新型电炉炼钢特点与趋势

    输入原料范围大、生产率最大化、产品质量高、生产灵活性高、优化能源应用率、低相关费用是炼钢工艺的最终目标。本文主要介绍新型电炉炼钢技术，该工艺已成为炼钢生产的里程碑，并使、钢厂概念在世界范围内获得成功。小钢厂概念可以分解成若干项目，用以更好的适应目前的钢厂状况。"小"的概念并不再适用于描述钢厂的生产能力，因为某些典型的小钢厂概念的公司每年的生产能力已达数百万吨。新型小钢厂概念应运而生，并提供了最现代化、成本效率高和适合于市场的灵活技术。目前，以电炉和废钢预热系统的革命为重点，使得竖炉结构发生变化。竖炉设备已运行数年，其能源回收的实际操作结果和经济效益已在几个钢厂得到证明。文中将对这些操作结果进行讨论，并介绍组成新型小钢厂概念的连铸机和轧钢机的主要特点。

　　1.简介
    电炉炼钢的灵活性及最新趋势被应用于新型的市场化钢厂，该工艺经济性与长型或扁平材产品的高质量连续生产直接连接到一起。原料装入、废钢预热、炼钢、连铸、直接装炉或热装轧制等工艺过程经优化后综合到一起，用以更好的满足国际化炼钢工业所要求的最终目标。弗埃斯特-阿尔卑斯公司(VAI)和福克斯系统技术公司将两个公司的力量结合到一起。弗埃斯特-阿尔卑斯公司的关键设备将冶金和工艺诀窍、生产工艺线各环节的自动化经验与福克斯公司所发明的电炉技术融合到一起，这种强力结合成为新型小钢厂概念的代表。

　　2.技术趋势
    输入原料范围大、生产率最大化、产品质量高、生产灵活性高、优化能源利用率、低相关费用等是炼钢工艺的主要目标。电炉技术成为目前冶金生产的先进代表，成为炼钢生产的里程碑，并使小钢厂技术在世界范围内获得成功。小钢厂项目可以较好的满足目前钢厂必须市场化的要求，小钢厂概念不再适用于定义钢厂的生产能力，因为某些典型的小钢厂概念的公司每年的产量甚至已达上千万吨。弗埃斯特-阿尔卑斯公司和福克斯公司新型小钢厂概念考虑了这种需求，并提供了最现代化、高成本效率和能够适应市场的灵活性技术。
    2.1　预热系统
    目前冶金行业的重点是电炉。由福克斯公司和弗埃斯特-阿尔卑斯公司共同开发的指状竖炉是带有废钢预热系统的优化设备。其能源回收的经济效益在运转或正在建设中的几套设备上得到体现，历史已超过8年(详见表1)。
    电炉炼钢的前途是光明的，到2010年，电炉钢产量可能会超过转炉钢产量。要想实现这一目标，首先必须增加供应系统的经济性，生产服务于市场的高质量高附加值产品，增大市场份额，在此基础上将目前某些综合型钢厂的转炉工艺与电炉工艺相结合。

    为满足电炉炼钢的所有成本和质量的目标，公司的贸易必须实现动态化，尤其必须适应原料供应的变化。所装入的原料可能是直接还原铁、热压块铁、生铁、铁水、氧化铁或废钢等其中一种或几种的混合料，钢铁工业的生产状况在很大程度上与此相关。
    电炉炼钢在装入原料中肯定加入废钢，用以提高冶炼效率及更好的预报、控制钢水的化学成分。冶炼炉必须设计成可以优化相关工艺、缩短耗电时间、节省能源、实现最大产量等要求，并能够满足非常严格的环境保护标准。
    与废钢预热技术相结合的指状竖炉可以100%装入废钢，也可以装入废钢与直接还原铁或热压块铁的混合料，或是将废钢与铁水混合，是一种冶炼、生产用于薄板连铸机原料的理想炉型。由于钢内残余元素的含量要求较低，因此装入的混合原料中废钢含量必须低于50%。
    水冷保持爪定位于低位竖炉顶上，这一点成为所装入废钢均匀预热系统的特色。废钢用热循环废气进行加热，用以确保充分利用废气的潜能，可以获得低电能消耗、低电极消耗、降低闪烁值和提高生产率等特点。100%采用立向加入原料进行预热成为指状竖炉系统的成果，但指状竖炉也适用于直接向炉内装入直接还原铁或铁水，并可用废气预热所保存的废钢。
    2.2　装入的原料
    指状竖炉于1995年在位于墨西哥蒙特雷的希尔萨公司扁平材产品分部开始生产，还有1996年投产的比利时考克里尔?桑布尔公司的设备，其可以高比率的利用直接还原铁和铁水（40%）作为原料，指状竖炉在这些厂家的实际操作取得了杰出的成果。
    用铁水作为原料可以大幅度提高生产率、降低能耗参数和通电时间、削减操作费用，并在量终出钢氧含量指标上明显占有优势，通常低于40ppm，若100%装入废钢则此值约为80ppm。
    铁水通过侧壁上的旋转器在电弧不灭的情况上装入炉壳内，此过程必须以专用的铁水包倾倒装置装入铁水，用以确保稳定装料，避免喷溅。
    这种系统可以回收冶炼期所产生的废气能源，当装入40%的铁水时，耗能量低于200kWh／t。将指状竖炉与高效废钢预热系统及最新电炉技术相结合，可以实现装入铁水的所有优点。这种系统的操作结果可以达到目前转炉所获得的生产率。
    COREX工艺提供了另一种生产铁水的方法。这种工艺的副产品-工艺废气可进一步用于生产直接还原铁或作为能源进行其它方式的应用。将这种技术与福克斯竖炉技术或双炉壳技术相结合有可能替代综合型钢厂中的传统冶炼技术。
    2.3　未来设计特点
    连续装入原料和连续出钢是未来的发展趋势，因此，所开发的冶炼炉应该可以在不倾动的情况下出钢，并绝对确保在无渣出钢的前提下实现非常短的耗电时间，这将会产生新一代冶炼炉，并意味着在100%的能源利用率下操作。

　　设计中还应注意，将冶炼炉顶部及侧壁的冷却水速率提高25%，可以获得非常高的冷却效率，扩大出钢口、缩短出钢时间可以提高电炉的电能输入时间和生产率。
    2.4　大型电炉
    因奈克沙公司现有三台大型电炉在生产，每座的年生产能力为133万t。强大的变压器将电力输入给电炉，以100%直接还原铁为基础可使出钢到出钢时间(冶炼周期)缩短到70min。
    2.5　热压块铁预热
    在电炉中预热热压块铁也可以提高生产率，降低能量消耗。所进行的初期实验主要发现如下：1)热压块铁可以成功地在电炉中加热到750℃以上，而废煤气的氧含量低于5%，将废煤气中的氧含量降低2%是所获得的最大效益。2)在550℃以上的温度区可以获得明显的金属化颗粒(1%～2%)，热压块铁残余的氧化铁含量降低。3)由于热压块铁迅速氧化，进行预热时，热压块铁的良好成分是非常重要的参数。4)当采用合适的预热系统时，有望实现提供均匀和相对较高的热效率（从电炉废煤气的热回收率大于8%）。
    2.6　热装直接还原铁
    现有的还原工艺开发过程，所产生的高度金属化的海绵铁在较高温度下直接装入电炉，用以降低电炉的耗电量和生产成本，可以避免运输过程中较热直接还原铁的再氧化。该系统还允许与直接还原炉连在一起进行连续熔炼操作，这种热连接系统采用已经被证明的技术为基础且设计原理简单。100%的装入直接还原铁可以装入铁水节省16kWh/t热量，电极大约可节省0.6kg/t。该系统比较灵活，电炉停止工作时，直接还原铁设备仍可选择继续操作或同时停炉。
    2.7　双炉壳技术
    双炉壳电炉设计由两个炉壳、一个能快速旋转的电极臂系统及其相应的电力供应系统组成，大约可将电炉的实际年生产能力提高50%，比传统的电炉投资费用降低25%，灵活的操作模式允许装入不同的原料，包括高比例的铁水，为满足生产板材的高质量要求，装入低成本铁水和低能量消耗的双炉壳电炉可以实现废钢熔炼，并且使直接还原铁或热压块铁等熔炼电耗要求较高的原料最小量化。
    2.8　连续熔炼概念
    连续熔炼工艺(CONTIMET)的主要目标是用废钢、铁水、海绵铁(冷或热的直接还原铁和热压块铁)以任何比例和混合作为原料来连续生产粗钢，这种混合料可能会产生含有其它块状物或颗粒良好的大范围含铁材料，诸如铁碳化合物、含金属的灰尘、废钢、矿石等。连续熔炼技术的基本想法是将具有许多优点的电炉与转炉结合在一条工艺线上，其参考了电炉与残液提取装置相结合的方式。
    世界各地的炼钢技术水平不同，因此采用连续熔炼技术所节约的操作费用的水平也就不尽相同，其范围大约为5.6～18.8美元／t粗钢，相当于操作费用的3%～10%。目前主要考虑了铁产量较高和电能消耗较少等优点所节约的操作费用，连续熔炼技术所具有的产生灰尘和钢渣较少等其他优点所节省的操作费用尚未考虑在内。
    2.9　欧洲板带
    为开发成熟的工业化板材连铸机，欧洲板带(EUROSTRIP)工艺的参与者蒂森?克虏伯钢公司、于齐诺尔钢公司和弗埃斯特?阿尔卑斯公司已经在KTN钢公司的克里福德厂建立了预工业化装置，并可以满足未来的工业化要求。该技术的具体优点如下：1)钢水直接浇铸为热带，用以取消板坯铸机、板坯预处理、加热和粗精轧机组；2)较低的投资和操作费用；3)简化了冷轧之前的工序；4)能耗低且于有利于环保。
    安装在克里福德的预工业化板材连铸设备于1999年12月成功开机，成为欧洲该类设备的先驱者，主要浇铸不锈钢，并对这种新技术的相关经济期望值进行了可行性试验。该设备的扩容工作已经开始，因此其预工业化设备将会迅速成为首台工业化板带连铸机。
    欧洲板带第二步准备在阿维斯塔-桑德维克钢铁公司的初级板坯连铸设备上浇铸碳钢和电工硅钢片，最近由弗埃斯特-阿尔卑斯公司与阿维斯塔-山德维克钢铁公司及CSM公司合作将该设备升级，最大浇铸能力达到60t／h，板坯宽度为1130～1350mm。
    2000年末，该铸机首次生产的板带已经展示出良好的表面质量和板边质量，并可在冷轧机上进一步加工，退火及成卷包装后所进行的表面检测没有发现特别的缺陷。
    该板带纵向几何尺寸保持在热带偏差的允许范围之内，横向偏差可以满足冷轧机的要求，板边具有良好的几何形状，厚度可冷轧为3.0～8.0mm，退火后进行通常的表面检测和标准实验。
    与传统的生产工艺相比，由于迅速凝固而更好的消除了非金属夹杂物，这主要对钢材的耐腐蚀性产生了较好的影响，诸如延展性和强度等冷轧带的力学性能也稳定在传统生产材料的范围之内。
    板带连铸机工业化可产生降低能源消耗和转运费等主要效益。与传统生产工艺对应的连铸机生产方式相比，这种技术可以节省2.8GJ／t钢，如果轧制前用天然气预热连铸坯，CO2的放散可减少211kg／t，NOx减少71g／kg，SOx减少36g／t。
    因此，欧洲已经决定支持这一项目，并作为THERMIE过程的一部分。
    加大板带宽度、浇铸其它钢种等进一步工艺技术开发和运转工作由弗埃斯特-阿尔卑斯公司及其欧洲板带项目合作伙伴蒂森克虏伯钢公司、于齐诺尔钢公司等实施。

　　3.不间断生产概念
    弗埃斯特-阿尔卑斯公司不问断轧制技术生产环节的特色为：直接将准备过程、带或不带废钢预热系统的最现代化电炉炼钢、连铸机与热带轧机等工艺环节直接相连，用于连续的生产长型和扁平材钢铁产品。
    线、棒材生产的基本小钢厂工艺线主要包括：以废钢为原料，经竖炉冶炼后用钢包炉处理，在小方坯连铸机上浇铸，然后在轧机上轧成螺纹钢或线材。当然也可以选择生产其它产品或其它应用方式。这种类型的连铸机和轧机模式可以融入带有热压块铁生产及上道FSF工序的现代电炉操作的联合式紧凑轧机(ICM)基本概念。
    这种结构的主要工艺及设备特点为：1)各种原料和产品的单独处理部分；2)加装热压块铁时能量的回收；3)最大量的向轧机热装连铸产品，用以节省能量；4)可迅速改变设备组合；5)人力资源最小化；6)提高生产率。

    4.总结
    原材料和能源是未来电炉炼钢的主要因素，为保持其竞争力，电炉技术必须以最小的转运费来不断追求高效率，且必须满足质量要求。未来有竞争力的炼钢工艺必须根据使用性能和成本，将燃料与大量装入的各种原料相结合，并确保高灵活性。
    在随后的工艺链和自动化系统联合开发工作中，现代小钢厂概念以提高生产率为首要条件，并在开发工作中将各种技术诀窍的全部优点综合到一起，用以确保所有的工艺步骤平稳工作到一起，达到提高生产率、质量和使用性能的目的。
    不间断小钢厂概念融入了现代最高炼钢、连铸、轧钢和自动化技术，并与40年的主要冶金设备建设经验相结合，用以保证客户获得全部利用新技术的经济潜力。