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姜周华:电弧炉炼钢技术的发展趋势

发布日期:2023-09-10浏览次数:4

电弧炉炼钢技术的发展趋势

姜周华1,2,姚聪林1,朱红春1,潘涛1

(1. 东北大学冶金学院, 辽宁 沈阳 110819;2. 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室, 辽宁 沈阳 110819)



摘要: 电弧炉炼钢在环保、投资以及效率方面优势明显,为了重点推行该节能环保型炼钢工艺流程,近年来电弧炉炼钢技术得到快速发展。综述了国内外电弧炉高效化冶炼技术、绿色化生产技术和智能化控制技术的发展现状,其中绿色化和智能化是电弧炉炼钢技术的未来发展趋势。集操作、工艺、质量、成本以及环保于一体,进一步提升电弧炉炼钢技术的绿色化和全流程监测与控制的智能化,是推动整个钢铁行业向智能化和绿色化转型升级的重要举措。

关键词: 电弧炉炼钢;废钢预热;高效化;绿色化;智能化



电弧炉是一种利用电弧热效应,将电能转变为热能,并通过辐射和电弧直接作用加热并熔化金属的设备;电弧炉炼钢在环保、投资以及效率上占据诸多优势。在全球范围内电炉钢产量占钢总产量比例已从20世纪50年代初的7.3%提高到32%~35%。2018年全球电炉钢平均占比为28.8%,其中美国为68%、欧盟为41.5%、日本为25%,而中国仅约为11.6%,明显低于平均水平,较低的电炉钢比例是造成钢铁工业能耗高、污染大的重要原因之一。目前,全球范围内95%以上电炉钢产量是由电弧炉生产制备的,以电弧炉炼钢为核心的短流程炼钢已经成为整个钢铁生产的重要流程之一。“注重以废钢为原料的短流程电炉炼钢发展”是实现钢铁工业可持续发展的重大战略决策之一。
纵观发展历程,电弧炉炼钢围绕着“节能降耗、提高生产率”的总体目标,研发了一系列相关技术。20世纪60-70年代,电弧炉炼钢技术的发展以提升生产率为主导,开发了超高功率电弧炉及相关技术;80-90年代,强化用氧技术趋于成熟;为了进一步节能降耗、缩短冶炼周期,废气的余热利用逐步受到重视,并研发了一系列废钢预热技术,如料篮式、双炉壳式、竖炉式以及水平连续加料式等。与此同时,环境保护意识的加强及人工智能技术的快速发展,对电弧炉炼钢技术提出了新要求,指明了新发展方向。电弧炉炼钢技术融合了各种现代装备及其配套技术的综合技术,在高效化冶炼基础上,智能化及绿色化是电弧炉未来发展方向。本文通过综述近年来电弧炉炼钢技术发展现状,探讨了电弧炉炼钢技术的未来发展方向。

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电弧炉高效化冶炼技术

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电弧炉高效化生产具备全局协同、连续化生产等特点。电弧炉冶炼工艺高效化的目标是减少通电时长、缩短冶炼周期以及最大限度降低冶炼电耗;具体措施主要包括提升功率、提高化学能输入强度和减少非通电操作时间等。

1.1电弧炉炉容大型化

生产实践证明,在技术经济指标方面(如冶炼用电、电极单耗以及成本等),大型电弧炉的生产率及能源利用率均高于中小型电弧炉。目前,电弧炉正朝着炉容大型化方向发展。工业发达国家主流电弧炉容量为80~150 t,且已逐步增至150~200 t。如意大利达涅利公司(DANIELI)成功制造了全球最大炉容量为420 t的直流电弧炉,如图1所示,该电弧炉设计生产率为360 t/h,具有高效率、低运行成本的特点,能提升钢厂生产效率和钢的品质;已用于生产低碳钢、超低碳钢和高级脱氧镇静钢,年产量为260万t。

根据中国工业和信息化部等相关部门统计,2015年中国电弧炉分吨位生产能力比例如图2所示;国内100 t及以上的大容量电弧炉产能占电弧炉炼钢总产能的30.8%,占比最高;75 t及以上电弧炉产能占电弧炉炼钢总产能的56.6%。此外,60 t以下的落后产能还有21.9%,这表明在环保限产和淘汰落后产能政策引导下,国内钢厂在通过产能置换提升电弧炉效率方面仍存在较大空间。


2018年国内新增电弧炉中70~120 t公称容积所占比例为80%。中国电弧炉正朝着装备大型化和现代化快速发展,但与工业发达国家之间仍存在较大差距。

1.2超高功率供电技术

根据供电功率大小,电弧炉变压器可分为普通功率(RP)、高功率(HP)和超高功率(UHP) 3类。从20世纪60年代至今,超高功率电弧炉炼钢的理念主导了近60年电弧炉炼钢生产技术的发展,其核心思想是最大限度地发挥主变压器能力。大功率电弧炉变压器是满足电弧炉炼钢高效化、实现超高功率供电的基础。制造商制造100 t电弧炉变压器的主要参数及技术经济指标见表1。


要实现超高功率供电,起协调电力波动和稳定电弧作用的科学合理供电制度尤为重要。墨西哥泰纳Tamsa钢厂为优化供电制度,在2016年和2017年期间开发并应用了具备修改和优化电弧炉供电制度功能的模型,该模型基于能量平衡(电能/化学能)、通电时间、电弧稳定性、辐射指数等参数变化规律自动优化供电曲线。Tamsa钢厂利用此模型重新设计供电制度,在保持能耗水平基本不变的情况下,电弧炉产能提高了9.8%,生产率提升效果明显。
采用超高功率供电后的主要优点有:缩短冶炼时间,提高生产效率;提高电热效率,降低电耗;易与精炼、连铸的生产节奏相匹配,从而实现高效低耗生产。70 t电弧炉超高功率改造后,生产率由27提升至62 t/h,见表2。


1.3熔池搅拌集成技术

传统电弧炉炼钢熔池搅拌强度较弱,炉内物质和能量传递较慢。采用超高功率供电、高强度化学能输入等技术,也未从根本上解决熔池搅拌强度不足和物质能量传递速度慢等问题。为加快冶炼节奏,相继研发了强化供氧和底吹搅拌等复合吹炼技术,以及电磁搅拌技术等。新一代电弧炉熔池搅拌技术是集强化供氧、底吹搅拌及电磁搅拌等单元于一体,能满足多元炉料条件下电弧炉冶炼的技术要求。
电弧炉炼钢复合吹炼技术日趋成熟,已实现了工业推广应用,如中国的西宁特钢、天津钢管、新余特钢、衡阳钢管等企业均成功应用了电弧炉炼钢复合吹炼工艺,工业效果良好,有效地降低了成本。中国部分电弧炉复合吹炼技术改造前后的工业效果对比见表3。


与复合吹炼技术相比,电弧炉电磁搅拌技术普及面较窄,但其熔池搅拌效果更加优异,工业应用效果反响良好。以ABB研发的电磁搅拌设备(ArcSave)为例,电磁搅拌技术有效提升了熔池中物质和能量传递速率,更有利于废钢熔化,加速均匀钢水成分及温度,提高电弧炉产能。Steel Dynamics Inc(SDI)Roanode电弧炉ArcSave改造后相关指标提升效果,见表4。


1.4热装铁水技术

由于电力资源的紧张和优质废钢资源的短缺,近年来,部分电弧炉炼钢厂炼钢过程中添加一定量铁水,即铁水热装的电弧炉炼钢工艺,该工艺有效缩短电弧炉冶炼周期,同时帮助企业灵活应对废钢市场价格波动,具备一定经济效益。
采用热装铁水技术在电弧炉炼钢过程应用较普遍,如中国的中天钢铁公司和天津钢铁公司等,其中达涅利连续加料电弧炉(EAF ECS)为满足添加铁水的需要,对电弧炉进行了特殊设计和改造。国内某钢厂的电弧炉热装铁水后的电弧炉经济技术指标见表5。实践表明,现代电弧炉热装铁水对于缩短冶炼周期、降低电耗等效果非常显著。


从长远来看,当废钢冶炼成本与转炉冶炼相当或具备一定竞争力时,电弧炉冶炼生产普通碳素钢就无需通过添加铁水来提升电炉相关经济技术指标,但在电弧炉冶炼部分高品质特殊钢品种时仍需添加铁水的方式来稀释钢液中有害杂质元素。


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电弧炉绿色化生产技术

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电弧炉绿色化生产主要是为了降低能源消耗、减少污染物排放以及提升资源循环利用效率。为实现电弧炉绿色化生产,相继研发了余热回收、焦炭替代、二英防治以及废钢预热-连续加料等关键技术。

2.1余热回收技术

电弧炉冶炼过程中会产生大量的高温含尘烟气,其带走热量约为电弧炉输入总能量的11%,最高可达20%,因此,电弧炉炼钢过程中余热回收对节能降耗具有重要意义,同时也具备巨大经济效益。
特诺恩(Tenova)公司研发的iRecovery技术将电弧炉产生的高温烟气余热转换成蒸汽,iRecoveryStage2系统流程如图3所示。iRecovery技术基于与传统热回收系统相似的管-管式热交换结构和工作原理,利用冷却水从电弧炉废气管道回收热能;与传统热回收系统不同之处在于iRecovery技术使用了高压和高温热水(180~250 ℃)作为热交换介质回收高温含尘废气热量,从而降低了蒸发分离废气导致的热损失。


近年来,全世界范围内有多座电弧炉采用了iRecovery余热回收技术,如韩国现代、中国天津钢管等企业,该技术工业应用效果良好。一些典型企业电弧炉采用余热回收技术的使用效果见表6。


2.2焦炭替代技术

传统电弧炉冶炼过程中为了满足熔池升温及搅拌和造泡沫渣埋弧的要求,需要进行配碳。在电弧炉绿色化生产中,应尽可能减少不可再生的化石能源如焦炭等消耗。目前减少焦炭消耗的方法之一是使用可替代燃料,如使用日常生活循环过程中产生的“废料”,如橡胶轮胎和塑料制品等,此类“废料”不仅可以成为电弧炉炼钢的优良替代品,还可避免“废料”堆积导致的环保问题。
澳大利亚Onesteel钢铁公司与新南威尔士大学(UNSW)在Sydney Steel Mill(SSM)和Laverton Steel Mill(LSM)钢厂完成了一系列利用橡胶和塑料部分代替焦炭作为造泡沫渣发泡剂的电弧炉炼钢工业试验。SSM和LSM钢厂使用高分子聚乙烯喷射技术(PIT),将橡胶与焦炭的混合料喷射进入电弧炉内,其效果优于单纯使用焦炭造渣效果,相关指标变化见表7。同时,Onesteel钢铁公司在LSM钢厂进行了将高分子聚合物和碳粉等制成小块来替代焦炭的工业化试验,结果表明,吨钢电耗下降10 kW·h,每炉次通电时间平均缩短1.2 min,有效功率增加0.4 MW。电弧炉采用废弃轮胎和废弃塑料炼钢,能有效降低焦炭消耗,提高电弧炉热效率和生产率,同时提升资源循环利用率,具有明显的经济效益和社会效益。


2.3二英防治技术

二英具有超长的物理、化学、生物学降解期,导致其在水体沉淀物和食物链中达到非常高的含量;二英通过食物链进入人体后,会严重损害人体系统,如内分泌、免疫、神经系统等,其被称为“毒素传递素”。二英对环境和人类危害巨大。
防治二英污染问题已成为冶金工业环境保护中极其重要课题之一。在钢铁工业生产过程中,除烧结工序以外,电弧炉炼钢是产生二英的主要来源。根据Mckay G的研究,二英的形成需要具备两个主要条件:一是在燃烧过程中必须有有机物;二是在燃烧反应中必须有氯气参与。关于二英的形成机理,Dickson L C、Gullett B K、Huang H、Hunisinger H、Takasuga T等做了一系列的研究,针对关于二英的形成条件已达成共识。由于废钢中通常含有氯化物和油类碳氢化合物,导致电弧炉冶炼过程中会产生一定量的二英烟气,从而造成环境污染问题。
针对电弧炉炼钢过程二英的排放问题,可采取以下主要措施。
(1)废钢预处理:对废钢进行分选,最大限度减少含有有机物的废钢入炉量,同时严格控制进入电弧炉的氯源总量;含有机物废钢不宜采取预热处理。
(2)急冷处理一次烟气:电弧炉一次烟气温度需控制在1000 ℃以上,此时各种有机物已经全部分解,对燃烧后的烟气进行急冷,使其快速冷却至200 ℃以下,最大限度减少烟气在二英生成温度区间的停留时间,如蒸发冷却塔技术对烟气急冷处理后,在防止二英形成方面效果显著。
(3)施加抑制剂:在600~800 ℃温度区间向烟道喷入碱性物质粉料(如石灰石或生石灰),可减少导致二英生成的有效氯源;在250~400 ℃喷入氨也可以抑制二英的生成。
日本开发的环保型生态电弧炉ECOARCTM(图4)拥有较完善的废气排放处理系统,能有效解决二英等环境污染问题。该电弧炉本体由废钢熔化室和与熔化室直接连接的预热竖炉组成,后段设有热分解燃烧室、直接喷雾冷却室和除尘装置。热分解燃烧室可将包括二英在内的有机废气全部分解,并能够满足高温区烟气的滞留时间;喷雾冷却室可将高温烟气快速降温,防止二英二次形成。但由于ECOARCTM电弧炉存在炉体体积大,竖井难以分离和耐火材料在线更换困难等问题,导致设备维护困难。因此,开发高效率、低成本的电弧炉二英防治技术仍是目前的研究热点之一。


2.4废钢预热-连续加料技术

现代电弧炉炼钢多采用废钢预热-连续加料操作,利用高温烟气预热废钢,能有效解决传统电弧炉冶炼过程中的烟尘问题。另外,采取大留钢量操作,废钢熔化效率高,最大程度实现平熔池冶炼,满足现代电弧炉炼钢高效率、高生产率、低成本、低有害气体排放的要求。
在电弧炉废钢预热-连续加料方面,先后开发并应用了料篮式废钢预热电弧炉、双炉壳电弧炉、竖式电弧炉以及Consteel电弧炉等。料篮式废钢预热电弧炉由于电耗高、冶炼周期长以及环境污染严重等问题,正逐步被新型电弧炉所取代;双炉壳电弧炉由于预热效率低、设备维护量大以及二英等污染物排放严重等问题,使用效果远达不到预期,已经逐渐被淘汰;Consteel电弧炉存在废钢预热温度较低、二英排放不达标等问题,但其生产顺行状况良好、电网冲击小、加料可靠可控等优点,目前使用较广泛;早期竖式电弧炉存在设备可靠性低、维护量大等问题正逐步退出市场。当前国内外许多冶金设备制造公司依据Consteel电弧炉和竖式电弧炉理念研发了多种新型废钢预热-连续加料电弧炉,如基于水平连续加料理念研发的达涅利FASTARC 0电弧炉;基于竖式加料理念研发的西马克SHARC电弧炉、日本ECOARCTM生态电弧炉以及普瑞特Quantum电弧炉等;同时还衍出阶梯进料型电弧炉,如中冶赛迪CISDI-AutoARCTM绿色智能电弧炉,以及独立于电弧炉的废钢预热-连续加料系统,如KR公司和CVS公司联合研发的环保型炉料预热和连续加料系统EPC(Environmental Pre-heating and Continuous Charging System)。
Consteel电弧炉(图5)是在连续加料的同时利用冶炼产生的高温废气对加料通道内废钢进行连续预热,入炉前废钢预热温度为200~400 ℃;预热后的废气经燃烧室进入预热回收系统。Consteel电弧炉实现了废钢连续预热、连续加料、连续熔化、平熔池冶炼,提升了生产率,改善了车间内外的环保条件,降低了电耗及电极消耗等。

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早期竖式电弧炉在冶炼的同时,用天车料篮在竖井中加入下一炉所需废钢,用指形托架托住废钢,高温废气直接与废钢接触预热,废钢温度高达600~700 ℃。SHARC电弧炉(图6)属于改进型竖炉式电弧炉,其最大的特点是电弧炉上有2个半圆形竖井,能保持竖井内高温废气对废钢进行自然对流预热,熔池平稳,其加料方式仍采用天车料篮;ECOARCTM生态电弧炉(图4)利用竖炉竖井预热废钢,可实现轻薄型废钢的连续加料,预热温度超过600 ℃,熔池稳定,生产率高;Quantum电弧炉(图7)属于改进型指形托架竖炉式电弧炉,通过炉顶废钢提升机提升倾动料槽将废钢分批加入竖井内,固定安装竖井和炉盖解决了原指形托架故障多的缺点,倾翻炉体实现无渣出钢。


环保型炉料预热和连续加料系统EPC(environmental pre-heating and continuous charging system)是竖井型炉料预热装置,与其匹配的电弧炉采取较大的留钢操作工艺(出钢量的40%以上),因此此类电弧炉能平稳地连续运行。炉料通过侧墙加料口连续地加到炉中,无需打开炉盖,避免了热量损失和烟气排放。EPC系统可移动到电弧炉的上炉壳附近,与电弧炉侧墙加料口及排烟道之间实现紧密衔接。其具体工艺流程如图8所示。


各典型电弧炉技术指标及废钢预热效果的对比见表8。通过总结电弧炉高效预热特征,可知废钢预热技术未来发展趋势:(1)电弧炉冶炼过程中全程密封,避免开盖造成热损失;水平加料式电弧炉虽预热效果有待进一步提升,但其加料可控可靠,设备稳定好;竖式电弧炉废钢预热效率高,近年来新型电弧炉多为竖式加料结构;(2)平衡各类能源输入量,注重物理余热与化学余热输入对提高废钢预热效率的作用,进而改进能源利用率提高电弧炉产能;(3)废钢预热技术设计理念应符合最新环保标准,减少能源消耗,减少温室气体排放;(4)新型电弧炉炼钢需综合考虑废钢预热、连续加料、平熔池冶炼、余热回收、废气处理等方面,保证电弧炉炼钢高效、绿色化生产。



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电弧炉智能化控制技术

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近年来,一系列智能化监测技术和控制模型在电弧炉炼钢过程中得到应用,如智能配料、电极智能调控、智能化取样测温、泡沫渣智能化监测与控制、炉气在线分析、终点成分预报、冶炼过程成本优化和电弧炉炼钢过程整体智能控制等,监测和控制技术的应用大幅度提高了电弧炉炼钢过程的智能化水平。

3.1电极智能调节控制技术

电极调节控制技术是电弧炉实现智能化供电关键技术之一,其控制效果直接影响电弧炉的电能消耗、冶炼周期等重要经济性能指标。近年来,国际上较为成熟的智能电弧炉电极调节控制技术主要有3种:美国的IAFTM和SmartArcTM、德国的SimeltRNEC系统。国际典型电弧炉电极调节控制系统的技术对比见表9。


目前,基于PLC和工业计算机硬件平台研发的SIMETAL电极控制系统是最新的电弧炉智能化电极控制系统,图9所示为SIMETAL Simelt系统,该控制系统能根据实际工艺需求作出动态响应,提高工艺效率。在此基础上,下一代电极控制系统的研发主要集中在过程参数及算法自适应,数据记录、数据评估及集成过程可视化,可靠性高等方面。


3.2电弧炉智能化取样测温

电弧炉炼钢过程中钢液温度测量和取样所消耗的时间等是制约电弧炉电能消耗和生产效率的关键环节之一。针对传统人工测温取样安全性差、成本高等问题,开发并推广应用一系列自动化测温取样新技术。目前较先进的测温方式是机器人全自动测温和非接触式测温。
奥钢联推出的SIMETAL LiquiROB电弧炉机器人(图10)能执行全自动测温和取样操作,能自动更换取样器和测温探头以及检测无效测温探头等,同时还能通过人机界面实现全自动控制。


SIMETAL RCB Temp(图11)是奥钢联开发的一种非接触式温度测量系统,其依靠超音速氧气射流技术,在加料期间对废钢进行预热,加快废钢熔化速度,在精炼期以超音速射流喷吹氧气,一旦达到规定的温度均匀性水平,系统切换到温度模式,以极短的时间间隔对温度进行分析。


3.3泡沫渣智能化监测与控制

电弧炉的泡沫渣工艺主要通过目视观察和人工喷碳操作相结合的方式进行。基于电流信号和谐波含量的半自动系统只能在一定程度上协助操作人员完成泡沫渣工艺过程。优化泡沫渣智能化监测与控制方案,确保电弧和熔池完全被泡沫渣稳定地覆盖,既能节约资源和降低电耗,也有利于降低生产成本和减少热损失,是冶炼工艺实现全自动运行的重要方面。
Siemens开发的Simelt SonArc FSM 泡沫渣监控系统(图12)保证了泡沫渣工艺的全自动进行,声音传感器为精确监测和分析泡沫渣高度奠定了基础;同时,泡沫渣高度的监测为自动喷碳操作提供指导,从而最大限度降低消耗指标。


美国PTI 公司开发的电弧炉炉门清扫和泡沫渣控制系统PTI SwingDoorTM(图13)能减少外界空气的进入,提高炼钢过程的密封性;其集成氧枪系统代替了炉门清扫机械手或炉门氧枪自动清扫炉门区域。该系统通过控制炉门开合控制流渣,实现控制炉内泡沫渣存在时间,进而保证冶炼过程中炉膛内渣层的厚度,减少能源消耗,提高电弧传热效率。


3.4电弧炉炼钢过程整体智能控制

电弧炉智能化控制并非局限于某一设备的自动化、某一环节监测与控制的智能化,而是从整体电弧炉炼钢出发,从最初配料到最终出钢整个冶炼过程的数据采集与过程机理和工艺操作相结合,进行数据分析、数据决策、数据评估以及最后流程控制,实现电弧炉炼钢过程整体优化,减少人为干预,以此达到电弧炉炼钢过程整体智能控制。
达涅利Q-Melt自动电弧炉系统(图14)集成了过程控制监视器和管理器,可自动识别电弧炉炼钢过程预期行为的偏差,并使其自动返回到预定的冶炼过程。此系统主要包括Q-REG Plus电极动态调节控制系统、LINDARC废气分析系统和MELT-MODEL过程控制和优化系统。其中MELT-MODEL过程控制和优化系统是Q-MELT系统核心,与电极调节系统和废气分析系统相配合,通过化学成分分析或电气特性曲线进行动态调整电弧炉冶炼工艺,使冶炼过程始终保持最佳工艺状态。


Tenova开发的iEAF智能控制系统(图15)依靠传感器反馈的工艺信息(如废气分析、电谐波、电流和电压)和可控参数(氧气和燃料流量、氧气喷吹、碳粉喷吹和电极管理)对电弧炉进行全面控制。此系统通过减少冶炼操作变数,增强电弧炉运行稳定性从而提高生产效率、改善生产管理、节能降耗和减少CO2排放。



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结论与展望

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电弧炉炼钢在“节能降耗、提高生产率”思想指导下,开发了诸多高效化冶炼、绿色化生产和智能化控制方面技术,并且绿色化和智能化技术在电弧炉炼钢未来发展中的重要性将日益突出。未来电弧炉炼钢将进一步优化基于配料、供电、供氧、辅助能源输入、造渣等全流程电弧炉智能化监测及控制模型和整体智能控制模型,开发低能源消耗、少污染物排放以及资源循环利用的绿色化生产技术,完善集操作、工艺、质量、成本、环保等于一体的电弧炉炼钢流程,最终实现电弧炉绿色、智能、高效和低成本炼钢的目标,进一步推动钢铁工业转型升级。


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