我国电弧炉连续炼钢技术装备的研究与应用
（河南太行全利-----李勇）
摘要：对连续式电弧炉高效节能技术在我国的发展与应用进行了综述，重点介绍了废钢预热、连续加料、高温烟尘净化、余热利用技术等提高电弧炉冶炼效率，降低电弧炉冶炼能耗的技术装备在我国的研发与应用情况。
关键词：连续式电弧炉 连续炼钢 电炉炼钢 废钢预热 连续加料 电炉效率 电弧能耗 低炼钢成本
一、电弧炉炼钢的发展及现状
电炉炼钢自问世以来，呈不断增长的发展势头，迄今为止占世界总钢产量达31%以上，且保持着继续上升的态势，发达国家上升速度相对较快。我国电炉钢产量近几年也在不断攀升， 1996年以后，一大批现代化的电炉投产，电炉发展进入新的历史时期，我国电炉钢生产能力从90年代中期的2000万吨／年，提高到2002年的4035万吨/年。与此同时，采用先进技术对现有电炉进行改造成为企业节能增效的一项重要举措，其中，舞阳钢铁公司率先采用DP90型废钢预热水平连续加料设备对2#电炉加料系统进行技术改造，投产后，各项技术经济指标均比改造前有了大幅提升，取得了明显的经济效益和环境效益，随后，舞钢1#炉、3#炉、4#炉相继改造成功，进一步证明了电炉炼钢具有强大的市场竞争力！与转炉流程比较，DP新型电炉炼钢流程具有以下主要优点：
1.1 投资：电炉流程投资省，占地面积小，建设周期短；
1.2 资源：随着国民经济的发展，铁矿石、焦煤等资源将日益匮乏，而废钢资源则会不断积累，因此从长远看电炉流程具有较大成本优势；
1.3 环保：电炉流程产生的CO2、NOx、SOx等有害气体量较高炉-转炉流程少；
1.4 能耗：废钢—电炉—钢水短流程炼钢与高炉—转炉—钢水长流程炼钢两种工艺相比，短流程总能耗仅为长流程的50%。
1.5 废钢资源：据预测，到2020年左右基本实现工业化后，钢铁消费将达到峰值，此后废钢资源将越来越多，而以废钢为主的电炉钢资源的成本优势也将日益凸显。
1．6 电炉炼钢与中频炉炼钢比较：长期以来，采用中频电炉炼钢、连铸、轧钢的生产工艺也得到发展，由此兴起很多小型炼钢厂，当前，在东南亚及不少发展中国家也呈现出蓬勃发展的势头，因其投资少见效快，在某些地区已成为电炉炼钢的强有力竞争者，与中频炉炼钢相比，DP新型电炉炼钢流程具有以下明显优势：
1.6.1 电弧炉生产工艺具有脱[C]、脱[P]、脱[O]、脱[S]，调整温度、成分，去气、去夹杂功能，而中频炉只具备调整成分、及脱[O]功能，只能算是化钢炉。
1.6.2 中频炉额定容量小，冶炼时间长，产能远远小于电弧炉。例如70t偏心底出钢超高功率节能型电弧炉每炉钢冶炼周期可缩短至45分钟，年产钢量可达到60-70万吨。
1.6.3 因电弧炉与中频炉生产工艺不同，质量优于中频炉，可生产轴承钢、油井管、高质量弹簧钢等特钢，而中频炉只能生产质量要求不高的常用的碳素结构钢；电弧炉成分容易控制，品种命中率可达到99.5%以上，而中频炉[C]、[P]及合金元素配料高时不能调整，品种命中率低下。
1.6.4 电弧炉+LF炉可与连铸一对一匹配，生产节奏容易控制，中频炉与连铸难以做到，且生产节奏慢。
1. 6.5 经应用和工业性对比测算，超高功率电弧炉如采用DP节能型废钢预热连续加料技术，电耗成本可比中频炉低约110元/t钢。
1.6.6 2010年6月21日，工业和信息化部会同有关部门制定的《钢铁行业生产经营规范条件》规定：电炉公称容量70吨及以上的炼钢厂允许建设，70t以上超高功率节能型炼钢电弧炉符合国家政策，企业可长期、持续、健康发展。而中频炉则属国家明令禁止和淘汰范围之内。
近年来国际铁矿石大幅涨价，矿石资源危机已成定势，我国《钢铁产业发展政策》明确指出要“逐步减少铁矿石比例和增加废钢比重”，减少原生资源的开采，增加循环资源的利用，实现资源合理配置，这是实现钢铁工业可持续发展的重大战略决策，废钢铁作为可循环利用资源，是缓解铁矿石危机的重要途径。以废钢铁为主要冶炼原料的电炉炼钢工艺，其生产和发展对我国钢铁工业的可持续发展具有重要影响。据统计，世界电炉钢产量的比重约占钢总产量的32%-35%左右，发达地区和国家如欧盟、美国等电炉钢比重已达到50%以上，随着我国钢铁工业迅猛发展，在转炉钢产量急剧增涨的背景下，我国电炉钢产量也逐年增加，电炉炼钢的迅速发展已是大势所趋。
2、国外电弧炉高效节能炼钢技术装备的研发及展
随着电炉炼钢行业的发展，人们对电炉节能技术的研究日益重视，日本率先利用电炉余热预热废钢，该系统采用远距离分体布置，炉气由管道输入废钢余热炉，入口炉气温度700-800度，废钢预热至300度左右，每吨钢可以节电30—45kw/h，冶炼周期缩短5-8分钟，但该方法存在占地面积大,炉气热损失高，废钢预热温度低，有害气体排放超标等难以解决的问题，现已停止使用。随后又出现了双壳电炉技术，利用两台炉交替使用的冶炼方法。既其中一个炉体进行冶炼时将其排出的废气送入另一个装满废钢的炉体中预热废钢，其特点是充分利用了电炉废气的热量，但是该设备存在操作难度大，两炉切换的节奏不易掌握，占地面积大、投资大，运行费用高等缺点，当前已没有再推广的价值。20世纪90 年代，采用竖炉进行废钢预热和烟尘回收，其特点是将废钢预热的料篮直接置于电炉顶部废气排放口处，工作时先把废钢装在料篮内，电炉内1200—1500度高温的废气穿过废钢进行预热操作，废钢预热温度达到600度以上，节电可以达到100kw小时/吨钢以上，但是竖炉也存在手指结构复杂，维修难度大、费用高，车间高度大等缺点，当前采用竖炉的厂家越来越少。上世纪90 年代初，国外研制水平废钢预热输送设备，该机是利用电炉四孔的一次高温烟气预热废钢，与同类产品相比，具有冶炼周期短，运行可靠、耗能低等优点。但也存在预热通道密封性差、废钢预热温度低、结构复杂且占地面积大、投资大等缺点，已逐渐被国产新型DP废钢预热输送设备所取代。
3、我国电弧炉高效节能炼钢技术装备的研发与应用
我国当前电弧炉炼钢技术在产量、装备技术、高效化技术和洁净化技术方面均取得了一定的进展，但就能耗与国外同行业相比，我国电炉炼钢的综合能耗偏高，节能降耗是电弧炉生产技术发展的必然趋势，尤其是我国面对废钢资源短缺、电力等能源紧张的现实情况，更要对电弧炉炼钢的节能降耗进行深入研究，因此，围绕进一步缩短冶炼周期、降低吨钢能耗等核心课题，开发具有自主知识产权的国产化电弧炉冶炼技术装备，是我国大力发展电炉炼钢的迫切任务。
近年来，河南太行全利重工股份有限公司自主研发的DP系列废钢预热输送成套设备，采用废钢预热、连续给料、电炉余热回收利用、高温烟尘净化等一系列高新技术和手段，有效解决以电炉炼钢为生产方式的钢铁企业生产能耗高、生产效率低、环境污染严重的问题，填补了国内空白，已成为我国电炉炼钢行业进行技术改造和新建项目工程的首选，其主要特点为：
1、DP系列废钢预热输送成套设备可将在线预热的废钢连续加入电炉，实现了连续预热废钢，连续投放加料，连续熔化废钢，连续氧气冶炼的电炉冶炼工艺技术更新。全程熔化氧化冶炼及全程泡沫渣操作，简化了传统电炉工艺的废钢熔化过程，大幅度削弱了废钢熔化期内三相电流对电网的无功冲击，从根本上抑制了电压闪变及高次谐波的发生，提高了电网的安全运作指数。
1.1 全程熔化氧化冶炼是电炉炼钢技术进步的充分体现
传统意义上的超高功率电炉，未实施废钢预热与连续加料技术三次废钢熔化期，累计化料时间大约35min，采用大留钢量全程熔池氧化冶炼技术后，熔化期不复存在，演变成了熔化氧化过程。除留钢量偏小的电炉外其余冶炼时间段，三相负荷平衡，电弧平稳，因此电压闪变及高次谐泼发生几率可减少60%以上。
传统冶炼工艺，一般而言每炉需施开炉盖加料三次，每次平均耗材4min，采取废钢连续加料后，减少热停工时间至少12min以上（若需压料耗材时将会延长），按超高功率类比计算，可提高电炉产能2%以上，即使用该炼钢技术后，在不增加其它任何投资的情况下，原电炉年产钢能力增加2%，增效显著，另一方面单行冶炼时间缩短12min，为电炉炼钢实现高效的连续化生产提供了强有力的工艺保证。传统电炉炼钢，熔化期内功率因数一般在0.5左右，电能利用率很低，实施全程熔化氧化冶炼后，变压器功率因数量期增加到0.85以上，显然电能输入密度提高了，电能利用率也同等提高了，冶炼电耗必然降低，冶炼周期必将缩短。
2003年舞钢国产化改造了一座90T电弧炉。该电弧炉采用超高功率供电、部分热装铁水、DP90型废钢预热水平连续加料、RBT出钢、水冷炉壁、辅助能源优化利用、USTB集束氧枪、环境保护等多项先进技术，经过几年运行，各项指标达到国内先进水平，号称“中国电炉王：效率最高、能耗最低！”。截止2009年舞钢已经连续投产应用DP系列废钢预热输送系统的4条生产线，均取得了显著的节能减排、高效炼钢效果。
舞钢2#电炉取得的经济技术指标
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冶炼周期 平均38min/炉；
最短30min/炉；
最高日产 43炉/天，产量 4560t/d；
电耗 平均 222kWh/t.钢；
最低 160kWh/t.钢；
氧耗 平均41Nm3/t.钢；
电极消耗 平均1.3kg/t.钢；
最低1.08 kg/t.钢；
1.2 结合铁水热装工艺，进一步发挥废钢预热与连续加料节能炼钢优势
电炉炼钢时加一定量的热装铁水，其主要原因一是废钢价格与铁水成本现阶段相差不大；二是铁水热装充分利用了热能并能够降低冶炼电耗；三是加入30%以上铁水与大留钢量冶炼操作具有同等功效，能够实施全过程熔化冶炼。
从理论上讲，电炉铁水热装最佳热装比是40-50%，该比例不仅大幅度降低了冶炼电耗，而且兼顾了电炉冶炼节奏，保证了炼钢全线生产的连续性。
电炉实施铁水热装后，需要在不同时段对氧气压力及氧气流量进行实时合理控制，同时为避免熔化温度发生梯度变化而导致熔化大沸腾，往往需要对熔化进行深吹与浅吹相结合的吹氧搅拌，另一方面全程泡沫渣工艺必须同步到位，渣层厚度上必须保证。
2、多途径提高废钢预热温度，充分挖掘节能效果
DP系列废钢预热输送成套设备其节能效果与废钢预热方式，废钢的预热时间，预热通廊的密封性及高温烟气的性能等因素密切相关，如何最大限度提高废钢预热温度即是体现节能效果的关键指标，也是提升产品综合性能的研发重点。为此做出以下有益探索：
2.1 不断完善废钢预热料槽结构设计的合理性
废钢预热槽结构模式，河南太行全利重工股份有限公司早期产品采取水冷结构，这种结构的优点是设备运行可靠，故障率低，维修量小。但是与料槽相接触的废钢预热温度因水冷料槽的冷却所削减，进而影响废钢的预热效果，对于废钢厚度不超过10㎜或堆比重不超过1.0kg/cm3的这类废钢，因废钢密度小受影响并不突出，但是对于厚度超过10㎜的各种压块或中、重型废钢则不然。
2.2 提高热气流的渗透性，是提高废钢预热温度的有效途径
高温烟气在预热通道内的密度沿烟道截面分布是不同的，阻力小的区域密度就高，反之密度就低，也就是说预热槽上无序堆放的废钢其截面热气流的密度不及通道内中心区域，所以提高热气流在废钢料层的渗透性是提高废钢预热温度的必要手段。在保温烟罩内增设倾斜式烟气阻尼装置，能将烟气运动轨迹改变为波浪式前进，有效提高热气流在废钢料层的渗透性，以达到增加高温烟气与废钢相互接触的面积，继而提高废钢预热温度。
2.3 减少混风面积，提高烟气热能
电炉入料口是废钢连续加料及高温烟气的工艺通道，要求电炉进行摇炉放渣操作时对不中断废钢连续预热和连续加料作业。即电炉向炉前方向倾炉3度时，电炉入料口与振动小车料槽不发生碰撞。另外电炉炉盖提升后外旋与废钢预热水冷烟罩不发生碰撞，但是缝隙面积过大混入的缓向野风比例也大，每增加0.1㎡混风面积，混风量就增加7200m3/h,电炉入料口与料槽相关的三个边都存在一定的工艺间隙。一般而言入料口的混风面积不低于0.6㎡由此混入的野风可达到43200m3/h，几年下来混入的野风可占废钢预热烟气工况风量的1/3。假设电炉高温烟气在入料口处温度为1100-1200℃,混风后烟气温度必会下降，不考虑电炉炉内与大气压差时，混风后的烟气温度约900℃.因此妥善解决电炉入料口动态密封，是确保烟气热能的重要途径。
3、开发DP系列新产品适应市场需求
3 .1研制DP-L垂直型废钢预热输送设备
DP标准型废钢预热输送设备是在电炉非短网侧沿电炉中心线水平布置的，长度一般为40至50m，若太短则废钢在预热通道的时间过短，预热温度低（附表：预热长度与预热温度对照表）。有的企业，同一跨厂房内拥有多个电炉，电炉之间距离较近，若采用废钢预热设备时，现有的废钢预热输送设备均不能满足要求，需要研制新的废钢预热输送输送设备，为此，河南太行全利重工股份有限公司与印度尼西亚苏钢合作，研制了DP-L垂直型废钢预热输送设备，该机的特点是将移动式振动给料机烟罩侧面开孔与尾部振动输送机垂直连接，工作时，给料机上部的水冷烟罩固定不动，给料机本体则可沿电炉（四孔侧）中心线水平前后移动进入电炉或从炉内退出，实现向电炉连续给料、连续预热废钢的工艺要求。该机的研制成功，进一步拓宽了DP系列废钢预热输送成套设备的应用范围，最大限度的满足了各种炉型、各种布局电炉车间的技改需要。
3.2 研制DP-T脱磷炉废钢预热输送设备
韩国POSCO集团是世界顶尖的钢铁企业，其子公司张家港浦项不锈钢有限公司ZPSS是主要生产、销售不锈钢的企业，2010年9月份，该公司率先投资建设脱磷炉，该炉安装在现有140tEAF车间维修跨17-19#柱间，废钢输送的有效距离仅有31m；所用原料一部分是不锈钢废料，一部分则是高磷镍铁块式基料，镍铁块厚度≥120㎜，堆比重超过3.0kg/cm3,这些原料的基本特性是不导磁，料厚，比重大，用电磁吸盘无法吊运，标准型的废钢预热输送设备不能满足脱磷炉连续加料、连续预热废钢的工艺要求。
2011年初，河南太行全利重工股份有限公司与浦项不锈钢合作，研制成功了DP-T60型脱磷炉废钢预热输送设备，该机除了具有标准型DP废钢预热输送设备的全部性能外，还具有以下主要特点
1、 采用了超长型的移动式振动给料机（给料槽长度约9m）；
2、 超短型的废钢预热输送通道（输送槽有效长度20m）；
3、 移动式双层料仓结构；
4、 双层输送料槽结构；
5、 高温烟气导流烟道等。
经过近六个月的生产使用，采用DP-T60型脱磷炉废钢预热输送设备的浦项60t脱磷炉与现有普通电炉对比，具有以下明显优势：
冶炼电耗低：吨钢节电80-100Kwh。（1）脱磷炉冶炼时不用掀开炉盖，热能损失低；（2）废钢被预热400℃以上；（3）熔池连续熔化废钢，电弧平稳，电能利用效率高。
电极消耗少：吨钢节省0.6-0.75Kg（1）平熔池冶炼,电弧平稳,电极折断率几乎为零；（2）废钢被预热，电能利用率增大、热能充分利用，平均每炉送电时间由原来的50min下降到40min （3）脱磷炉是电极加热钢水，钢水加热废钢，没有电极穿孔过程。
冶炼周期短：每炉钢最少缩短15-20 min（1）脱磷炉加料时不用掀开炉盖，节省了加料、压料时间；（2）电能、热能利用率提高后冶炼节奏加快。
电压闪变及高次谐波发生概率低：分别降低31-40 %，34-43%；脱磷炉实施连续加料后，冶炼工艺被更新优化 全程熔池冶炼，三相电弧平稳，无传统工艺熔化期中单相短路现象发生。
噪音小：噪声降低量≥20 dB（1）冶炼工艺全程熔池冶炼，无冲击负荷；（2）全程泡沫渣，埋弧冶炼；（3）炉盖不开启，提高了隔音效果。
脱磷炉年出钢产量高：提高20%，同等配置条件下电炉单炉冶炼周期缩短了15-20min。
该项目竣工投产以来，整套设备完全满足不锈钢生产工况的要求，节能减排效果明显，得到使用单位赞誉。
4、结论
4.1 我国电弧炉炼钢的发展应该在现有工艺的基础上，围绕缩短冶炼周期、降低吨钢能耗这一核心课题，大力开发和推广应用具有自主知识产权的现代电弧炉高效节能炼钢技术及装备；
4.2 面对我国废钢资源短缺、电力紧张的现实情况，采用DP废钢预热输送设备，是进一步缩短电弧炉冶炼周期、提高电弧炉炼钢生产率，降低生产能耗，节能减排的有效措施；
4.3 DP新型电炉炼钢流程将在线预热的废钢连续加入电炉，实现了连续预热，连续加料，连续熔化，连续冶炼的电炉冶炼工艺技术创新，是实现电炉炼钢转炉化最直接、最有效的技术措施，也是中频炉等小型炼钢企业实现产业转型的方向，对于我国在新的条件下促进电弧炉炼钢的发展具有十分重要的意义；
4.4 DP新型电炉炼钢流程已在国内外多家钢铁企业得到成功实施和应用，并将对今后时期电炉炼钢工艺设计、设备选型、专业人才培养等诸多方面产生较为深远的影响；河南太行全利重工股份有限公司愿与广大炼钢企业、科研院所和社会有志之士开展广泛的交流与合作，共同开启新世纪低碳冶金新的篇章。
国产化电炉连续炼钢装备项目服务热线：15090480399,18937332189
邮箱：taihangquanli@126.com
附件：DP电炉连续炼钢装备国内外部分案例