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冶炼技术  

钢铁冶炼工艺技术的未来探索

作者:佚名
次数:1048
日期:2015-6-17 10:59:08

     世界钢铁生产工艺流程经过长期的发展和选择,淘汰了空气转炉、平炉炼钢方法,只剩下两种主要流程:以高炉—氧气转炉炼钢工艺为中心的钢铁联合企业生产流程,即长流程;以废钢电炉炼钢为中心的“小钢厂”的钢铁生产流程,即短流程。预计在本世纪中叶,视社会资源结构、环境承受能力和技术进步的程度等,长、短两种流程会互相渗透、并存发展且短流程比长流程发展空间更加广阔,直至两者在一个最佳点上达到平衡。

  如果说平炉取代空气转炉,氧气转炉连续铸钢流程取代平炉、模铸开坯流程,电弧炉短流程与转炉长流程并存、部分取代是钢铁工业的三次革命,那么随着电弧炉转炉化、转炉电弧炉化的不断演化,两者炉料、能源、工艺、功能、经济性等结构的进一步趋同,电弧炉短流程与转炉长流程之外的新的流程工艺也一定会出现,或二者合一或出现第三种,即钢铁工业的第四次、第五次革命一定会到来。
1钢铁工艺流程技术的演进
  1855年英国人贝塞麦向熔化的铁水中吹入空气,成功的冶炼出第一炉钢,结束了半固态炼钢生产史,奠定了现代化钢铁生产基础。
  1856年英国人西门子使用了蓄热室为平炉的构造奠定了基础。1864年法国人马丁利用有蓄热室的火焰炉,用废钢、生铁成功地炼出了钢液,从此发展了平炉炼钢法,在欧洲一些国家称平炉为西门子—马丁炉或马丁炉,即以煤气、天然气或重油等为燃料,在燃烧火焰直接加热的状态下,将生铁和废钢等原料熔化并精炼成钢液的炼钢方法。此法同空气转炉比较有下述特点:①可大量使用废钢,且生铁和废钢配比灵活;②对铁水成分的要求不像转炉那样严格,可使用转炉不能用的普通生铁;③能炼的钢种比转炉多,质量较好。因此,碱性平炉炼钢法问世就为各国广泛采用,成为世界上主要的炼钢方法。在1930~1960年的30年间,世界每年钢的总产量近80%是平炉钢。
  平炉被取代的最主要原因是:被熔化的固体废钢热传导面积极小,一次能源的利用很低(而此时电能利用率高)。由于氧气转炉反应速度快,热效率高,含氮量也低,还可使用近30%的废钢,可使冶炼时间几乎缩短到传统平炉炼钢法所需时间的20%,从而大大提高了炉子效率,而所需的建设费用却未相应增加,因此,平炉从60年代起逐渐失去其主力地位,且逐步处于被取代的地位。
  短流程的兴起除与钢铁生产工艺装备技术进步,电力资源的充裕等有关,更与美国的钢铁工业发展战略密不可分。前面已提到过,美国在战后30年里钢铁工业现代化滞后,跟不上技术进步步伐,在钢材品种和质量上存在很大差距。1960年前后,在平炉被淘汰的过程中,出现了将电炉(当时用于生产少量特殊钢)与连铸等新技术结合起来的简单高效小钢厂,即短流程钢厂。1973~1974年,美国钢材交货能力1.08亿t,低于表观消费总量1.196亿t。鉴于这种局面,到80年代中期,美国钢铁工业对其结构进行现代化改造和调整优化,决定把大量的投资投向新建的电炉小钢厂,使其生产能力得到迅速增加。同时把能耗高、原材料消耗高、操作环节多、污染环境、劳动密集型生产工序进行削弱投资,甚至把初级冶金产品和炼钢的原料放到国外。
  随着20世纪80年代初薄板坯连铸技术的出现,使曾被广泛认为超出小钢厂生产范围的扁平材在小钢厂生产具有了竞争性,打破了高炉—转炉流程生产板材一统天下的局面。
2钢铁生产长、短流程工艺技术分析
  平炉炼钢法已被淘汰,现今是长、短两种流程并存和发展。长流程是将铁矿石在高炉中炼成铁水,然后炼成钢,最后铸成坯。短流程的主要技术进步是它可省去投资巨大的高炉炼铁工序,用废钢(或DRI)作为原料,在电炉中炼成钢水铸成坯。这样可取消钢铁生产中投资巨大的部分,即炼铁高炉,也可省去供给铁矿石、煤和焦炭,同时降低能耗,避免了由于炼焦造成的大量污染,降低生产成本,可建在钢材用户区域内。一般短流程小钢厂不是联合企业,因此其生产方式比长流程钢铁联合企业更灵活。
2.1钢铁生产长、短流程工艺技术比较
(1)功能。转炉:脱碳器、升温器、能量转换器;电炉:废钢溶化器、升温器、能量转换器、废物处理器(如塑料、轮胎等)。
(2)能源构成及消耗。转炉:铁水物理热+碳氧反应化学热;电炉:电能+化学热(碳氧反应、氧燃烧嘴等)+物理热(被预热废钢、加入铁水)。废钢—电炉—钢水与高炉—转炉—钢水两种工艺比,前者能源总消耗只是后者的50%。
(3)原料。转炉:高炉铁水为主+固体含铁料;电炉:固体含铁料为主(目前中国加部分高炉铁水)。
(4)钢种质量。转炉与电炉冶炼钢种几乎相同(除含有难熔合金外),电炉钢比转炉钢残余元素多。由于早期特殊钢大都采用电弧炉冶炼,习惯上形成了特殊钢厂就是电炉钢厂,特殊钢一定要用电炉冶炼,而电炉一定要生产特殊钢才够水平,才可以有好的经济效益。这主要是由于早期电炉炼钢的特点和特殊钢本身产品特点决定的,早期用电弧炉炼特殊钢,达到了扬长避短的目的。同时人们也一直认为转炉就主要是用来炼普通钢。随着社会废钢资源的积累,直接还原技术的开发,电力工业的发展,电弧炉炼钢技术(大容积电炉、超高功率电炉等)和炉外精炼技术的飞速发展,电炉钢厂越来越多的生产普通钢,而转炉钢厂越来越多的炼特殊钢。电炉炼钢、转炉炼钢两种方法,无论是炼特殊钢还是炼普通钢,从质量上、经济上越来越接近。
(5)工艺衔接。转炉比电炉冶炼周期短,与连铸衔接性好,电炉比转炉生产柔性好。
(6)成本。生产成本视目前废钢资源、电价等,在中国,转炉比电炉生产成本低。随着社会工业化进程的发展,社会废钢资源的增长和焦煤资源的局限,直接还原铁技术的进步和政府对节能减排管理制度的进一步加强,短流程生产成本会相对下降。
(7)环境保护。转炉流程的炼焦、烧结工序使环境污染恶化,而电炉流程却有效地部分改善了环境污染问题。
2.2短流程、长流程的优势及问题
  短流程的优势:温度高、易精确控制温度和成分、热效率高、能控制炉内气氛等;较转炉炼钢能较多地使用固体炉料,不像转炉那样需要热铁水,自然不需要庞大的炼铁和炼焦系统;电弧炉可以间断性生产,还可以满足各种小批量,特殊规格、品种,合金量较高的钢种需要,是一种柔性的炼钢法;能保证冶炼含磷、硫、氧低的优质钢;能用各种元素(包括、钛等容易被氧化的元素)来使钢合金化,冶炼出各种类型的优质钢和合金钢,且还用来冶炼普通钢。
  短流程的问题:电弧电离空气和水蒸气生成H2、N2,如进入钢水,将影响钢水质量;电弧是点热源,炉内温度分布不均匀,熔池平静时,各部位钢水温度相差较大;由于电炉加热钢水会使熔池适量增碳,故其优势钢类为中、高碳钢。由于电弧区钢液吸氮,因而难以生产氮含量低的钢铁产品;目前生产成本高。
  长流程的优势:生产效率高,消耗低,生产成本低;铁水的纯净度和质量稳定性均优于废钢;采用铁水预处理工艺,可进一步提高铁水纯净度:[S]≤0.005%,[P]≤0.01%;配置RH精炼可获得极高的生产速率和优异的纯净度,因而适于低碳/超低碳、低残余元素的钢种,尤其是批量很大、合金含量较低钢种;终点控制水平高,渣钢反应比电炉更接近平衡;钢水的气体含量低,N≤20ppm,H≤3ppm。
  长流程的问题:需要热铁水,必然具有庞大的铁、烧、焦系统,投资巨大,污染严重等;因仅靠钢中易氧化元素与氧作用而释放的化学能来供应冶炼,故工艺柔性较差;用小转炉(30t以下)生产特殊钢是困难的,原因是没有有效的二次精炼手段。
2.3电炉炼钢技术进步
  连铸的发展将传统的炼钢工艺改变为连续化生产,因此要求炼钢周期要短、氧气转炉正好满足了这一要求,因而氧气转炉钢具有与平炉、电炉相比的绝对优势,经济效益显著。提高电炉的冶炼速度、减少出钢到出钢时间、与连铸节奏相匹配就成为电炉发展的核心问题。近年来,电炉炼钢诸多技术都是围绕着缩短冶炼周期这个总目标而发展起来的。
  冶炼周期(出钢到出钢时间)是通电时间与热停工时间之和。通常热停工时间是由补炉时间、装料时间、接电极时间、测温取样分析时间、出钢时间、设备故障时间等组成。在热停时间的同时伴随有钢水向外散热,进而导致通电时间相应延长。要想缩短冶炼周期,则必须减少通电时间和热停工时间。
  减少通电时间的技术进步是:提高吨钢输入电功率,如超高功率电炉、直流电炉、高阻抗或变阻抗交流电炉;提高电效率、功率因数,如优化电炉供电制度和短网结构、采用导电横臂、长弧操作、吹氩搅拌等;提供化学热源,如二次燃烧、氧燃烧嘴、碳—氧喷枪、底吹氧、外加热铁水技术等;提供物理热源,如废钢预热、加适量的热铁水显热等;优化工艺,如利用二次精炼将氧化、还原期分开、偏心底出钢等。
  减少热停工时间的技术是:利用补炉机械、清渣门机械、快速测温取样和分析设备、机械化加料系统和连续加料方式;利用废钢处理技术保证堆比重,减少加料次数;提高生产组织和管理能力;提高设备操作及维护水平;保证机械、电气设备的可靠性。
3我国电炉流程存在的问题及发展
  中国钢铁产业近30年发展较快,中国钢产量从新中国成立的15.8万t、“一五计划”第5年(1957年)的535万t到1996年的1.012亿t(占世界钢产量的13.5%),第一次成为世界产钢量最大的国家。2007年中国钢产量4.89亿t,占世界钢产量的36.4%,约是产量居第2位日本、第3位美国和第4位俄罗斯三国产钢量总合的1.7倍。中国电炉钢产量占总钢产量比例,自1983~1994年12年间,一直徘徊在20%~30%之间。而1995~2007年13年间总趋势是逐渐下降的,从19%下降到9%,与世界电炉钢逐年增加的发展趋势正好相反。如2006年各国的电炉钢产量占本国钢总产量:美国为56.9%,印度为50.5%,韩国为45.7%,德国为31.1%,日本为26%,中国为10.5%。
3.1存在的问题
  电炉没能占领平炉失地,没能靠提高电炉产量弥补平炉淘汰后失去的产量,而是增加了转炉流程的产量。
  现代电炉技术不足。①传统电炉退出缓慢。传统电炉冶炼周期冗长、容积小,与连铸机无法匹配,而早时特钢连铸技术也在过渡期,因此,传统小电炉+模铸工艺苦苦支撑。②早期超高功率电炉修修补补挣扎生存。一些特钢厂在20世纪80~90年代初引进的超高功率电炉,胎里就有许多问题,如容积仍偏小(50~60t)、冶炼周期仍较长(80~90min),而当时特钢连铸技术也没完全过关,连铸机的引进滞后于电炉,导致与连铸机无法匹配,不能实现多炉连浇。③现代电炉技术滞后。在20世纪90年代中后期引进的超高功率电炉也存在技术滞后、缺少创新技术,同时现代化大电炉发展速度跟不上落后的小电炉淘汰的速度,故让转炉填补了空白。
  生产成本居高不下。我国是一个发展中国家,工业化进程短,社会废钢资源不足,加之钢铁制造过程技术进步使自产废钢量不断减少,同时废钢进口量也相应下降,所以我国废钢资源短缺、价格较高。电炉钢成本15%来自于电费,国内电力资源紧张、电费明显高于国外发达国家。大批量优质、低成本生产直接还原铁尚需一段时间。
3.2我国电炉流程未来发展
  电炉钢产量的增加除需社会废钢资源量增加,电价下降,环保要求的更高等外,主要是取决于电炉技术的一系列进步,其中最关键的是出钢到出钢时间与连铸匹配,使得电炉钢投资成本、运行成本下降,效益明显增加。未来,随着国家对能源、资源和环保标准的进一步提高及管理加强,转炉流程节能减排成本的提高,社会废钢等资源的积累,电炉工艺装备技术的不断进步和完善,国家电力部门的市场化运作,我国电炉短流程工艺的发展一定会走出低谷,呈上升趋势,与工业发达国家短流程钢铁生产趋势相同。预计2020年我国电炉钢比例为20%(世界将达到40%),至2030年可望达到25%~30% (世界将达到50%)。最终长、短流程会达到一个相对平衡。
4钢铁生产工艺流程技术的未来
  未来转炉流程与电炉流程会共存相当长时间,电炉流程会有更快的发展。那么新的钢铁生产工艺流程技术会出现吗?结合长、短流程的原燃料:铁矿石、可炼焦煤、废钢等,能源结构:一次能源、二次能源等,工艺的共性和特性,生产成本及平炉被淘汰出局的现实等,可以预测新的流程工艺一定会出现。如“一次能源——电能炼钢炉”。
  在电炉炼钢工艺中,能源在加热废钢、熔化废钢、过热三个阶段消耗不同。各阶段消耗能源比例是加热阶段约70%、熔化阶段约20%、过热阶段约10%。前两个阶段合在一起(除废钢预热外)称熔化期,是指从通电开始到炉料熔清这段时间,约占全炉冶炼时间的一半左右。由于熔化期“塌铁”常易打坏电极,因此熔化期的电极消耗占电极消耗的一半以上。可见加速炉料的熔化速度和缩短熔化时间对提高产量、降低电耗具有重要意义。熔化期经过起弧、穿井、电极回升和熔毕等四个过程。为提高生产率,缩短熔化期采用了许多电炉强化冶炼技术。
  在第一阶段——加热废钢阶段,固体状废钢有较大的热传导表面,一次能源即化石能源(煤、石油、天然气)较电弧的电能可以更好的熔化废钢。在第三阶段——过热阶段,已熔化废钢的表面变得非常小,较电弧的电能,一次能源利用很低,相比使用电能更好。
现代电炉冶炼工艺与传统的电炉冶炼工艺根本区别是:电炉只是一个高效熔化器和氧化精炼器,还原期任务在炉外精炼过程中完成;“一次能源——电能炼钢炉”是将现代电炉冶炼工艺的高效熔化器和氧化精炼器进一步分开,一次能源熔化炉是一个高效熔化器,完成熔化期的任务,电能过热炉是一个氧化精炼器,完成氧化期的任务,即将传统的电炉炼钢三期——熔化期、氧化期、还原期全部分开。“一次能源——电能炼钢炉”的特点是大大缩短了出钢到出钢时间、节省能源、减少了二氧化碳排放、提高废钢收得率。
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