电炉炼钢各炉型孰优孰劣?如何选型?

              发布时间:2018-04-13



王新江

建立电炉系统标准化体系,降低电炉冶炼成本,促进电炉炼钢合理有序快速发展是目前亟须解决的问题。因此,未来电炉炉型的发展必须是能实现连续加料、废钢预热、绿色环保、余热回收及人工智能炼钢的电炉。

电炉炼钢已进入快速发展期在业界已达成共识。近两年,钢铁行业供给侧结构性改革全面推进,取缔“地条钢”产能1.4亿吨,中频炉使用的废钢绝大多数流向电炉和转炉,废钢资源的条件变化和电力供给充足的状况为电炉钢的快速发展提供了坚实的基础。另外,钢铁行业政策鼓励产能过剩地区以电炉钢的形式向外转移,再加上环保税和碳税的开征,将真正使电炉炼钢的工艺优势转化为经济优势和成本优势,进一步提升电炉炼钢的竞争力,从而促进电炉炼钢合理发展。

近期的相关报告显示,电炉钢产能呈现出逐步增长态势。在大规模电炉建设的背景下,各种炉型的电炉竞相上马,有的炉型是国际主流炉型,符合绿色化和智能化的理念,有的是简易而投资较少的炉型,二者投资差距很大。从钢铁行业的特点和我国目前形势来看,新建设的电炉项目必须符合国家产能政策。

电炉是电弧炉的简称,是以废钢为主要原料,附加部分铁水或生铁块,以电为主要能源、化学能为辅助能源进行冶炼的一种工艺设备,因为在工艺流程上不需要焦化、烧结和炼铁工序,所以也称为短流程工艺,以区别于转炉冶炼的长流程工艺。

由于短流程工艺具有温室气体排放低、能源消耗低的特点,受到了冶金工作者的广泛关注,历史发展过程中曾有快速发展的经历。目前,转炉钢的年产量约占世界钢产量的2/3,电炉钢的年产量约占世界钢产量的1/3。而中国电炉钢的产量占比不足10%2016年为7.3%),历史最高的2003年也仅是17.6%。电炉钢占比较低的主要原因是受废钢价格的影响,社会废钢储蓄量少,短流程电炉工艺在发展中受到制约而未体现出优势。

电炉分类

按供电方式分,电炉可分为直流电炉和交流电炉。

直流电炉

直流电炉是以直流电源为主要能源给炉子提供热源,一般情况下,炉顶只有一根阳极,与炉底阴极形成回路。其特点是电极消耗非常低,一般情况下低于1千克/吨钢,熔池稳定,由于只有一根电极与熔池形成电弧弧柱,对炉衬的辐射损坏程度低,耐材消耗相对较低,炉壁水冷板损坏量相对少。缺点是底电极比较复杂,有水冷式、导电炉底式及针状分布在炉底耐材中等几种形式,但寿命都比较短,维护费用高,造成冶炼成本较高。此外,整流设备投资相对较高,造成一次性投资较高。

直流电炉在电炉钢厂不是电炉炼钢的主流设备,我国在上世纪末也引进了几台直流电炉,运行效果与交流电炉相比,也是更加优异的。业内对底电极的研究近几年也有了新的进展,基本解决了底电极炉底寿命短的问题。其非常低的石墨电极消耗在冶炼成本方面表现出较大优势,预计在新一轮的电炉建设中也会看到直流电炉的投产。

交流电炉

三相交流电炉用于工业生产已有100多年的历史,其设备特点是使用三相交流电源,三相石墨电极与废钢接触时在巨大的电流作用下产生电弧,用电弧的高温来熔化废钢和冶炼钢水。相对于直流电炉来说,因为有三相电极,所以电极消耗比直流电炉要高,三相电极存在一个极心圆,距炉壁相对距离要近,耐材消耗相对较高,但炉底相对要更安全,寿命长。特别是在本世纪初,电炉炼钢技术取得了重大进展,在电能为主要能源的基础上引进辅助能源和化学能源,随着自动控制技术的发展,功率输入由普通功率上升为高功率和超高功率,消耗下降,生产率提高。在全废钢为原料的情况下,这种电炉的冶炼周期小于60分钟,电耗低于280千瓦时/吨钢,电极消耗小于1.2千克/吨钢,每个公称容量年产钢已超过1万吨(即公称容量100吨的电炉,年产钢突破100万吨),生产率大大提高,同时工艺的变化也派生出多种炉型。 

常见的3类交流电炉

传统式电炉

传统式电炉是早期的主流电弧炉,废钢从炉顶加入,即旋开炉盖用天车料篮加入废钢,每炉钢需加料2~3次甚至更多,电耗比较高,电极消耗高,熔化时噪声大,加料瞬间烟气量大,外溢非常明显,热量损失大,变压器配备容量大,对电网冲击也相对较大;一般采用炉盖除3个电极孔外的第四孔除尘,除尘效果相对较差,在粉尘噪声要求严格的地区,都采用厂房屋顶加大烟罩除尘或建隔离罩的方式,俗称狗窝(Doghouse),进行二次粉尘收集、噪声捕集。我国早期的电炉都属于传统式电炉。不过,该种电炉技术比较成熟,故障率低,应用广泛,原料适应性强,但主要技术经济指标表现一般。

连续加料(Consteel)电炉

连续加料式电炉是近几年新投产电炉中比较多的一种炉型,最大特点是冶炼过程中废钢连续加入,不开炉盖可以不停电,能量输入不间断,避免了巨大能量损失,烟尘不外溢,从炉内抽出的高温烟气从连续加料的隧道通过,也起到了对废钢进行预热的作用,吨钢电耗可降30千瓦时~100千瓦时,同时熔池比较平稳,降低了传统电炉在电极穿井期发出的巨大噪音和对电网的冲击,电极消耗吨钢下降0.1千克~0.3千克。此外,冶炼过程中熔池平稳,废钢预热温度一般不超过400℃,冶炼周期缩短,生产率提高,主要技术经济指标比传统电炉要优异,但一次性投资要比传统电炉高。国外主要是Tenova供货;国内中冶赛迪等电炉制造厂也在供货,而且做了改进,具有自主知识产权。此类炉型我们通称Consteel电炉,它的最大特点是连续加料。 

废钢预热式电炉

废钢预热式电炉有多种形式。早期有双壳电炉,由两个靠在一起的炉体组成,共用一台变压器、二次短网、旋转导电横臂和电极;系统可以自由选择每个炉体进行冶炼,即从正在冶炼的一个炉体中抽出的高温炉气从第二个炉体通过,从而预热下一炉废钢。目前,这种炉型已不是废钢预热电炉的主流。

我们重点来看4种形式的废钢预热电炉。

Fuchs电炉

Fuchs竖炉式电炉的废钢温度可预热至600℃~800℃,在冶炼的同时,用天车料篮在竖井中加入下一炉废钢,用指形托架托住废钢,废烟气从废钢中通过,废钢温度预热可控制,实现100%废钢预热,可节约电耗,生产率高。但它的缺点是竖炉一次性投资较高,指形托架易漏水,维修难度大,故障率高等。尽管该炉型做了多项改进,但还存在故障频发、维修费用高等缺点。该炉型电炉目前也不是主流的废钢预热电炉。

ECOARC电炉

ECOARC电弧炉是由日本SPCO公司研发的日本政府鼓励的环保生态电弧炉。这种电炉利用竖炉的竖井来预热废钢,可使用轻薄型废钢来实现小车连续加料,预热温度可达600℃以上,熔池稳定,可使用各种辅助能源,生产率很高,每个公称容量年产钢超过1万吨,电耗低于250千瓦时/吨,电极消耗低于0.9千克/吨,一次性设备投资较高,运行稳定,最大的特点是能把废钢预热中产生的二噁英处理掉,全球有7套此炉型电炉。

Quantum电炉

普锐特公司对竖炉式废钢预热电炉进行了改进,属于指形托架竖炉式电炉的改进型,通过上料小车将废钢分批加入竖井内,竖井和炉盖是固定安装的,解决了原指形托架故障多的缺点,出钢时倾翻炉体实现无渣出钢。该炉型废钢可预热至600℃以上,熔池平稳,电耗为280千瓦时/吨,炼钢周期33分钟,电极消耗0.9千克/吨,熔池平稳。目前Quantum电炉的业绩偏少,在墨西哥钢铁生产厂(Tyasa)有一座100吨电炉,目前我国已有此炉型在建设中。

Sharc(Shaft Arc Furnace)电炉

其属于改进型竖炉式电炉,最大的特点是电炉上有两个半圆形竖井,保持竖井内废钢自然对流预热,熔池平稳,加料方式还是采用天车料篮,废钢可100%被预热,采用轻薄料,堆比重可在0.25/立方米~0.3/立方米,所用的废钢价格比较低,电极消耗和冶炼成本也比较低,其他原理与竖炉式电炉的预热废钢类似。欧洲有140吨和100吨规格的炉子在生产,在中国还没有。

交流供电的电炉除传统式、连续加料式及废钢预热式3种形式外,还有其他非主流电炉。由于前几年电炉炼钢在中国的发展速度放缓,电炉钢比例自2003年来一直处于下降状态,其他炉型在钢铁厂已很少见,各种炉型均有各自的特点。

未来电炉炉型发展方向

炉型对主要技术经济指标和生产率起决定性作用。国际上对电炉炉型的研究近几年已实现了新的突破,如连续加料式电炉,这种电炉在国内已被改进为废钢预热连续加料式,但业绩还比较少,已具有中国自主知识产权。同时,钢铁工业升级规则和化解产能的政策要求我们加快对电炉炉型的创新性研究,如提高冶炼强度,生产洁净钢,智能化电炉,电炉废气二噁英治理,废钢行业扶持政策,推进环保税、碳税征收和建设绿色钢铁等。建立电炉系统标准化体系,降低电炉冶炼成本,促进电炉炼钢合理有序的快速发展是目前亟须解决的问题。因此,未来电炉炉型的发展方向是能实现连续加料、废钢预热、绿色环保、余热回收及人工智能型炼钢的电炉。

来源:中国冶金报

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