李士琦, 張漢東, 陳 煜, 劉潤藻, 林 綱
(北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院, 北京100083)
摘 要:闡述了電弧爐煉鋼的基本功能以及提高能量轉(zhuǎn)換的3 個工程問題——— 增加能量供應(yīng)、增加輸入功率、提高能量的利用效率, 詳細論述了現(xiàn)今電弧爐煉鋼在整個鋼鐵制造流程中銜接上下工序匹配的重要作用。根據(jù)2003和2004 年國內(nèi)4 個大型電弧爐煉鋼流程的生產(chǎn)實績說明我國大型電弧爐煉鋼生產(chǎn)率已接近國際先進水平, 其生產(chǎn)速率已達到國際領(lǐng)先水平, 電能消耗已降到200 ～ 400 kW h /t 的國際先進水平, 但實際能量-物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率的水平仍然不高, 電弧爐煉鋼節(jié)能工作仍有待進一步提高。
關(guān)鍵詞:電弧爐煉鋼;能量;流程
當(dāng)前, 在煉鋼工業(yè)生產(chǎn)中占絕對統(tǒng)治地位的是電爐煉鋼生產(chǎn)技術(shù), 一般情況下“電爐煉鋼”即為“電弧爐煉鋼” 。
電爐煉鋼的功能在于將冷廢鋼加工成為成分和溫度合格的鋼水, 其中包括了供能和冶金兩方面的操作。討論電爐煉鋼的能量問題, 包括3 個工程技術(shù)問題:
(1) 增加能量供應(yīng), 包括電能和其它物理熱和化學(xué)能, 換取生產(chǎn)率的增加。電爐的公稱容量由20世紀50 年代的3 ～ 5 t , 增至120 ～ 150 t 以上, 增大了40 ～ 50 倍;主變壓器容量由2 000 kV A 左右,增至90 ～ 100 MV A , 也增大了近50 倍;單爐的生產(chǎn)率由每年產(chǎn)鋼數(shù)千噸增至每年產(chǎn)鋼100 萬t 以上, 增大了100 倍以上, 與之相應(yīng)的能量供應(yīng)也大大增加[ 1] ;
(2) 增加輸入功率, 包括電功率和單位時間內(nèi)其它物理熱和化學(xué)熱的供應(yīng)量, 提高電爐煉鋼的生產(chǎn)速率, 亦即縮短冶煉周期、提高生產(chǎn)節(jié)奏。20 世紀50 年代以來, 電爐煉鋼的冶煉周期由4 h 降至1 h以內(nèi), 生產(chǎn)速率提高了4 倍以上, 年出鋼爐次由不足2 000 次提高至10000 次以上, 增長5 ～ 6 倍[ 2] ;
(3) 提高能量的利用效率, 按占用電網(wǎng)的容量來計算為單位主變壓器容量每年生產(chǎn)的合格鋼水量, 即變壓器利用系數(shù)。每噸鋼水所具有的熱焓差異不大, 電爐煉鋼的節(jié)能實際是提高單位能量實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)換的效率。節(jié)電, 實質(zhì)上是提高單位電能生產(chǎn)的合格鋼水量[ 3] 。
1 電爐煉鋼與流程下游工序的匹配
電爐煉鋼在流程中的功能是:以一定的速率將原料加工成成分和溫度都合格的鋼液。就當(dāng)前一般的工程技術(shù)水平而言, 電爐煉鋼工序在流程中的主要特征有兩點:
(1) 電爐煉鋼過程是間歇性操作, 冶煉周期約為60 min , 為保證連鑄工序?qū)崿F(xiàn)多爐連澆, 電能和化學(xué)能、物理能的輸入應(yīng)與之匹配。進一步提高生產(chǎn)速率, 冶煉周期有低于50 min 甚至45 min 的趨勢。然而冶煉周期的縮短使通電時間相應(yīng)縮短、非通電時間所占比例增大, 這對電源能力的利用是不合理的。按目前發(fā)展的趨勢, 可以看見將余熱充分利用和實現(xiàn)連續(xù)煉鋼的苗頭。在當(dāng)前, 每座電爐每年出鋼次數(shù)應(yīng)為7000 ～ 10 000 次, 即單位爐容的利用系數(shù)或年生產(chǎn)速率為(0. 7 ～ 1. 0)萬t /(t a);
(2) 電爐煉鋼提供的合格鋼水是保證下游各工序高效、流暢運行的物質(zhì)基礎(chǔ), 電爐煉鋼的生產(chǎn)率應(yīng)與熱軋生產(chǎn)率相匹配。在60 ～ 70 年代, 長型材的熱連軋機組的生產(chǎn)率約為30 萬t /a , 若電爐煉鋼的年生產(chǎn)速率為0. 5 萬t /(t a), 相應(yīng)的電爐容量為60t 。當(dāng)前長型材熱連軋機組的生產(chǎn)率已提高至(70 ～80)萬t /a , 相應(yīng)的電爐容量應(yīng)為70 ～ 100 t 。單流的薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)率為(100 ～ 120)萬t /a ,煉鋼電爐的容量可取120 ～ 150 t 。
熱連軋生產(chǎn)率達到200 萬t /a 以上, 煉鋼電爐容量將超過200 t , 由于電爐變壓器、石墨電極等技術(shù)條件所限, 已不合理, 故熱軋寬帶企業(yè)不宜配用電爐煉鋼(此外還應(yīng)考慮廢鋼原料中金屬殘余元素對板帶材質(zhì)量的不利影響)。
2 電爐煉鋼與流程上游工序的匹配
(1) 如前所述, 傳統(tǒng)的電爐煉鋼使用廢鋼為主要原料, 配入10 %～ 15 %的生鐵塊以保證一定的配碳量。一般說來, 常溫(25 ℃)的廢鋼原料所具有的物理熱很少。在吹氧助熔的條件下, 冷爐料產(chǎn)生的化學(xué)熱量也不多, 冶煉過程需要外界大量的熱能。
根據(jù)我國近年來各種統(tǒng)計數(shù)據(jù), 電爐煉鋼工序(包括精煉、連鑄及車間輔助項目)能耗為250 ～ 300kg , 略高于國際鋼鐵協(xié)會IISI 的結(jié)果。
(2) 使用不同比例的熱鐵水作為原料, 電爐煉鋼工序取得了明顯的效益, 其主要原因是熱鐵水是具有很高的物理熱和化學(xué)熱的載能體, 且成本較低。將電爐煉鋼置于流程之中, 不難看出熱鐵水所攜帶的物理熱和化學(xué)熱來自于前道高爐煉鐵工序。根據(jù)一些企業(yè)300 ～ 380 m3 高爐的實際數(shù)據(jù)計算, 生產(chǎn)1 t 熱鐵水, 高爐煉鐵工序的能耗是377 kg , 折合3080 kW h / t 。
考慮燒結(jié)、球團和焦化等工序, 折合到每噸熱鐵水的能耗是500 ～ 550 kg /t , 即4084 ～ 4493kW h / t , 而熱裝鐵水帶到電爐煉鋼過程中的物理熱和化學(xué)能共計只有600 ～ 650 kW h / t 。
(3)目前國內(nèi)電爐配加熱鐵水的比例為25 %～30 %。按年產(chǎn)100 萬t 鋼計, 需鐵水30 ～ 35 萬t /a 。取高爐利用系數(shù)為3 t /(m3 :d), 所配高爐容積為300 ～ 350 m3 。
(4) 直接還原鐵的使用。使用直接還原鐵為電爐煉鋼提供純凈鐵源是近年來國際上重要的發(fā)展方向。世界范圍內(nèi)各種直接還原鐵的產(chǎn)量自1990 年以來已增加了1 倍多, 近年來產(chǎn)量已超過4 000 萬t /a , 與電爐鋼產(chǎn)量之比大約為15 %, 已成為電爐煉鋼重要的鐵源[ 4] 。
直接還原鐵的生產(chǎn)技術(shù)進步很快, 特別是w(C)接近2 %的熱壓塊(HBI), 為電爐煉鋼提供了高密度、高化學(xué)能的純凈鐵源。在世界范圍內(nèi)直接還原鐵的生產(chǎn)技術(shù)以氣基法為主流, 氣基法在直還鐵生產(chǎn)量中占了90 %。然而, 我國天然氣缺乏, 優(yōu)質(zhì)鐵礦較少, 資源限制了直接還原鐵生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前, 國內(nèi)最大的直接還原鐵生產(chǎn)廠屬天津鋼管有限公司, 每噸直接還原鐵的能耗約為900 ～ 1 000kg[ 5] 。
3 我國大電爐煉鋼流程的生產(chǎn)實績
本文選用4 家不同工況的電爐的煉鋼生產(chǎn)實績來說明我國電爐煉鋼的能量狀況。
(1)基本情況, 見表1 。
(2)主要工況, 見表2 。
(3)基本的評價
1) 天津鋼管公司、安陽鋼鐵公司的電爐兩年的年平均產(chǎn)鋼量達到100 萬t , 韶關(guān)鋼鐵公司和興澄特鋼的單臺的電爐年平均產(chǎn)鋼量也達到了75 ～ 87萬t /a 。表明我國大型電爐煉鋼的生產(chǎn)率已接近國際先進水平, 我國電爐煉鋼流程實現(xiàn)單通道的高效化生產(chǎn)已具備了基本的工程技術(shù)基礎(chǔ)。
2) 4 家電爐煉鋼的生產(chǎn)速率亦即平均年出鋼爐次達到了7 000 ～ 9 500 次, 分別按年日歷作業(yè)時間365 ×24 =8760 h 和年額定工作時間7 000 h 計算,兩年平均冶煉周期如表3 所列。對于大型電爐煉鋼的平均生產(chǎn)節(jié)奏如此之快是難能可貴的, 已居國際先進水平。說明我國大型電爐煉鋼生產(chǎn)技術(shù)水平、管理水平和流程的通暢都達到了很高的水平。
3) 3 座交流電弧爐的單位變壓器容量的年利用系數(shù)(表4)達到11000 ～ 14000 t /(MV.A.a),已居國際領(lǐng)先水平(直流爐變壓器容量較大, 不可比)。該指標描述的是單位供電容量一年所生產(chǎn)的合格鋼坯(水)量, 表述了用能量換取產(chǎn)量的效率, 由于各廠使用的原料結(jié)構(gòu)不同, 這項指標尚缺乏可比性。
考慮到熱鐵水帶入的熱能較多, 折算結(jié)果一并列于表5 。折算的利用系數(shù)數(shù)值雖然有所降低, 但仍能在10000 t /(MV A a)左右, 表明我國大電爐煉鋼的能量利用水平也已達到國際先進水平。
4) 4 座電爐煉鋼冶煉電能消耗見表5 , 為193 ～379 kW h / t , 直觀上可以認為已達到國際領(lǐng)先水平。
由于所用原料結(jié)構(gòu)不同, 為此, 利用本文第3 部分中的數(shù)據(jù)進行修正, 折算后的結(jié)果也列于表5 。可以看出, 折算后每噸鋼坯的冶煉電耗約為370 ～430 kW h / t , 與國際先進水平相當(dāng)。其中安陽鋼鐵公司的冶煉電耗較低, 可能是利用廢熱預(yù)熱技術(shù)得到有效的發(fā)揮。
(4) 電耗與熱鐵水配比的關(guān)系
4 座電爐共95 個月的冶煉電耗與熱鐵水配比數(shù)據(jù)的簡單相關(guān)關(guān)系繪于圖1 , 統(tǒng)計檢驗表明, 其線性相關(guān)的信度水準非常高。線性回歸式為:
該式表明爐料中熱鐵水配比增加1 %, 相應(yīng)的噸坯電耗減少5. 17 kW h , 這一結(jié)果與前文中的理論分析, 大致可相互印證。
考慮到爐料結(jié)構(gòu)的影響, 采用折算電耗, 得到散點圖2 , 其相關(guān)性的信度水準很差, 這表明:熱鐵水配比增加, 能量利用沒有改善。
(5) 電耗與利用系數(shù)之間的關(guān)系
冶煉電耗與爐容利用系數(shù)及變壓器利用系數(shù)的簡單相關(guān)關(guān)系如圖3 和圖4 所示, 統(tǒng)計檢驗表明出線性相關(guān)的顯著性的信度水準都非常高, 這表明冶煉速率的提高、生產(chǎn)節(jié)奏的加快, 有利于電耗降低。
4 結(jié)論
(1) 電爐煉鋼過程需要大量熱能。其單元操作層次的特征是:煉鋼電爐是一種大功率的電-熱能量轉(zhuǎn)換裝置;其工序級的特征是:原料結(jié)構(gòu)、能量結(jié)構(gòu)和爐型;其流程中的特性是:與上下工序的物流和能量流的匹配與銜接。對于電爐煉鋼過程的能量的研討, 應(yīng)在高的生產(chǎn)率、高的生產(chǎn)速率和高度能量利用率的前提下展開。
(2) 將電爐煉鋼置于生產(chǎn)流程之中, 除物流匹配外, 過程的能量狀況受到整個流程及上、下游工序的影響。我國近年來大量使用熱鐵水作為電爐煉鋼的原料, 對電爐煉鋼的生產(chǎn)率、生產(chǎn)速率、質(zhì)量、成本都是非常有利的。然而, 電爐煉鋼過程的綜合能耗略有降低, 過程的能量利用率并未提高, “短流程”的優(yōu)勢受到損害, 噸鋼的室溫氣體和污染物的排放量增加。
(3) 列舉了國內(nèi)4 家不同工況的大型電爐近兩年24 個月的煉鋼實績, 表明我國已具備發(fā)展現(xiàn)代電爐煉鋼流程的基本條件, 電爐煉鋼的操作水平和綜合管理水平已居世界一流, 我國大型電爐煉鋼電能消耗已達到國際先進水平。然而, 若扣除配加鐵水提供的能量, 實際能量-物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率的水平仍然不高, 電爐煉鋼節(jié)能工作仍有待進一步提高。