張建國
（北京瀚川鑫冶工程技術(shù)有限公司）
摘要：本文簡單介紹了廢鋼預(yù)熱技術(shù)的發(fā)展過程，重點(diǎn)分析闡述了最新的EPC廢鋼預(yù)熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、技術(shù)特征及環(huán)境效益，并和其它爐子做了對比分析；同時(shí)提出了一些專家建議，進(jìn)一步表明，各種廢鋼預(yù)熱技術(shù)只要按最新環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，就都會(huì)有助于降低能耗，提高產(chǎn)量并會(huì)因此減少溫室氣體排放。EPC爐子系統(tǒng)可為用戶提供領(lǐng)先技術(shù)，既能增產(chǎn)降低成本，也能明顯減少溫室氣體排放。
關(guān)鍵詞：電爐煉鋼；廢鋼預(yù)熱；節(jié)能降耗
追求煉鋼更為經(jīng)濟(jì)、更符合生態(tài)要求及具有更大的生產(chǎn)靈活性是每個(gè)鋼廠永恒的目標(biāo)，為此而盡可能采用維護(hù)少而工效高的設(shè)備。另外，電力成本持續(xù)升高、大氣CO2排放條例以及陸地及水源保護(hù)法規(guī)趨嚴(yán)，這些都促使鋼廠在竭力降低能耗及盡量利用生產(chǎn)廢物及介質(zhì)上做文章想辦法。事實(shí)證明，利用化學(xué)能及廢氣熱可以大幅度降低電爐總能耗。另一方面，溫室氣體對氣候變化的不良影響不但引起全世界的關(guān)注，同時(shí)也受到電爐設(shè)計(jì)公司及煉鋼廠家的高度重視。在全球溫室氣體總排放量中，絕大部分產(chǎn)生于礦物能源燃料的燃燒，同時(shí)約30% 的碳排放是工業(yè)部門排放的。鋼鐵業(yè)的能源消耗極大，因而在氣候問題倍受世人矚目。
用廢鋼預(yù)熱方法補(bǔ)償電爐煉鋼能源已有3 0 多年的歷史，通常的做法是在廢鋼裝爐前在料桶里用電爐高溫廢氣將廢鋼加熱。高溫氣體的熱源來自于電爐排出的廢氣，而供給電爐的一次能源則用于將入爐廢鋼加熱至廢鋼熔點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)通過廢鋼預(yù)熱裝爐節(jié)省能源。預(yù)熱廢鋼還可避免濕廢鋼入爐，從而避免爐內(nèi)發(fā)生爆炸。因此，廢鋼預(yù)熱還能保證工廠安全及防止設(shè)備意外損壞事故，減少電爐煉鋼的電力消耗及提高鋼廠生產(chǎn)效率。
1 廢鋼預(yù)熱技術(shù)的發(fā)展
早期的廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)采用單獨(dú)的熱源，通常是將廢鋼裝在料桶里加熱。據(jù)文獻(xiàn)資料報(bào)道，這種預(yù)熱方式的節(jié)能效果最高可達(dá)30kWh/t , 且由于出鋼時(shí)間縮短還能降低電極及耐材消耗。隨著電爐技術(shù)的發(fā)展，有些廠家做了用爐子廢氣預(yù)熱廢鋼的嘗試。但是，缺點(diǎn)是預(yù)熱中粉塵會(huì)附著在廢鋼上，且由于熱循環(huán)中溫度起伏不定，很難控制廢鋼預(yù)熱中的廢氣溫度，此外在被預(yù)熱的廢鋼內(nèi)部會(huì)形成溫度梯度。而從廢鋼預(yù)熱技術(shù)要求上，則希望對溫度加以控制，以免廢鋼料桶燒毀和防止料桶內(nèi)細(xì)小廢鋼燃燒或粘附。康斯迪（Consteel) 技術(shù)是一種完全不同的做法。此項(xiàng)技術(shù)的核心是廢鋼不間斷裝爐，在連續(xù)裝爐中完成能效轉(zhuǎn)換及增產(chǎn)。此種爐子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于控制熔池溫度、廢鋼給進(jìn)速率及廢鋼成分。此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一是用爐子管道內(nèi)廢氣對廢鋼作局部預(yù)熱，將預(yù)熱的廢鋼連續(xù)裝入爐內(nèi)，使煉鋼人員能在泡沫渣覆蓋下全功率起動(dòng)爐子。在整個(gè)熔煉過程中電弧始終埋沒于泡沫渣中，因而電弧狀態(tài)極為穩(wěn)定，很少發(fā)生閃變及諧波，噪聲也大為減少。Consteel 廢鋼預(yù)熱產(chǎn)生的效益可以表現(xiàn)為：增產(chǎn)10%，降低了電耗，使廢鋼脫濕及電極噸鋼消耗量下降。
在采用Consteel 系統(tǒng)時(shí)，廢氣進(jìn)入預(yù)熱系統(tǒng)，廢鋼溫度可達(dá)315-450℃。但隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，爐子運(yùn)行更為高效，出鋼時(shí)間進(jìn)一步縮短，廢鋼預(yù)熱變得越來越困難。到后來廢鋼預(yù)熱實(shí)際是以犧牲爐子產(chǎn)量及提高維護(hù)費(fèi)用為代價(jià)。
此后出現(xiàn)的廢鋼預(yù)熱技術(shù)是手指式豎電爐及環(huán)保型高效電爐（ECOARC），這兩種系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是能100%預(yù)熱廢鋼以及能降低電耗及電極消耗。采用手指式電爐可使能耗降至70kWh/t。而ECOARC 爐電耗指標(biāo)可達(dá)到150kWh/t。
2 EPC 廢鋼預(yù)熱技術(shù)系統(tǒng)
在電爐領(lǐng)域，廢鋼預(yù)熱與節(jié)省電力具有同等意義。各國電爐專家為使用爐子廢氣高效預(yù)熱廢鋼而開發(fā)出各種應(yīng)用技術(shù)。EPC 預(yù)熱技術(shù)不僅考慮了環(huán)境保護(hù)的問題，而且解決了電爐熔煉時(shí)，限制進(jìn)行廢鋼裝爐作業(yè)的問題。
EPC 預(yù)熱系統(tǒng)（環(huán)保預(yù)熱連續(xù)裝爐系統(tǒng)）在電爐熔煉廢鋼的煉鋼過程中采用廢鋼預(yù)熱技術(shù)，利用爐子所排廢氣預(yù)熱廢鋼至700-800℃，可明顯降低電力消耗及相應(yīng)地提高爐子生產(chǎn)率。EPC 預(yù)熱系統(tǒng)裝于電爐上部爐殼旁邊，經(jīng)預(yù)熱駐留于此的廢鋼由旁邊的伸縮式給料機(jī)連續(xù)裝入爐中進(jìn)行熔煉，而在此過程中，爐子仍處于通電工作狀態(tài)的。當(dāng)廢鋼料桶在位于待投臺(tái)中的料斗里裝料時(shí)，爐子與預(yù)熱室完全隔離，從而確保爐子裝廢鋼時(shí)很少或根本無粉塵逸出。目前所開發(fā)的EPC 系統(tǒng)是豎爐預(yù)熱爐，此爐在爐內(nèi)留存一定的熔融金屬（近40%），因而能保持均衡的熔煉態(tài)勢。
1. EPC 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
EPC 系統(tǒng)結(jié)合了100% 廢鋼預(yù)熱及連續(xù)供料這兩大優(yōu)點(diǎn)，在爐子上料期間無粉塵排放及熱損失，其具備一系列優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：
（1）粉塵排放最少：在爐子裝料當(dāng)中，系統(tǒng)始終處于氣密狀態(tài)，使車間保持最低污染。
（2）節(jié)能：EPC 系統(tǒng)與傳統(tǒng)電爐相比可減少電力消耗約100kWh/t。
（3）廢鋼裝爐不受條件限制：可在爐子通電情況下入爐裝料，不受爐子操作限制，提升爐子了操作效率并減少斷電時(shí)間。
（4）停爐少、維護(hù)少、熱損失少：無特別水冷部件要求，可避免水冷部件出現(xiàn)意外時(shí)的大量檢修及過度水冷造成的熱損失。
（5）通、斷電時(shí)間變短，生產(chǎn)效率高：與傳統(tǒng)電爐相比可提高爐子生產(chǎn)效率25%。
（6）電爐爐頂及爐頂三角區(qū)使用壽命長：無需為裝爐打開及/ 關(guān)閉爐頂，電弧離爐頂較遠(yuǎn)，熱沖擊少，有助于延長爐頂及其三角區(qū)使用壽命。
（7）投資回報(bào)高：預(yù)熱效果好，因而節(jié)能效果明顯，生產(chǎn)成本低。此外，在保證一定的廢鋼質(zhì)量前提下還可提升收得率。
（8）電弧閃變少：依靠平坦熔池操作以及廢鋼預(yù)熱及不間斷輸入能量，閃變及諧波發(fā)生次數(shù)下降達(dá)50%，同時(shí)也使噪聲相應(yīng)下降。
2. EPC 系統(tǒng)的技術(shù)特征
EPC 系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮了爐子的最大操作靈活性，具體體現(xiàn)為以下幾個(gè)技術(shù)特征：
（1）在爐內(nèi)預(yù)留多達(dá)30%-40% 熔融金屬條件下進(jìn)行平坦熔池作業(yè)。
（2）用伸縮式給料機(jī)及綜合性秤重裝置控制廢鋼裝爐速率。
（3）用伸縮式給料機(jī)優(yōu)化通電中的廢鋼連續(xù)裝爐。
（4）根據(jù)熔煉功率及預(yù)熱溫度精調(diào)廢鋼裝爐速率。
（5）熔池溫度均勻并可準(zhǔn)確加以控制。
（6）可準(zhǔn)確控制廢鋼預(yù)熱溫度，采用氣密系統(tǒng)廢氣量最小。
3. EPC 系統(tǒng)的環(huán)境效益
這種EPC 系統(tǒng)的環(huán)境效益體現(xiàn)為：
（1）在封閉系統(tǒng)防護(hù)下的倉室里裝入廢鋼（電爐爐頂及EPC 系統(tǒng)均屬封密閉結(jié)構(gòu)，主除除塵系統(tǒng)始終運(yùn)轉(zhuǎn)）。
（2）廢鋼裝爐期間煙氣排量最少。
（3）作業(yè)區(qū)衛(wèi)生整潔，無安全問題隱患。
（4）廢氣量最少，低于常規(guī)的30%；
（5）除塵器處粉塵最少，低于常規(guī)的30%。
（6）電弧噪聲低（經(jīng)預(yù)熱的廢鋼在泡沫渣保護(hù)下在平坦熔池里熔煉）。
（7）直接預(yù)熱，入爐廢鋼加熱溫度極高。
4. EPC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及操作說明
廢鋼裝爐系統(tǒng)基本分兩大部分，一部分是預(yù)熱室及伸縮式給料機(jī)，另一部分是下凹式裝料平臺(tái)（等待投料臺(tái)）及在臺(tái)內(nèi)運(yùn)作的投料料斗。廢鋼由投料料斗投到預(yù)熱室上部空間，高溫廢氣從爐子出來向上流經(jīng)預(yù)熱室內(nèi)廢鋼進(jìn)行預(yù)熱，可使廢鋼溫度達(dá)到800℃的高溫，氣體離開預(yù)熱室時(shí)溫度約為200℃。在預(yù)熱室下面裝有伸縮式給料機(jī)系統(tǒng)，保證廢鋼能以恒定速率送入爐中。廢氣離開預(yù)熱室后，流向袋式除塵器，某些廢氣可予以回收用于調(diào)節(jié)預(yù)熱室入口溫度。廢鋼連續(xù)送入爐內(nèi)，直到爐內(nèi)達(dá)到所需熔體重量為止。
在一爐鋼的熔煉過程中，爐子輸入功率幾乎一直均勻穩(wěn)定。預(yù)熱室廢鋼入室速率根據(jù)預(yù)熱室內(nèi)廢鋼重量及廢氣溫度進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)控制調(diào)整，而煉鋼爐內(nèi)廢鋼的供給速度要與此相關(guān)聯(lián)，同時(shí)也要根據(jù)爐子的輸入功率來確定調(diào)整。
5. EPC 系統(tǒng)與手指式電爐及Consteel 爐的比較
（1）EPC 由于裝有封閉系統(tǒng)無需因料桶裝料進(jìn)行二次除塵、無一次吸氣中斷。
（2）手指式電爐裝料中需敞開爐身，在裝爐時(shí)有大量煙塵從爐身排入車間。
（3）Consteel 爐需每班將爐子排空一次，修理爐襯及處理預(yù)留熔融金屬），此外，管道兩端開著，使大量空氣混入一次廢氣。
（4）EPC 同Consteel 一樣是借泡沫渣及平坦熔池操作，可獲得最佳收得率及減少電弧閃變。
（5）EPC 有完整的密封對策，因而廢鋼裝爐時(shí)無能量損失。
（6）EPC 在用料方面靈活性極大，因而對廢鋼無特別要求。
（7）Consteel 廢氣預(yù)熱僅是頂層廢鋼。而EPC 及手指式電爐廢氣必然要穿過整個(gè)廢鋼層。
（8）EPC 無廢鋼接觸的水冷部件，這使能量損失最低。
（9）不經(jīng)敞開的爐體裝料，因而無大量粉塵產(chǎn)生及無有機(jī)物不完全燃燒造成的污染。
（10）EPC 煉鋼中車間內(nèi)粉塵含量最低，這意味可大大簡化二次除塵管道系統(tǒng)。
（11）粉塵含大量鋅，一般都可很經(jīng)濟(jì)地回收（30%）。
（12）能耗低意味著煙囪CO2 含量更少也更環(huán)保（約20%）。
3 一些專家建議
一項(xiàng)技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵，在于證明其工藝及環(huán)境效益的同時(shí)，還要證明其相對便捷及無損于生產(chǎn)效率。沒有哪種技術(shù)方案可以滿足各種煉鋼操作要求，相反，煉鋼廠家必須優(yōu)先考慮重點(diǎn)目標(biāo)，再考慮不同爐子設(shè)計(jì)對重點(diǎn)目標(biāo)的貢獻(xiàn)。
在這種考慮中始終宜遵循以下準(zhǔn)則：◆確保煉鋼工藝最大靈活性?！舨坏霎a(chǎn)，而且能提高能源利用效率?！裟芴岣咦罱K產(chǎn)品質(zhì)量?！裟芤宰畹屯度敕檄h(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)以上準(zhǔn)則，提供以下幾點(diǎn)建議：
（1）正確的選擇爐型。這種選擇的各種因素可能含以下各點(diǎn)：原料可用性，能源可用性及成本，所要求的產(chǎn)品種類，煉后處理/ 精加工可達(dá)水準(zhǔn)，基建費(fèi)及熟練勞動(dòng)力可用性。
（2）能平衡各種能量輸入，保證煉鋼工藝具備最大靈活性。從長遠(yuǎn)看，這有助于將能源損失減至最低，能做到按情況多用電，少用氧，或多用氧，少用電，對不同能源的使用進(jìn)行調(diào)整。
（3）為將能量總需求降至最低，需仔細(xì)分配爐子的輸入能量。熔池的充分混合有助于實(shí)現(xiàn)此目的。為將廢氣溫度及成分波動(dòng)降至最小，應(yīng)均衡整個(gè)冶煉周期中的吹氧操作。這可優(yōu)化二次燃燒及將廢氣系統(tǒng)規(guī)模壓縮至最小。此外，煙氣的發(fā)生會(huì)減至最少，渣與熔池更接近平衡。
（4）為使造泡沫渣作業(yè)達(dá)到最好效果，應(yīng)能使噴入熔池及渣層中的固體顆粒物均布在整個(gè)熔池表面上。這樣做還能使渣及熔池更為平衡，也有助于將熔劑的需求降低至最少及提高鋼質(zhì)量。
（5）為將滲入空氣減至最低應(yīng)盡可能將爐體封閉起來。這樣可將爐子廢氣排量減至最低，從而可采用規(guī)格較小的排煙系統(tǒng)。
（6）廢鋼預(yù)熱很可能是回收利用廢氣熱量最可行的方案。對于大量使用化學(xué)能的爐子這種選擇尤有意義，這是因?yàn)檫@時(shí)煉鋼廢氣所含能量會(huì)更多。為回收廢氣所含化學(xué)能，必須進(jìn)行充分的二次燃燒。但在全爐次中很難達(dá)到完全的二次燃燒，應(yīng)設(shè)法達(dá)到高水平的二次燃燒。在廢鋼預(yù)熱中分階段進(jìn)行二次燃燒可進(jìn)一步優(yōu)化廢氣熱回收。
（7）欲用最小代價(jià)獲最大工藝靈活性，需以爐子混合設(shè)計(jì)為前提。此設(shè)計(jì)首先應(yīng)考慮原料供給的靈活性，且要在高產(chǎn)的同時(shí)保持最高能源利用效率。例如大量噴吹固體顆粒物、用碳化鐵或直接還原鐵粉作原料的操作模式可選用能延長平坦熔池時(shí)限的爐子設(shè)計(jì)，以便延伸顆粒物噴吹周期。也可采取另一種做法，即加大熔池深度使之能加大噴吹速率而避免噴吹過大的風(fēng)險(xiǎn)。
（8）煉鋼技術(shù)會(huì)繼續(xù)改進(jìn)，不但會(huì)設(shè)法再優(yōu)化電爐能源利用效率，還會(huì)力求整個(gè)煉鋼系統(tǒng)總體最佳?？傊钪匾囊稽c(diǎn)是優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，而不是優(yōu)化生產(chǎn)鏈上的某個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)。提高工藝靈活性的同時(shí)，操作技術(shù)將變得更為復(fù)雜。這就需對操作技術(shù)有深刻的了解，只有這樣才能更好地控制煉鋼技術(shù)，進(jìn)而對電爐結(jié)構(gòu)的選擇作出更周密的思考。預(yù)計(jì)，今后幾年會(huì)產(chǎn)生更多的新型爐子設(shè)計(jì)。只要有電爐煉鋼存在，這種努力就不會(huì)止步。
4 結(jié)束語
毫無疑問，當(dāng)前電爐設(shè)計(jì)趨勢表明，今后爐子設(shè)計(jì)在電能利用及化學(xué)能輸入上都將達(dá)到極高水平。一種能源與另一種能源相比，各用多少取決于當(dāng)?shù)馗鞣N能源成本及使用效率。許多煉鋼新技術(shù)現(xiàn)正轉(zhuǎn)向商業(yè)化，幾乎所有這些技術(shù)目的都是降低輸入功率及達(dá)到最高煉鋼能效。因此有些技術(shù)力圖在煉鋼中最大限度利用化學(xué)能，這類技術(shù)幾乎完全是根據(jù)假設(shè)平衡條件，用氧與燃料（碳、CO、天然氣）充分反應(yīng)使煉鋼達(dá)到最大限度能量輸入。而另一些技術(shù)是力圖通過回收廢氣中的能量，利用爐子的輸入能（豎爐、Consteel、EOF 爐）。
這類技術(shù)的立足點(diǎn)是依賴廢氣向廢鋼的高效傳熱，這就需要廢鋼與廢氣之間的最佳接觸。各種廢鋼預(yù)熱技術(shù)只要按最新環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，就都會(huì)有助于降低能耗，提高產(chǎn)量并會(huì)因此減少溫室氣體排放。EPC 爐子系統(tǒng)可為用戶提供領(lǐng)先技術(shù)，既能增產(chǎn)降低成本，也能明顯減少溫室氣體排放。