我国电弧炉炼钢发展现状
2018-12-24 14:17:59   来源： ()　   评论：0 点击：

　　1中国电弧炉炼钢产量持续增长　

　　2003年我国电炉钢产量占比最高达17.6%， 2016年占比下滑到最低点7.3%，产量仅为5884万吨。2003年我国粗钢产量为2.22亿吨，2016年增加到8.08亿吨，主要是由于转炉钢产量的提高。

　　造成电炉钢产量比例低的原因是电炉炼钢成本方面的竞争力低于转炉炼钢。主要原因是2003-2016年间，①国内废钢资源的供应紧张，废钢使用成本高；②工业电价偏高，造成电炉炼钢铁水兑入比例持续升高，甚至出现了不用废钢的全铁水电炉转炉化冶炼方式，不能充分发挥电弧炉炼钢在资源能源节约、环境友好方面的优势；③由于炉外精炼技术的完善，一些原来由电炉流程生产的轴承钢、齿轮钢以及不锈钢等传统特钢产品，转炉流程占了大部分产量，电炉炼钢除在铸造行业及高合金钢生产领域仍占一定地位外，生产特钢的优势明显下降，严重阻碍了电弧炉炼钢产量及技术在中国的发展。

　　2017年国家大力淘汰中频炉“地条钢”产能1.2亿吨，落后钢铁产能5000万吨，废钢量达1.4亿吨，废钢资源以及电力供应情况得到改善。同时，对钢铁行业节能减排及加强环保督察等工作的日益重视，不少电炉生产企业积极复产或部分企业新上电弧炉，为中国电炉炼钢的发展提供了机遇。2017年我国电炉钢产量约7750万吨，2018年全国电炉钢产量将继续增加，具有明确计划投产的电弧炉产能合计1560万吨左右，再加上2017年新建和复产产能的完全释放、老电弧炉的技改、产能利用率的提升，增量有可能超过3000万吨。

　　据统计，2018年上半年中国电炉钢产量累计约为5183.2万吨，所占比例为11.9%，预计2018年全年产量有望达到1亿吨。目前，还有56座电炉计划2018-2023年投产，产能约4700万吨。预计2025年中国废钢产生量将达2.8亿吨，巨大的废钢资源量，必然促进以废钢为主要原料的电弧炉炼钢产量的提高和技术的发展，预计2025年电弧炉生产的粗钢产量占比将达到20%-25%。

　　2电弧炉所用原燃料结构

　　2.1电弧炉所用的金属料

　　废钢是电弧炉冶炼的最主要原料。废钢资源不足是影响电弧炉炼钢发展的主要原因。废钢来源一般有三个方面，即钢铁企业在生产过程中的自产废钢、工矿企业在生产过程中的加工废钢、社会（生产、生活、国防等）废弃钢铁材料（包括拆旧废钢如：报废汽车、舰船、钢结构桥梁与建筑钢等）。由于技术的进步，前两个原因产生的废钢量下降，社会废钢量不断增加。由于社会废钢重复使用或含有较多量的Cu、Sn、As、Pb等不易去除的有害元素，造成一些有害元素在钢中富集，废钢质量下降。为了解决废钢短缺及质量下降的问题，必须开发废钢替代品。目前，主要的废钢替代品有：铁水（生铁）、直接还原铁（DRI）、脱碳粒铁、碳化铁、复合金属料等。

　　2.1.1铁水（生铁）

　　现代电弧炉广泛采用碳氧枪、二次燃烧、氧燃烧嘴技术、炉气二次燃烧技术等，吸收融合了转炉强化冶炼技术，特别是供氧强度大大提高，用氧量高达30Nm3/t左右，有的甚至超过40Nm3/t，接近转炉用氧量。与之相应的是配碳量提高，加铁水（生铁）是最有效的配碳方法。当铁水加入量较大时，由于氧化钢液中的元素（主要是碳），产生大量的化学热，冶炼时可有一段时间不供电，即电炉转炉化冶炼，我国甚至出现了全铁水电炉转炉化冶炼方式。长流程钢铁企业有电弧炉的基本都采用加铁水工艺，而且部分电弧炉流程钢厂新建高炉提供铁水，以解决废钢资源短缺及电炉流程生产成本高的问题。新建高炉为电弧炉供给铁水的方法，从目前及今后的发展来说不可取。

　　电弧炉炼钢加铁水技术具有以下优点：

　　1）对非平熔池冶炼炉型，可以优化供电，提前形成熔池，增加大功率供电时间，缩短冶炼周期；2）增加物理热和化学热，提高热效率；

　　3）可以稀释钢液中的有害金属杂质元素含量。

　　加铁水量不是越多越好，将铁水比控制在30%-50%是较为合适。当供氧强度较低时，最佳铁水比约为30%左右；供氧强度大时，铁水比可达50%。德国普锐特公司开发的Quantum 电弧炉，为了获得足够好的预热效益，提出废钢至少应当使用50%。全铁水电炉转炉化冶炼方式，已使电弧炉失去了在可持续发展方面的优越性。

　　生铁主要是将铁水（液态铁）铸造成铸锭，全球生铁在电弧炉中的平均使用量为金属总量的5%-10%。

　　2.1.2直接还原铁

　　目前，95%的直接还原铁用于电弧炉生产。直接还原是指铁矿石和含铁氧化物，在低于熔化温度之下，还原成金属产品的炼铁过程，一般在竖炉或回转窑中进行。根据产品不同，分为海绵铁、金属化球团及热压块铁三类。生产方法有气基直接还原法和煤基直接还原法。国内某电炉厂使用直接还原铁的数据如表1所示。由表1的数据可以得出电弧炉炼钢使用直接还原铁的优点：

　　1）化学成分稳定，有害杂质少，特别是P、S、N含量，有利于生产高附加值产品；2）质量稳定和低残余类元素（如铜小于0.002%），可以很好地稀释废钢中有害元素，增加废钢供应的选择空间；3）海绵铁和热压块铁可以连续地装入炉内，断电时间少、热损失小，有利于节电，也有利于缩短电炉的冶炼时间，提高产量；4）有利于造泡沫渣，延长炉内耐材和电极使用寿命。

　　但由于脉石及氧化铁在直接还原铁中的含量较高，增加了冶炼难度，石灰、电耗、熔化时间等指标均受到影响，因此不宜大量使用，一般用量不超过20%，国内有研究表明，使用量控制在12%为最佳。但是，在国外DRI的使用量已超过50%。

　　2.1.3脱碳粒铁

　　脱碳粒铁的全称为脱碳粒化生铁，是在高炉出铁时，经过高压水淬火，制取不同粒度的粒化生铁（3-10mm）。然后将其装入回转窑，通入一定量的混合气体，加热至一定温度，进行生铁脱碳，得到可供电弧炉炼钢所用的原料。脱碳粒铁的成分如表2所示。

　　电弧炉使用脱碳粒铁具有以下优点：

　　1）脉石含量较直接还原铁低1%-3%，可降低电耗约10%；2）S、P含量低，杂质元素也较直接还原铁低；3）粒铁表面少量的FeO，有利于电弧炉造泡沫渣。

　　2.1.4碳化铁

　　生产碳化铁的基本原理是将铁矿石送进具有一定温度、压力的流化床反应器中，通入预热的工业气体（CO、CO2、CH4、H2、H2O蒸汽）与其发生反应生成碳化铁，其反应式为：

　　3 Fe2O3+ H2+ CH4= 2Fe3C+9H2O

　　碳化铁成分如表3所示。

　　由表3可见，碳化铁中含碳量高达6%，可满足现代电弧炉炼钢高配碳的要求，并且具有以下优点：

　　1）有利于电炉低氮钢的生产，电弧炉喷吹碳化铁炼钢时，钢中的氮含量从0.007%降低到0.003%-0.004%；2）有利于造泡沫渣，使用碳化铁作原料时，即使不向熔池喷吹碳粉，也能很好地造泡沫渣；3）有利于降低脱硫成本。碳化铁洁净，硫、磷含量低，一些扁平材生产厂使用部分碳化铁取代炉料中铁水，很容易降低吨钢脱硫成本；4）有利于节能。碳化铁可在电弧炉炉顶加入，无需开启炉盖，减少了温度损失。

　　2.1.5复合金属料

　　复合金属料是俄罗斯研制成功的一种用于替代炼钢生铁、球团矿、合格炉料坯及废钢的新型炉料。它是通过铸铁机，利用熔融的铁水和一定的配加工艺，填加15%-25%的填加料（烧结矿或球团矿），经冷却固结后而形成的。主要由炼钢生铁和内封的氧化铁组成。开发的复合金属料成分如表4所示。

　　在电弧炉上应用时，较低温度下（1150-1200℃）即可形成泡沫渣。复合金属料块熔化时，“封存”于其中的填加料铁氧化物温度高于1100℃时，即开始与铁中的杂质进行化学反应，并形成渣相和CO；温度高于1200℃的情况下（低于废钢的熔化温度），电弧炉内就已经形成了可流动的起泡液体渣，连续地释放出一氧化碳气泡。实践表明：应用复合金属料，减少了氧气的消耗量，降低了电耗，缩短了冶炼时间。

　　综上所述，电弧炉配加一部分废钢替代品，不仅弥补了低残余元素废钢的不足，而且提高了钢水的纯净度，但也存在增加环境污染（主要是CO排放量）、提高生产成本以及浪费某些金属元素的缺点，尤其当大量配入时，废钢利用率下降。电弧炉所用造渣料与转炉类似。　　

　　2.2电弧炉所用的燃料

　　电弧炉所用的主要燃料包括氧气、天然气及碳粉。

　　强化用氧技术的发展和应用，对电弧炉炼钢经济指标的改善起到了重要的作用。其中氧燃烧嘴、炉门氧枪和二次燃烧是主要的用氧方式，将它们结合使用，可起到改善熔池搅拌效果、促进冶金反应、降低电耗以及提高生产率等作用。

　　氧燃烧嘴可以保证冷区的温度，强化二次燃烧，因此，能有效地缩短冶炼时间，提高电弧炉的生产效率。

　　炉门碳氧枪的氧气以超音速离开喷头，穿透炉渣进入钢液进行冶金反应，碳粉则通过压缩空气载体喷入炉内造泡沫渣，并还原钢渣中的氧化铁。炉门碳氧枪具有提高热源、脱碳和形成泡沫渣的作用。侧壁碳枪所用碳粉，通过压缩空气载体喷入，为造泡沫渣提供碳源，保证泡沫渣质量的改善。目前，国内主要电弧炉燃料的消耗情况如表5所示。

　　3电弧炉炼钢装备的发展

　　现代电弧炉炼钢技术的发展与LF精炼技术的出现和发展有着密切的关系，它使电弧炉的冶炼功能简单化。如图1所示，电弧炉炼钢功能的演变过程包括以下三个阶段：

　　第一阶段：包括熔化、氧化、还原的传统型电弧炉。

　　第二阶段：由于出钢槽式电弧炉炉型的原因，电弧炉必须造好还原渣才能出钢，钢渣混出，还原精炼的任务由LF来完成。

　　第三阶段：无渣出钢技术的成功开发，还原期全部由LF精炼完成，形成了电弧炉（EAF）＋钢包精炼（LF）＋连铸（CC）的现代电弧炉炼钢流程。

　　电弧炉炼钢技术的发展是围绕缩短冶炼周期和降低能耗，与此相应促进了电弧炉装备的发展。

　　20世纪60-70年代，主要是发展超高功率供电及其相关技术，包括高压长弧操作、水冷炉壁、水冷炉盖、泡沫渣技术等，并开始采用钢包精炼及强化用氧技术。但这一阶段，电弧炉容量较小，采用炉体倾动还原渣出钢方式，仅是部分还原期移至炉外进行。

　　20世纪80年代初，钢包精炼（LF）技术及偏心炉底出钢（EBT）技术的应用，将全部还原期移至炉外进行；应用超高功率供电，充分利用变压器功率，提高熔化速度，缩短冶炼周期。

　　20世纪80年代末，大型超高功率直流电弧炉问世，由于其对电网冲击小﹑石墨电极消耗低的原因，占据绝对的优势。与此同时，高配碳、强化用氧技术（包括超音速氧枪﹑碳氧枪﹑氧燃烧嘴﹑底风口﹑二次燃烧技术）趋于成熟，奥钢联将其称之为K-ES技术，达涅利公司将其称之为Danarc技术，德马克公司将其称之为Korf arc技术。这一阶段废钢预热开始，大量化学能和物理热的输入增加了新能源，使得冶炼周期大大缩短，电极消耗进一步降低。

　　20世纪90年代中期，由于连铸单流产量提高，一机多流、多炉连浇技术的发展以及薄板坯厚度的增加，要求进一步缩短冶炼周期，交流电弧炉与直流电弧炉形成竞争发展的趋势。这时更加关注废钢预热，即二次燃烧和烟气显热的利用问题，不同的废钢预热方式产生了不同类型的电弧炉，它们分别是Consteel电弧炉、烟道竖炉电弧炉、Comel t中心废钢预热竖炉电弧炉、带手指烟道竖炉电弧炉、MSP多级废钢预热电弧炉、Danarc Pl us电弧炉、Conarc电转炉、Contiarc电弧炉。废钢预热必须考虑排放废气中有害气体CO﹑二恶英（Dioxin）和呋喃（Furan）等的含量，料篮废钢预热因二恶英及呋喃等有害气体含量超标被淘汰。

　　进入2000年，出现了Ecoarc技术，它不仅具有废钢预热的优势，还可使二恶英和呋喃排放量降低到0.1ngTEQ/Nm3以下，可满足日本和欧洲有关环保要求，成为对环境友好的电弧炉技术。2003-2016年间，由于国内废钢短缺及电力价格高的原因，严重阻碍了电弧炉炼钢技术及装备在中国的发展。

　　2017年国家大力淘汰中频炉“地条钢”及落后产能，对钢铁行业节能减排及环保更加重视，促进了电弧炉炼钢的发展。为顺应中国电弧炉发展的需求，国外纷纷推出高效节能、环保型电弧炉。除Consteel电弧炉和ECOARC电弧炉外，还有达涅利公司开发的EAF ECS、西马克公司开发的ShArc、普锐特公司开发的Quantum EAF以及中冶赛迪公司开发的CISDIGreenEAF。这些炉型在上料方式方面，出现了类似高炉上料的料车加料形式；在向炉内加料方面，有以Consteel电弧炉为代表的水平加料方式、不开盖加料的顶装料方式电弧炉（Quantum、ShArc）和侧顶斜槽全密闭加料电弧炉（CISDIGreenEAF）；出钢方式方面，有采用FAST-虹吸无渣出钢方式。更加注重强调“环境友好型” 废钢预热系统，在保证对废钢进行连续高温预热、抑制预热中的氧化反应，在实现效益最大化的同时，建设减少包括二恶英和呋喃在内的有机物排放的废气处理装置。

　　另外，由于大留钢量的平熔池冶炼，电压闪变低，在电压闪变补偿装置方面，使用低容量的补偿设备即可应对。

　　部分电弧炉采用了智能操作控制系统。智能电弧炉是一项综合技术，集成各种超高功率电弧炉及其配套技术，是电弧炉的主要发展方向。电弧炉炼钢常用的过程数模为热模型、冶金模型和神经网络模型。热模型用来计算冶炼每炉钢所需的能量及能量输入的方式。冶金模型的目的在于，以最低的成本达到钢水的目标成分和出钢温度。模型借助智能控制技术，实现电弧炉全自动炼钢，以提升产能、降低消耗。

　　电炉喷枪技术已经成为高效节能电炉的必备装备，对于加速熔化、提高电炉效率、节能降耗具有重要作用。我国国产电炉的喷枪技术还远远落后于国际先进水平，应加快更高效、更节能、多功能喷枪技术的应用，包括顶吹氧枪、炉壁氧枪、底吹、复合喷吹等。

　　电弧炉底吹技术于20世纪90年代初就已开始应用，在冶炼过程中表现出了明显的优势。Tenova公司应用了Consteel电弧炉底吹电磁搅拌技术，加强炼钢熔池搅拌，提高了电弧炉冷区的热量传送，促进了熔池温度和成分的均匀化，加速了炉内反应速度，缩短了冶炼周期，提高了金属收得率，减少了石墨电极的消耗。石墨电极是电弧炉以电弧形式释放电能，对炉料进行加热和熔化的导体材料，对电弧炉炼钢的稳定运行起着支撑性作用。电极消耗是考核电弧炉运行成本的一个重要指标。降低电极消耗，已成为电弧炉炼钢降低成本、节约能源的重要措施。在保证高效、节能、优质的电极质量的基础上，电弧炉炼钢过程中，尽量减少电极氧化的消耗、减少电极升华的消耗、减少溶解和剥落的发生、减少折断，降低电极消耗，采取水喷淋电极、浸渍电极及表面涂层电极等措施，可以进一步降低电极消耗。同时，新工艺、新技术的应用也可以间接地降低电极消耗。