电弧炉炼钢新技术-2011

电弧炉高效冶炼技术于会香E-mail:[e-mail]炼钢的高效化、洁净化生产现代炼钢技术处于理性发展，氧气转炉炼钢和电弧炉炼钢是两种最主要的炼钢方法，技术进步的共同趋势是高效化和洁净化。炼钢生产的高效化高的生产率高的生产速率高的能量利用效率炼钢生产的洁净化钢质洁净化（内在洁净化）环境洁净化（外部洁净化）电弧炉炼钢的高效冶炼技术UHP和合理供电技术辅助能源泡沫渣技术底吹技术水冷炉壁、炉盖无渣出钢废钢预热环境保护措施辅助能源氧-燃助熔工艺（oxy-fuelburners）炉门氧枪强化供氧(oxygenlancing)炉气后燃烧工艺(post-combustion)凝聚性射流技术凝聚性射流技术是美国普莱克斯（Praxair）公司开发研制的一种新型的吹氧技术，氧枪中心喷出的主氧气流周围有一层高温低密度的燃气流，燃气流对主氧气流形成封套，使其难以吸卷周围的空气而发散衰减，保持聚合状态射向熔池。射流能量集中，具有极强的穿透力和搅拌力；促进钢渣反应、均匀钢水成分和温度；提高氧气利用率、提高金属收得率等凝聚性射流技术集束射流氧枪喷吹示意图普通超音速射流与集束射流对钢液作用的比较集束射流结构原理氧气主射流位于喷嘴中央，直接射向熔池；氧气辅助射流燃烧煤气流包裹主射流，保证主射流的聚合长度；采用水冷结构保护。复合式集束射流氧枪的三种操作模式烧嘴模式快速加热与熔化废钢氧枪模式熔清后可转换成氧枪脱碳方式二次燃烧模式可独立向熔池上方喷吹二次燃烧氧气余热利用余热利用的意义电炉炼钢引入辅助能源的主要效果是降低电耗，并没有降低总能耗。降低电炉炼钢总能耗的根本措施在于减少能量消耗，废气的余热再利用是很重要的一个方法。电弧炉用氧不断强化，废气带走的热量增加。废气带走热量的情况电炉冶炼过程中，产生的废气所携带的热量约为输入总能量的11%左右，有的高达20%。炉气能量损失有两种：(1)高温炉气带走的物理显热：(2)炉气可燃成分带走的化学能。余热利用炉料预热如何利用废气及二次燃烧产生的热量？炉料预热竖井炉式、双炉壳式、连续加料式等炉料预热在电炉炼钢的各项热损失中，废气余热是最容易利用的。废钢预热技术是在高温炉气排放之前，通过废钢（炉料）产生热交换，把热量传给废钢，提高废钢的温度，从而达到加快废钢（炉料）熔化、降低电耗，提高生产率的目的。废钢预热废钢预热是在熔化之前预热废钢，其热源可采用烧嘴产生的热量，也可以采用电炉炉气的余热。最初废钢预热用独立的热源，在废钢料斗中进行；当出现电炉第四孔后，人们开始考虑用电炉炉气的余热来预热废钢。竖井电弧炉(FuchsShaftFurnace)为了降低电炉的能量输入，DanishSteelWorksLtd(DDS)首先进行了竖井电弧炉的研究。其想法为：将废钢装入竖炉，用电炉炉气的余热来预热废钢。废钢料柱一端在电炉内，随着底部废钢的熔化，废钢被连续加入炉内。竖井电弧炉有一个废钢预热系统，可以是单竖井电弧炉或双竖井电弧炉，可以是直流或交流的。它用废气的物理热和化学热、以及在竖井电弧炉底部的氧-燃烧嘴来加热装在水冷竖井电弧炉内的废钢料柱。单竖井电弧炉(SingleShaftFurnace)1992年，在英国Sheerness的Co-Steel钢厂安装了单竖炉。在该工艺中，随着废钢的熔化，shaft内的废钢被连续加入。其装置如右图，炉盖、shaft、电极立柱是固定的；底部四个液压柱来升降炉体（装料）和倾动炉体（出钢、除渣）。该设备的配置为：80MVA的变压器、6MW的烧嘴和一个水冷氧枪。单竖井电弧炉该装置的操作过程如下：炉体下降约一英尺，并开出到装料位；装入第一批料（约44t废钢）；炉体开回到炉盖下，并提升；第二批料装入shaft（约35t废钢），前两次装料时间小于2min；熔化开始，约4min后，电极提升，最后一批料装入shaft；此后熔化一直进行，不受干扰。单竖井电弧炉以Co-Steel为例，120t炉子，80MVA变压器，冶炼周期56min：该装置出钢量为99t，出钢温度为1640℃，通电时间为34min。应用效果：炉气炉尘降低（因炉尘粘附在废钢上），比传统电炉降低约20%；炉气量下降，风机所需的抽气能力降低；回收废气热量约72Kwh/t钢；炉尘中锌含量增加，从22%增加到30%；双竖井电弧炉(DoubleShaftFurnace)双竖井电弧炉是由两座单竖井电弧炉共用一套电极组合而成。该装置有一个变压器、一套电极系统和两个炉壳。装料时有三个废钢料斗，一个圆形料斗给电炉装料，装料量为50%；另外两个矩形料斗给shaft装料，装料量各为25%。其操作过程如下：炉壳A出钢，电极转向炉壳B加热、熔化。开始穿井阶段电压750V，主熔化阶段电压900V，6个烧嘴在shaft底部助熔；炉壳A出完钢后，加料75%；底部烧嘴开始预热废钢，同时炉壳B中的炉气也用来预热炉壳A中的废钢；剩下的25%炉料加入shaft；炉壳B准备出钢，电极回转到炉壳A加热。双竖井电弧炉(DoubleShaftFurnace)DoubleshaftfurnaceinoperationatARBED1993年10月，第一座双竖井电弧炉分别诞生在法国UnimetalMontereau与卢森堡Arbed，炉容分别为90t与95t。SAM使用双竖井电弧炉的一些数据手指竖井电弧炉(TheFingerShaftFurnace)第一座手指竖井电弧炉于1995年1月诞生在墨西哥Hylsa，炉容为135t，留钢量为44t，变压器容量为156MVA。装的金属料中，45%废钢，55%DRI。该装置的炉盖和shaft坐在台车上，台车在轨道上移动。其操作过程如下：电极升起来，旋转到炉子一侧；Shaft移至炉体中心上方的位置，手指缩回，预热废钢装入炉内；炉盖移回，电极回到操作位开始加热；第二批废钢加入shaft，DRI在熔化过程中连续加入炉内；第一批废钢熔化后，第二批废钢加入炉内；在shaft中加入下一炉的第一批炉料进行预热。珠钢手指竖井电弧炉珠钢150t手指竖井电弧炉投产于1999年8月珠钢手指竖井电弧炉主要设计参数：竖井高8.35m，宽2.43m，长7.12m熔池直径6.20m炉子容量180t出钢量150t热留钢量约30t变压器容量120MV·A氧油烧嘴6支，3.5MW/支水冷式炉门氧枪4000～5000Nm3/h水冷式炉壁氧枪1600～2000Nm3/h珠钢手指竖井电弧炉操作过程：（1）下一炉第一篮料在上一炉出钢前15min加入竖井中并被托架支撑，上一炉精炼期时所产生的废气可将竖井内的废钢预热到红热状态。（2）熔炼下一炉时，打开手指将废钢加入到炉内上一炉的留钢留渣熔池中，随即或送电若干分钟后将第二篮料加入竖井内，加入时机以竖井装得下为原则。（3）冶炼过程竖井内的废钢被炉内废气预热与烧嘴预热、助熔并持续下行进入熔池，直至手指关闭。（4）在出钢前15min装入再下一炉的第一篮料进行预热。ConsteelConsteelProcess由位于北卡罗莱纳州（NorthCarolina）Charlotte的IntersteelTechnologyInc开发，是回收余热的另外一种工艺。废钢通过长的预热段，在此过程中废气对其预热，然后进入电炉。NucorSteelCorporation是第一个应用该技术的公司。ConsteelConsteel该工艺设备包括连续给料系统和废钢预热器。连续给料系统包括三段传送带，传送带宽1.5m，深0.3m，长60m。给料段的最后有一校平棍，以确保废钢最大高度不超过0.45m。废钢预热器长24m，顶部带60个能力为70Nm3/min的天然气烧嘴。通过电炉炉气和烧嘴达到700℃的预热温度，当炉气足以提供预热温度后，即关掉烧嘴。NucorSteelCorporation电炉容量为75t，出钢量为40t，留钢量为30-35t，给料速率为680kg/min，出钢－出钢时间为45min。电炉配有氧燃烧嘴、碳氧枪等。Consteel废钢由传送带通过动态密封送入该系统的预热器，废钢通过预热器，靠炉气的化学能和物理热加热至550～600℃，然后进入熔池。可用的炉料是：废钢、生铁和热压块、热的和冷的直接还原铁。该工艺的关键是要有稳定的熔池，保持熔池在一定的温度范围内。这样可确保持续的钢－渣平衡、持续的CO沸腾，从而保持熔池成分和温度的均匀、维持一定的CO水平来预热废钢；当然造稳定、良好的泡沫渣也是非常重要的；Consteel要取得好的操作效果，关键要同时控制好几个操作参数：熔池温度；吹氧速率和熔池碳的水平（维持一定的CO水平来预热废钢，同时造泡沫渣）；渣的成分(FeO控制在15%左右，造泡沫渣)；废钢给料速率；废钢成分（给料最好松散、细碎，从而增大预热面积；HBI可随废钢进入预热器；生铁也可随废钢加入，但必须分散加入，以保证熔池中碳含量的均匀稳定；DRI只能在还原气氛下加入预热器）；最初30%的预热段要维持还原气氛，防止废钢氧化。Consteel废钢原料预热和加料过程的连续化，显然对电弧炉炼钢过程是非常有利的：电弧非常平稳，闪烁、谐波和噪音很低；过程连续进行，非通电操作时间减至最少；不必周期性加料，热损失和排放大大减少；便于稳定控制生产过程和产品质量。双炉壳电弧炉(TwinShellElectricArcFurnace)该工艺与传统的废钢预热相似，只不过预热是在炉壳内而不是在废钢料斗内进行。最初在瑞典的SKF使用；该工艺设备的结构特点是两个炉壳共用一套电源和电极系统，电极在两个炉壳间交替使用。双炉壳电弧炉双炉壳电弧炉最初，共用电极沿轨道从一个炉壳移动到另一个炉壳。现在大多使用可在两炉壳间来回摆动的炉盖和电极系统。设备一般包括：两个相同的炉壳（一个低些，一个高些）、一个炉盖、一套电极臂和提升装置、一套电源供应系统。电极在两个炉壳之间交替使用，当一个炉子在熔化时，其炉气用来预热另一个炉子的废钢。废钢被预热的越多，能量节约的越多。双炉壳电弧炉双炉壳电弧炉有很多操作模式：一次装料：只装一次料，因此每炉次产量低于炉子的实际容量。如NipponSteel。二次装料：装两次料，第一次预热废钢只装60%，剩下的40%不预热，如Posco。二次装料，但电源在装料期间切换：A炉子熔化第一批炉料，此时其炉气预热B炉子的第一批炉料→A炉子第一批炉料熔化，开始装第二批炉料。此时电源切换到B炉子熔化第一批炉料→B炉子的余热来预热A炉子的第二批炉料（期间，可用氧枪和氧燃烧嘴来辅助加热），如MannesmannDemag的操作模式。双炉壳电弧炉双炉壳电弧炉的技术特点是将废钢预热和节省非通电时间相结合，从而节约能量，生产率大大提高。据报道，日本NipponSteel净电能输入为260kWh/t钢，比两个传统的电弧炉节电29%环境保护措施最初电炉炼钢的除尘系统比较简单，任务主要是除尘，目的主要是改善周围的工作环境。现在，电炉炼钢的除尘系统比较复杂，任务除了除尘，更重要的是降低有毒气体的产生以及在气体排出之前使之无害化。目的除改善周围的工作环境，还要与环境友好，实现可持续发展。电炉的烟尘包括一次烟尘（Primaryemissions）和二次烟尘（Secondaryemissions）。一次烟尘：在电炉的熔化、氧化操作中产生的烟尘；二次烟尘：在装料、出钢过程中产生的以及在冶炼过程中从电极孔或炉盖圈逸出的烟尘。环境保护措施炉内烟尘控制的发展过程：Earlyfumecontrolmethodsidedrafthoods(a)furnaceroofhoods(b)fourthholeextractionsystem（rudimentary）(c)ModernEAFfumecontroldirectevacuationsystem（sophisticated）(d)。环境保护措施现代电炉炼钢常用的