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以创新助电炉炼钢业发展

发布日期:2014-7-22     浏览次数:1675

  世界钢铁工业生产工艺流程经过长期的发展和选择,目前有两大工艺流程:以高炉—氧气转炉炼钢工艺为中心的生产流程,即长流程;以废钢—电炉炼钢为中心的生产流程,即短流程。目前世界电炉钢比例已占到粗钢产量的31%以上,由于我国属于发展中国家,废钢资源紧缺,电力供需不平衡,造成电炉钢成本较高,从而导致长流程发展过快,而电炉钢则呈下降趋势。到2006年,电炉钢的比例仅有10.5%,远低于世界平均水平。如何通过技术创新、工艺优化解决电炉炼钢现存的问题,促进短流程的进一步发展,应成为广大冶金科技工作者思考的问题。

  1电炉炼钢的现状

  1.1发展历程

  电弧炉炼钢技术的诞生可追溯至19世纪70年代,德国人W.Siemens建造了世界上首台实验电弧炉。初期的电弧炉生产率低、能耗高,主要用于特殊钢的生产领域。80年代后,由于超高功率及相关技术的发展,使电炉炼钢发生了翻天覆地的变化,实现了大型化、高效化,并与精炼、连铸形成了良好的匹配。这使电炉炼钢与转炉炼钢流程形成了强有力的竞争,世界范围内的电炉钢增长比例也明显高于粗钢增长比例。近几年世界钢产量、电炉钢比例及我国钢产量、电炉钢比例见图1。

  1.2我国电炉炼钢现状

  电炉炼钢自问世以来,呈不断增长的发展势头,迄今为止占世界总钢产量达31%以上,且保持着继续上升的态势,发达国家上升速度相对较快。我国电炉钢产量近几年也在不断攀升,2000年至今已翻了一番,但由于电炉钢产量增幅远低于转炉钢产量的增长速度,所以比例呈下降趋势。1995年以前,电炉钢比例保持在20%左右,但多数炉型较小,且以模铸为主。1996年以后,在有关部门的引导和支持下,一大批现代化的电炉投产、达产,电炉发展进入新的历史时期,但电炉钢比例一直在16%左右徘徊。2004年以后,电炉钢比例出现新低。另外,由于我国钢产量占到世界总钢产量的36.4%,因此电炉钢比例的下降也影响了世界电炉钢比例。

  表1安钢100t UHP-FSF取得的技术经济指标

  ———————————————————————

  冶炼周期 平均41min,最短30min

  电炉送电时间 平均31min,最短27min

  竖炉作业率 92%

  热停率 1.5%

  最高班产 13炉

  最高日产 37炉,3970t

  最高月产 103673t

  2003年产钢量 1081278t

  电耗 平均222kWht,最低160kWht

  氧耗 平均41Nm3t

  电极消耗 平均1.5kgt,最低1.3 kgt

  ———————————————————————1.3安钢集团电炉概况

  1999年安钢集团公司从德国FUCHS引进了一座带指型竖炉式电弧炉。该电弧炉采用超高功率供电、部分热装铁水、废钢预热、RBT出钢、水冷炉壁、辅助能源优化利用、USTB集束氧枪、环境保护等多项先进技术,经过几年运行,各项指标达到国内先进水平,见表1所示。主要产品有:中板用船板(含高强船板)钢、锅炉容器钢、桥梁钢、低合金钢和高速线材用冷镦钢、预应力钢绞线用钢和PC钢等。

  2002年,在100t电炉车间内又投产一座100t氧气顶吹转炉,配备两台LF精炼炉和一台板坯连铸机,一台六机六流方坯连铸机,钢坯供高速线材轧机和中板轧机。由于100t电炉成本高于100t转炉,电炉利润空间较低,生产处于不饱和状态。

  2面临的问题

  我国目前电炉流程有一定的发展空间,但由于在相当长的时间内,废钢与电力紧缺的局面仍将存在,电炉钢的成本仍会高于转炉钢成本。

  2.1成本制约

  成本是制约电炉钢发展的最关键因素,面对成本压力,我国多数电炉炼钢厂处于微利甚至亏损的局面。追求效益最大化是企业的发展目标,以冶炼工序效益(单位时间利润或冶炼一炉钢的经济效益)表示为:

  式中:φ为工序效益,元h;E为一炉钢水的价格,元;(PiCi)为一炉钢水的成本,元;Pi为消耗i的价格;Ci为消耗量;τ为冶炼周期。

  由式(1)计算可知,在我国废钢及电力资源紧缺、价格高的条件下,电炉钢成本较转炉钢高200~300元t。若要使电炉钢盈利,必须生产高附加值产品(增大E),缩短冶炼周期,并降低消耗(减少(PiCi)和τ)。

  2.2废钢资源及价格制约

  我国是发展中国家,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,近年来废钢应用量见图2。由图2可知,近几年废钢应用量大幅度上升,而进口废钢量稳中有降。大部分废钢的来源依靠社会采购和自产,钢铁产能的大幅上扬与废钢资源的严重不足导致了废钢采购困难,这一局面在短期内不会有较大改观。以上海地区为例,2003年重废钢为1400元t,其后逐年上升,到2008年6月已升至3500元t。

  2.3能源和钢质量制约

  电炉炼钢原料以废钢和生铁为主,能量供给以电能为主。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。

  目前转炉与电炉冶炼钢种几乎相同,钢质量差距不大。然而在电弧作用下,电弧区钢液易于吸氮,影响钢水质量,不利于生产氮含量较低的钢种。此外,电炉加热钢水会使熔池少量增碳,也不利于生产碳含量要求低的钢种。同时,废钢中残余元素(Cr、Ni、Cu等)的循环富集,也影响电炉生产高纯净度的钢种。

  2.4电炉炼钢的优势

  电炉流程与转炉流程比较,具有以下特点:

  ①电炉流程投资省,占地面积小,建设周期短;

  ②资源问题:随着国民经济的发展,铁矿石、焦煤等资源将日益匮乏,而废钢资源则会不断积累,因此从长远看电炉流程具有优势;

  ③环保问题:电炉流程产生的CO2、NOx、SOx等有害气体量较高炉-转炉流程少;

  ④能耗问题:废钢—电炉—钢水与高炉—转炉—钢水两种工艺相比,短流程总能耗仅为长流程的50%。

  据预测,我国将在2008~2009年结束工业化中期阶段,钢铁生产和消费将出现拐点,之后钢铁增长速度必将迅速明显减缓。当2020年左右实现工业化后,钢铁消费将达到峰值,此后废钢资源将越来越多,而以废钢为主的电炉钢资源的成本优势也将日益凸显。

  3优化电炉工艺

  现代电炉功能的演变过程为:废钢快速熔化器、快速升温器、能量转换器、高效脱碳脱磷器、废弃塑料、轮胎等的处理器。这表明转炉与电炉的功能已基本相近,两种流程对绝大部分钢种冶炼的适应性相当,因此要促进电炉钢发展,就必须依靠自主创新,不断优化电炉工艺。

  3.1缩短冶炼周期,实现高效化生产

  要实现电炉高效化生产,核心是缩短冶炼周期,电炉流程冶炼周期可用下式表示:

  τ=τ''+τ″(2)

  式中:τ为冶炼周期,min;τ′为供能时间,min;τ″为热停工时间,min。

  要使τ最小,应满足下述要求:

  式中:Pelec.表观输入电功率;η综合电效率;cosφ:功率因数;Q′:从炉壁外表面向大气的辐射能;Q″:从渣面向冷却区的辐射能;Em:钢液和熔渣吸收的热量;Q2η2:氧燃烧嘴提供的能量;Q3η3:元素氧化反应提供的能量;Q4η4:废钢和铁水显热提供的能量;QN:熔池中元素氧化反应所需氧气总量;VOηO:单位时间氧枪提供的氧量;VO''ηO'':单位时间氧燃烧嘴提供的供熔池中元素氧化反应的氧量;τc最佳吹氧不供电时间。

  根据式(2)、(3),目前缩短冶炼周期上有如下技术:

  ①电炉加部分铁水冶炼,增加物理热和化学热;

  ②充分利用变压器功率,提高有功功率和电效率,增加电能输入;

  ③采用新型废钢替代品(如改性生铁),造好泡沫渣;

  ④强化用氧有利于节能,生产1m3的氧气只消耗0.215kg标煤,而用1m3氧气可节电4~6kWht;

  ⑤改进设备,提高操作水平,缩短热停工时间。

  为缩短冶炼周期,形成系统综合控制,采用先进技术保证钢质量最优、综合消耗最低的前提下,最大限度的缩短冶炼周期,包括:电弧炉加部分铁水冶炼的新技术、电炉以氮代氩全程底吹技术、低氮电炉钢生产技术、终点控制技术、优化供电技术、炉料结构优化和不延长冶炼周期的DRIHBI加入工艺技术等。安钢通过多年的探索,已形成了一套相对成熟的技术,冶炼周期平均41min,最低30min,解决了电炉与连铸的匹配问题。

  3.2优化生产工艺,降低生产成本

  在钢铁生产中,成本是决定性因素,必须降低成本以促进电炉钢的发展。优化生产工艺,加强精细管理与操作,从优化炉料结构、降低钢铁料消耗、添加合金精矿和还原剂实现直接合金化、废钢渣的回收利用等方面入手,以追求工序成本和保障系统成本最低。

  在优化炉料结构方面,依据钢种要求和市场价格变化,精细搭配每一炉钢的废钢、铁水、生铁块配比,以及不同类型的废钢比例,实现炉料结构最优。钢铁料消耗是电炉成本中所占比重最大的一项,降低钢铁消耗即成为降低成本的关键。安阳钢铁公司在铁水缺口较大的不利条件下,通过强化管理、精细操作,目前在无铁水条件下钢铁料消耗达到1088kgt,低于以往热装30%铁水时1117kgt水平,为降低电炉钢成本起了至关重要的作用。

  添加合金精矿,直接还原合金化对降低合金料成本十分有益,但受到精矿品位、回收率、有害元素、渣量等多种因素制约,目前合金精矿在电炉上的使用仍不太成熟。随着技术的进步,该项技术将对降低成本产生深远影响。

  废钢渣的合理回收利用,可以有效利用其中的金属和热能。安阳钢铁公司采用多种方式回收钢渣中含铁料的同时,还在生产中将精炼渣返回初炼炉,充分利用精炼渣中高碱度渣料和热能,进一步还有将转炉脱碳渣用于电炉脱磷的计划。

  降低生产成本是一项系统工作,包括管理层面和技术层面,但随着管理精细化和技术进步,相信电炉钢成本仍有下降的空间。

  3.3依靠自主创新,研发和应用新技术

  面对电炉钢生产现状,必须依靠自主创新,不断研究和应用新技术来支撑电炉工艺进一步优化;现代电炉应用的新技术有:热装铁水技术、辅助能源和强化用氧技术、直接还原铁和改性铁应用技术、底吹搅拌技术、水冷电极技术、钢渣烟尘资源综合利用技术等。

  3.3.1电炉热装铁水技术

  电炉热装铁水技术是现代电弧炉炼钢的一项新技术,其显著特点是为电弧炉带来大量的物理热和化学热。实践证明,它不仅能缩短供电时间和冶炼周期、降低冶炼电耗、稀释废钢中有害元素、利于生产优质钢液、开发新钢种提高产品竞争力,且可解决铁液过剩和废钢短缺的问题,成为电炉炼钢降低电耗、提高质量的有效手段。

  由于废钢资源、价格及质量等因素的制约,电炉有转炉化的趋势,热装铁水的比例也越来越高。但热装铁水有一个最佳的加入时间和最佳加入比例,安钢100t烟道竖炉电弧炉的生产实践证明,在其现有生产条件下,最佳铁水比为31%,热装铁水比例与冶炼周期的关系见图3。

  3.3.2辅助能源和强化用氧技术

  为降低电耗及能耗成本,提高能量输入强度以缩短冶炼周期,采用了多种形式的能量利用技术,如大流量机械式碳-氧枪、集束氧枪、二次燃烧技术、氧-油烧嘴、底吹燃料和氧气等技术。另外,为利用炉气中的余热,各种废钢预热手段也相继出现。

  电炉炼钢中辅助能源的利用,首先是吹氧助熔、切割炉料、加热冷区和活跃熔池。随着电炉容量的增加、生产速率的加快,电炉炼钢过程中使用辅助能源日益受到重视。辅助能源以化学能为主,其效果有:补充电能不足,提高电炉炼钢生产率和生产效率;用较廉价的化学能部分代替电能;利用氧气和氧燃烧嘴加热冷区,改善传热、提高热效率、二次燃烧等。

  电炉炼钢过程可利用的废弃能量,逸出的炉气中CO所携带的化学余热,CO氧化生成CO2的二次燃烧所释放出的热能约是碳氧化生成CO的两倍。然而,电炉炼钢过程产生的炉气收集以及二次燃烧产生的热量回收尚有较大的节能潜力。在废钢预热装置中回收二次燃烧产生的热量是一个合理的措施。

  3.3.3直接还原铁和改性铁应用技术

  使用直接还原铁为电炉炼钢提供纯净铁源是近年来世界重要的发展方向。世界范围内各种直接还原铁的产量自1990年以来已增加了一倍多,其产量与电炉钢产量之比大约为15%,已成为电炉炼钢重要的铁源。直接还原铁和热压块的使用量正在增加,特别是用于生产残留元素含量低的长材和扁平材产品。它们在电炉上的应用,有助于缩短冶炼周期,且每吨原料的电能需求量降低了70kWh,还能提高金属化率,有助于提高电炉炼钢厂的生产率。实践证实,热压块可在各种不同类型的竖炉中有效预热。

  安阳钢铁公司成功自主研制开发了改性铁的生产和应用,实践证明,改性铁在缩短冶炼时间、减少装料次数、改善钢的纯净度等方面具有明显优势。在熔化过程中,改性铁自身的氧化还原反应又促进了熔池的搅拌,提供了良好的传热条件和去除气体条件,因此是一种良好的废钢替代品。

  3.3.4其它相关技术

  应用于电炉炼钢流程的其它相关新技术有:如底吹搅拌技术、电极喷淋技术、泡沫渣埋弧冶炼技术、钢渣粉尘资源综合利用技术等,它们都为电炉钢提高质量、降低成本提供了保证。

  研究表明,电炉应以氮代氩底吹,电炉出钢氮含量可低于30×10-6;电极喷淋技术的应用,可使吨钢电极消耗降低了0.3~0.4kg;泡沫渣埋弧冶炼技术,有利于提高电炉热效率、节约电能、缩短冶炼时间等;在钢渣粉尘资源综合利用方面,研究表明,钢渣在农业上可以用来制作化肥,对提高农作物产量有显著效果。关于电炉粉尘中锌、镍、铬、铅等多种金属化合物的回收利用,也有许多成熟和正在研发的新技术。

  3.4优化品种结构,生产高附加值产品

  对于电炉冶炼钢种的品种结构,目前的优化方向应着眼于:转炉流程不适合生产的高合金钢、高温合金和大锻件等;转炉流程能够生产目前在国内产量还不高的一些合金钢种;过去仅能用转炉流程生产的、现代电炉亦能生产的一些品种,如高附加值的板材(薄板、中板、厚板);优质高碳钢(如预应力钢绞线、钢帘线)和低合金钢(如合金冷镦钢)等。

  另外,对于电炉钢中传统意义上的有害元素(如N、Cr、Ni、Cu),应予以全面考虑,如过去认为氮加入钢中将产生脆性而必须除去,现在开展了钢中加氮来提高强度的研究,并用它来提高韧性、疲劳强度和耐蚀性等性能,而且因其环境和谐性和生体适应性优良等特点越来越受到人们的关注。日本正进行对氮代镍的研究,用于生产不锈钢。而对于富含Cr、Ni、Cu的废钢资源,用于生产耐候、耐蚀性钢可降低贵合金成本。

  4进一步发展电炉炼钢,推动循环经济

  循环经济的最终目的是实现经济的可持续发展,钢铁工业可持续发展的最重要标志,一是要尽量减少自然资源,如不可再生的铁矿石、焦炭消耗;二是要尽量减少由不可再生资源煤转化而来的能源消耗;三是要尽量减少钢铁制造过程中CO2等有害气体和固态废弃物向大气、水、土壤的排放与污染。从整个钢铁工业系统看,对一定规模的年产钢量,提高电炉钢比例,显然有利于循环经济。

  4.1优化电炉炼钢流程

  要实现电炉的高效化生产,电弧炉容量大型化是基础,缩短冶炼周期是核心,而前提则是流程优化。目前代表性的流程有,普通钢长型材:超高功率电炉 —LF炉—小方坯连铸机;合金钢长型材:超高功率电炉—RHLF—VD—大方坯连铸机;扁平材:超高功率电炉—LF(VD)—板坯(薄板坯)连铸机;不锈钢:超高功率电炉—AODVOD—连铸机(一步法)、超高功率电炉—AOD+VOD—连铸机(二步法),最常见的流程如图4所示:

  安钢进行了100t电炉流程优化的探讨,即采用高炉铁水—铁水罐扒渣—100t电炉脱磷—无渣出钢—转炉少渣吹炼—LF炉精炼—连铸—接高线、型棒和2800mm中厚板轧机的流程。该流程的技术思路是:把车间现有超高功率电炉改造成铁水预处理炉,在热装铁水(热装铁水比例可根据高炉铁水供应状况进行适当调整)条件下进行脱硅、脱磷预处理,在无渣(或少渣)出铁条件下获得低磷铁水(半钢)。然后,在现有100t转炉内利用初炼炉生产的低硫、低硅、低磷铁水进行少渣炼钢,在保证钢水洁净度的前提下,基本满足现有方坯和板坯铸机多炉连浇和高线轧机、型棒材轧机及2800mm中板轧机生产品种钢的进度要求,建立起高效率、低成本的洁净钢生产平台。

  4.2提高电炉钢比例

  电炉钢比例低,直接影响吨钢能耗,增加温室气体排放,我国生产一吨电炉钢与生产一吨转炉钢相比,可以多利用废钢500~600kg,少消耗能源350kg标煤,少排放CO21589kg,减少废渣600kg,减少新水消耗1~3t。

  从国际上看,全球电炉钢比已达31%以上,若以我国年产钢5亿t计,电炉钢比将从10%提高到25%,电炉钢总产量将达1.25亿t,每年可少用铁矿石9750万t,节能2625万t标煤,减少CO2排放1.192亿t。如能使我国的电炉钢比例接近世界平均水平,即从10%增加到30%左右,则每年可减少铁矿石消耗1.3亿t以上,减少CO2排放约1.6亿t,节约标煤0.35亿t。因此,提高电炉钢比例是促进我国钢铁工业可持续发展的必然途径,电炉钢的发展是循环经济的需要。

  4.3制定相关政策,引导可持续发展

  由于钢良好的可再生性及环境、资源和能源等方面日益苛刻的要求,尽可能多的利用废钢将成为世界趋势。以废钢为主要原料的电炉流程,因其具备经济效益与环境优势,成为发展循环经济的需要。

  发展钢铁工业循环经济要依靠管理创新、技术创新、工艺优化和政策支持。现阶段提高我国电炉钢比例,政策支持尤为重要。建议国家出台有关新的钢质量标准和有害气体CO2等的排放税收政策和超标排放的罚款政策,以减少甚至消除电炉钢和转炉钢的成本差距,引导支持企业从整体利益考虑,从长远考虑。

  新的钢质量标准的制定(如重新制订钢中氧、氮、硫含量要求),有利于淘汰落后产能。同时在相同的国民经济发展需求下,提高钢质量可减少钢的消费总量,这样资源、能源消耗和排放也会相应减少。制订环保政策可以减少CO2等排放导致的温室效应,建议政府制定吨钢CO2排放量标准,借鉴发达国家相关政策,超标排放在原则上不允许生产;企业要生产时,须购买生产许可证,按200元t钢计算,则环保成本的改变可使转炉钢与电炉钢的成本基本相当,从而促进对现代电炉钢发展的新一轮投资。

  5结论

  在钢铁生产中,成本是决定性因素,近几年电炉钢比例的逐年降低是其成本高于转炉钢引起的。目前转炉钢比例已出现过剩,而电炉钢比例的上升是必然的。

  电炉钢流程必须依靠自主创新来支撑电炉炼钢工艺,进一步优化工艺,缩短冶炼时间,采用新技术降低成本。随着中国工业化进程的推进,废钢、电力等资源问题的解决,短流程的优势会凸显出来。同时,电炉钢的发展也是循环经济的需要,应在政策上给予相应扶持

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