电弧炉短流程工艺的现状与发展趋势

电弧炉短流程工艺的现状与发展趋势

1.世界钢铁生产主要流程之一,行业内已形成2个主要比“短工艺”是指将电拱炉和连铸连压工艺相结合，形成一个紧凑的生产流程。主要用于原材料准备电弧炉。lf炉的精制和制造工艺，形成“三位一体”或“五通”的紧凑过程。电弧炉短流程炼钢方法因其在投资、效率、环保等方面的优势,已成为世界钢铁生产的两大主要流程之一。电炉短流程工艺近年来迅速发展,在全球范围内电炉炼钢占总产钢量比例已从20世纪50年代初的7.3%,提高到近年来的32%~35%,特别是美国和欧盟电炉钢比例已达50%以上。但在世界范围内发展情况不平衡,如我国虽然在近年内新建了一批电炉短流程钢厂,但因产钢总量上升快,高炉-转炉流程增产钢能力占比重大,且因短流程电弧炉当前存在成本因素制约,电炉钢所占比例持续下降。但我国《钢铁产业发展政策》明确指出,要“逐步减少铁矿石比例和增加废钢比重”,这是实现钢铁工业可持续发展的重大战略决策。本文将在分析电弧炉短流程工艺国内外现状的基础上,初步探讨其发展趋势。2.现代短工艺钢法的发展2.1短流程钢铁“短流程”在产品高端化、能源多样化、原料多元化等方面的优势,引起了人们重视。由于各国各地区废钢、电、铁矿石、煤炭、天然气等资源条件的不同,电炉短流程钢厂的发展情况也有所不同,如图1所示。我国由于粗钢产量的连年猛增,造成电炉钢的比例不增反减,成为世界上少数几个电炉钢比例下降的国家之一。美国的电炉钢生产占国际领先地位,其型钢市场已被短流程钢铁企业完全占领,北美地区厚板市场逐渐被IPSCO、NorthStar、Nucor、OregonSteel等公司的短流程钢铁企业所占领,热轧带卷、冷轧板、镀锌板等薄板市场也逐渐被SDI、Nucor、Gallation、Deltasteel、Trico、Hylsa等公司的短流程钢铁企业所侵蚀,到2002年时美国已有7个厂共12条CSP生产线相继建成投产,产量超过1000万t,约为当时全世界CSP产量的三分之一。欧洲在20世纪90年代兴起了电弧炉短流程发展的一个高潮,并在发展短流程炼钢的过程中开发了一大批电弧炉新工艺和新装备,其中有ABB、MAN-GHH、VAI、Clecim等公司开发的不同类型直流电弧炉,Fuchs公司的竖式电弧炉、超音速水冷氧枪等技术,Danieli公司的高阻抗交流电弧炉、基于底吹和二次燃烧技术的DANARC炉,奥钢联的Comelt、ABB公司的ARCON、MDH公司的CONARC和CONTIARC,此外还有双壳电弧炉,以及薄板坯连铸-连轧技术CSP、德兴公司的Consteel电弧炉等。随着连铸、连轧技术的逐渐成熟,面向高附加值产品、综合先进技术的电炉短流程钢厂的新扩建也越来越多,如:Ezz带钢公司在埃及AinSukhna新建短流程钢厂,采用Danarc交流电弧炉、二次精炼、达涅利最新的薄板坯连铸连轧工艺,半无头轧制和热态铁素体轧制,是世界上具竞争力的超薄带钢生产厂;美国AK钢铁公司投资18亿美元扩建俄亥俄州赞恩斯威勒特殊钢厂的电炉炼钢车间,新添新型高阻抗电弧炉、新型钢包精炼炉、新型连铸机和电炉钢精加工设备等设备用于生产高附加值、取向电工钢等钢材。2.2电化学基本成分随着电炉钢产量的迅速增长,电炉短流程钢厂生产技术也有众多特点,主要有以下几个方面:1)生产品种的增加,从起初的长材、扁平材到如今的高附加值产品。2)电炉容量及短流程炼钢生产规模不断扩大。最大电炉容量达400t,新建电炉钢厂电炉容量由80~120t增至150~200t,近年来还增建了若干250~300t电炉的短流程钢厂。3)高化学能电炉的发展,使电弧炉电耗不断降低。4)原料多样化,出现了从铁矿石到热轧产品的电炉短流程钢厂(联合小钢厂),不少电炉采用了部分热装铁水工艺。5)将各项先进技术综合,组成连续布置的电炉短流程钢厂。6)前沿技术组成的电炉短流程钢厂,如废钢预热、薄带连铸、无头轧制等。原料来源是电炉短流程与高炉-转炉长流程的主要区分点,结合不同的地区资源出现不同电炉短流程形式。电炉原料供给形式主要表现在以下几方面:1建筑电弧材料在大多数废钢资源不足的国家,发展DRI作为废钢的补充成为了客观需要。据日本神户预测,2010年DRI产量将达到10500万t,与废钢相比,DRI具备以下优势:(1)有害元素含量很低,能够稀释、降低钢中的有害元素;(2)可实现连续装料、成渣迅速、连续融化及熔池沸腾,促进脱气,降低钢中N含量,利于快速形成泡沫渣,从而减少钢中夹杂物;(3)缩短电炉精炼周期,提高Ni、Mo等有价元素收得率。目前投入工业应用的主要有Midrex工艺、HYL-Ⅲ工艺、Finmet工艺、SL-RN工艺和Fast-met工艺等。其中,SMSSiemag公司和Midrex技术公司联合推出从铁矿石到热轧带的电炉短流程,以铁矿石(球团矿)为原料,经Midrex装置生成直接还原铁(DRI)以600~700℃温度热装至电炉(电炉车间距竖炉约100m)。DRI温度每增加100℃,可节电20kWh/t(以100%DRI为原料)。电炉钢水精炼后,进入CSP薄板坯连铸连轧生产线生产热轧带钢。据介绍,该工艺流程较传统高炉转炉流程,有更高的能源利用效率,且CO2排放量能减少一半。2炉炉炉水比例近年来,由于废钢资源区域性短缺,全废钢冶炼成本高,生产厂家为了替代冷生铁和部分废钢发展了热装铁水技术。由于热装铁水带来的物理热和化学热,使熔化期成渣时间提前,可相应地减少铁耗和电耗,缩短冶炼时间,使原料中有害残余元素等大幅度降低。随着当今生产节奏的加快,电炉有转炉化的趋势,热装铁水比例也越来越高,日本DAI-WA电炉厂,铁水比例高达75%。热装铁水比和电耗的关系如图2所示:由图2可看出,随铁水热装比增加,冶炼电耗降低,当铁水热装比从40%增加到65%时,每增加1%铁水降低电耗约6KW.h.t-1左右。需要注意的是:大量使用铁水或新建高炉系统,使原来电炉短流程钢厂的流程不再短,无法体现金属材料的循环利用,仍需部分短缺的焦煤资源,增加了对环境的负担,因此在有条件的地区适当采用部分热铁水作为电炉原料是可以的。美国纽柯公司作为全球最大的电炉短流程钢厂之一,也采用铁水作为电炉原料。但如果电炉使用铁水比例过大,也会减弱并可能导致部分丧失电炉短流程的固有优点,这是一个值得深入探讨的问题。3废钢预热技术废钢预热技术有效提高了能源利用率,1980年日本钢管公司NKK在50tEAF上安装了第一座预热装置,该装置可回收烟气显热30%,电弧炉电耗降低约40-50KW.h.t-1,冶炼时间缩短约8min,电极消耗量降低0.2-0.6kg/t,同时也降低了耐材消耗。废钢经预热后,能耗情况如表1所示:目前,世界上最广泛被应用的废钢预热主要有吊篮式、双炉壳法、竖炉法、Consteel等。上世纪90年代开发的具有废钢预热与连续加料双重功能的Consteel技术投入使用,采用留钢操作,除可节能降耗等常规废钢预热技术具有的优点外,还在稳弧冶炼,消除电网闪烁,提高金属收得率,降尘与消除废钢预热过程中产生的有害物质均有很好的改善,并使炼钢周期大大缩短,目前已得到较广泛的推广使用。日本在近年也开发了ECOARC节能电炉,进入工业化实施阶段。国内使用的废钢预热技术主要使用有Consteel技术、竖炉,均为引进的技术,通过专利信息网查询,目前国内企业也在开发自己的废钢预热技术,废钢预热与废钢连续加料技术将是未来电弧炉炼钢短流程发展和竞争的热点之一。2.3差异造成的工艺挑战近年来,我国新建了一批电炉短流程钢厂,纵观我国电炉短流程工艺及装备,可以发现存在如下特点:1)设备方面:我国短流程中的电炉座数逐年减少,炉容向大型化发展(见表2)。50吨及以上电炉产能约占我国电炉钢总产能的85%,成为我国电炉钢生产的主体设备,但100吨及以上大电炉产能所占比例仅为42%,比例偏低,且国内大部分电弧炉主体设备技术主要依靠进口(见表3),从电炉技术领域专利量分析(见表4),国内在电炉装备自主研发明显不足。2)工艺方面:近10年来,我国短流程中的电炉炼钢技术得到了持续的发展,围绕如何缩短冶炼周期、降低操作成本和生产高附加值钢冶炼,开发了诸如超高功率合理供电、富氧及燃料喷吹、偏心炉底出钢、热兑铁水等技术,但与国外同行相比,我国电炉炼钢的综合能耗偏高,尚未达到国际先进水平。3)从全流程的观点来看:出现了在总体上具有国际先进水平的短流程,如兴澄特殊钢厂的合金钢棒材生产流程、珠江钢厂的电炉-薄板坯连铸-连轧生产流程等。总之,炼钢短流程工艺柔性强,在生产高碳、高合金钢等特殊钢方面具有优势,并且随着短流程工艺技术的进步和完善,通过优化品种结构、提高高技术含量、高附加值钢种的生产比例,短流程钢材的成本逐步降低,同时,在未来随着铁矿石资源的逐步减少,废钢资源的逐步增多,其吨钢盈利率可望远远大于传统长流程。然而在现有条件下,国内以电弧炉为核心冶炼设备的短流程工艺面临着一系列挑战:1)废钢资源的短缺:我国工业化进程短,社会废钢资源不足,而且钢铁制造过程技术进步使自产废钢不断减少,同时废钢进口量也相应下降,所以我国废钢资源短缺、价格居高不下。2)电能短缺与电价成本:我国电力紧缺,短时期内仍难满足国内电炉钢生产用电需求,缺电和限电导致电炉间歇式生产,生产成本更趋升高。3)废钢循环过程中有害元素的富集:废钢作为短流程的主要原料,其质量在不断恶化。一方面随着废钢循环次数的增加,有害元素不断富集;另一方面钢材表面涂层技术和复合材料的广泛应用使回收的废钢带有Cu、Zn、Pb、Sn、Mo、Ni等元素,这会不同程度地对钢材质量造成影响。4)大部分短流程没有实现全线优化,生产效率不理想。因此应以循环经济的要求来衡量,保证生产顺行,减少设备故障和生产事故,合理调度,提高作业率。5)在节能环保方面存在较大差距:由于认识不足、生产管理不善以及缺乏技术和投资等原因,造成大量的能源浪费及环境污染。3.发展趋势3.1生产物流及工序优化技术电炉短流程炼钢工艺是集中了当今先进的炼钢生产技术于一身的先进生产工艺,其关键技术将是整体工艺的优化设计、物流参数的合理匹配以及总体装备水平的最佳配置。短流程生产工艺体系的整体优化不仅包括了大型电炉及其相关配套技术、精炼技术、近终型连铸技术等单项的技术优化进步,更需要注意建设过程中的生产布局优化和生产过程中的生产物流优化和工序持续优化。传统的工程初步设计往往采用类似工程的简单套用和基于设计者经验的主观判断法,并不能体现全局综合物流优化效果,而采用仿真技术将会成为未来的发展趋势,其能够对多种方案进行分析比较,将复杂动态的钢铁运行过程通过模型得以再现,可定量对多方案进行技术经济比选,优化短流程生产工艺中的时间节奏和物流流量的匹配衔接,从而发挥短流程优势,为钢铁工业的资源优化、能源优化、产品结构优化、经济效益优化提供了一条最优化的工艺布局和路线。3.2电化学性能与水分供应关系电炉作为短流程工序的生产核心,其生产的高效化直接影响着该生产流程效益的发挥。电炉冶炼高效化追求的目标是冶炼周期、通电时间尽可能缩短,冶炼电耗尽量降低。随着电炉转炉化的趋势越来越明显,电炉的熔化周期成为短流程炼钢的研究热点,已有学者以能量平衡为基础分析了影响电炉熔化周期的因素,指出进一步强化电弧炉炼钢、提高生产率的手段主要在于提高能量供应量和供应强度,表现在技术层面上就是装备的大型化、更高功率、提高化学能输入强度以及减少非通电操作时间或辅助操作时间等。值得一提的是,让电炉具有高炉连续生产特征的CRISP连续电弧炉炼钢工艺已成功完成中试实验,以DRI为原料的CRISP炉,完全可以实现连续加料、连续冶炼和周期出钢:像高炉炼铁一样的连续炼钢,该工艺在未来短流程的成果应用将有效提高整个生产流程的生产效率。3.3废钢和废钢的回收利用技术研究成本是制约短流程发展的关键因素。在短流程炼钢工艺中,成本构成包括原料成本、能源成本以及生产管理成本等。未来竞争的胜利者将是那些所有拥有的技术能够控制成本的厂家,因此任何降低成本的技术均能促进短流程的发展。1)减少原料成本的技术:如加强对废钢的分类、加工和管理。2)降低能源消耗的技术:展开电炉供电技术优化的研究,加强炉气物理热和化学热的回收,如采用电炉热装海绵铁以及废钢预热技术以及连续上料装置的实现。据报道德国奥蒙德输送技术有限公司(Aumundfordertechnik公司)开发出一种新的直接还原铁输送系统,可以将热直接还原铁密封输送,该技术的应用可使电能消耗最多降20%;另外,在缺电地区,可发展EOF(EnergyOptimizingFurnace)的短流程炼钢工艺。3)控制生产成本的技术:操作过程的连续化和自动化,缩短热停工时间,以及围绕缩短电炉冶炼周期的新技术和新装备的研发,从而起到强化电炉冶炼,降低能耗提高劳动生产率,以使吨钢能耗、耐材和电极等辅助材料消耗及劳动成本大幅度降低。3.4节能技术电炉短流程本就是有利于循环经济和环境保护的生产流程,据统计在满足国民经济需求的钢产量一定时,生产一吨电炉钢比生产一吨转炉钢可以多循环利用废钢500~600公斤,少消耗铁矿石1.3吨,降低可比能耗265公斤标煤,减少二氧化碳排放1126.3公斤。生产一吨转炉钢约排放二氧化碳1.8吨,生产一吨电炉钢约排放0.6吨,为转炉钢的1/3。从节能环保、实现电炉短流程可持续发展