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變壓吸附技術領航者
深度盤點!電弧爐煉鋼技術的最新技術進展
發布者:admin 2019-04-29 | 17體育競猜

(本文轉載自《世界金屬導報》)

我國“十三五”《鋼鐵工業調体育竞猜整升級規劃(2016-2020 年)》指出 :加快發展循環經濟,按照綠色可循環理念,注重以廢鋼為原料的短流程電爐煉鋼的發展。可以預見,隨著我國“長流程”煉鋼向“短流程”煉鋼的轉換及節能環保的需要,電弧爐煉鋼將迎來新的發展機遇,再加上我國廢鋼鐵資源和電力能源的逐步豐沛,電冶金工藝尤其是電弧爐短流程工藝將受到越來越多地關注。

近年來,電弧爐煉鋼在高效冶煉、節能環保及智能控制等方面取得了長足進步,電弧爐煉鋼的工藝技術水平明顯提高;同時,各種新型電弧爐得以開發并應用,大大推動了鋼鐵工業技術的進步。

1 電弧爐煉鋼技術進展

体育竞猜 近 30 年來,電弧爐煉鋼技術發展迅速。工藝方面,采用廢鋼預熱、強化吹氧助熔、泡沫渣、二次燃燒、底吹攪拌和鋼包精煉等技術;設備方面,采用提高變壓器輸入功率水平、改造短網實現合理的電氣運行、電極自動調節、爐門自動機器人、廢鋼破碎分選等技術 ;新型電弧爐開發方面,也出現了 Consteel EAF、 Quantum EAF、ECOARC EAF、CISDI-Green EAF 及SHARC EAF 等諸多新技術。縱觀電弧爐煉鋼技術的發展歷程,其技術進步主要圍繞著電弧爐煉鋼高效化、潔凈化、綠色化、智能化四個方面開展。

1.1 高效化

体育竞猜 1.1.1 合理化供電技術合理的電氣運行制度是電弧爐煉鋼最基本的保障,合理的電氣運行制度的制定,都是圍繞最佳工作點的選擇展開,工作點主要是指電弧爐電氣運行的工作電流和電壓,其他電參數如視在功率、有功功率、無功功率、電弧功率和功率因數等均可由此推出。為了適應多種復雜爐料結構,在冶煉工藝條件下,合理發揮變壓器供電能力,實現煉鋼高效、節電的目的,北京科技大學開發了超高功率電弧爐變壓器指數型非線性工作電抗模型,通過建立不同容量、多級工作電壓下電弧爐變壓器電氣運行特征數據庫,真實反映電弧爐變壓器實際運行狀況;通過構建匹配電弧爐變壓器運行的供電操作數學模型和特征曲線,保證電弧爐變壓器的電能高效輸出和低耗穩定運行。

1.1.2 強化供氧技術

如何根據生產工藝向電弧爐內高效輸入化學能(氧氣、燃料等)直接影響到鋼的質量、能耗和生產作業率,是電弧爐煉鋼的關鍵。由此,多種形式及功能的電弧爐化學能強化輸入技術得以開發。

1)爐門供氧技術。

電弧爐爐門吹氧設備按水冷方式分為兩大類,一類是水冷式爐門碳氧槍,一類是消耗式爐門碳氧槍。水冷式爐門碳氧槍具有氧氣利用率高,泡沫渣效果好,脫碳、脫磷效果穩定以及自動化程度高等優點,但操作中不能與鋼液接觸,有一定局限性。消耗式爐門碳氧槍在爐內可更早地開始切割廢鋼并與鋼液接觸,爐內活動空間大,但操作過程中隔一段時間需要接吹氧管,較為麻煩。

2)爐壁供氧技術。

電弧爐爐壁供氧是為了消除爐內冷區,保證爐料均衡熔化,利用爐壁模塊化控制噴射純氧,以提高電弧爐的比功率輸入,提高生產效率。爐壁氧槍主要有脫碳、助熔、二次燃燒及造泡沫渣等功能。爐壁氧槍的安裝方式與傳統的安裝方式相比較,安裝位置更接近熔池,射流到熔池的距離與傳統的安裝方式相比縮短了 40%-50%,可大大提高熔池脫碳速度和氧氣利用效率;可將熔池內的燃燒與熔池上方的燃燒有機結合起來,提高了冶煉過程熱效率;可在爐內實現多點噴射,精確控制吹氧量和碳粉噴吹量,泡沫渣效果好。

体育竞猜 3)EBT 供氧技術。

現代電弧爐均采用偏心爐底出鋼(EBT)技術,使得EBT 區成為電弧爐內冷區之一,造成該區的廢鋼熔化速度較慢、熔池成分與中心區域成分差別較大等問題。在偏心爐側上方安裝 EBT 氧槍進行吹氧助熔,可促進 EBT 區域廢鋼熔化,完全解決了 EBT 區域廢鋼在出鋼時還未熔化及造成的出鋼口打不開等問題,并在出現熔池后,提高 EBT 區的熔池溫度,均勻熔池成分。出鋼時EBT區域的溫度及成分與爐門口區域溫度及成分的誤差僅相差 0.5%-1.0%。

4)集束供氧技術。

針對超音速氣體射流速度衰減快、氧氣利用率低等問題,集束射流技術得以開發并應用,在主氧射流周圍設置環狀保護氣流(由燃氣和氧氣燃燒產生),使得主氧射流超音速核心段長度延長,形成類似激光束一樣的射流。其氧氣流股的動能損失減小,具有極強的穿透力和攪拌力,實現向熔池高速供氧脫碳,改善了爐內熱量和成分的均勻性,對促進鋼渣反應、均勻鋼水成分和溫度、提高氧氣利用率、提高金屬收得率等有十分明顯的效果。北京科技大學開發的 USTB 集束供氧技術,更適應國內電弧爐煉鋼爐料結構特點,達到國際領先水平,并已在國內外百余座電弧爐上得到應用。

1.1.3 泡沫渣技術

在電弧爐冶煉過程中,在吹氧的同時,向熔池內噴碳粉或碳化硅粉,形成強烈的碳氧反應,在渣層內形成大量的CO 氣體泡沫。通常泡沫使渣的厚度達到電弧長度的 2.5-3.0 倍,能將電弧完全屏蔽在內,減少電弧向爐頂和爐壁的輻射,延長電弧爐爐體壽命,并可以使電弧對熔池的傳熱效率從 30% 提高到 60%, 冶煉周期縮短 10%-14%,冶煉電耗降低約 22%,電極消耗減少約 2kg/t,并能提高電弧爐爐齡,減少爐襯材料消耗。因而使得生產成本降低,同時提高了生產率,也使噪音減少,噪聲污染得到控制。

体育竞猜 1.1.4 氧燃燒嘴技術

体育竞猜 電弧爐煉鋼已普遍采用氧燃燒嘴技術,保證爐料的同步熔化,更有效地發揮電極的作用。同時,氧燃燒嘴還可以強化一氧化碳的二次燃燒,有效縮短冶煉時間,提高電弧爐生產效率。目前,根據使用燃料的不同,氧燃燒嘴主要有油氧燒嘴、煤氧燒嘴、燃氣燒嘴等幾種形式,所用燃料有柴油、重油、煤粉和天然氣等物質。

1.1.5 二次燃燒技術

体育竞猜 電弧爐二次燃燒技術主要

体育竞猜 有兩種:泡沫渣操作二次燃燒技術和自由空間二次燃燒技術。由于自由空間二次燃燒(爐氣燃燒)技術是使氧與熔池上方的 CO 氣體反應,二次燃燒產生的熱量通過輻射和對流方式向渣層傳遞,然后由渣層向鋼液傳遞,其傳熱效率約為30%-50%;而采用泡沫渣二次燃燒技術,由于二次燃燒產生的熱量,直接由爐渣向鋼液中傳遞,其傳熱效率約為爐氣二次燃燒技術的 2-3 倍。

体育竞猜 1.2 潔凈化

1.2.1 廢鋼破碎分選技術廢鋼的資源化利用在鋼鐵工業節能減排、轉型升級方面扮演著重要角色。隨著汽車、機電、家電等報廢數量的不斷增加,社會回收的廢舊金屬成分更加混雜,包含黑色金屬、有色金屬、非金屬等。廢鋼的高效破碎與分選是保證電弧爐煉鋼原料質量的前提與關鍵,對電弧爐煉鋼實現潔凈化冶煉至關重要。經破碎分選后的廢鋼,可大大提高原料的潔凈度,為電弧爐煉鋼提供了清潔可靠的原料保障。

体育竞猜 1.2.2 電弧爐煉鋼安全長壽底吹攪拌技術

電弧爐煉鋼熔池冶金反應動力學條件差,熔池鋼液成分、溫度不均勻,終點氧含量和渣中氧化鐵含量偏高,最終影響冶煉指標和鋼液質量。北京科技大學開發的電弧爐煉鋼安全長壽底吹技術,強化了電弧爐熔池攪拌,噸鋼氧耗、鋼鐵料消耗、冶煉終點碳氧積及終渣氧化鐵含量明顯降低,脫磷效率進一步提高,冶煉終點鋼液質量明顯改善。目前,該技術已在國內外20余座電弧爐上得到應用,底吹元件壽命超 800 爐次,實現了電弧爐底吹壽命與爐齡同步。

体育竞猜 1.2.3 電弧爐煉鋼復合吹煉技術

体育竞猜 以高效、低耗、節能、優質生產為目標,北京科技大學提出并研發的新一代電弧爐冶煉技術——“電弧爐煉鋼復合吹煉技術”,以集束供氧、同步長壽底吹攪拌等技術為核心,實現了電弧爐煉鋼供電、供氧及底吹等單元的操作集成,滿足多元爐料條件下的電弧爐煉鋼復合吹煉的技術要求。目前,該項目整體及單元技術已在國內百余家電爐廠應用,并出口至意大利、俄羅斯、韓國、伊朗等國。在天津鋼管、萊蕪鋼鐵、衡陽鋼管等企業50-150t 電弧爐應用后,冶煉電耗降低 13kWh/t,鋼鐵料消耗降低 15.5kg/t,各項技術經濟指標明顯改善。

1.2.4 低成本脫磷技術

体育竞猜 傳統電弧爐冶煉低磷鋼通

常采用多次造渣、流渣操作,冶煉周期長、渣量大、終渣(FeO)含量高、鋼水過氧化嚴重、冶煉成本難以控制。

北京科技大學研發了電弧爐煉鋼埋入式供氧噴吹技術,將供氧方式從熔池上方移至鋼液面以下,將氧氣直接輸入熔池,加快了冶金反應速度。該技術顯著提高了鋼液流動及化學反應速度,有效控制了鋼液過氧化,改善了熔池脫磷效率。在此基礎上,開發了電弧爐煉鋼熔池內氧氣-石灰粉混合噴吹脫磷工藝,采用氧氣將石灰粉直接在煉鋼熔池內噴射,實現了電弧爐煉鋼低成本快速深脫磷,噸鋼石灰消耗改善明顯,脫磷效果顯著。

1.2.5 高效脫氮技術

体育竞猜 北京科技大學在電弧爐底吹 Ar 攪拌技術基礎上,基于CO2 物理化學特性和高溫冶金熔池內 CO2 反應機理,開發出電弧爐 CO2-Ar 動態底吹脫氮技術,利用 CO2 強脫氮特性強化電弧爐熔池脫氮,全廢鋼冶煉終點鋼液氮含量穩定控制在 45×10-6 以下,鋼液質量顯著改善。

1.3 綠色化

1.3.1 廢鋼預熱技術

体育竞猜 在電弧爐煉鋼廢鋼預熱方面,先后開發并應用了雙爐殼、豎式和 Consteel 等廢鋼預熱型電弧爐。雙爐殼電弧爐由于余熱效率低、設備維護量大以及二惡英等污染物排放等問題,已經退出市場;豎式預熱電弧爐由于落料沖擊影響指篦水冷結構壽命、維護量大、裝備可靠性低等弊端,正逐步退出市場。Consteel 電弧爐由于具有生產環境良好、電網沖擊小、加料可靠可控、煙氣余熱利用效率高等特點,得到廣泛應用。目前,國內外最新研發的主流電弧爐主要是在原有廢鋼預熱電弧爐基礎上發展起來的。

体育竞猜 1.3.2 余熱回收技術

目前,電弧爐余熱回收技術主要有 Tenova iRecovery、中冶賽迪全余熱回收等技術。Tenova iRecovery 將加壓水(150℃ /5bar 至 270℃ /55bar)在廢氣管道中流過,接近沸點的水通過蒸發吸收廢氣中的余熱,可回收電弧爐煉鋼煙氣中 35%-70% 的熱量;中冶賽迪等企業開發的全余熱回收技術,采用耐高溫長壽命汽化冷卻煙道、高效煙氣燃燒沉降室和列管式余熱鍋爐等,實現電弧爐第四孔至余熱鍋爐過程煙氣全余熱的穩定回收和高效除塵,解決了傳統余熱利用率低的難題,電弧爐煉鋼煙氣余熱回收利用率提高了 10% 以上。

1.3.3 二惡英治理技術

電弧爐煉鋼二惡英的削減途徑,主要體現在二惡英形成源、形成過程及尾氣凈化三方面。相關研究重點主要集中在源頭抑制和合成抑制方面。源頭抑制方面 :通過在線檢測和人工揀選,對廢鋼進行嚴格分揀,最大限度地減少甚至杜絕含氯源物質廢鋼入爐。合成抑制方面:利用爐內溫度控制、快速冷卻、催化/抑制劑添加,抑制電弧爐煙氣二惡英再生成。如何高效率、低成本實現電弧爐煉鋼過程二惡英治理,將是下一步研究的重點。

1.4 智能化

体育竞猜 1.4.1 電極智能調節技術目前,電弧爐電極智能調節技術較多,其中,中冶賽迪開發的新一代智能型電極調節系統 ——DMI-AC, 包括抗強電磁干擾的高速數字信號分布化采集-集中處理-網絡數字化傳輸系統和多策略、多約束優化的柔性智能控制系統兩大核心技術,由日本Steel Plantech 總包越南 VKS 公司90t電弧爐項目采用該技術后,電極調節電氣響應時間降低至60ms,穿井期和熔清期電流波動率分別 <33% 和 <14%,優于國際先進水平。

体育竞猜 1.4.2 冶煉在線檢測技術近年來,隨著科學技術的發展,國內外研究人員開發了一系列電弧爐冶煉過程的檢測技術。我國自主研發的USTB非接觸式鋼液測溫系統,通過安裝在爐壁的非接觸測溫裝置,利用多元測溫氣體噴吹,獲取鋼液溫度特征信號,建立的鋼液溫度信號處理模型,可實現熔池溫度測量及預報。

自主開發的 USTB 爐氣分析系統,可準確測量爐氣的溫度、流量以及爐氣中各氣體等成分,利用采集的信息和自身的控制模型對冶煉過程分析、判斷并控制。

1.4.3 多功能爐門機器人

体育竞猜 面對電弧爐煉鋼區域環境惡劣、危險、繁重人工作業及冶煉精準化工藝控制需求,一系列自動化測溫取樣新技術逐漸開發并推廣應用。國內相關單位正在進行電弧爐多功能爐門機器人的研發、推廣工作。目前,國內大部分電弧爐煉鋼企業仍采用傳統的人工取樣測溫方式,隨著先進的自動測溫取樣裝置的國產化,國內電弧爐煉鋼開始逐漸采用該技術。

体育竞猜 1.4.4 質量分析監控及成本控制系統

隨著電弧爐冶煉技術的發展,僅僅依靠操作者的經驗來控制電弧爐生產,已經無法適應現代電弧爐煉鋼的生產節奏。通過數據信息的交流和過程優化控制,可以使電弧爐煉鋼過程的成本控制、合理供能等環節最優化,并可降低成本、提高效率。然而,國外引進的相關系統,由于國內復雜的原料結構和特殊的冶煉工藝,很難發揮其效能。北京科技大學開發的電弧爐煉鋼質量分析監控及成本控制系統,對電弧爐單爐成本進行預測與實時計算,并提供不同爐料結構的供電、供氧優化指導曲線及優化,對精煉爐單爐成本進行預測與實時計算,并提供優化的合金與渣料組合。目前,該系統已在國內外多座電爐推廣應用。

2 國內外主要電弧爐技術特點分析

近年來,國外電弧爐煉鋼技術發展迅猛,相繼研發出諸如 FastARC、Quantum、 ECOARC 等多種新型電弧爐爐型。相比較而言,我國煉鋼工藝長期由以高爐 - 轉爐為主體的“長流程”主導,電弧爐煉鋼研發相對薄弱,但在中冶賽迪、北京科技大學等單位的共同努力下,也開發出了CISDI-Green EAF 等新型電弧爐技術。

体育竞猜 2.1Quantum EAF Quantum EAF是德國普銳特公司最新研發的高效、節能、環保型電爐。其廢鋼連續預熱系統在熱循環期間利用爐內廢氣,可對所有待熔化的廢鋼進行均勻預熱。其獨特性在于:具有高效率的爐料連續預熱系統、新型連續加料系統、出鋼時下爐殼單獨傾動系統、加料和出鋼均不斷電系統。  

Quantum EAF 自動化程度較高,幾乎能夠實現全自動運行。從廢鋼裝料到出鋼,所有步驟都至少是半自動執行。這是向工業 4.0 發展邁出的一大步。目前,墨西哥 Tyasa 廠已投產一座 100t 量子電弧爐,我國桂林平鋼計劃投資建設一座 120t 量子電弧爐。由于廢鋼通過電爐產生煙氣進行預熱,量子電弧爐在降低電耗、縮短冶煉周期上有一定的優勢,但其手指系統的穩定性還需進一步確認。

体育竞猜 2.2 ECOARC EAF ECOARC EAF 是日本開發的一種新型高效率電弧爐,具有先進的能量回收和環保技術。ECOARC EAF 使用高溫廢氣預熱廢鋼,將廢鋼裝入連接在爐殼上的“豎型”預熱室中。預熱室與爐體緊密連接,防止空氣滲透進入爐內,實現密閉化操作,顯著降低鋼中氮含量。在 ECOARC EAF 生產過程中,廢鋼每爐分 10-13次半連續投入,全過程處于“平熔池”狀態。

此外,通過使用廢氣中所含的 CO 氣體,加上少量的燃料燃燒,燃燒后廢氣通過冷卻室內的噴水快速冷卻,就可避免有害化學物質(二惡英)的產生。ECOARC EAF在日本已實現二惡英排放低于0.1ng-TEQ/Nm3。

体育竞猜 ECOARC EAF 已在包括日本、韓國、泰國在內的共計6 家鋼鐵企業得到應用,在我國尚無應用。相比常規電弧爐,其報道數據在冶煉周期、電極消耗等指標上,有較為明顯的優勢,但其設備維護較為困難(爐體體積較大、豎井無法分離、耐材在線更換),投資成本較高。

体育竞猜 2.3 Consteel EAF

Consteel EAF 是世界上第一座已證明可靈活使用金屬原料的廢鋼預熱型電弧爐,也是目前國內應用最成熟的連續加料型電弧爐。Consteel 電弧爐具有生產環境良好、電網沖擊小、加料可靠可控、煙氣余熱利用效率高等特點,但受二惡英排放的影響,在歐洲市場受到限制,同時還存在動密封漏風、生產線過長等不利因素,其運行成本也較高。

2.4 SHARC EAF

体育竞猜 SHARC EAF 爐缸形狀對稱設計且帶有 DC 電流集成技術,這項技術使高溫廢氣在預熱豎爐中的停留時間更長,熱傳輸效率更高,能保證使用低密度廢鋼(堆重比0.25-0.3t/m3)且沒有額外預熱時,生產也能高效經濟地進行,廢鋼熔化均勻,但該系統的設備維護量較大,裝備的可靠性有待進一步提高。

体育竞猜 2.5 CISDI-Green EAF

由中冶賽迪主持,聯合北科大、長春三鼎變壓器、無錫紅旗除塵等多家單位組成的中國綠色智能電爐產業聯盟,成功研發新型節能環保型電弧爐CISDI-Green EAF,針對廢鋼尺度寬容性要求和廢鋼預熱裝置維護困難等問題,采用了獨特的電弧爐差動密閉 - 階梯擾動連續加料和側頂斜槽加料技術,把廢鋼加料到接近電弧爐中心區域,改善廢鋼預熱型電爐的冷區,配合煙氣廢鋼預熱技術,可顯著降低電弧爐冶煉過程的運行電耗。

該技術采用全密閉加料方式,在除塵口配合除塵口開度控制,保證加料時粉塵和煙氣溢出最小,解決了開蓋加料造成大量的熱損失問題,降低了生產過程的煙塵排放。

体育竞猜 CISDI-Green EAF 通 過自身結構的變化,來對廢鋼預熱過程煙氣溫度進行控制,通過調節分流除塵管道和主除塵管道的流量比例,對廢鋼預熱后的煙氣溫度加以精準控制,從而抑制二惡英的產生。煙氣通過急冷室急速冷卻,實現了對煙氣冷卻過程二惡英再次合成的抑制。

2.6 國內外主要電弧爐的技術指標對比

上述國內外主要電弧爐應用技術指標和環保技術指標對比情況分別見表 1 和表 2。


体育竞猜 表 1 國內外電弧爐煉鋼應用技術指標(全廢鋼)

企業名稱

Primetal

Steel Plantech

TENOVA

SMS

CISDI

電弧爐

Quantum

ECOARC

Consteel

SHARC

GreenEAF

公稱容量,t

100

70

100

100

70

金屬收得率,%

92

95

90

92

91-93

冶煉周期,min

45

42

39

55

45

氧氣消耗,Nm3/t

35

34

33

35.9

20-30

電極消耗,kg/t

0.9

0.7

1.2

0.6

1.1-1.4

電能消耗,kWh/t

310

250

348

280

320

燃氣消耗,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

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表 2  國內外電弧爐煉鋼應用環保指標

企業名稱

Primetal

Steel Plantech

TENOVA

SMS

CISDI

電弧爐

Quantum

ECOARC

Consteel

SHARC

GreenEAF

公稱容量,t

100

70

100

100

70

爐料結構

100%廢鋼

100%廢鋼

100%廢鋼

100%廢鋼

100%廢鋼

粉塵排放,kg/t

<12

10

15-18

-

<12

二惡英排放, ng-TEQ/Nm3

<0.1

<0.1

<0.1

<0.1

0.1-0.5

噪音,Db

94

87

95

-

-




体育竞猜 3 結論與展望

体育竞猜 在我國,電弧爐煉鋼不僅生產普通棒線材,也是高品質特殊鋼冶煉的主要工藝流程。在電弧爐高效節能冶煉的基礎上,其產品的潔凈化、生產過程的綠色化和智能化在電弧爐煉鋼領域的重要性將日益凸顯。可以預見,更先進的電弧爐潔凈化冶煉工藝、更綠色的生產技術以及更可靠全面的流程智能化檢測與控制,將成為今后電弧爐煉鋼技術的主要發展趨勢。加快電弧爐煉鋼技術創新,提升電弧爐煉鋼流程產品質量和產品競爭力,提高電弧爐煉鋼的綠色制造和智能制造水平,將對我國鋼鐵工業結構調整和轉型升級起到重要推動作用。




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