我国电炉炼钢的发展现状与前景

我国电炉炼钢的发展现状与前景现代炼钢流程主要是转炉流程和电炉流程。2004年世界粗钢产量达10.548亿t，其中转炉钢66452万t，占63%，电炉钢35652万t，占33.8%。我国钢产量27470万t，其中转炉钢23271万t，占85.72%，电炉钢4167.1万t，仅占15.17%。笔者在此分析了我国不同时期电炉钢比例逐年下降的原因，讨论了为什么要重视电炉钢的发展，指出了在目前我国废钢资源及电力紧缺的条件下，发展电炉炼钢的方法及技术措施，认为目前应考虑对发展我国现代电炉炼钢的第二轮投资。国外电炉炼钢的发展情况自上世纪中叶至今，尽管转炉炼钢技术取得了长足的进步。但世界电炉钢比例不断增长，从1950年的7.3％增长到2004年的33.8％。电炉钢比例的增长，主要是由于跟高炉转炉长流程相比，电炉炼钢具有固定投资小，消耗铁矿石，焦炭，水等资源少，占地面积小，可比能耗低，对环境污染少，工厂可接近资源产地及市场，启动及停炉灵活等优点，符合全球可持续发展要求。本世纪前四年，世界上年产钢500万吨以上的主要产钢国家各国粗钢产量稳步增长，电炉钢比例不同国家有增有减，总体上有所降低，从2001年至2003年电炉钢的比例从35%下降至33.1%。2004年虽然粗钢产量增长迅速，但世界电炉钢比例从33.1%上升至33.8%。我国现代电炉炼钢的发展情况我国现代电炉炼钢始于1993年原冶金部和上海市在上海召开的“当代电炉流程和电炉工程问题研讨会”（以下简称第一次上海会议）。由于各级政府部门引导，支持钢铁企业进行了对现代电炉流程的一轮投资，依靠引进国外现代电炉流程先进技术，在我国建成了一批“三位一体”或“四位一体”的先进电炉流程。从1993年至今，我国电炉钢生产的发展可分为三个阶段。在1993年至2000年这一阶段，我国电炉钢产量在1800~2000万t波动，电炉钢比例逐年下降，从23.2%下降至15.7%。这是由于一方面淘汰了大量落后的小电炉，使得我国电炉钢产量下降，另一方面新投产的大电炉产量还是不够高，致使电炉钢产量在一个水平线上波动，另外由于转炉钢产量的迅速增长，电炉钢产量增长比较慢，致使电炉钢比例下降，但这也正好说明“第一次上海会议”的意义及影响，如果没有1993年的“第一次上海会议”，在小电炉大量被淘汰的情况下，2000年我国电炉钢的比例恐怕还会低很多。从2000年至2003年，在世界电炉钢比例有所下降的同时，我国电炉钢比例却走出了低谷有所回升。从2000年的15.7％上升到2003年的17.6％。电炉钢比例回升说明在这一阶段，虽然全国钢产量迅速增长，但电炉钢增长的速度比钢总量增长的速度更快。在2001-2003年间，我国钢生产迅速发展，年增长速率达20~22%，远高于世界同期增长速度。电炉钢增长速度更高，达27-28%，电炉钢比例回升了约2个百分点。电炉钢比例有所回升的原因，除了国民经济发展的拉动以外，主要是由于上世纪九十年代钢铁企业在有关政府部门的引导和支持下，对发展我国现代电炉钢流程进行的一轮投资新增电炉钢生产能力的释放，一批现代电炉流程迅速投产、达产、超产以及我国电炉钢工作者在消化引进国外先进技术的基础上自主创新，开发具有中国特色的现代电炉炼钢技术方面取得了长足的进步，电炉冶炼周期大大缩短，生产率大大提高。2004年以后进入第三阶段，在这一阶段，中国电炉钢比例正面临着1990年以来第二次逐年下降的局面，由于前一阶段我国对转炉流程进行大量投资导致的转炉钢生产能力的释放，使我国转炉钢产量大幅度增长，增长速度达27%，而电炉钢第一轮投资导致的潜能挖掘释放已经饱和，年增长速度大大降低到6.7%，转炉钢增长速度高于电炉钢，从而使电炉钢比例又有所下降，估计这次下降的势头比1993-2000年那次更猛，1993-2000年每年平均约降低了一个百分点，而这次在2003-2004年间，一年内就下降了约二个百分点，从17.6%下降到15.2%。2005年我国钢产量将达到约3.5亿t，电炉钢比例可能低于13%。今后几年如不控制全国钢的总产量和转炉钢生产，较大幅度增加电炉钢产量，则电炉钢的比例还会迅速下降提高我国电炉钢比例的意义及技术措施电炉钢比例的下降，从全球的观点出发，意味着铁矿石、焦煤、水等资源的消耗增加，土地利用率相对降低，CO2、废渣等排放量增加，对环境不利，从而影响全球的可持续发展战略，不利于子孙后代。电炉钢比例的下降，不利于我国从一个钢铁大国转变为一个钢铁强国，我国从1996年开始，钢产量居世界第一，成为了一个钢铁大国，但目前还不是一个钢铁强国。如何提高我国的电炉钢比例，应采取什么技术措施，我们认为：电炉炼钢在我国目前的废钢及电力紧缺的条件下，要坚持生产高附加值优钢和以缩短冶炼周期为核心降低操作成本的方向。对于电炉流程冶炼工序，高附加值优质产品因时、因地具有不同的含义。目前我国高附加值优质产品，也就是能盈利的电炉钢品种包括：a)转炉流程不适合生产的高合金钢、高温合金、大型铸锻件用钢；一些大型机械（包括冶金机械）部件，特别是铸钢件，用随时可以启动、终止的电弧炉冶炼比较合适，对一些特厚板，用电炉生产大型钢锭的轧材比用电炉或转炉生产的连铸坯的轧材质量好，对于一些军工产品，即使转炉流程能够生产，但军方不愿意重复试车，还得让电炉流程生产；b)转炉流程能够生产但目前在国内产量还是不大的一些合金钢钟，如轴承钢、齿轮钢、弹簧钢等；c)过去仅能用转炉流程生产的、现代电炉流程也能生产的一些品种，如高附加值的板材（薄板、中板、厚板）；d)优质碳素钢（特别是中、高碳钢）和低合金钢（包括使用量很大的螺纹钢）。作者认为电炉应考虑生产普钢。世界上电炉钢的比例为1/3左右，但特钢比例约15%，电炉实际在生产特钢的同时，也在大量生产普钢，但为优质普钢。我国应充分利用“973”项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”开发的HSLC钢及超细晶粒钢的研究成果，用现代化电炉流程来生产400MPa级铁素体+珠光体类型薄板及长材可能是提高我国电炉钢比例的一个重要途径，因为它可以取代目前只经吹氩、喂线精炼的同类小转炉钢（这类钢目前总产量超过亿吨）。实践证明，用电炉流程生产的成分类似Q195的HSLC钢的屈服强度可达420MPa，成分类似16Mn或Q345不加Nb、V、Ti微合金元素的HSLC低C-Mn钢的屈服强度可大于450MPa。关于降低操作成本，仍然要坚持以缩短电炉冶炼周期为核心，来发展现代电炉炼钢技术，这里主要谈一下电炉加部分铁水冶炼及采用集束氧枪强化用氧问题。加部分铁水冶炼在缩短冶炼周期，提高生产率，降低电炉钢固定成本、人工成本、降低电耗方面具有显著效果。特别应该注意的是，现代电弧炉炼钢，为了缩短冶炼周期，除超高功率供电外，还必须提高配碳量，强化用氧，加生铁是最有效的方法，国外现代电炉炼钢有加40%生铁冶炼的。我国一般加20~30%的生铁块，电炉加部分铁水冶炼，实际上是以热铁水代替冷生铁，显然，这对节能具有重要作用，是一种技术进步，如果说欧洲、日本近十年来发展废钢预热为特征的电炉冶炼技术是对现代电炉技术发展作出的重大贡献，作者认为，目前我国广泛使用的电炉加部分铁水冶炼技术是我国对现代电炉技术发展作出的另一重大贡献，因为废钢预热的效果一般为吨钢节电60kWh，而加35%铁水冶炼吨钢节电120kWh以上，且装备简单。2003年，我国34台容量大于60t的电弧炉已有22台采用了电炉加部分铁水冶炼技术，其中16台生产率超过了8000t/t·a，7台超过了10000t/t·a。电炉加部分铁水冶炼有一个最佳的铁水比，以冶炼周期最短为目标计算的最佳铁水比与平均供氧强度有关。当平均供电强度一定时，随供氧强度提高最佳铁水比提高，最短冶炼周期下降。铁水供应充分的企业，在考虑了烟气除尘的能力及安全的前提下，提高供氧能力，适当增加铁水加入比是可以理解的。这是解决当前废钢及电力紧缺的一个对策。提高电炉吨钢用氧量，是强化电炉冶炼、提高电炉节奏最有效手段之一。目前，电炉炼钢氧气产生的化学能在电炉总能量输入中所占的比例，从全废钢冶炼的20-30％，达到加铁水冶炼的50％以上。大量输入氧气已是现代电弧炉炼钢工艺的一个重要特点，先进电炉的供氧强度已达到1.5Nm3/t.min以上，冶炼时间缩短到50min以下。如何高效地将氧气输入到电炉炉内，对提高电炉炼钢的冶炼节奏，降低生产成本是非常重要的。由于受电炉炉型的限制，电炉炉体及熔池高度相对比转炉浅，限制了电炉供氧强度的提高。因此为提高电炉的供氧强度，产生了各种吹氧方式：炉门吹氧方式，炉壁吹氧方式，EBT吹氧方式及目前普遍受到重视和迅速得到推广的炉壁集束供氧方式。炉门吹氧系统是使用年代最长，最普遍的供氧方式，我国早期引进的炉门机械手装置，目前国内完全能自主生产。它使国内电炉达到较高的冶炼水平，脱碳速度高于采用人工吹氧方式。传统的炉壁及EBT区吹氧方式是旨在代替氧燃烧觜助熔，加速电炉炉内的废钢熔化及解决冶炼过程出现的冷区问题，同时达到炉内实现二次燃烧。传统炉壁吹氧方式的缺点是：当电炉炉料配碳较高时，脱碳速度不能满足冶炼节奏需要。电炉炉壁集束氧枪技术是集供氧、喷吹燃料、喷吹碳粉为一体的供氧喷吹技术。具有传统烧嘴的助熔功能，同时可通过炉壁喷吹集束氧气射流快速脱碳及喷吹碳粉实现炉渣泡沫化。集束供氧技术的核心为：取代传统意义上的炉壁助熔烧嘴及炉门氧枪，而且能够根据冶炼进程的变化，最大限度加快助熔速度，实现“关起炉门炼钢”。采用集束射流技术，其氧气射流比传统超音速方式增加40－80%的射程，可获得满意的脱碳和升温效果。可形成炉中多点脱碳能力，加速熔池脱碳。目前国内外部分先进电炉已采用该项技术，使电炉的技术经济指标大大提高。安阳钢铁公司100吨烟道竖炉电弧炉2006年4月7日采用北京科技大学开发的集束供氧技术，即在电炉炉壁采用四个USTB氧枪装置，助熔及脱碳采用双流道氧气射流集束氧枪喷吹工艺，系统可以根据不同冶炼阶段对氧气流量采用模块化供氧方式及分时段供氧曲线进行控制，获得了最佳的供氧效率及冶炼效果。喷碳粉造泡沫渣，采用炉前及炉后喷吹碳粉，保证了泡沫渣在整个炉内形成，同时节约了碳粉喷吹量，达到提高金属收得率及节电等冶炼效果。电炉生产2个月后的使用效果显示：该电炉在热装40％铁水条件下，冶炼电耗比原平均电耗220kWh/t又下降了60－80kWh/t，达到160kWh/t以下，金属收得率提高2-3%，冶炼时间缩短3-5min，生产成本降低了80元/t以上，进一步缩短了与同容量转炉在操作成本上的差距，加铁水后的强脱碳操作未产生大沸腾现象，杜绝了炉壁及炉顶粘钢现象的发生，提高了生产效率。在其它厂多座电炉上也取得了类似效果。我国电炉炼钢的发展前景尽管目前我国电炉炼钢面临重重困难，但我们认为前景是光明的，因为世界电炉钢生产发展的历史，发达国家从发展中国家走过来的历史表明，电炉钢比例逐年增长的总趋势不会改变，我国废钢的生成量会不断增加，废钢生铁比价会有所改变，加上国家宏观调控都会朝有利于电炉钢生产发展的方面变化。在中国工程院2005年4月在上海举办的“中国电炉流程与工程技术研讨会”（简称第二次上海会议）上殷瑞钰院士预测我国电炉钢比例至2020年可望达到25%，如果采用加35%铁水的电炉冶炼工艺，2020年我国电炉钢比例会超过30%，电炉钢生产前景是光明的。目前应引导钢铁企业考虑对发展我国现代电炉炼钢的第二轮投资，新增现代电炉炼钢生产能力。历史经验证明，我国对现代电炉炼钢的第一轮投资，经过十年才达到产能充分释放，形成生产能力。再过十年。估计我国的废钢及电力紧缺的局面将会有大的改变，电炉炼钢的优势将会得以充分体现出来，到时候现抓电炉钢生产，就可能措手不及，失去机会，减少企业利润。1993年美国有容量为100t以上的电炉40多座，2003年日本年产电炉钢2900万t，有100t以上的电炉22座，而我国目前只有13座100t以上的电炉，根据不同条件，目前应考虑进行新一轮的投资，适当的新建100t左右级别的现代电弧炉，否则，可能会导致新建不符合产业政策，容量小于60t以下的电弧炉，或使大批小容