世界电炉炼钢的发展动向

世界电炉炼钢的发展动向

2009-12-11

电炉炼钢以废钢铁为原料，比高炉、转炉生产流程约节能50%，设备投资节约1/3左右，故作为钢铁大国节能的主要发展方向，如2004年美国、欧盟和日本的电炉钢比分别达52.1%、38.5%和25.4%，而我国仅16.1%，说明发展的潜力很大。为了贯彻“十一五”规划中节能优先的方针，亟应把加速发展电炉钢作为钢铁由大变强的重要方向，同时过去制约电炉发展的电力和废钢铁供应不足亦在好转，这一时机应充分把握。为了在发展中少走弯路，兹据日刊资料对世界电炉钢发展动向简介如下，以供有关参考。

一、世界电炉钢生产概况

2004年世界粗钢产量10.6亿t中，电炉钢约3亿t。电炉钢产量最大的4大户依次为欧盟7440万t、美国5200万t、中国4400万t、日本2980万t，总量超过2亿t。美国是最大的废钢净出口国。当年净出口714万t，对中、韩分别出口297万t和188万t；日本净出口654万t，分别向中、韩出口279万t和266万t；欧盟则主要在内部流转，只有有少量向近邻出口。 日本的电炉钢比远低于欧盟和美国，这主要由于其国内钢铁市场均由规模较大的高炉大钢厂主导，加上近年来主产品建筑用钢材受公共工程减少而呈减产趋向，但从节能和减排CO2出发，这一局面应予研究改正。

二、世界电炉炼钢发展趋向

按2005年3月在英国伯明翰召开的“欧洲电炉钢会议”资料，整理简介如下：

1.就世界总体发展速度看，电炉钢将持续发展，但在各地区则有所不同，如欧、美则产量和比例在同步发展，中国则产量上升而比例下降，日本则两者均在低位徘徊。

2.设备容量大型化对提高生产效率有利，但应注意配套以提高效益。小型炉除铸造或生产特种钢外，一般因成本高将被淘汰，如中国规定新炉应在70t以上。

3.电炉的生产效率、电耗和电极耗等指标尚有改善余地，但在降低电耗方面除考虑供电条件外，还应考虑电价和代用燃料的价格关系，以利于降低总成本而取得更大效益。

4.生产作业方式有几方面待改进：一般以连续作业为佳，但从供电不足及假日和夜间电价低的条件亦可采取间歇作业；电炉用于熔化废钢而精炼由LF炉承担的分工方式在大部分国家已成主流，此时应采取EBT出钢、钢包车接钢；废钢的运输、分选和装炉等作业用工较多，应予改进，一次装入废钢的电炉已开发成功，应逐步推广。

5.环保措施主要控制指标有噪音、恶臭、烟尘、二恶英、CO2、废砖、废渣和粉尘等固废处理。关于二恶英的排放标准，德国、卢森堡和瑞士等国对新炉规定为≤0.1mgTEQ/Nm，比日本严格，但处理措施相同。即对超标的二恶英通过900℃加热分解，并采取急冷以防止其再合成的组合措施。

三、电炉的三大待改善指标

在40年前，电炉三大指标水平为：每炉熔炼时间130min，电耗630kWh/t，电极耗6.5kg/t。而2004年，德、法、中三国的最佳水平已有了巨大的进步，并为一般电炉指出了改善方向。具体见表1。

表1 2004年3国电炉最佳水平指标对照表

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由此看出改善的幅度很大，以中国为例，对其所采取的主要改善措施分段简述如下。

(1)1965～1975年的10年间，由于采取了吹氧、二次精炼和水冷炉壁三项重大措施，各项指标的改善幅度约占40年总量的1/2以上。

(2)1975～1985年的10年间，采取了多项措施使各项指标平稳持续改善，主要措施有高电压长弧作业、计算机控制、泡沫渣作业、水冷炉盖、助燃烧嘴、炉底出钢、LF、EBT和废钢预热等。

(3)1985～1995年10年间的各项指标持续平稳改善，主要措施是大型直流电弧炉、水冷吹氧枪、无渣出钢作业、双炉作业、竖炉技术和中心竖炉技术等。

(4)1996年以后采用了改进型竖炉技术，使废钢预热温度提高到800℃左右，还采取了CONARC技术、CONTIARC技术、MAP技术和ECOARC技术，使各项指标呈平稳改善。

四、高性能电炉及典型示例

1.共通概念

目前的高性能电炉以提高生产效率为主，其共同概念：(a)对废钢运送、分选和装入整个流程的合理化；(b)电炉用一次装料熔化专用炉，配以EBT出钢和钢包车接钢；(c)从炉壁吹氧助燃以节约化学能；(d)提高传热效率和减少热损失；(e)电炉准密闭作业，以减少空气进入和烟气放散；(f)采取大功率输入和高电压长弧作业；(g)废钢预热仍有改进余地。

2.纽柯钢公司100万t电炉

(1)该电炉2005年5月在Jewect Texes工厂投产，生产能力为140t/h。装备的基本情况：(a)废钢一次装料式，由于炉径大，装入废钢以松散层状分布；(b)由于减少了废钢的架空，使熔化过程由过去的崩落改为连续平稳下降而形成平静液面；(c)由于电极和炉壁的距离加大，容易实现大功率输入比和低电流长弧作业；(d)由于熔化时间缩短使热损失减少，电耗亦相应下降；(e)由于炉径大，在炉壁上装氧枪和喷燃孔的位置亦可自由选择。

由于以上因素，原来需120-140t炉完成的产能只需80t炉即可，特别是短流程微型轧机配套时，整个土木工程和下游相关设备的投资和生产成本均可大幅下降。

(2)电炉的参数：(a)炉型为AC一次装料熔化炉，主要参数D—T—C—d分另0为6.7m一110MVA一82t一24英寸；(b)变压器容量比为1350kVA/t(即900kW/t)，一次电压为34.5kVA，二次电压为1200～813V；(c)二次额定电流为75kA，平均熔化功率为75MW，全通电时间<30min；(d)吹氧喷燃装置共4组，其中3组分布在炉壁上，1组(仅氧枪)分布在EBT平台上。

(3)本系统的优点是：可一次装料，生产效率比老式炉高30％；功率输入高，加上长弧作业，有利于电力输入；在全通电期保持平稳液面；炉壁大，有利于氧枪和喷燃口合理分散布置；炉衬寿命长；氧枪和燃烧器的效率高；钢水液面宽，脱碳速度快。其缺点主要是水冷面积大，耗水多且热损失大。

(4)投产4个月来的主要指标：通电时间28min，未供电时间7min；日产钢39—40炉，合140t/h；电耗400kWh/t，天然气耗6Nm/t，氧耗32Nm/t，喷煤8kg/t；电极耗1.7kg/t。 33

3.VAIFUCHS的ULTIMATE新一代电炉

本系统为该公司对世界最新电炉技术调查后，集中全部优点进行设计并命名为ULTIMATE 新一代电炉。其目的首先是提高生产效率，最终达到降低成本。其设计的基本特点如下：

(1)系统的基本概念：(a)为一次装料式不同配比用电炉，但炉径比通常大；(b)为最高水平超DHP快速熔化炉，可实现高阻抗作业；(c)采用最新的喷吹氧气和燃料技术；(d)除提高设备可靠性和预维修性外，还采用了先进的自动化技术。

(2)操作系统：(a)连续作业为主；(b)每炉熔炼时间为30min，通过UHP等缩短通电时间(为22min)，通过一次装料等以缩短非通电时间(为8min)。

(3)对输入能源进行综合管理，除充分发挥超UHP的供电优势外，对喷吹氧气和燃料等亦采取了分散布置及提高燃效和传热效率等新技术。

每炉出钢120t、年产钢180万t的设备(尚未投产)主要参数如下：(a)炉壳外径7.2m，水冷壁高3.4m，钢水包容量130t，EBT高7.2m，炉盖高1.5m，变压器容量170MVA；(b)4个氧枪吹

氧量为2500Nm/h，2个燃烧器为3.6MW，3个天然气喷孔能力为400Nm/h，3个喷煤粉装置为70kg/min； (c)出钢温度1620℃。留渣钢量40t，生产效率240t/h，金属回收率91％，废钢装入堆密度0.8t/m，熔化期功率125-130MW，精炼期功率90～100MW；(d)电耗390kWh/t，电极耗1.2kg/t，氧耗45Nm/t，天然气耗为15Nm/t，喷煤20㎏/t，耐火材料耗4kg/t。 33333

4.土耳其拟建的250t UFTIMATE电炉的参数：(a)变压器240MVA；(b)年产240万t；(c)每炉冶炼时间50min；(d)生产效率300t/h；(e)电耗390kWh/t；(f)氧耗40Nm/t。 3

五、大功率输入和长弧作业

近年实施的大功率输入和长弧作业以降低炼钢成本为目的，并主要靠提高生产效率和降低各种消耗以降低成本。

1.大功率输入

大功率输入是通过缩短通电时间以提高生产效率、降低各种消耗。提高生产效率还要求缩短非通电时间。缩短通电时间要求大功率输入的同时，还应有效利用氧气和化学能，并提高电力和辅助能的总传热效率及降低电炉的热损失。

从这一目的出发，近年氧气等的输入方法正从局部集中型向沿炉壁的高度分散型转变。在缩短非通电时间方面需减少废钢装入次数和缩短装入时间，还有为减少电炉临时停炉应消灭设备故障和尽量缩短故障的修复时间。

对于UHP作业的极限，现在世界上的电功率输入比(kW/t)呈增大趋向，计划中大型炉的最大变压器容量比正向170MVA/120t即1500kVA/t发展，但仍不是理论上的极限。近年日本各电炉钢厂的变压器正在加大，其最大变压器容量比的公称容量值加大至110MVA/150t和733kVA/t，其最大容量可达880kVA/t。世界电炉的作业形态以熔化专用炉的连续作业为主，其标准的T-T时间为30min，其中通电时间22min，未通电时间8min。在日本以降低成本为中心的夜间和假日作业为主，其T-T时间最短约45min。

世界上生产效率最高的电炉是德国Kehl的BSW的2号电炉，1999年10月21日共出钢46炉、产钢坯3519t。每炉废钢分2次装入，在变压器容量75MVA、平均功率输入64MW下作业，平均通电时间为22.5min，平均电耗为332kWh/t、氧耗为38.3Nm/t。从以上各项指标看，可为下一代电炉炼钢的世界指标设定提供依据。其1999年达到的平均指标已接近或超过上述的VAI FUCHS的ULTIMATE先进式电炉。主要参数和指标为：D—T—C—d为6.2m一75MVA一80t一22英寸，变压容量比837kVA/t，T-T时间32.8min，电耗332kWh/t，电极耗1.7kg/t，氧耗38.3Nm/t，计算年可产钢100万t，生产效率为144t/h。

2.长弧作业

在大功率输入下实施长弧低电流作业时有电力损失少、电极耗低(特别是端部消耗和接头损失少)等好处。现世界上二次电压呈高压化趋势，变压器的最高分流电压为1700V(170MVA)，使用最大分流电压为1400V。以电弧电压表示，最高实际AC炉为650V，DC炉为600～800V。而日本AC炉的最高变压器分流电压为1300V(60Hz、100/200MVA)，且在高电压作业时，变压器一次侧还设有电抗器。

二次电压向高压化发展中，分流电压究竟能提高到何等水平?经考察后认为尚受以下因素制约：(a)热效率和泡沫渣深度：在钢液呈平面期，为减少电弧的热损失需制造适度厚的泡沫渣层，它使电弧的电位倾度(V/mm)增大，使实用困难。(b)电极夹间的电弧发生：由于在火焰存在下因电压高而使绝缘破坏，并受电极孔喷吹的火焰愈多使破坏的频度上升。(c)炉盖下的电弧发生：将使向高强耐火砖的喷溅物粘附增加而影响电极和耐火砖间的距离。(d)小天井的损坏加大，熔化初期，长弧愈大将使高强耐火砖的热负荷加大，致使废钢难和炉盖下部保持必要的距离。(e)VCB的容量限制：现VCB的安全遮断容量在33-34.5kVA时应为3000A，目前最大遮断容量仅为171～179MVA。(f)电源回路的不稳定。由于在最高分流的场合最大允许电流将降低，故需插入适当的附加阻抗器以保在适当功率下作业。(g)电弧不稳定。电压太高时理论上电弧长无限，但超长弧33

将使稳定性下降，在周边温度低的熔化初期将使断弧的频度增加。(h)变压器二次电压的法规制约。从安全考虑，法定IEC标准的最大电压为1500V。(i)水冷壁的过负荷。钢液平面期水冷壁的热负荷将随电弧功率、电压的增大而上升，故应保持适度厚的泡沫渣。(J)废钢形状和电极控制。对重型废钢长弧熔化时的电弧不稳定，将增加电极控制的混乱。

从电弧电压高压化的限度考虑，应注意以下各点：(a)电弧能量的传热效率低。长弧作业将使钢水的传热效率降低，这主要由于为长弧而增加渣量，由此使出渣的热损失加大，另由于渣中FeO的加大致使铁的回收率下降；还有在泡沫渣增多后，由于废钢成分的变动，对渣的碱性、粘性和CO发生的正确控制更为困难。(b)高温气对电绝缘层的破坏方面，一般是高电位差引起绝缘层的破坏，而电位差的顶峰是为遮断电弧而将电极提升时发生的。另空气中的放电压对气体温度T(k)有kV/cm=25.7(300/T)的关系，从而在空气中3000K下亦不会破坏绝缘，但从电极孔中喷出而通过电极夹间的气体，由CO变为CO2燃烧时形成过热，加上易离子化的金属蒸气和粒子的存在，只有数厘米的间隙亦将产生电火花。引起绝缘破坏的条件还有高二次电压、电极夹之间的间隙小、CO气燃烧、离子气金属存在和大量的火焰喷出等。

六、氧气和化学能的有效利用

1.历史和最近动向

电炉炼钢吹氧的效果早在上世纪即为人们所认识，现吹氧量还在不断增加。半个世纪前通过吹氧喷燃促进废钢均匀熔化并提高了生产效率，同时，在熔化过程中改善了熔化金属的热分布。近年中型以上的电炉多采用了长寿的水冷喷枪。德国Kehle的BSW80t 2号炉采用先进的喷氧技术，达到了日产钢46炉，从而受到了世界上的重视。

传统的吹氧是从作业口进行的，美国Praxair开发的新式喷氧枪系统是氧气等从集中送入改为由炉壁上的多点型送入方式，使电炉可实现密闭作业。由此形成的细长超音速氧气流使吹氧效率提高，加上水冷喷头解决了炉尘粘附问题，应用效果良好。在仿效该技术的基础上，各电炉厂亦制成多种类似的复合燃烧器。该燃烧器具有氧气/煤气燃烧、吹氧喷头、喷吹碳(增碳和生成泡沫)和炉内二次燃烧等多种功能，正从欧美向全世界推广。在日本为慎重计尚处于试用阶段，但对电炉的密闭作业是十分有利的。另欧美复合燃烧器的燃料多用气体，此时还可在燃烧器中装上监测炉况用的摄像镜头和钢水连续测温装置，这一先进技术正在进行实用化研究。

2.新的氧气利用技术

Praxair Cojet技术是在喷入氧气的主管周围吹入燃料和二次氧气以形成火焰，使主流的气体形成细而长的激光般气流，从而在电炉上应用范围很广。新喷枪喷射流长达喷头直径的70一100倍(老喷枪仅为20倍)，故喷向钢液面还可起搅动作用。

Cojet技术的应用效果有以下几点：(a)不需喷头操纵器，可将必要的气体全部由炉壁喷入，从而使脱碳速度快和氧气效率高；(b)所有的化学能可均匀喷入炉内而非集中于作业口处，从而用少量碳即可连续生成泡沫渣；(c)操作完全自动化，所以不需移动喷头，从而有利于降低电耗和维修费；(d)作业可封闭进行以防止空气侵入，从而可提高金属回收率和生产效率；(e)各炉的作业特点可保持，效果亦好。

Praxair Cojet技术为该公司的固有技术，但以后由众多的电炉和燃烧器厂仿效后向市场提供了类似的商品，从而得到了推广试用，1996年以后作为行业的标准得到广泛应用，并且得到了好评。现以在中国宝钢150t双炉DC炉的应用效果说明如表2。此外，本技术还可用于转炉和AOD等处。类似的技术还有RCB和CCB等，限于篇幅从略。

表2 宝钢DC 150t双炉应用Cojet技术的效果

3.相关扩展技术

作为电炉作业理想化之一的是炉的密闭化，但届时作业人员将无法直接观察炉况，以致难以掌握作业必要的信息。为此，实施密闭作业时应采取以下措施：炉内监控用监测器对熔化进行情况和炉壁的渣壳进行检测；非接触式钢水测温系统；泡沫渣测头。

炉内可视化技术是在氧气/燃料燃烧器上装上CCD摄像镜头，可在密闭状态下监测废钢的连续熔化过程。在燃烧器的框架上采用气流清扫，可防止粘尘造成的堵塞，加上将镜头选择在中红外线的光谱领域，由此可透过炉气和炉气中的粉尘监测到炉内的状况。此项试验由安岛乐集团在卢森堡的PROFILARBEO的150t DC电炉完成。

七、电极单耗

1.电极耗的综合考察

电弧稳定性对电极消耗的影响很大，使端部消耗系数的最高值达最低值的3倍，为此应大力改善电弧的稳定性，采取泡沫渣作业是行之有效的措施，应大力推广。造成电极耗预测性差的原因有氧气利用法的多样化和电极性能不同等，在应用时应结合实际情况对所用系数适当完善化。

2.SGL对电极直径的最佳选定

它认为影响电极耗的主要因素如下：(a)电极端部升华受电弧电流的影响；(b)端部和圆锥面的氧化消耗主要受电极直径、T-T时间和吹氧喷燃的影响；(c)连接端的损失起因于温差和热应力，从而受电流密度的影响极大；(d)一般在电炉作业参数一定下加粗电极直径时，可使电流密度下降导致减少连接端的损失，但表面氧化面积增大；端部消耗则在电流一定下仍保持不变。根据上述原则，对115t AC炉现用的Φ600mm电极缩小到Φ500mm以下时发现电极耗即快速上升；而向粗改变时，在加大到Φ650mm时由于连接端损失陡降致使总耗略降，到Φ700mm以上时由于连接端损失下降幅小于侧部氧化消耗的上升致使电极耗又回升，以后则趋于平稳。

八、其它值得重视的技术

近年开发成功的EFSOP技术受到各方重视。该系统对电炉烟气实时检测分析，使能源利用效率提高的同时，并取得以下效果：

(1)平均成本降低2美元/t以上，投产回收期不到1年。

(2)电耗降20-25kWh/t。

(3)T-T时间缩短4％～5％，生产效率相应提高。

(4)CO和H2在炉内完全燃烧，使除尘系统的安全改善。

(5)由于工艺控制改善，作业的灵活性亦提高。

该系统在世界上已有约20台电炉应用和计划实现中，预计将很快普及。

九、小结

近年在世界上电炉仍持续发展，主要动向是为节能、环保和降低成本；主要技术是扩大变压器容量和合理用氧以缩短冶炼时间和降低电耗；中国则从实际出发扩大了铁水的配比，成效亦好。在提高废钢预热方面，有的企业以降低电耗50kWh/t为目标采取了竖筒式预热，后发现漏水严重乃改为降电耗20kWh/t的目标后有所好转。日本近年电炉技术发展较慢，主要因为主产品建筑用钢的市场疲软，今后应从实际出发加快进步。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rzoe.html