)進行快速冷卻，從而抑制二噁英的從頭合成。

（4）高效過濾及活性炭吸附技術(shù)。二噁英在低溫條件下會以固態(tài)形式吸附在煙塵表面，因此，通過高效除塵器可降低二噁英排放量。而活性炭吸附技術(shù)是在布袋除塵器前噴入活性炭粉末，吸附煙氣中的二噁英，達到降低二噁英排放的目的。

（5）催化分解。美國戈爾公司研發(fā)的催化過濾Remedia 技術(shù)[9]，主要是將表面過濾技術(shù)同催化過濾技術(shù)集成在濾袋上，能夠使二噁英在較低溫度下（200 ℃左右）通過催化反應(yīng)徹底分解成CO、H2O 和HCl，該技術(shù)去除二噁英徹底且不存在二次污染。

針對上述環(huán)境和技術(shù)要求，日本株式會社（Steel Plantech）開發(fā)了Ecoarc 生態(tài)電弧爐。從目前4 個工業(yè)應(yīng)用結(jié)果來看，采用Ecoarc 電爐煉鋼的二噁英排放量均低于各國限值[10]。

3 節(jié)能降耗技術(shù)的發(fā)展

電爐煉鋼技術(shù)自1899年問世以來，其冶煉技術(shù)和裝備水平不斷提高，出現(xiàn)了超高功率、氧槍操作、水冷爐壁和爐蓋、泡沫渣埋弧操作、偏心爐底出鋼、氧燃燒嘴、碳氧槍，廢鋼預(yù)熱、底吹攪拌，兌鐵水等煉鋼技術(shù)，有效地縮短了冶煉時間和節(jié)能降耗，并在不斷開發(fā)及優(yōu)化。當前國內(nèi)外在節(jié)能降耗方面的主要工作如圖1所示。

圖1 電爐煉鋼裝備與技術(shù)發(fā)展

3.1 降低電耗

隨著鋼產(chǎn)品市場的競爭加強，最大限度地節(jié)約生產(chǎn)成本是每個企業(yè)追逐的重要目標。電爐煉鋼過程中電耗消費在成本中占據(jù)很重的比例，如何節(jié)約電能是實現(xiàn)盈利的重要環(huán)節(jié)。

3.1.1 電爐大型化

采用超高功率電爐煉鋼，可以縮短廢鋼熔化時間、提高功率因素、縮短冶煉周期、降低電耗。同時易于與爐外精煉、連鑄相配合，實現(xiàn)高產(chǎn)低耗的目的。采用超高功率電爐煉鋼后，生產(chǎn)效率可從1.5 t/（h·MW）提高到2.5 t/（h·MW）以上，同時電耗能降低100 kW·h/t 左右。目前國內(nèi)新建電爐的容量普遍在100 t 以上，且不斷淘汰小型電爐。

3.1.2 廢鋼預(yù)熱技術(shù)

廢鋼預(yù)熱技術(shù)能有效節(jié)約電能，促進廢鋼的熔化。目前廢鋼預(yù)熱的技術(shù)主要有四種：傳統(tǒng)料籃式廢鋼預(yù)熱、雙爐殼電爐、豎井式電爐及康斯迪電爐，目前以豎井式電爐和康斯迪電爐的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)最為廣泛。

1）豎窯式電爐

20 世紀90年代，德國福克斯公司開發(fā)出第一代Fuchs 豎爐，其原理是在爐頂?shù)谒目祝ㄖ绷麟娀t第二孔）處安裝一豎井通道，而廢鋼填充到豎井內(nèi)，并與熔化室連接。在電爐冶煉過程中，高溫?zé)煔鈴牡谒目着懦?，進入豎井內(nèi)預(yù)熱廢鋼。為實現(xiàn)100%預(yù)熱廢鋼，?？怂构鹃_發(fā)出手指式豎爐，在豎井與熔化室之間安裝一活動托架。當廢鋼加入到豎井內(nèi)預(yù)熱完成后，打開托架加入熔化室中。豎爐的優(yōu)點是廢鋼預(yù)熱溫度高，冶煉周期短。但是手指式豎爐的“手指”在高溫下使用壽命低，維護成本高，影響電爐的連續(xù)生產(chǎn)，目前在國內(nèi)基本淘汰。為了減緩上述問題，進一步提高預(yù)熱效率，相繼開發(fā)了Shaft arc furnace、Ecoarc 及Quantum 等電爐[11]。Shaft arc furnace電爐[12]是一種改進型豎爐，最大的特點就是電爐上有兩個半圓形豎井，保持豎井內(nèi)煙氣自然對流，從而使預(yù)熱更均勻。但目前在歐洲僅有140 t 和100 t 的爐子在生產(chǎn)。Ecoarc 生態(tài)電弧爐[13]是基于減少二噁英排放的環(huán)保需求而開發(fā)的，其特征是預(yù)熱豎爐和熔化室是直接連接在一起的，它能使廢鋼連續(xù)存在的狀態(tài)下進行熔化，同時密封性良好，有效降低廢鋼氧化，廢鋼預(yù)熱溫度可達850 ℃以上，電耗也降至210 kW·h/t，甚至于低于150 kW·h/t。目前全世界有6家企業(yè)在生產(chǎn)，主要分布在日本、韓國和泰國。Quantum量子電爐[14-15]是西門子奧鋼聯(lián)開發(fā)出的一種新型電弧爐，屬于Fuchs 豎式電爐的改進型。其梯形設(shè)計的豎井以及手指系統(tǒng)改進設(shè)計提高了廢鋼預(yù)熱效果，同時有效降低了廢鋼在豎爐內(nèi)發(fā)生黏結(jié)和堵塞的問題。目前國內(nèi)已經(jīng)簽約8座量子電爐，應(yīng)用效果有待驗證。

2）康斯迪電爐（Consteel）

康斯迪電爐是一種連續(xù)加料、預(yù)熱和熔化的電爐。其廢鋼預(yù)熱的方式是在連續(xù)加料的過程中，利用冶煉過程中產(chǎn)生的高溫廢氣對行進的爐料連續(xù)預(yù)熱，可使廢鋼入爐前的溫度達到250～300 ℃。

為進一步實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的，康斯迪電爐對廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)做了技術(shù)改進，稱為增強型康斯迪電爐[16]。增強型康斯迪的技術(shù)革新主要在電爐冶煉和廢鋼預(yù)熱兩部分：電爐冶煉部分主要采用了更大的留鋼量和更好的留渣操作，同時結(jié)合合適的噴吹系統(tǒng)，進一步節(jié)能降耗。廢鋼預(yù)熱技術(shù)改革主要體現(xiàn)在預(yù)熱通道上，其核心技術(shù)是引入了燒嘴加熱廢鋼通道（通道B），并和煙氣加熱廢鋼（通道A）分開，從而實現(xiàn)均勻加熱。采用增強型康斯迪電爐進行廢鋼預(yù)熱，預(yù)熱溫度可達400～450 ℃，節(jié)約電耗70 kW·h/t。圖2為增強型康斯迪電爐的基本構(gòu)造及其預(yù)熱通道。

3.1.3 減少爐蓋開啟

電爐爐蓋開啟少，可減少熔池暴露造成的熱輻射損失。相比于傳統(tǒng)頂裝料電爐，新型設(shè)計的康斯迪電爐具有良好的連續(xù)加料方式，可降低爐蓋開啟時間，從而有效降低電能消耗。而其他新型電爐在加料方式上也在逐步改進和完善，如量子電爐利用帶溜槽的升降機系統(tǒng)將廢鋼從地下傾卸站裝入電弧爐，而不需要使用天車或廢鋼料籃，實現(xiàn)全自動操作，從而減少爐蓋開啟頻次。

圖2 增強型康斯迪電爐的基本構(gòu)造

3.2 降低電極消耗

電極的正常消耗主要為尖端消耗和側(cè)面消耗。電極尖端消耗主要是石墨在高溫下升華和在鋼渣中熔化所致。在正常作業(yè)情況下，尖端消耗可達到電極總消耗的50%。電極被氧化是側(cè)面消耗的主要原因，消耗量約占總消耗的40%，其氧化反應(yīng)速度與溫度密切相關(guān)。降低電極消耗的主要方法如下：

（1）平熔池操作。在電爐冶煉過程中采用留鋼操作，預(yù)熱的廢鋼直接加入到熔化的鋼液中，實現(xiàn)了平熔池操作，減少閃變，降低了電極折斷的幾率。

（2）提高密閉性。由于高溫條件下石墨電極易被空氣氧化，提高密閉性，減少空氣侵入爐內(nèi)，可有效降低電極的消耗。同時盡量減少赤熱的電極在爐外的暴露時間，規(guī)范吹氧操作。采用量子電爐、生態(tài)電弧爐進行冶煉時，由于提高了密閉性，噸鋼電極消耗可從2.5 kg/t降低至1.0 kg/t。

（3）提高廢鋼預(yù)熱溫度。提高廢鋼預(yù)熱溫度，可降低電耗，從而降低電極消耗。

（4）燒嘴助熔。提高電爐噸鋼用氧量，增加電爐內(nèi)化學(xué)能輸入是強化電爐冶煉，提高電爐節(jié)奏的最有效手段之一。每噴吹1 m3氧氣相當于向爐內(nèi)供應(yīng)3～4 kW·h電能。同時采用氧燃燒嘴技術(shù)也可大幅降低電能。

4 電爐煉鋼智能化

電弧爐冶煉過程中，如果只憑借操作者經(jīng)驗很難控制電爐生產(chǎn)水平，同時也限制了電弧爐生產(chǎn)率提高和冶煉過程優(yōu)化。通過開發(fā)一系列先進的監(jiān)測模型和控制模型，結(jié)合數(shù)據(jù)信息交流和過程優(yōu)化，可進一步促進電弧爐裝備技術(shù)的發(fā)展。

4.1 煉鋼終點溫度控制

電弧爐煉鋼終點溫度的精確控制是降低生產(chǎn)成本、加快冶煉節(jié)奏的關(guān)鍵。然而電爐煉鋼系統(tǒng)很復(fù)雜，包括金屬原料成分和來源，冶煉操作等均有很大的波動，常規(guī)的機理模型很難準確預(yù)測。隨著智能化的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，支持向量機，遺傳算法等逐漸應(yīng)用到電爐煉鋼的終點預(yù)測中，從而改善了單一算法的不足。近年來，研究者開發(fā)出基于支持向量機（SVM）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遺傳算法相結(jié)合的電爐煉鋼終點溫度預(yù)報模型[17-18]，達到了較為不錯的效果。北京科技大學(xué)依靠爐氣分析檢測和鋼液溫度測量手段，建立了基于爐氣分析和物料衡算的脫碳指數(shù)-積分混合模型和鋼液終點溫度智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報模型，實現(xiàn)最終碳含量命中率90%，終點溫度命中率88%[19]。

4.2 煙氣分析技術(shù)

冶煉過程的實時動態(tài)預(yù)報是電爐達到最佳性能的關(guān)鍵?；诖耍琓enova 開發(fā)了Goodfellow EFSOP 系統(tǒng)，進行電爐煙氣成分實時監(jiān)測，并用于優(yōu)化電爐的化學(xué)能使用，在節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)率以及環(huán)境保護等方面有積極的作用[20-21]。分析電爐過程煙氣是了解電爐過程動態(tài)的關(guān)鍵因素，也是提供EFSOP 直接動態(tài)控制功能的關(guān)鍵，因此空氣稀釋之前應(yīng)保證純凈的過程煙氣被連續(xù)采集。EFSOP 分析儀提供4 種關(guān)鍵氣體的連續(xù)分析，包括CO、CO2、H2、O2等。通過連續(xù)可靠的煙氣分析結(jié)果，可有效地動態(tài)閉環(huán)控制燒嘴、氧槍、碳槍和爐壓操作。EFSOP技術(shù)使用經(jīng)過工業(yè)驗證的專利探頭，直接安裝在電爐第四孔。過程中還可對電弧爐中水分進行監(jiān)測，防止水分過高引起爆炸。Siemens 開發(fā)的Simetal Lomas 連續(xù)煙氣分析系統(tǒng)，由于對氣體采樣探測器進行了特殊的設(shè)計，并結(jié)合安裝的自動清潔裝置和水冷裝置，能夠全自動連續(xù)測量和分析廢氣。

4.3 測溫取樣技術(shù)

鋼液的溫度測量和取樣[22-23]一直是制約電弧爐生產(chǎn)效率和電能消耗的重要環(huán)節(jié)之一。而目前，國內(nèi)大部分電弧爐煉鋼企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的人工取樣測溫方式，存在安全性差，時間成本高等問題。Siemens 設(shè)計的Simetal Liqui Rob 自動測溫取樣機器人，可自動更換取樣器和測溫探頭，確保了連續(xù)、安全、可靠的煉鋼過程。同時還開發(fā)出基于組合式超音速噴槍的非接觸式鋼液測溫系統(tǒng)（Simetal RCB Temp），能夠在短時間內(nèi)準確地測出鋼液溫度和出鋼時間，使電爐煉鋼過程的通斷電時間達到最佳，提高電爐煉鋼的生產(chǎn)能力。

4.4 智能電爐煉鋼技術(shù)

隨著電爐生產(chǎn)工藝越來越復(fù)雜，再加上對提高設(shè)備生產(chǎn)能力、降低環(huán)境污染的要求越來越高，就需從整體過程出發(fā)，將冶煉過程獲取的信息與過程基本機理進行有效結(jié)合分析，并決策和控制電爐冶煉操作，實現(xiàn)電爐煉鋼整體優(yōu)化。

傳統(tǒng)的電爐控制技術(shù)很難控制爐子的操作。特諾恩的iEAF 智能電爐煉鋼[24]技術(shù)整合了EFSOP 煙氣分析技術(shù)及先進的工藝模型，同時結(jié)合一次和二次傳感器，以閉環(huán)形式動態(tài)控制和優(yōu)化整個電爐冶煉過程。iEAF智能煉鋼技術(shù)根據(jù)傳感器提供的信號，依據(jù)控制參數(shù)和電極調(diào)節(jié)器等來管理冶煉過程，從而更便捷地優(yōu)化冶煉操作。

Siemens 開發(fā)的EAF Heatopt 是一種整體性工藝優(yōu)化系統(tǒng)，集廢氣監(jiān)測系統(tǒng)和整體工藝模型于一身，可對燒嘴和吹氧裝置進行閉環(huán)控制。同時還可對碳的噴吹進行控制，優(yōu)化泡沫渣。該系統(tǒng)能夠降低電能、電極、氧氣和天然氣的消耗，提高金屬收得率，增大產(chǎn)能。

Daneli 開發(fā)的Q-MELT 系統(tǒng)將連續(xù)溫度檢測、爐渣檢測和廢氣分析等分析技術(shù)綜合為一體，再結(jié)合碳平衡法，可完全實現(xiàn)所有相關(guān)輸入和輸出數(shù)據(jù)的監(jiān)視管理和分析[25]。

5 余熱回收技術(shù)

在現(xiàn)代電爐輸入的總能量中，大約有30%的能量是隨著煙氣逸散出電爐的，同時再加上將在二次燃燒室中燃燒的CO 所能提供的能量，如果不加利用，大量的能量將會被浪費。目前轉(zhuǎn)爐已實現(xiàn)負能煉鋼，而電爐的余熱回收仍需不斷加強。而一般情況下，超過25%輸入電爐的能量是可以被余熱回收系統(tǒng)回收利用的。傳統(tǒng)電爐技術(shù)是利用水冷煙道系統(tǒng)，但由于加熱后的冷卻水達不到足夠高的溫度和壓力（4～5 bar），因此，冷卻水會被泵再次送到蒸發(fā)冷卻塔中，從而使得大量熱量被釋放到大氣中，造成能量浪費。Tenova 開發(fā)的iRecovery 智能余熱回收技術(shù)利用15～40 bar 水壓的高壓鍋爐管替換傳統(tǒng)的低壓水冷管，能高效回收余熱，所產(chǎn)生的高壓蒸汽可用于補充或取代工廠中的蒸汽鍋爐。

Tenova 系統(tǒng)利用冷卻水（20～40 ℃）從電爐廢氣管道回收熱能，以高壓和高溫?zé)崴?80～250 ℃）作為熱交換介質(zhì)回收高溫含塵廢氣熱量，從而降低了通過蒸發(fā)分離廢氣的熱量。具體系統(tǒng)流程如圖3 所示，先在600 ℃利用輻射熱傳遞，再用廢熱鍋爐回收低溫?zé)崴肟诘臒崮?。該余熱回收技術(shù)可以回收35%～70%的煙氣能量損失，即回收10%～25%的初始能量輸入，并減少對環(huán)境的影響。

6 結(jié) 論

隨著國家對能源和環(huán)境問題的越來越重視，節(jié)能環(huán)保型電爐煉鋼生產(chǎn)技術(shù)將不斷發(fā)展，這將對電爐煉鋼工作者提出更高的要求。未來電爐煉鋼裝備技術(shù)將朝著更高效的廢鋼加料和預(yù)熱技術(shù)、更節(jié)能的操作冶煉水平、更智能的電爐煉鋼過程控制方向邁進。

圖3 iRecovery余熱鍋爐系統(tǒng)