中國電弧爐煉鋼技術未來如何發展?

?????? 來源: 中國鋼鐵新聞網 中國冶金報社 ???????發布時間:2021-03-30


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倪冰

近年來,世界粗鋼年產量在16億噸~18億噸,其中電爐鋼有4億多噸,占比約25%。除中國以外,全球鋼鐵工業的電爐鋼占比已達40%以上。美國電爐鋼比例達到67%,是發達國家中電爐鋼占比最高的。2020年,中國粗鋼產量達10.65億噸,其中電爐粗鋼約0.96億噸,占比約為9%,尚有很大的提高空間。截至2020年底,中國有30噸以上電爐420座左右,產能18225萬噸。

與長流程相比,電爐短流程CO2排放量僅有25%,固廢排放量僅為1/30,能耗約50%,具有明顯優勢。短流程還有即開即停、生產高效靈活、可消納城市廢棄物等優點。隨著中國廢鋼資源逐步釋放,未來10年~15年電爐具有極大的發展潛力。國家鼓勵利用廢鋼煉鋼和短流程煉鋼,鼓勵企業在不增加新的產能基礎上進行電爐流程產能置換,鼓勵將環保壓力大、產能過剩嚴重地區的產能置換到廢鋼相對充足、鋼材供應不足的地區。

隨著世界鋼鐵總產量的增加,電爐煉鋼總產量也逐年增加。除中國以外,現在全球鋼鐵工業的電爐鋼占比已達40%以上,中國電爐鋼尚有很大的增長空間。未來電爐應選擇能夠滿足高效節能、連續加料、廢鋼預熱、綠色環保、余熱回收等要求的爐型,對應爐型選擇工藝技術,完成相應的冶金功能,實現可持續發展。同時,電爐發展還應關注高效低耗的節能低成本生產技術、綠色化關鍵工藝技術、智能化制造技術、高附加值特種鋼冶金技術等方向。

電爐煉鋼工藝技術

圍繞生產高效化、功能簡單化、環境友好化、控制智能化、原料多元化等目標,電爐煉鋼技術不斷得到發展。電爐冶煉高效化追求的目標是冶煉周期、通電時間盡可能縮短,冶煉電耗盡量降低。我們應圍繞以下6個方面開展工作:采用提高噸鋼輸入電功率的方法,表現在技術層面上就是裝備的大型化和更高功率;提高鋼中元素氧化的化學熱及氧燃燒嘴提供的化學熱;提高由廢鋼預熱后廢鋼的顯熱;提高電效率和功率因數,如供電制度合理化、采用智能電弧爐、優化短網結構等;縮短熱停工時間,如裝廢鋼時間、接電極時間、出鋼時間、補爐時間等;整條產線單一品種組織生產比多品種效率更高。

選擇先進爐型以達到全廢鋼預熱、連續加料、不開蓋、平熔池、低噪聲、少煙塵、痕量二噁英、除塵灰回收等目的。在技術發展的過程中,電爐經歷了傳統開蓋式電爐、Fuchs電爐(豎式預熱廢鋼)、Consteel電爐(水平連續加料)、Quantum電爐(量子電爐)、Ecoarc電爐(環保生態電弧爐)、Sharc電爐(豎井電弧爐)、CISDI-Green電爐(賽迪綠色智能電爐)、CERI-s1-Arc電爐(中冶京誠新型廢鋼預熱電爐)等不同類型的發展。

傳統常規開蓋式電爐的優點是設備故障少、穩定可靠,缺點是幾乎都無法較好地實現上述目的,生產效率較低。上世紀90年代,Fuchs電爐和Consteel電爐幾乎同時被引進中國。因為Fuchs電爐設備故障率高,在廢鋼成本不能被抵消的大背景下基本上被淘汰了。在Consteel電爐設備被國產化后,在“中改電”的背景下,因為其效率高、成本低、穩定可靠的優勢獲得了快速發展。2017年以前,全國95%的電爐為開蓋頂加料式;自2017年以來,企業的新上電爐設備85%以上為連續水平加料系統。但Consteel電爐也有明顯的缺點,主要是水平煙道尾氣預熱廢鋼的設計溫度為400攝氏度~600攝氏度,廢鋼溫度一般只能達到200攝氏度~300攝氏度;預熱廢鋼通道內的廢氣溫度正處于產生呋喃和二噁英等的高峰區間,有害氣體對環境的污染問題難以解決;預熱通道進“野風”量大,給除塵和余熱回收帶來困難。

Quantum電爐、Ecoarc電爐和Sharc電爐則希望通過豎式煙道預熱廢鋼的方式解決上述難題。Quantum電爐通過廢鋼料槽升降小車替代了料籃加料,采用虹吸式無渣出鋼系統,仍使用手指式系統保持和預熱廢鋼,預熱溫度高,有害氣體少。目前,世界上投產和在建的共11座Quantum電爐,其中墨西哥1座、土耳其1座、孟加拉1座、中國8座。2020年底,中國2座Quantum電爐投產,綜合效果仍有待觀察。Ecoarc電爐的主要部分是由熔化廢鋼的熔化室和與熔化室直接連接在一起的預熱豎爐構成,爐體密封和廢鋼預熱相結合,平熔池操作,高度自動化,廢鋼預熱溫度可達800攝氏度,可避免污染物的產生,二噁英排放量<0.1ng-TEQ/m3(納克毒性當量值每標準立方米,下同)。目前投產和在建的共9座Ecoarc電爐,其中日本5座、韓國1座、泰國1座、中國2座(在建)。Sharc電爐均為直流電爐,噪聲小、粉塵少,設計雙豎井利用尾氣預熱廢鋼,二噁英<0.1ng-TEQ/m3。應用方面,除土耳其1座正在運行的100噸Sharc電爐外,河鋼石鋼引進2座130噸Sharc電爐。總之,這3種電爐應用數量較少,前景仍有待進一步觀察中。

目前國內電爐產能中,國產電爐設備占85%,進口電爐占15%。雖然在單體設備上國內廠家已經具備一定實力,100噸以下的電爐設備基本實現了國產化,但中國科技工作者也一直致力于研發具有自主知識產權的成套電爐設備。嘗試集合水平加料和豎式電爐的優點,國內設備商推出了CISDI-Green電爐。該電爐利用階梯型連續密閉加入廢鋼的思路,形成了階梯加料的獨有專利技術,在中國和歐盟都獲得了專利授權,并形成了國內團體標準。技術指標也較為先進,在國內及東南亞地區有數臺電爐投入使用。另一家設備商則推出了CERI-s1-Arc電爐。廢鋼經由小車加入豎井,豎井下面的推鋼機構將廢鋼推進水平通道,水平通道振動廢鋼進入平熔池,從而實現廢鋼連續加料;通過煙氣急冷、活性炭吸附和余熱鍋爐降低二噁英含量并實現余熱利用。該電爐集成了眾多先進技術,目前還處于推廣階段。總的來說,國內電爐廠家在設計、制造先進爐型上還有不少方面需要進一步的努力工作。未來電爐爐型的發展方向將是能實現連續加料、廢鋼預熱、綠色環保、低二噁英排放、余熱回收及智能煉鋼的電爐。

在先進的爐型中采用各種高效化生產技術,目前在全廢鋼條件下,國內部分Consteel電爐和轉爐一樣,也能做到30分鐘的冶煉周期。其他技術經濟指標能夠達到金屬收得率90%~92%,全廢鋼電耗在300千瓦時/噸以下,電極消耗在1.0千克/噸以下,單位公稱容量年產量能做到10000噸鋼/噸以上。

目前,電爐鋼成本要比長流程高500元/噸鋼~600元/噸鋼,差異主要在于原材料(鐵礦石、焦炭、廢鋼)、電耗、電極消耗、耐材消耗等,短流程降成本的途徑在于以上要素。鑒于國內鋼企成本長期居高不下,擴大廢鋼進口、減少對鐵礦石的依賴是現實的選擇方案。

此外,電爐鋼低生產成本的過程管理與控制還包括:減少原料成本,加強對廢鋼和含鐵原料的分類加工和管理,廣泛使用各種含鐵料如熱壓鐵塊、提釩鐵等。降低能源消耗,展開電爐供電技術優化的研究,降低電耗和電極消耗,回收物理熱,如熱裝海綿鐵及兌鐵水;加強化學熱的回收,如廢鋼預熱技術以及連續加料裝置的實現。錯峰用電用好谷電優惠,操作過程的連續化和自動化,縮短熱停工時間等。

未來要關注的技術方向

“高效、低耗、綠色化和智能化”為目標,鋼企需要選擇合適的電爐爐型及生產技術。轉爐工序的原料主要是液態的鐵水,電爐工序的原料主要是固態的廢鋼,最終的產品形態都是鋼液。物理化學形態的轉變不同,決定了控制方法不同,因此電爐的控制比轉爐要困難得多,電爐煉鋼要充分考慮這一差異性。未來發展方向主要有短流程的高效低耗節能低成本生產技術、綠色化關鍵工藝技術、新型生態電爐短流程智能化制造、高附加值特種鋼冶金技術等幾個方面。

電爐高效化生產方面,鋼企需要關注廢鋼分選處理、連續加料預熱、電極自動調節、多功能氧燃燒嘴和復合噴碳穩定造泡沫渣、平熔池和長壽爐齡、底吹技術等;綠色化方面,包括煙氣余熱回收、爐殼保溫節能、低熱值廢水余熱利用、二噁英治理、含鋅除塵灰提取高品質附加物、爐渣改質利用技術等;智能化方面,包括廢鋼和爐料配料、電極智能調節、多功能機器人、熔池溫度連續測量、泡沫渣檢測和液面監測控制、爐氣在線分析、終點控制、一鍵式電爐煉鋼或電爐整體智能控制技術等。

整體上看,我國高端特鋼比不足5%,歐洲國家及美國、日本均超過20%,瑞典最高達60%,我國尚有很大差距。一般來說,高端特鋼多由電爐生產,特鋼行業專業性強、品種多、批量小,難以實現規模效應,鋼企更應注重以高質量來彌補規模的不足。當前,鋼鐵行業由追求總量向追求高質量轉變,材料升級迫在眉睫,高端特鋼需求有望迎來高速增長,需要密切關注相應的高端特鋼生產技術。

(作者系鋼鐵研究總院工藝所教授級高工)

 

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