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現(xiàn)代電爐煉鋼技術發(fā)展趨勢分析管材展-鋼管展-2020廣州國際管材展－中國展出效果最好的管材展-巨浪展覽-The 21th China(Guangzhou)Int'l Tube&Pipe Expo
2019年8月23日 管材展-鋼管展-steel tube expo-tube &pipe expo |
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隨著國家環(huán)保要求的不斷提高及廢鋼資源的增加，同時政府取締中頻爐、地條鋼和配套政策的支持，使得電爐短流程產(chǎn)量明顯增加（如表1所示）。同時，鋼鐵企業(yè)逐步淘汰落后電爐產(chǎn)能，使得綠色節(jié)能電爐的需求也不斷增加。
環(huán)保技術的發(fā)展
二噁英是目前世界上毒性最強的化合物之一，其毒性相當于氰化物的1000倍，對環(huán)境和人類有巨大危害。在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程中，長流程燒結(jié)工序是主要的二噁英產(chǎn)生來源，但短流程電爐煉鋼工序也會產(chǎn)生大量二噁英。《煉鋼工業(yè)大氣污染物排放標準》（GB28664—2012）規(guī)定，電爐煙氣中二噁英的排放限值為0.5ng-TEQ/m3，而河北省更要求電爐煉鋼過程中二噁英類排放濃度低于0.2ng-TEQ/m3。電爐冶煉過程中需要將含塑料和油脂的廢鋼裝入電爐內(nèi)進行預熱，但由于廢鋼預熱溫度和二噁英形成溫度相近，前驅(qū)體合成及熱分解反應促使了煙氣中二噁英的形成。同時廢鋼中微量銅、鎳等氧化物可作為反應催化劑，促進二噁英的形成。此外，在高溫煙氣冷卻過程中，會以從頭合成的方式生成二噁英。實驗結(jié)果表明，當煙氣溫度高于850℃、氧氣含量不低于6%時，可有效分解二噁英。在完成二噁英氧化熱分解后，要求防止它們在250℃~500℃通過從頭合成機理再次合成，這就要求電爐煙氣在氧化熱分解之后迅速冷卻至250℃以下，實現(xiàn)二噁英減排。
為了適應環(huán)境發(fā)展的要求，抑制二噁英的排放，采用合適的減排手段尤為必要。具體方法如下：
減少含油脂、涂料等廢鋼入爐，同時在入爐前強化分選和預處理，有效去除氯源，最大限度降低含塑料、油脂等含有機物廢鋼的入爐量，同時提高鐵水的投入量。
燃燒室熱分解，當煙氣預熱廢鋼后，進入燃燒室，并通過燒嘴燃燒煙氣，使其溫度達到850℃以上，從而使二噁英等有害氣體發(fā)生分解。
煙氣急冷，經(jīng)過高溫熱分解的煙氣應在冷卻塔內(nèi)進行快速冷卻，從而抑制二噁英的從頭合成。
高效過濾及活性炭吸附技術。二噁英在低溫條件下會以固態(tài)形式吸附在煙塵表面，因此，通過高效除塵器可降低二噁英排放量。而活性炭吸附技術是在布袋除塵器前噴入活性炭粉末，吸附煙氣中的二噁英，達到降低二噁英排放的目的。
催化分解。美國戈爾公司研發(fā)的催化過濾Remedia技術，主要是將表面過濾技術同催化過濾技術集成在濾袋上，能夠使二噁英在較低溫度下（200℃左右）通過催化反應徹底分解成CO、H2O和HCl，該技術去除二噁英徹底且不存在二次污染。
節(jié)能降耗技術的發(fā)展
電爐煉鋼技術自1899年問世以來，其冶煉技術和裝備水平不斷提高，出現(xiàn)了超高功率、氧槍操作、水冷爐壁和爐蓋、泡沫渣埋弧操作、偏心爐底出鋼、氧燃燒嘴、碳氧槍，廢鋼預熱、底吹攪拌，兌鐵水等煉鋼技術，有效地縮短了冶煉時間和節(jié)能降耗，并在不斷開發(fā)及優(yōu)化。目前，國內(nèi)外在節(jié)能降耗方面的主要工作如圖1所示。
降低電耗
隨著鋼產(chǎn)品市場的競爭加強，最大限度地節(jié)約生產(chǎn)成本是每個企業(yè)追逐的重要目標。電爐煉鋼過程中電耗消費在成本中占據(jù)很重的比例，如何節(jié)約電能是實現(xiàn)盈利的重要環(huán)節(jié)。
電爐大型化
采用超高功率電爐煉鋼，可以縮短廢鋼熔化時間、提高功率、縮短冶煉周期、降低電耗，易于與爐外精煉、連鑄相配合，實現(xiàn)高產(chǎn)低耗的目的。采用超高功率電爐煉鋼后，生產(chǎn)效率可從1.5t/（h·MW）提高到2.5t/（h·MW）以上，同時電耗能降低100kW·h/t左右。目前國內(nèi)新建電爐的容量普遍在100t以上。
廢鋼預熱技術
廢鋼預熱技術能有效節(jié)約電能，促進廢鋼的熔化。目前廢鋼預熱的技術主要有四種：傳統(tǒng)料籃式廢鋼預熱、雙爐殼電爐、豎井式電爐及康斯迪電爐。目前，以豎井式電爐和康斯迪電爐的應用技術開發(fā)最為廣泛。
豎窯式電爐
20世紀90年代，德國福克斯公司開發(fā)出第一代Fuchs豎爐，其原理是在爐頂?shù)谒目祝ㄖ绷麟娀t第二孔）處安裝一豎井通道，廢鋼填充到豎井內(nèi)，并與熔化室連接。在電爐冶煉過程中，高溫煙氣從第四孔排出，進入豎井內(nèi)預熱廢鋼。為實現(xiàn)100%預熱廢鋼，福克斯公司開發(fā)出手指式豎爐，在豎井與熔化室之間安裝一活動托架。當廢鋼加入到豎井內(nèi)預熱完成后，打開托架加入熔化室中。豎爐的優(yōu)點是廢鋼預熱溫度高、冶煉周期短。但是，手指式豎爐的“手指”在高溫下使用壽命低，維護成本高，影響電爐的連續(xù)生產(chǎn)，目前在國內(nèi)基本淘汰。為了減緩上述問題，進一步提高預熱效率，Shaftarcfurnace、Ecoarc及Quantum等電爐相繼產(chǎn)生。Shaftarcfurnace電爐是一種改進型豎爐，最大的特點就是電爐上有兩個半圓形豎井，保持豎井內(nèi)煙氣自然對流，從而使預熱更均勻。Ecoarc生態(tài)電弧爐是基于減少二噁英排放的環(huán)保需求而開發(fā)的，其特征是預熱豎爐和熔化室直接連接在一起的，它能使廢鋼連續(xù)存在的狀態(tài)下進行熔化，同時密封性良好，有效降低廢鋼氧化，廢鋼預熱溫度可達850℃以上，電耗也降至210kW·h/t，甚至于低于150kW·h/t。
Quantum量子電爐是一種新型電弧爐，屬于Fuchs豎式電爐的改進型。其梯形設計的豎井以及手指系統(tǒng)改進設計提高了廢鋼預熱效果，同時有效降低了廢鋼在豎爐內(nèi)發(fā)生粘結(jié)和堵塞的問題。
康斯迪電爐（Consteel）
康斯迪電爐是一種連續(xù)加料、預熱和熔化的電爐。其廢鋼預熱的方式是在連續(xù)加料的過程中，利用冶煉過程中產(chǎn)生的高溫廢氣對行進的爐料連續(xù)預熱，可使廢鋼入爐前的溫度達到250℃~300℃。
為進一步實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的，康斯迪電爐對廢鋼預熱系統(tǒng)做了技術改進，稱為增強型康斯迪電爐。增強型康斯迪的技術革新主要在電爐冶煉和廢鋼預熱兩部分：電爐冶煉部分主要采用了更大的留鋼量和更好的留渣操作，同時結(jié)合合適的噴吹系統(tǒng)，進一步節(jié)能降耗。廢鋼預熱技術改革主要體現(xiàn)在預熱通道上，其核心技術是引入了燒嘴加熱廢鋼通道（通道B），并和煙氣加熱廢鋼（通道A）分開，從而實現(xiàn)均勻加熱。采用增強型康斯迪電爐進行廢鋼預熱，預熱溫度可達400℃~450℃，節(jié)約電耗70kW·h/t。圖2為增強型康斯迪電爐的基本構(gòu)造及其預熱通道。
減少爐蓋開啟
電爐爐蓋開啟少，可減少熔池暴露造成的熱輻射損失。相比于傳統(tǒng)頂裝料電爐，新型設計的康斯迪電爐具有良好的連續(xù)加料方式，可降低爐蓋開啟時間，從而有效降低電能消耗。而其他新型電爐在加料方式上也在逐步改進和完善，如量子電爐利用帶溜槽的升降機系統(tǒng)將廢鋼從地下傾卸站裝入電弧爐，而不需要使用天車或廢鋼料籃，實現(xiàn)全自動操作，從而減少爐蓋開啟頻次。
降低電極消耗
電極的正常消耗主要為尖端消耗和側(cè)面消耗。電極尖端消耗主要是石墨在高溫下升華和在鋼渣中熔化所致。在正常作業(yè)情況下，尖端消耗可達到電極總消耗的50%。電極被氧化是側(cè)面消耗的主要原因，消耗量約占總消耗的40%，其氧化反應速度與溫度密切相關。降低電極消耗的主要方法如下：
平熔池操作。在電爐冶煉過程中采用留鋼操作，預熱的廢鋼直接加入到熔化的鋼液中，實現(xiàn)了平熔池操作，減少閃變，降低了電極折斷的幾率。
提高密閉性。由于高溫條件下石墨電極易被空氣氧化，提高密閉性，減少空氣侵入爐內(nèi)，可有效降低電極的消耗；同時，盡量減少赤熱的電極在爐外的暴露時間，規(guī)范吹氧操作。采用量子電爐、生態(tài)電弧爐進行冶煉時，由于提高了密閉性，噸鋼電極消耗可從2.5kg/t降低至1.0kg/t。
提高廢鋼預熱溫度。提高廢鋼預熱溫度，可降低電耗，從而降低電極消耗。
燒嘴助熔。提高電爐噸鋼用氧量，增加電爐內(nèi)化學能輸入是強化電爐冶煉，提高電爐節(jié)奏的最有效手段之一。每噴吹1m3氧氣相當于向爐內(nèi)供應3kW·h~4kW·h電能；同時，采用氧燃燒嘴技術也可大幅降低電能。
電爐煉鋼智能化
電弧爐冶煉過程中，如果只憑借操作者經(jīng)驗很難控制電爐生產(chǎn)水平，同時也限制了電弧爐生產(chǎn)率提高和冶煉過程優(yōu)化。通過開發(fā)一系列先進的監(jiān)測模型和控制模型，結(jié)合數(shù)據(jù)信息交流和過程優(yōu)化，可進一步促進電弧爐裝備技術的發(fā)展。
煉鋼終點溫度控制
電弧爐煉鋼終點溫度的精確控制是降低生產(chǎn)成本、加快冶煉節(jié)奏的關鍵。然而電爐煉鋼系統(tǒng)很復雜，包括金屬原料成分和來源、冶煉操作等均有很大的波動，常規(guī)的機理模型很難準確預測。隨著智能化的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機、遺傳算法等逐漸應用到電爐煉鋼的終點預測中，從而改善了單一算法的不足。
煙氣分析技術
冶煉過程的實時動態(tài)預報是電爐達到最佳性能的關鍵。基于此，Tenova開發(fā)了GoodfellowEFSOP系統(tǒng)，進行電爐煙氣成分實時監(jiān)測。分析電爐過程煙氣是了解電爐過程動態(tài)的關鍵因素，也是提供EFSOP直接動態(tài)控制功能的關鍵，因此空氣稀釋之前應保證純凈的過程煙氣被連續(xù)采集。EFSOP分析儀提供4種關鍵氣體的連續(xù)分析，包括CO、CO2、H2、O2等。Siemens開發(fā)的SimetalLomas連續(xù)煙氣分析系統(tǒng)，由于對氣體采樣探測器進行了特殊的設計，并結(jié)合安裝的自動清潔裝置和水冷裝置，能夠全自動連續(xù)測量和分析廢氣。
測溫取樣技術
鋼液的溫度測量和取樣一直是制約電弧爐生產(chǎn)效率和電能消耗的重要環(huán)節(jié)之一。Siemens設計的SimetalLiquiRob自動測溫取樣機器人，可自動更換取樣器和測溫探頭，確保了連續(xù)、安全、可靠的煉鋼過程。
智能電爐煉鋼技術
隨著電爐生產(chǎn)工藝越來越復雜，需從整體過程出發(fā)，將冶煉過程獲取的信息與過程基本機理進行有效結(jié)合分析，并決策和控制電爐冶煉操作，實現(xiàn)電爐煉鋼整體優(yōu)化。特諾恩的iEAF智能電爐煉鋼技術整合了EFSOP煙氣分析技術及先進的工藝模型，同時結(jié)合一次和二次傳感器，以閉環(huán)形式動態(tài)控制和優(yōu)化整個電爐冶煉過程。
Siemens開發(fā)的EAFHeatopt是一種整體性工藝優(yōu)化系統(tǒng)，集廢氣監(jiān)測系統(tǒng)和整體工藝模型于一身，可對燒嘴和吹氧裝置進行閉環(huán)控制。該系統(tǒng)同時還可對碳的噴吹進行控制，優(yōu)化泡沫渣。
Daneli開發(fā)的Q-MELT系統(tǒng)將連續(xù)溫度檢測、爐渣檢測和廢氣分析等分析技術綜合為一體，再結(jié)合碳平衡法，可完全實現(xiàn)所有相關輸入和輸出數(shù)據(jù)的監(jiān)視管理和分析。
余熱回收技術
在現(xiàn)代電爐輸入的總能量中，大約有30%的能量是隨著煙氣逸散出電爐的，再加上將在二次燃燒室中燃燒的CO所能提供的能量，如果不加利用，大量的能量將會被浪費。一般情況下，超過25%輸入電爐的能量是可以被余熱回收系統(tǒng)回收利用的。Tenova開發(fā)的iRecovery智能余熱回收技術利用15bar~40bar水壓的高壓鍋爐管替換傳統(tǒng)的低壓水冷管，能高效回收余熱，所產(chǎn)生的高壓蒸汽可用于補充或取代工廠中的蒸汽鍋爐。
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