电炉新技术基础讲座

1、现代电弧炉炼钢技术现代电弧炉炼钢技术1电弧炉炼钢生产的发展电弧炉炼钢生产的发展表表1 世界总年产钢量、电炉钢产量和电炉钢所占百分数世界总年产钢量、电炉钢产量和电炉钢所占百分数0100002000030000400005000060000700008000090000192019401960198020002020年份钢产量 万吨05101520253035404550电炉钢比例 %世界总钢产量电炉钢产量电炉钢比例表表2 世界主要产钢国家近年来电炉钢比例（）世界主要产钢国家近年来电炉钢比例（）年 份19001991199219931995199619971998全世界合计中 国日 本美 国原苏联

2、德 国巴 西韩 国中国台湾21.131.437.313.018.526.031.141.528.421.131.438.413.822.118.929.144.629.421.831.538.0(10.9)22.919.230.248.830.923.231.238.213.021.619.933.247.132.619.032.339.411.624.117.637.843.032.918.033.342.112.526.020.439.546.233.717.632.843.212.226.419.843.141.633.915.831.944.612.327.519.340.341.9注

3、全世界总产钢量（亿吨）7.707.347.237.317.567.527.997.752电弧炉炼钢的主要技术特点电弧炉炼钢的主要技术特点 21 原料原料 传统的电弧炉炼钢是全废钢工艺以冷废钢为主，配加传统的电弧炉炼钢是全废钢工艺以冷废钢为主，配加1010左右的左右的生铁块；生铁块； 现代电弧炉炼钢使用的其它原料还有：除冷生铁外，直接还原铁现代电弧炉炼钢使用的其它原料还有：除冷生铁外，直接还原铁（DRIDRI，HBIHBI）、热铁水、碳化铁等。）、热铁水、碳化铁等。 电弧炉炼钢的原料构成对其工艺、装备、指标等有决定性影响；电弧炉炼钢的原料构成对其工艺、装备、指标等有决定性影响； 不同原料结构下的

4、生产过程是不可比的。或者说只有原料结构相不同原料结构下的生产过程是不可比的。或者说只有原料结构相当的情况下才是可比较的；当的情况下才是可比较的； 可比的公认基准是上述全废钢（或基于全废钢）工艺。可比的公认基准是上述全废钢（或基于全废钢）工艺。废废 钢钢 电炉炼钢是一种铁资源回收再利用过程，也是一种处理污染的电炉炼钢是一种铁资源回收再利用过程，也是一种处理污染的环保技术环保技术 。 仅就电炉炼钢工序而言，废钢是基本原料，和其他冶炼工序一样，仅就电炉炼钢工序而言，废钢是基本原料，和其他冶炼工序一样，精料是首要的基础工作，废钢原料的鉴别、分类等管理工作和打精料是首要的基础工作，废钢原料的鉴别、分类等

5、管理工作和打包、剪切等预处理工作都是非常重要的。包、剪切等预处理工作都是非常重要的。 当前电炉炼钢使用废钢原料的最大问题是金属残留元素，主要是当前电炉炼钢使用废钢原料的最大问题是金属残留元素，主要是残留的残留的NiNi，CrCr，MoMo等合金元素和等合金元素和CuCu，SnSn，BiBi，SdSd，PbPb等有害元素。等有害元素。它们在电炉炼钢过程中尚无有效方法去除，残留在钢材中造成种它们在电炉炼钢过程中尚无有效方法去除，残留在钢材中造成种种危害，并在废钢循环再利用过程中不断积累。种危害，并在废钢循环再利用过程中不断积累。 目前采用的对策主要有：目前采用的对策主要有：加强废钢管理；加强废钢管

6、理；在废钢预加工过程在废钢预加工过程中挑选或分离；中挑选或分离；冶炼过程配加其他铁源，稀释残留元素的浓度。冶炼过程配加其他铁源，稀释残留元素的浓度。 采用稀释的办法会带来一系列的问题，例如废钢中含采用稀释的办法会带来一系列的问题，例如废钢中含CuCu0.500.50，若稀释到若稀释到CuCu0.350.35，则至少需配入，则至少需配入3030的洁净铁源，这就使炉的洁净铁源，这就使炉料结构发生根本的改变，引起操作、装备、成本等发生变化料结构发生根本的改变，引起操作、装备、成本等发生变化。其它金属料其它金属料 冷生铁冷生铁：配碳、稀释残留元素、渣量增加配碳、稀释残留元素、渣量增加 直接还原铁直接还

7、原铁：粒状直接还原铁（粒状直接还原铁（DRIDRI）和块状热压块（）和块状热压块（HBIHBI） 铁水：铁水：配加配加1010的热铁水，带入的物理热约为的热铁水，带入的物理热约为25kwh/t-steel25kwh/t-steel，化学热约化学热约25kwh/t-steel25kwh/t-steel，（而氧耗，（而氧耗6 67m7m3 3/t-steel/t-steel） 碳化铁碳化铁(Fe(Fe3 3C)C)：技术问题，不能大量生产技术问题，不能大量生产电炉总能量平衡电炉总能量平衡总总能能量量630kWh/t=100%电电能能 4 41 10 0kWh/t(65%)烧烧嘴嘴 4 40 0kW

8、h/t(6%)化化学学反反应应 1 18 80 0kWh/t(29%)废废气气 1 14 40 0kWh/t(22%)钢钢 3 38 80 0kWh/t(60%)损损失失 1 10 0kWh/t(2%)冷冷却却 5 50 0kWh/t(8%)渣渣 5 50 0kWh/t(8%)表表3 在吹氧条件下，熔池中在吹氧条件下，熔池中 各元素氧化各元素氧化1kg时所产生的理论热值时所产生的理论热值反 应 热元素产 物kJ/kgkwh/kg相对成本*（参考值）AlSiMnFeCCAl2O3SiO2MnOFeOCOCO230.99532.1576.9924.7759.15932.7618.618.931.9

9、41.332.549.103.73.26.01.80.50.60.30.6 化学反应中各发热元素的来源首先是炉料废钢和生铁，还有是由碳枪喷入的碳粉或焦粉。对于普通铁水，每吹入1m3的氧气,所含各元素在 1600时反应理论发热值约为4kwh。成本构成成本构成典型的电炉冶炼碳素钢的成本构成典型的电炉冶炼碳素钢的成本构成(a) 八十年代美国某厂八十年代美国某厂 （b） 九十年代中国某厂九十年代中国某厂0 . 7 1 . 6 1 . 6 1 . 7 1 . 9 3 . 6 6 . 2 1 0 . 5 1 4 . 0 5 8 . 2 （ a （ b )氧 气1 . 4 投 资耐 火 材 料4 . 0 渣

10、 料1 . 0 人 工1 . 6 铁 合 金2 . 3 电 极3 . 4 电 能1 0 . 5 维 修 和 其 它 费 用1 3 . 9 钢 铁 料6 1 . 8 主要技术发展方向和动态主要技术发展方向和动态电弧炉技术的发展电弧炉技术的发展电炉炼钢技术发展的主要方面电炉炼钢技术发展的主要方面直 流 电 弧 炉高 阻 抗 电 弧超 高 功 率 化短 网 、 横 臂增 加 能 量供 电 技 术底 吹 智 能 控 制提 高 电 热 效 率泡 沫 渣大 型 化吹 氧 + 碳氧 燃 烧 嘴化 学 能二 次 燃 烧废 钢 预 热竖 炉 - 电 弧 炉C o n s t e e l物 理 能辅 助 能 量余

11、 热 回 收无 渣 出 钢水 冷 炉 壁 、 炉 盖装 料 机 械 化改 善 原 料 结 构科 学 管 理过 程 计 算 机缩 短 非 通 电 时 间二 次 冶 金 在 线 化双 炉 壳 操 作提 高 生 产 速 率 缩 短 冶 炼 时 间准 连 续 化 操 作电炉技术进步及电气运行发展60年代400kVA/tRP-EAFMC30MVA/特殊钢,合金钢冶炼周期:180min吨钢电耗:630kwh/t电极消耗:6.5kg/t低电压大电流短弧80年代700kVA/t90年代800kVA/t70年代500kVA/tUHP1-EAFLFCC(S)BR50MVA/30万吨/棒线材UHP2-EAFLFCC

12、R70MVA/50万吨/扁平材,管材UHP3-EAFLFCCCR100MVA/100万吨/纯净钢,热带冶炼周期:40min吨钢电耗:230kwh/t电极消耗:1.1kg/t低电压大电流更短弧高电压小电流长弧更高电压小电流更长弧烧嘴二次冶金水冷炉壁DRILF/EBT泡沫渣竖炉/用氧双炉壳连续加料年代功率级别-400kVA/t流程变迁变压器容量/产品技术指标进步相关/配套技术电气运行有代表性的传统交流电弧炉有代表性的传统交流电弧炉钢钢 厂厂 BoelBoel L.M.EL.M.E DaiwaDaiwa SteelSteel Essar SteelEssar Steel NorthNorth Sta

13、rSteelStarSteel OkayamaOkayama SteelSteel 典型典型 100100 吨吨 变压器功率，MVA 电功率，MW 最高二次电压，V 95 72 720 84 600 100 800 160 160 80/88 790 85 100 炉料废钢， 其它， 出钢量，吨 出钢到出钢时间，分 电耗，kWh/t 总氧耗量，m3/t 电极消耗，kg/t 电极直径，毫米 生产率，万吨/年 生产率，t/h 100 85 68 440 30 1.52 700 50 84 . 85 68 407 36 1.47 700 55 106 120 h.m. 120 53 700 72 1

14、30 100 150 60 700 66 150 20 80DRI 150 90 700 66 100 85 400 27 1.2 150 66 700 120 55 390 35 1.1 二次燃烧二次燃烧 泡沫渣产生的主要产物是泡沫渣产生的主要产物是COCO，而在一般常规操作中，而在一般常规操作中，COCO是在是在除尘系统二次燃烧掉的，任何潜在的化学能都没有及时利用。除尘系统二次燃烧掉的，任何潜在的化学能都没有及时利用。 二次燃烧技术就是使用二次燃烧氧枪，将氧气吹送到熔池上二次燃烧技术就是使用二次燃烧氧枪，将氧气吹送到熔池上方，使炉气中大部分的方，使炉气中大部分的COCO燃烧成燃烧成COCO

15、2 2，并设法使二次燃烧产生的，并设法使二次燃烧产生的热量进入熔池。热量进入熔池。 采用二次燃烧使电耗有相当程度的降低，甚至可低于采用二次燃烧使电耗有相当程度的降低，甚至可低于400kWh/t400kWh/t；出钢到出钢时间也常常少于出钢到出钢时间也常常少于6060分钟；但总的氧耗量会相应增大，分钟；但总的氧耗量会相应增大，一般会超过一般会超过40m40m3 3。 现在有不断增加用氧的倾向，有人估计到现在有不断增加用氧的倾向，有人估计到20022002年，用氧量会年，用氧量会达到达到50m50m3 3/t/t（其中（其中11 m11 m3 3/t/t用于二次燃烧，用于二次燃烧，11m11m3

16、3/t/t用于泡沫渣）。用于泡沫渣）。 理论上，当理论上，当COCO在在16001600燃烧时，每立方米（标准态）二次燃燃烧时，每立方米（标准态）二次燃烧的氧能产生烧的氧能产生5.8kWh5.8kWh。实际可节能。实际可节能3-4kWh/m3-4kWh/m3 3（标准态）。（标准态）。典型的带二次燃烧的交流电弧炉典型的带二次燃烧的交流电弧炉钢钢 厂厂DalmineFerr.ValsabbiaBSWNucorSteelVonRollVallourecCascadeSteel变压器功率，MV A电功率，MW最高二次电压，V100701000503680057/6850660336045858358

17、5炉料废钢，出钢量，吨出钢到出钢, 分钟给电时间，分钟电耗，kWh/t总氧耗量，m3/t100934629380371007057.749.938432.71007847.836.834745.660543732736.170584040332100865439830.3100957647456烧嘴燃料耗量，m3/t电极消耗，kg/t825.11.93.61.87.72.52.32电极直径，毫米年产量，万吨/年碳粉耗量，t/h6008550046.61055011.811.560035.576005516.560064智能电弧炉智能电弧炉 智能电弧炉的效果智能电弧炉的效果 美国依阿华（美国依阿

18、华（Iowa）州的北星（）州的北星（North Star）钢厂与米尔切克（）钢厂与米尔切克（MilltechHOH）公司）公司合作研究用神经网络技术改善电弧炉的电极控合作研究用神经网络技术改善电弧炉的电极控制，制，1991年年9月在一台月在一台80吨交流电弧炉炼钢生吨交流电弧炉炼钢生产中投入运行，所取得的成绩是：产中投入运行，所取得的成绩是： 生产率提高生产率提高10%20% 电极消耗量降低电极消耗量降低0.40.6kg/t 电能消耗减少电能消耗减少1820kwh/t 年效益年效益216216万美元万美元废钢预热和准连续化生产技术废钢预热和准连续化生产技术 利用电炉炼钢过程产生的炉气带走的物理

19、热加热利用电炉炼钢过程产生的炉气带走的物理热加热废钢原料是一种很自然的想法，各种废钢预热装置的设废钢原料是一种很自然的想法，各种废钢预热装置的设计和应用已有数十年的历史，但是由于预热的温度低、计和应用已有数十年的历史，但是由于预热的温度低、热效率不高热效率不高 、操作不方便，尤其是废钢中夹带的有机、操作不方便，尤其是废钢中夹带的有机物在预热过程中产生致癌和有毒气体问题，使废钢预热物在预热过程中产生致癌和有毒气体问题，使废钢预热技术几乎遭到彻底的否定。技术几乎遭到彻底的否定。 九十年代初，九十年代初，FuchsFuchs公司的竖炉电弧炉（公司的竖炉电弧炉（Shaft Shaft FurnaceF

20、urnace）获得了成功，使废钢预热技术重现应用前景，）获得了成功，使废钢预热技术重现应用前景，开创了各种余热利用、双壳炉和准连续生产发展的新局开创了各种余热利用、双壳炉和准连续生产发展的新局面面。竖炉电弧炉竖炉电弧炉 竖炉电弧炉是竖炉电弧炉是Fuchs System Fuchs System 在在19921992年推出的。它年推出的。它有一个废钢预热系统，竖炉电弧炉可以是单竖炉或双有一个废钢预热系统，竖炉电弧炉可以是单竖炉或双竖炉，也可以是直流的或交流的。竖炉，也可以是直流的或交流的。 它用废气的潜热和化学热，加上在竖炉底它用废气的潜热和化学热，加上在竖炉底 部的氧部的氧 燃烧嘴预热装在水冷

21、竖炉内的废钢料柱。与普通的炉子比燃烧嘴预热装在水冷竖炉内的废钢料柱。与普通的炉子比较，其氧较，其氧燃烧嘴的热效更高，因为烧嘴在废钢里埋入的燃烧嘴的热效更高，因为烧嘴在废钢里埋入的时间更长，位置也更深些。竖炉里至少可装全炉废钢的时间更长，位置也更深些。竖炉里至少可装全炉废钢的40%40%，剩下的废钢在开始熔化前直接加入炉内。，剩下的废钢在开始熔化前直接加入炉内。 竖炉电弧炉在炼钢生产中取得了良好的效果，我国张家港沙钢竖炉电弧炉在炼钢生产中取得了良好的效果，我国张家港沙钢润忠的润忠的90t/65MVA90t/65MVA竖炉电弧炉就是其中的成功一例。竖炉电弧炉就是其中的成功一例。20002000年年

22、生产年年生产率（产钢量）超过率（产钢量）超过6565万吨万吨/ /年，平均出钢次数年，平均出钢次数N=7036N=7036炉次炉次/ /年，变压年，变压器利用系数器利用系数Ce=9742t/MVAaCe=9742t/MVAa，冶炼电耗年均，冶炼电耗年均363Kwh/t363Kwh/t，电极消耗，电极消耗1.83kg/t1.83kg/t，在国内均居领先水平。，在国内均居领先水平。竖式电炉的能量平衡竖式电炉的能量平衡 指篦式竖炉电弧炉（指篦式竖炉电弧炉（Finger Shaft Finger Shaft FurnaceFurnace）是竖炉电弧炉的改进，）是竖炉电弧炉的改进， 扣除扣除预热废钢带入

23、的预热废钢带入的55Kwh/t55Kwh/t能量，总衡算仅能量，总衡算仅为为525Kwh/t525Kwh/t，比常规电弧炉炼钢总能量，比常规电弧炉炼钢总能量衡算衡算635Kwh/t635Kwh/t节省了节省了105Kwh/t105Kwh/t，即节能，即节能近近17%17%。据报导，美国孟菲斯（。据报导，美国孟菲斯（MemphisMemphis）市的市的135t/120MVA135t/120MVA的指蓖式电弧炉设计生的指蓖式电弧炉设计生产率可达产率可达100100万吨万吨/ /年。年。双壳电弧炉双壳电弧炉 顾名思义，双壳炉内有两个炉壳，共用一套电源。电极把持器可顾名思义，双壳炉内有两个炉壳，共用

24、一套电源。电极把持器可以共用一套或各有一套，并有双壳的竖炉电弧炉。以共用一套或各有一套，并有双壳的竖炉电弧炉。 双壳炉的技术特点是将废钢预热和节省非通电时间相结合：当一双壳炉的技术特点是将废钢预热和节省非通电时间相结合：当一个炉壳内在熔化炉料时，另一炉壳就加入第一篮炉料。当第一个个炉壳内在熔化炉料时，另一炉壳就加入第一篮炉料。当第一个炉壳要出钢时电极就转向另一个炉壳，开始送电。这样停电时间炉壳要出钢时电极就转向另一个炉壳，开始送电。这样停电时间可缩短可缩短610分钟，生产率大大提高。分钟，生产率大大提高。 有些设计中，当一个炉壳在熔炼时将排出的热废气通入第二个炉有些设计中，当一个炉壳在熔炼时将

25、排出的热废气通入第二个炉壳，以预热废钢。在挥发性有机物和壳，以预热废钢。在挥发性有机物和NOx方面有问题时，在第二方面有问题时，在第二个炉壳内预热废钢最好加上烧嘴。个炉壳内预热废钢最好加上烧嘴。 预热炉料的优点是缩短给电时间和节电，日本预热炉料的优点是缩短给电时间和节电，日本Nippon Steel估计估计预热预热25分钟可节电分钟可节电35KWh/t。 双壳电弧炉技术对于生产优质板材，直接向电弧炉兑入铁水再加双壳电弧炉技术对于生产优质板材，直接向电弧炉兑入铁水再加废钢或直接还原铁是一种经济的方案，这样可大大降低电耗。废钢或直接还原铁是一种经济的方案，这样可大大降低电耗。美国TSC公司双壳电弧

26、炉consteel生产技术生产技术 竖炉电弧炉和双壳电弧炉合理的逻辑发展是废钢原料预热和竖炉电弧炉和双壳电弧炉合理的逻辑发展是废钢原料预热和加料过程的连续化，显然这对电弧炉炼钢过程是非常有利的：加料过程的连续化，显然这对电弧炉炼钢过程是非常有利的：n电弧非常平稳，闪烁、谐波和噪音很低电弧非常平稳，闪烁、谐波和噪音很低n过程连续进行，非通电操作时间减至最少过程连续进行，非通电操作时间减至最少n不必周期性加料，热损失和排放大大减少不必周期性加料，热损失和排放大大减少n便于稳定控制生产过程和产品质量便于稳定控制生产过程和产品质量 近年来发展了许多连续预热和加料的新技术和新炉型，但其出钢近年来发展了许

27、多连续预热和加料的新技术和新炉型，但其出钢还是周期性的，故仍为准连续化生产技术。其中，开发较早的是还是周期性的，故仍为准连续化生产技术。其中，开发较早的是德兴（德兴（Techint）集团的康钢法（）集团的康钢法（Consteel），第一台工业性生产），第一台工业性生产装置是装置是1989年年Florida Steel公司的交流炉，表公司的交流炉，表8是几台较早投产是几台较早投产的的Consteel炉的主要技术参数，可以看出其生产速率和变压器利炉的主要技术参数，可以看出其生产速率和变压器利用系数均远远高于传统的电弧炉。用系数均远远高于传统的电弧炉。Consteel可用的炉料是：废钢、生铁和热压块

28、、热的和冷的直接还原铁，可在可用的炉料是：废钢、生铁和热压块、热的和冷的直接还原铁，可在预热器的某处加入。铁水（高炉或预热器的某处加入。铁水（高炉或Corex）可用到占）可用到占3040，铁水通过炉壳，铁水通过炉壳的一个通道连续加入。的一个通道连续加入。Consteel电弧炉电弧炉钢钢 厂厂Florida,CharlotteACKyoei,NagoyaDCNucorDarlingtonDCNew Jersey,SayrevilleACNakornthai,ThailandAC变压器功率，MVA电功率，MW302455465042504012095炉料废钢，其它，出钢量，吨出钢到出钢时间，分钟给

29、电时间，分钟电耗，kWh/t总氧耗量，m3/t电极消耗，kg/t电极直径，毫米年产量，万吨/年生产率，t/h100-36454237022.21.755004554.58515p.i.1105350315351.1570045120100-9154513253317007592100-755551390231.8560060828020DRI1804744340351.7600150229电炉炼钢可持续发展战略电炉炼钢可持续发展战略能耗能耗 能耗是可持续发展的一项重要指标，一方面是对能量资源的消耗，能耗是可持续发展的一项重要指标，一方面是对能量资源的消耗，另一方面产生的热量和另一方面产生的热量

30、和COCO2 2又是对环境的污染。又是对环境的污染。 我国经济长期粗放增长。我国每公斤标准煤的能产生的国内生产我国经济长期粗放增长。我国每公斤标准煤的能产生的国内生产总值为总值为0.360.36美元，而印度为美元，而印度为0.720.72美元，韩国为美元，韩国为1.561.56美元，法国为美元，法国为3.243.24美元，日本为美元，日本为5.585.58美元。美元。 全世界平均为全世界平均为1.861.86美元。美元。 我国钢铁工业是能耗大户，经过多年的不懈努力，吨钢能耗已有我国钢铁工业是能耗大户，经过多年的不懈努力，吨钢能耗已有很大的节约，例如，很大的节约，例如，19781978年冶金系统的平均吨钢综合能耗为年冶金系统的平均吨钢综合能耗为2.52tce/t2.52tce/t，19831983年降至年降至1.85tce/t1.85tce/t，到，到19981998年已降至年已降至1.29tce/t1.29tce/t，二十年间降低了一半。二十年间降低了一半。 与世界先进国家相比仍高很多，与世界先进国家相比仍高很多，20002000年可降至年可降至1.20tce/t1.20tce/t以下，以下，若按年产钢量若按年产钢量1.21.2亿吨计算，全系统能耗将高达亿吨计算，全系统能耗将高达1.41.41.51.5亿吨标亿吨标准煤。准煤。 电炉炼钢的