变压吸附技术领航者
深度盘点!电弧炉炼钢技术的最新技术进展
发布者:admin 2019-04-29 | 1434

(本文转载自《世界金属导报》)

我国“十三五”《钢铁工业调整升级规划(2016-2020 年)》指出 :加快发展循环经济,按照绿色可循环理念,注重以废钢为原料的短流程电炉炼钢的发展。可以预见,随着我国“长流程”炼钢向“短流程”炼钢的转换及节能环保的需要,电弧炉炼钢将迎来新的发展机遇,再加上我国废钢铁资源和电力能源的逐步丰沛,电冶金工艺尤其是电弧炉短流程工艺将受到越来越多地关注。

近年来,电弧炉炼钢在高效冶炼、节能环保及智能控制等方面取得了长足进步,电弧炉炼钢的工艺技术水平明显提高;同时,各种新型电弧炉得以开发并应用,大大推动了钢铁工业技术的进步。

1 电弧炉炼钢技术进展

近 30 年来,电弧炉炼钢技术发展迅速。工艺方面,采用废钢预热、强化吹氧助熔、泡沫渣、二次燃烧、底吹搅拌和钢包精炼等技术;设备方面,采用提高变压器输入功率水平、改造短网实现合理的电气运行、电极自动调节、炉门自动机器人、废钢破碎分选等技术 ;新型电弧炉开发方面,也出现了 Consteel EAF、 Quantum EAF、ECOARC EAF、CISDI-Green EAF 及SHARC EAF 等诸多新技术。纵观电弧炉炼钢技术的发展历程,其技术进步主要围绕着电弧炉炼钢高效化、洁净化、绿色化、智能化四个方面开展。

1.1 高效化

1.1.1 合理化供电技术合理的电气运行制度是电弧炉炼钢最基本的保障,合理的电气运行制度的制定,都是围绕最佳工作点的选择展开,工作点主要是指电弧炉电气运行的工作电流和电压,其他电参数如视在功率、有功功率、无功功率、电弧功率和功率因数等均可由此推出。为了适应多种复杂炉料结构,在冶炼工艺条件下,合理发挥变压器供电能力,实现炼钢高效、节电的目的,北京科技大学开发了超高功率电弧炉变压器指数型非线性工作电抗模型,通过建立不同容量、多级工作电压下电弧炉变压器电气运行特征数据库,真实反映电弧炉变压器实际运行状况;通过构建匹配电弧炉变压器运行的供电操作数学模型和特征曲线,保证电弧炉变压器的电能高效输出和低耗稳定运行。

1.1.2 强化供氧技术

如何根据生产工艺向电弧炉内高效输入化学能(氧气、燃料等)直接影响到钢的质量、能耗和生产作业率,是电弧炉炼钢的关键。由此,多种形式及功能的电弧炉化学能强化输入技术得以开发。

1)炉门供氧技术。

电弧炉炉门吹氧设备按水冷方式分为两大类,一类是水冷式炉门碳氧枪,一类是消耗式炉门碳氧枪。水冷式炉门碳氧枪具有氧气利用率高,泡沫渣效果好,脱碳、脱磷效果稳定以及自动化程度高等优点,但操作中不能与钢液接触,有一定局限性。消耗式炉门碳氧枪在炉内可更早地开始切割废钢并与钢液接触,炉内活动空间大,但操作过程中隔一段时间需要接吹氧管,较为麻烦。

2)炉壁供氧技术。

电弧炉炉壁供氧是为了消除炉内冷区,保证炉料均衡熔化,利用炉壁模块化控制喷射纯氧,以提高电弧炉的比功率输入,提高生产效率。炉壁氧枪主要有脱碳、助熔、二次燃烧及造泡沫渣等功能。炉壁氧枪的安装方式与传统的安装方式相比较,安装位置更接近熔池,射流到熔池的距离与传统的安装方式相比缩短了 40%-50%,可大大提高熔池脱碳速度和氧气利用效率;可将熔池内的燃烧与熔池上方的燃烧有机结合起来,提高了冶炼过程热效率;可在炉内实现多点喷射,精确控制吹氧量和碳粉喷吹量,泡沫渣效果好。

3)EBT 供氧技术。

现代电弧炉均采用偏心炉底出钢(EBT)技术,使得EBT 区成为电弧炉内冷区之一,造成该区的废钢熔化速度较慢、熔池成分与中心区域成分差别较大等问题。在偏心炉侧上方安装 EBT 氧枪进行吹氧助熔,可促进 EBT 区域废钢熔化,完全解决了 EBT 区域废钢在出钢时还未熔化及造成的出钢口打不开等问题,并在出现熔池后,提高 EBT 区的熔池温度,均匀熔池成分。出钢时EBT区域的温度及成分与炉门口区域温度及成分的误差仅相差 0.5%-1.0%。

4)集束供氧技术。

针对超音速气体射流速度衰减快、氧气利用率低等问题,集束射流技术得以开发并应用,在主氧射流周围设置环状保护气流(由燃气和氧气燃烧产生),使得主氧射流超音速核心段长度延长,形成类似激光束一样的射流。其氧气流股的动能损失减小,具有极强的穿透力和搅拌力,实现向熔池高速供氧脱碳,改善了炉内热量和成分的均匀性,对促进钢渣反应、均匀钢水成分和温度、提高氧气利用率、提高金属收得率等有十分明显的效果。北京科技大学开发的 USTB 集束供氧技术,更适应国内电弧炉炼钢炉料结构特点,达到国际领先水平,并已在国内外百余座电弧炉上得到应用。

1.1.3 泡沫渣技术

在电弧炉冶炼过程中,在吹氧的同时,向熔池内喷碳粉或碳化硅粉,形成强烈的碳氧反应,在渣层内形成大量的CO 气体泡沫。通常泡沫使渣的厚度达到电弧长度的 2.5-3.0 倍,能将电弧完全屏蔽在内,减少电弧向炉顶和炉壁的辐射,延长电弧炉炉体寿命,并可以使电弧对熔池的传热效率从 30% 提高到 60%, 冶炼周期缩短 10%-14%,冶炼电耗降低约 22%,电极消耗减少约 2kg/t,并能提高电弧炉炉龄,减少炉衬材料消耗。因而使得生产成本降低,同时提高了生产率,也使噪音减少,噪声污染得到控制。

1.1.4 氧燃烧嘴技术

电弧炉炼钢已普遍采用氧燃烧嘴技术,保证炉料的同步熔化,更有效地发挥电极的作用。同时,氧燃烧嘴还可以强化一氧化碳的二次燃烧,有效缩短冶炼时间,提高电弧炉生产效率。目前,根据使用燃料的不同,氧燃烧嘴主要有油氧烧嘴、煤氧烧嘴、燃气烧嘴等几种形式,所用燃料有柴油、重油、煤粉和天然气等物质。

1.1.5 二次燃烧技术

电弧炉二次燃烧技术主要

有两种:泡沫渣操作二次燃烧技术和自由空间二次燃烧技术。由于自由空间二次燃烧(炉气燃烧)技术是使氧与熔池上方的 CO 气体反应,二次燃烧产生的热量通过辐射和对流方式向渣层传递,然后由渣层向钢液传递,其传热效率约为30%-50%;而采用泡沫渣二次燃烧技术,由于二次燃烧产生的热量,直接由炉渣向钢液中传递,其传热效率约为炉气二次燃烧技术的 2-3 倍。

1。2 洁净化

1。2。1 废钢破碎分选技术废钢的资源化利用在钢铁工业节能减排、转型升级方面扮演着重要角色。随着汽车、机电、家电等报废数量的不断增加,社会回收的废旧金属成分更加混杂,包含黑色金属、有色金属、非金属等。废钢的高效破碎与分选是保证电弧炉炼钢原料质量的前提与关键,对电弧炉炼钢实现洁净化冶炼至关重要。经破碎分选后的废钢,可大大提高原料的洁净度,为电弧炉炼钢提供了清洁可靠的原料保障。

1.2.2 电弧炉炼钢安全长寿底吹搅拌技术

电弧炉炼钢熔池冶金反应动力学条件差,熔池钢液成分、温度不均匀,终点氧含量和渣中氧化铁含量偏高,最终影响冶炼指标和钢液质量。北京科技大学开发的电弧炉炼钢安全长寿底吹技术,强化了电弧炉熔池搅拌,吨钢氧耗、钢铁料消耗、冶炼终点碳氧积及终渣氧化铁含量明显降低,脱磷效率进一步提高,冶炼终点钢液质量明显改善。目前,该技术已在国内外20余座电弧炉上得到应用,底吹元件寿命超 800 炉次,实现了电弧炉底吹寿命与炉龄同步。

1.2.3 电弧炉炼钢复合吹炼技术

以高效、低耗、节能、优质生产为目标,北京科技大学提出并研发的新一代电弧炉冶炼技术——“电弧炉炼钢复合吹炼技术”,以集束供氧、同步长寿底吹搅拌等技术为核心,实现了电弧炉炼钢供电、供氧及底吹等单元的操作集成,满足多元炉料条件下的电弧炉炼钢复合吹炼的技术要求。目前,该项目整体及单元技术已在国内百余家电炉厂应用,并出口至意大利、俄罗斯、韩国、伊朗等国。在天津钢管、莱芜钢铁、衡阳钢管等企业50-150t 电弧炉应用后,冶炼电耗降低 13kWh/t,钢铁料消耗降低 15.5kg/t,各项技术经济指标明显改善。

1.2.4 低成本脱磷技术

传统电弧炉冶炼低磷钢通

常采用多次造渣、流渣操作,冶炼周期长、渣量大、终渣(FeO)含量高、钢水过氧化严重、冶炼成本难以控制。

北京科技大学研发了电弧炉炼钢埋入式供氧喷吹技术,将供氧方式从熔池上方移至钢液面以下,将氧气直接输入熔池,加快了冶金反应速度。该技术显著提高了钢液流动及化学反应速度,有效控制了钢液过氧化,改善了熔池脱磷效率。在此基础上,开发了电弧炉炼钢熔池内氧气-石灰粉混合喷吹脱磷工艺,采用氧气将石灰粉直接在炼钢熔池内喷射,实现了电弧炉炼钢低成本快速深脱磷,吨钢石灰消耗改善明显,脱磷效果显著。

1.2.5 高效脱氮技术

北京科技大学在电弧炉底吹 Ar 搅拌技术基础上,基于CO2 物理化学特性和高温冶金熔池内 CO2 反应机理,开发出电弧炉 CO2-Ar 动态底吹脱氮技术,利用 CO2 强脱氮特性强化电弧炉熔池脱氮,全废钢冶炼终点钢液氮含量稳定控制在 45×10-6 以下,钢液质量显著改善。

1.3 绿色化

1。3。1 废钢预热技术

在电弧炉炼钢废钢预热方面,先后开发并应用了双炉壳、竖式和 Consteel 等废钢预热型电弧炉。双炉壳电弧炉由于余热效率低、设备维护量大以及二恶英等污染物排放等问题,已经退出市场;竖式预热电弧炉由于落料冲击影响指篦水冷结构寿命、维护量大、装备可靠性低等弊端,正逐步退出市场。Consteel 电弧炉由于具有生产环境良好、电网冲击小、加料可靠可控、烟气余热利用效率高等特点,得到广泛应用。目前,国内外最新研发的主流电弧炉主要是在原有废钢预热电弧炉基础上发展起来的。

1.3.2 余热回收技术

目前,电弧炉余热回收技术主要有 Tenova iRecovery、中冶赛迪全余热回收等技术。Tenova iRecovery 将加压水(150℃ /5bar 至 270℃ /55bar)在废气管道中流过,接近沸点的水通过蒸发吸收废气中的余热,可回收电弧炉炼钢烟气中 35%-70% 的热量;中冶赛迪等企业开发的全余热回收技术,采用耐高温长寿命汽化冷却烟道、高效烟气燃烧沉降室和列管式余热锅炉等,实现电弧炉第四孔至余热锅炉过程烟气全余热的稳定回收和高效除尘,解决了传统余热利用率低的难题,电弧炉炼钢烟气余热回收利用率提高了 10% 以上。

1.3.3 二恶英治理技术

电弧炉炼钢二恶英的削减途径,主要体现在二恶英形成源、形成过程及尾气净化三方面。相关研究重点主要集中在源头抑制和合成抑制方面。源头抑制方面 :通过在线检测和人工拣选,对废钢进行严格分拣,最大限度地减少甚至杜绝含氯源物质废钢入炉。合成抑制方面:利用炉内温度控制、快速冷却、催化/抑制剂添加,抑制电弧炉烟气二恶英再生成。如何高效率、低成本实现电弧炉炼钢过程二恶英治理,将是下一步研究的重点。

1.4 智能化

1。4。1 电极智能调节技术目前,电弧炉电极智能调节技术较多,其中,中冶赛迪开发的新一代智能型电极调节系统 ——DMI-AC, 包括抗强电磁干扰的高速数字信号分布化采集-集中处理-网络数字化传输系统和多策略、多约束优化的柔性智能控制系统两大核心技术,由日本Steel Plantech 总包越南 VKS 公司90t电弧炉项目采用该技术后,电极调节电气响应时间降低至60ms,穿井期和熔清期电流波动率分别 <33% 和 <14%,优于国际先进水平。

1.4.2 冶炼在线检测技术近年来,随着科学技术的发展,国内外研究人员开发了一系列电弧炉冶炼过程的检测技术。我国自主研发的USTB非接触式钢液测温系统,通过安装在炉壁的非接触测温装置,利用多元测温气体喷吹,获取钢液温度特征信号,建立的钢液温度信号处理模型,可实现熔池温度测量及预报。

自主开发的 USTB 炉气分析系统,可准确测量炉气的温度、流量以及炉气中各气体等成分,利用采集的信息和自身的控制模型对冶炼过程分析、判断并控制。

1.4.3 多功能炉门机器人

面对电弧炉炼钢区域环境恶劣、危险、繁重人工作业及冶炼精准化工艺控制需求,一系列自动化测温取样新技术逐渐开发并推广应用。国内相关单位正在进行电弧炉多功能炉门机器人的研发、推广工作。目前,国内大部分电弧炉炼钢企业仍采用传统的人工取样测温方式,随着先进的自动测温取样装置的国产化,国内电弧炉炼钢开始逐渐采用该技术。

1。4。4 质量分析监控及成本控制系统

随着电弧炉冶炼技术的发展,仅仅依靠操作者的经验来控制电弧炉生产,已经无法适应现代电弧炉炼钢的生产节奏。通过数据信息的交流和过程优化控制,可以使电弧炉炼钢过程的成本控制、合理供能等环节最优化,并可降低成本、提高效率。然而,国外引进的相关系统,由于国内复杂的原料结构和特殊的冶炼工艺,很难发挥其效能。北京科技大学开发的电弧炉炼钢质量分析监控及成本控制系统,对电弧炉单炉成本进行预测与实时计算,并提供不同炉料结构的供电、供氧优化指导曲线及优化,对精炼炉单炉成本进行预测与实时计算,并提供优化的合金与渣料组合。目前,该系统已在国内外多座电炉推广应用。

2 国内外主要电弧炉技术特点分析

近年来,国外电弧炉炼钢技术发展迅猛,相继研发出诸如 FastARC、Quantum、 ECOARC 等多种新型电弧炉炉型。相比较而言,我国炼钢工艺长期由以高炉 - 转炉为主体的“长流程”主导,电弧炉炼钢研发相对薄弱,但在中冶赛迪、北京科技大学等单位的共同努力下,也开发出了CISDI-Green EAF 等新型电弧炉技术。

2.1Quantum EAF Quantum EAF是德国普锐特公司最新研发的高效、节能、环保型电炉。其废钢连续预热系统在热循环期间利用炉内废气,可对所有待熔化的废钢进行均匀预热。其独特性在于:具有高效率的炉料连续预热系统、新型连续加料系统、出钢时下炉壳单独倾动系统、加料和出钢均不断电系统。  

Quantum EAF 自动化程度较高,几乎能够实现全自动运行。从废钢装料到出钢,所有步骤都至少是半自动执行。这是向工业 4.0 发展迈出的一大步。目前,墨西哥 Tyasa 厂已投产一座 100t 量子电弧炉,我国桂林平钢计划投资建设一座 120t 量子电弧炉。由于废钢通过电炉产生烟气进行预热,量子电弧炉在降低电耗、缩短冶炼周期上有一定的优势,但其手指系统的稳定性还需进一步确认。

2.2 ECOARC EAF ECOARC EAF 是日本开发的一种新型高效率电弧炉,具有先进的能量回收和环保技术。ECOARC EAF 使用高温废气预热废钢,将废钢装入连接在炉壳上的“竖型”预热室中。预热室与炉体紧密连接,防止空气渗透进入炉内,实现密闭化操作,显著降低钢中氮含量。在 ECOARC EAF 生产过程中,废钢每炉分 10-13次半连续投入,全过程处于“平熔池”状态。

此外,通过使用废气中所含的 CO 气体,加上少量的燃料燃烧,燃烧后废气通过冷却室内的喷水快速冷却,就可避免有害化学物质(二恶英)的产生。ECOARC EAF在日本已实现二恶英排放低于0。1ng-TEQ/Nm3。

ECOARC EAF 已在包括日本、韩国、泰国在内的共计6 家钢铁企业得到应用,在我国尚无应用。相比常规电弧炉,其报道数据在冶炼周期、电极消耗等指标上,有较为明显的优势,但其设备维护较为困难(炉体体积较大、竖井无法分离、耐材在线更换),投资成本较高。

2。3 Consteel EAF

Consteel EAF 是世界上第一座已证明可灵活使用金属原料的废钢预热型电弧炉,也是目前国内应用最成熟的连续加料型电弧炉。Consteel 电弧炉具有生产环境良好、电网冲击小、加料可靠可控、烟气余热利用效率高等特点,但受二恶英排放的影响,在欧洲市场受到限制,同时还存在动密封漏风、生产线过长等不利因素,其运行成本也较高。

2.4 SHARC EAF

SHARC EAF 炉缸形状对称设计且带有 DC 电流集成技术,这项技术使高温废气在预热竖炉中的停留时间更长,热传输效率更高,能保证使用低密度废钢(堆重比0。25-0。3t/m3)且没有额外预热时,生产也能高效经济地进行,废钢熔化均匀,但该系统的设备维护量较大,装备的可靠性有待进一步提高。

2。5 CISDI-Green EAF

由中冶赛迪主持,联合北科大、长春三鼎变压器、无锡红旗除尘等多家单位组成的中国绿色智能电炉产业联盟,成功研发新型节能环保型电弧炉CISDI-Green EAF,针对废钢尺度宽容性要求和废钢预热装置维护困难等问题,采用了独特的电弧炉差动密闭 - 阶梯扰动连续加料和侧顶斜槽加料技术,把废钢加料到接近电弧炉中心区域,改善废钢预热型电炉的冷区,配合烟气废钢预热技术,可显著降低电弧炉冶炼过程的运行电耗。

该技术采用全密闭加料方式,在除尘口配合除尘口开度控制,保证加料时粉尘和烟气溢出最小,解决了开盖加料造成大量的热损失问题,降低了生产过程的烟尘排放。

CISDI-Green EAF 通 过自身结构的变化,来对废钢预热过程烟气温度进行控制,通过调节分流除尘管道和主除尘管道的流量比例,对废钢预热后的烟气温度加以精准控制,从而抑制二恶英的产生。烟气通过急冷室急速冷却,实现了对烟气冷却过程二恶英再次合成的抑制。

2.6 国内外主要电弧炉的技术指标对比

上述国内外主要电弧炉应用技术指标和环保技术指标对比情况分别见表 1 和表 2。


表 1 国内外电弧炉炼钢应用技术指标(全废钢)

企业名称

Primetal

Steel Plantech

TENOVA

SMS

CISDI

电弧炉

Quantum

ECOARC

Consteel

SHARC

GreenEAF

公称容量,t

100

70

100

100

70

金属收得率,%

92

95

90

92

91-93

冶炼周期,min

45

42

39

55

45

氧气消耗,Nm3/t

35

34

33

35.9

20-30

电极消耗,kg/t

0。9

0.7

1.2

0.6

1.1-1.4

电能消耗,kWh/t

310

250

348

280

320

燃气消耗,Nm3/t

4。0

4.0

5.8

6。4

4.0

碳粉消耗,kg/t

17.0

40.0

16.0

8。0

20.0

 

表 2  国内外电弧炉炼钢应用环保指标

企业名称

Primetal

Steel Plantech

TENOVA

SMS

CISDI

电弧炉

Quantum

ECOARC

Consteel

SHARC

GreenEAF

公称容量,t

100

70

100

100

70

炉料结构

100%废钢

100%废钢

100%废钢

100%废钢

100%废钢

粉尘排放,kg/t

<12

10

15-18

-

<12

二恶英排放, ng-TEQ/Nm3

<0.1

<0.1

<0。1

<0.1

0.1-0.5

噪音,Db

94

87

95

-

-




3 结论与展望

在我国,电弧炉炼钢不仅生产普通棒线材,也是高品质特殊钢冶炼的主要工艺流程。在电弧炉高效节能冶炼的基础上,其产品的洁净化、生产过程的绿色化和智能化在电弧炉炼钢领域的重要性将日益凸显。可以预见,更先进的电弧炉洁净化冶炼工艺、更绿色的生产技术以及更可靠全面的流程智能化检测与控制,将成为今后电弧炉炼钢技术的主要发展趋势。加快电弧炉炼钢技术创新,提升电弧炉炼钢流程产品质量和产品竞争力,提高电弧炉炼钢的绿色制造和智能制造水平,将对我国钢铁工业结构调整和转型升级起到重要推动作用。




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