中国电弧炉炼钢技术未来如何发展？
钢市动态 37看过 2021-03-30 15:33
倪冰
近年来，世界粗钢年产量在16亿吨~18亿吨，其中电炉钢有4亿多吨，占比约25%。除中国以外，全球钢铁工业的电炉钢占比已达40%以上。美国电炉钢比例达到67%，是发达国家中电炉钢占比最高的。2020年，中国粗钢产量达10.65亿吨，其中电炉粗钢约0.96亿吨，占比约为9%，尚有很大的提高空间。截至2020年底，中国有30吨以上电炉420座左右，产能18225万吨。
与长流程相比，电炉短流程CO2排放量仅有25%，固废排放量仅为1/30，能耗约50%，具有明显优势。短流程还有即开即停、生产高效灵活、可消纳城市废弃物等优点。随着中国废钢资源逐步释放，未来10年~15年电炉具有极大的发展潜力。国家鼓励利用废钢炼钢和短流程炼钢，鼓励企业在不增加新的产能基础上进行电炉流程产能置换，鼓励将环保压力大、产能过剩严重地区的产能置换到废钢相对充足、钢材供应不足的地区。
随着世界钢铁总产量的增加，电炉炼钢总产量也逐年增加。除中国以外，现在全球钢铁工业的电炉钢占比已达40%以上，中国电炉钢尚有很大的增长空间。未来电炉应选择能够满足高效节能、连续加料、废钢预热、绿色环保、余热回收等要求的炉型，对应炉型选择工艺技术，完成相应的冶金功能，实现可持续发展。同时，电炉发展还应关注高效低耗的节能低成本生产技术、绿色化关键工艺技术、智能化制造技术、高附加值特种钢冶金技术等方向。
电炉炼钢工艺技术
围绕生产高效化、功能简单化、环境友好化、控制智能化、原料多元化等目标，电炉炼钢技术不断得到发展。电炉冶炼高效化追求的目标是冶炼周期、通电时间尽可能缩短，冶炼电耗尽量降低。我们应围绕以下6个方面开展工作：采用提高吨钢输入电功率的方法，表现在技术层面上就是装备的大型化和更高功率；提高钢中元素氧化的化学热及氧燃烧嘴提供的化学热；提高由废钢预热后废钢的显热；提高电效率和功率因数，如供电制度合理化、采用智能电弧炉、优化短网结构等；缩短热停工时间，如装废钢时间、接电极时间、出钢时间、补炉时间等；整条产线单一品种组织生产比多品种效率更高。
选择先进炉型以达到全废钢预热、连续加料、不开盖、平熔池、低噪声、少烟尘、痕量二噁英、除尘灰回收等目的。在技术发展的过程中，电炉经历了传统开盖式电炉、Fuchs电炉(竖式预热废钢)、Consteel电炉(水平连续加料)、Quantum电炉(量子电炉)、Ecoarc电炉（环保生态电弧炉）、Sharc电炉（竖井电弧炉）、CISDI-Green电炉（赛迪绿色智能电炉）、CERI-s1-Arc电炉（中冶京诚新型废钢预热电炉）等不同类型的发展。
传统常规开盖式电炉的优点是设备故障少、稳定可靠，缺点是几乎都无法较好地实现上述目的，生产效率较低。上世纪90年代，Fuchs电炉和Consteel电炉几乎同时被引进中国。因为Fuchs电炉设备故障率高，在废钢成本不能被抵消的大背景下基本上被淘汰了。在Consteel电炉设备被国产化后，在“中改电”的背景下，因为其效率高、成本低、稳定可靠的优势获得了快速发展。2017年以前，全国95%的电炉为开盖顶加料式；自2017年以来，企业的新上电炉设备85%以上为连续水平加料系统。但Consteel电炉也有明显的缺点，主要是水平烟道尾气预热废钢的设计温度为400摄氏度~600摄氏度，废钢温度一般只能达到200摄氏度~300摄氏度；预热废钢通道内的废气温度正处于产生呋喃和二噁英等的高峰区间，有害气体对环境的污染问题难以解决；预热通道进“野风”量大，给除尘和余热回收带来困难。
Quantum电炉、Ecoarc电炉和Sharc电炉则希望通过竖式烟道预热废钢的方式解决上述难题。Quantum电炉通过废钢料槽升降小车替代了料篮加料，采用虹吸式无渣出钢系统，仍使用手指式系统保持和预热废钢，预热温度高，有害气体少。目前，世界上投产和在建的共11座Quantum电炉，其中墨西哥1座、土耳其1座、孟加拉1座、中国8座。2020年底，中国2座Quantum电炉投产，综合效果仍有待观察。Ecoarc电炉的主要部分是由熔化废钢的熔化室和与熔化室直接连接在一起的预热竖炉构成，炉体密封和废钢预热相结合，平熔池操作，高度自动化，废钢预热温度可达800摄氏度，可避免污染物的产生，二噁英排放量＜0.1ng-TEQ/m3（纳克毒性当量值每标准立方米，下同）。目前投产和在建的共9座Ecoarc电炉，其中日本5座、韩国1座、泰国1座、中国2座（在建）。Sharc电炉均为直流电炉，噪声小、粉尘少，设计双竖井利用尾气预热废钢，二噁英＜0.1ng-TEQ/m3。应用方面，除土耳其1座正在运行的100吨Sharc电炉外，河钢石钢引进2座130吨Sharc电炉。总之，这3种电炉应用数量较少，前景仍有待进一步观察中。
目前国内电炉产能中，国产电炉设备占85%，进口电炉占15%。虽然在单体设备上国内厂家已经具备一定实力，100吨以下的电炉设备基本实现了国产化，但中国科技工作者也一直致力于研发具有自主知识产权的成套电炉设备。尝试集合水平加料和竖式电炉的优点，国内设备商推出了CISDI-Green电炉。该电炉利用阶梯型连续密闭加入废钢的思路，形成了阶梯加料的独有专利技术，在中国和欧盟都获得了专利授权，并形成了国内团体标准。技术指标也较为先进，在国内及东南亚地区有数台电炉投入使用。另一家设备商则推出了CERI-s1-Arc电炉。废钢经由小车加入竖井，竖井下面的推钢机构将废钢推进水平通道，水平通道振动废钢进入平熔池，从而实现废钢连续加料；通过烟气急冷、活性炭吸附和余热锅炉降低二噁英含量并实现余热利用。该电炉集成了众多先进技术，目前还处于推广阶段。总的来说，国内电炉厂家在设计、制造先进炉型上还有不少方面需要进一步的努力工作。未来电炉炉型的发展方向将是能实现连续加料、废钢预热、绿色环保、低二噁英排放、余热回收及智能炼钢的电炉。
在先进的炉型中采用各种高效化生产技术，目前在全废钢条件下，国内部分Consteel电炉和转炉一样，也能做到30分钟的冶炼周期。其他技术经济指标能够达到金属收得率90%~92%，全废钢电耗在300千瓦时/吨以下，电极消耗在1.0千克/吨以下，单位公称容量年产量能做到10000吨钢/吨以上。
目前，电炉钢成本要比长流程高500元/吨钢~600元/吨钢，差异主要在于原材料（铁矿石、焦炭、废钢）、电耗、电极消耗、耐材消耗等，短流程降成本的途径在于以上要素。鉴于国内钢企成本长期居高不下，扩大废钢进口、减少对铁矿石的依赖是现实的选择方案。
此外，电炉钢低生产成本的过程管理与控制还包括：减少原料成本，加强对废钢和含铁原料的分类加工和管理，广泛使用各种含铁料如热压铁块、提钒铁等。降低能源消耗，展开电炉供电技术优化的研究，降低电耗和电极消耗，回收物理热，如热装海绵铁及兑铁水；加强化学热的回收，如废钢预热技术以及连续加料装置的实现。错峰用电用好谷电优惠，操作过程的连续化和自动化，缩短热停工时间等。
未来要关注的技术方向
以“高效、低耗、绿色化和智能化”为目标，钢企需要选择合适的电炉炉型及生产技术。转炉工序的原料主要是液态的铁水，电炉工序的原料主要是固态的废钢，最终的产品形态都是钢液。物理化学形态的转变不同，决定了控制方法不同，因此电炉的控制比转炉要困难得多，电炉炼钢要充分考虑这一差异性。未来发展方向主要有短流程的高效低耗节能低成本生产技术、绿色化关键工艺技术、新型生态电炉短流程智能化制造、高附加值特种钢冶金技术等几个方面。
电炉高效化生产方面，钢企需要关注废钢分选处理、连续加料预热、电极自动调节、多功能氧燃烧嘴和复合喷碳稳定造泡沫渣、平熔池和长寿炉龄、底吹技术等；绿色化方面，包括烟气余热回收、炉壳保温节能、低热值废水余热利用、二噁英治理、含锌除尘灰提取高品质附加物、炉渣改质利用技术等；智能化方面，包括废钢和炉料配料、电极智能调节、多功能机器人、熔池温度连续测量、泡沫渣检测和液面监测控制、炉气在线分析、终点控制、一键式电炉炼钢或电炉整体智能控制技术等。
整体上看，我国高端特钢比不足5%，欧洲国家及美国、日本均超过20%，瑞典最高达60%，我国尚有很大差距。一般来说，高端特钢多由电炉生产，特钢行业专业性强、品种多、批量小，难以实现规模效应，钢企更应注重以高质量来弥补规模的不足。当前，钢铁行业由追求总量向追求高质量转变，材料升级迫在眉睫，高端特钢需求有望迎来高速增长，需要密切关注相应的高端特钢生产技术。