电弧炉炼钢技术发展我之见.ppt

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1、1 电弧炉炼钢技术发展我之见电弧炉炼钢技术发展我之见李士琦李士琦李士琦李士琦 北京科技大学北京科技大学北京科技大学北京科技大学 中国金属学会中国金属学会中国金属学会中国金属学会,特殊钢分会特殊钢分会特殊钢分会特殊钢分会2011 2011 年年年年 7 7 月月月月高品质特殊钢的技术研讨会高品质特殊钢的技术研讨会 目目 录录1.1.电弧炉炼钢生产发展概况电弧炉炼钢生产发展概况电弧炉炼钢生产发展概况电弧炉炼钢生产发展概况2 2.电弧炉炼钢过程冶金特性电弧炉炼钢过程冶金特性电弧炉炼钢过程冶金特性电弧炉炼钢过程冶金特性3 3.超高功率电弧炉炼钢电气运行技术超高功率电弧炉炼钢电气运行技术超高功率电弧炉炼

2、钢电气运行技术超高功率电弧炉炼钢电气运行技术4 4 4 4.炉外精炼炉外精炼炉外精炼炉外精炼5 5.强化供氧技术强化供氧技术强化供氧技术强化供氧技术6 6.二次燃烧（后燃烧）和余热利用二次燃烧（后燃烧）和余热利用二次燃烧（后燃烧）和余热利用二次燃烧（后燃烧）和余热利用7 7.过程控制过程控制过程控制过程控制8 8.废钢和其他铁源废钢和其他铁源废钢和其他铁源废钢和其他铁源9 9.建议和设想建议和设想建议和设想建议和设想21.1.电弧炉炼钢生产发展概况电弧炉炼钢生产发展概况 电是一种方便、清洁的能源，电力工业的发展促进电是一种方便、清洁的能源，电力工业的发展促进了电能在炼钢中的应用。用电了电能在炼

3、钢中的应用。用电热转换技术为炼钢过程热转换技术为炼钢过程提供热量有多种方法，获得工业应用的主要有：提供热量有多种方法，获得工业应用的主要有：电弧，电磁感应，等离子炬，电子束，电渣电弧，电磁感应，等离子炬，电子束，电渣 当前，在炼钢工业生产中占绝对统治地位的是电弧当前，在炼钢工业生产中占绝对统治地位的是电弧炉炼钢生产技术，一般情况下炉炼钢生产技术，一般情况下“电炉炼钢电炉炼钢”即为即为“电弧电弧炉炼钢炉炼钢”。3 1879年年 W.Siemens 在坩埚中利用电弧热冶在坩埚中利用电弧热冶炼钢的实验以来，许多研究者对用电作为热炼钢的实验以来，许多研究者对用电作为热源的炼钢炉的开发进行了一次次的研究

4、。源的炼钢炉的开发进行了一次次的研究。1900年年 Paul Hroult 发明了电弧炉，完成了发明了电弧炉，完成了工业化的第一座电弧炉。被称为埃鲁式炉的工业化的第一座电弧炉。被称为埃鲁式炉的电弧炉成为今天炼钢电弧炉发展的基础。电弧炉成为今天炼钢电弧炉发展的基础。45 5目前钢铁生产的主要两种流程目前钢铁生产的主要两种流程目前钢铁生产的主要两种流程目前钢铁生产的主要两种流程 随着电力工业的发展，用电做为主要能源的电弧炉炼钢于随着电力工业的发展，用电做为主要能源的电弧炉炼钢于19001900年应用于工业化生产，其主要功能是熔化废钢等冷炉料。年应用于工业化生产，其主要功能是熔化废钢等冷炉料。由于电

5、能是化学中性的，故在冶炼过程中允许采用化学手段实由于电能是化学中性的，故在冶炼过程中允许采用化学手段实现氧化或还原性操作，从而具有更大的冶金灵活性。另一方面现氧化或还原性操作，从而具有更大的冶金灵活性。另一方面由于其经济性稍差，故早期电炉炼钢主要用于特殊钢的生产，由于其经济性稍差，故早期电炉炼钢主要用于特殊钢的生产，直至直至19501950年，电炉钢的比例仅为总钢产量的年，电炉钢的比例仅为总钢产量的6.956.95，习惯上认，习惯上认为电炉钢厂即为特殊钢厂。为电炉钢厂即为特殊钢厂。6n19501950年以后，电炉炼钢所占份额迅速上升，年以后，电炉炼钢所占份额迅速上升，主要原因有：主要原因有：平

6、炉炼钢为氧气转炉炼钢所平炉炼钢为氧气转炉炼钢所代替，积累的废钢转由电炉炼钢流程来消化。代替，积累的废钢转由电炉炼钢流程来消化。超高功率电弧炉炼钢技术成功应用，使电超高功率电弧炉炼钢技术成功应用，使电弧炉炼钢的效率大大提高，生产成本大幅度弧炉炼钢的效率大大提高，生产成本大幅度降低。降低。连铸、连轧技术的成功应用，废钢连铸、连轧技术的成功应用，废钢电炉炼钢连轧型的电炉炼钢连轧型的“小钢厂小钢厂”迅速发展，迅速发展，占领长型材生产份额。占领长型材生产份额。7 世世界界电电弧弧炉炉钢钢产产量量及及其其所所占占份份额额逐逐年年变变化化情情况况如如下下图图所所示示，可可以以看看出出：自自1950年年起起的

7、的五五十十年年间间平平均均每每年年增增长长0.5个个百百分分点点，到到2000年年以以后后，电电炉炉钢钢所所占占份份额额已已超超过过33；电电炉炉钢钢的的产产量量由由1950年年的的1250 万万吨吨增增长长至至2000年年的的28352万万吨吨，增增长长了了21.7倍倍，平平均均每每年增长年增长542万吨，年环比增长万吨，年环比增长3.3。8 中国电炉钢发展中国电炉钢发展 我国电炉钢年产量也在持续增长，我国电炉钢年产量也在持续增长，2007年的电炉钢产量达到年的电炉钢产量达到5843万吨，万吨，已超过美国成为世界第一电炉钢生产大国，已超过美国成为世界第一电炉钢生产大国，甚至超过了印度、韩国、

8、德国的甚至超过了印度、韩国、德国的年总粗钢产量年总粗钢产量；然而我国电炉钢在总钢产量中所占比重不断下降，到；然而我国电炉钢在总钢产量中所占比重不断下降，到2008年年以后降至以后降至10%左右。左右。9近年近年钢产钢产量、量、铁产铁产量和量和铁钢铁钢比比 钢产量钢产量钢产量钢产量/万吨万吨万吨万吨铁产量铁产量铁产量铁产量/万吨万吨万吨万吨铁钢比铁钢比铁钢比铁钢比年份年份世界世界中国中国其它其它世界世界中国中国其它其它世界世界中国中国其它其它200084539.51285071689.557738.113140.944597.20.6831.0230.622200185046.115102.96

9、9943.257785.814653.8431320.6790.970.617200290378.518224.972153.661107.717079.244028.50.6760.9370.61200396907.222233.674673.666996.921366.745630.20.6910.9610.6112004106888.227291.179597.173564.92683146733.90.6880.9830.5872005113569.63532478245.679885.234473.2454120.7030.9760.582006124054.442102.48195

10、28799541364.146630.90.7090.9820.5692007130000489248107696364.74694549419.70.7410.960.611010电电炉炉钢钢与与钢产钢产量之比量之比 电弧炉炼钢的本质冶金功能在于社会废弃钢铁物资的回收再利用，所电弧炉炼钢的本质冶金功能在于社会废弃钢铁物资的回收再利用，所使用的是当今世界上人类所能掌握的最清洁能源使用的是当今世界上人类所能掌握的最清洁能源电能。我国电炉钢年电能。我国电炉钢年产量也在持续增长，产量也在持续增长，20072007年约为年约为51005100万吨，超过美国，成为世界第一电炉万吨，超过美国，成为世界第一

11、电炉钢生产大国；然而我国电炉钢在总钢产量中所占比重不断下降，到钢生产大国；然而我国电炉钢在总钢产量中所占比重不断下降，到20072007年年降至降至10.5%10.5%，仅为最高年份（，仅为最高年份（19931993年）的一半。年）的一半。1111钢铁工业能源利用情况钢铁工业能源利用情况 国内钢铁工业能耗占全国能源消耗比例国内钢铁工业能耗占全国能源消耗比例 1212 中国废钢电炉炼钢流程的发展前景中国废钢电炉炼钢流程的发展前景废钢资源废钢资源 充沛的废钢资源为电炉炼钢流程的发展提供了可能性，我国充沛的废钢资源为电炉炼钢流程的发展提供了可能性，我国电炉炼钢产能增加一直受着废钢资源的制约。由前文表

12、电炉炼钢产能增加一直受着废钢资源的制约。由前文表1 1表表3 3可可以看出，在以看出，在20042004年我国钢产量超过了年我国钢产量超过了2.72.7亿吨，为全世界钢产量亿吨，为全世界钢产量10.5410.54亿吨的亿吨的2626，但废钢积累量仅为全世界的，但废钢积累量仅为全世界的7 7。我国钢产量。我国钢产量是美国的是美国的3 3倍，而废钢积累量仅为美国的倍，而废钢积累量仅为美国的36.736.7（0.3670.367倍），其倍），其反差近十倍，相比之下，我国是废钢严重短缺的因素。反差近十倍，相比之下，我国是废钢严重短缺的因素。如果按现有格局不变，估计十年后我国废钢资源状况将大大如果按现有

13、格局不变，估计十年后我国废钢资源状况将大大得到缓解，但仍低于世界平均值，尚需大量进口废钢，废钢来源得到缓解，但仍低于世界平均值，尚需大量进口废钢，废钢来源必然是美国、日本和独联体国家。必然是美国、日本和独联体国家。1313 铁矿石资源铁矿石资源 我国已探明铁矿资源储量我国已探明铁矿资源储量459459亿吨，分布于亿吨，分布于2929个省、市和自个省、市和自治区的治区的18981898个矿区，特点是分布广、品位低（平均个矿区，特点是分布广、品位低（平均32.7%32.7%，低于，低于世界平均水平世界平均水平1111个百分点）、共生矿多、杂质含量高、可采储个百分点）、共生矿多、杂质含量高、可采储量

14、（量（200200多亿吨）比例低，达到经济开采规模的只有多亿吨）比例低，达到经济开采规模的只有8080多亿吨。多亿吨。我国重点矿山大部分是五、六十年代建成的，经长期开采，我国重点矿山大部分是五、六十年代建成的，经长期开采，已进入中后期。地方矿山是我国铁矿业的主力军，但受资源和已进入中后期。地方矿山是我国铁矿业的主力军，但受资源和技术条件限制，生产规模小，产能也难大幅度增加。技术条件限制，生产规模小，产能也难大幅度增加。20042004年，年，全国生产铁矿石全国生产铁矿石3101031010万吨（同比增长约万吨（同比增长约22.5%22.5%）。）。未来我国矿石资源形势十分严峻，国内矿山产量只能

15、支撑未来我国矿石资源形势十分严峻，国内矿山产量只能支撑1 1亿吨左右生铁的需要。预计今后每年需要进口铁矿石量将超过亿吨左右生铁的需要。预计今后每年需要进口铁矿石量将超过3 3亿吨。亿吨。14142.2.电弧炉炼钢过程冶金特性电弧炉炼钢过程冶金特性15 生产率指标是单位时间内的产钢量生产率指标是单位时间内的产钢量万吨万吨/年、吨年、吨/日或吨日或吨/时。时。实现全连铸、特别是连铸实现全连铸、特别是连铸连轧生产流程连轧生产流程后，钢铁企业内部结构趋于单通道串联结构，后，钢铁企业内部结构趋于单通道串联结构，炼钢工序的生产率与炼钢装备的生产率的关系炼钢工序的生产率与炼钢装备的生产率的关系简单化。简单化

16、。从从从从某某某某种种种种意意意意义义义义讲讲讲讲，冶冶冶冶炼炼炼炼是是是是一一一一种种种种以以以以能能能能量量量量换换换换取取取取合合合合格格格格钢钢钢钢生生生生产产产产量的过程。量的过程。量的过程。量的过程。冶炼能耗用于冶炼能耗用于冶炼能耗用于冶炼能耗用于 合格钢水的物理热合格钢水的物理热合格钢水的物理热合格钢水的物理热有用能量有用能量有用能量有用能量380kwh/t-steel380kwh/t-steel380kwh/t-steel380kwh/t-steel或或或或1368MJ/t-steel1368MJ/t-steel1368MJ/t-steel1368MJ/t-steel 合格钢水

17、与杂质的分离合格钢水与杂质的分离合格钢水与杂质的分离合格钢水与杂质的分离冶炼操作耗能冶炼操作耗能冶炼操作耗能冶炼操作耗能 可利用的余热可利用的余热可利用的余热可利用的余热物理余热和化学余热物理余热和化学余热物理余热和化学余热物理余热和化学余热 热损失热损失热损失热损失 对于电弧炉炼钢，电能利用效率的指标是变压器利对于电弧炉炼钢，电能利用效率的指标是变压器利对于电弧炉炼钢，电能利用效率的指标是变压器利对于电弧炉炼钢，电能利用效率的指标是变压器利用系数：用系数：用系数：用系数：t/kVAt/kVAt/kVAt/kVA d d d d或或或或t/MVAt/MVAt/MVAt/MVA a a a a。

18、国内重点企业原平均指。国内重点企业原平均指。国内重点企业原平均指。国内重点企业原平均指标是标是标是标是1313131315t/kVA15t/kVA15t/kVA15t/kVA d d d d，相当于，相当于，相当于，相当于5000t/MVA5000t/MVA5000t/MVA5000t/MVA a a a a，而国际，而国际，而国际，而国际水平是水平是水平是水平是1.21.21.21.2 101010104 4 4 4t/t/t/t/MVAMVAMVAMVA a a a a。16原料和能源原料和能源 铁水铁水/纯氧气：纯氧气：输入的物理热输入的物理热+化学热远大于合格钢水带化学热远大于合格钢水

19、带走的物理热。故主要的任务在于氧气的供应，走的物理热。故主要的任务在于氧气的供应，同时改善能量的有效利用。同时改善能量的有效利用。废钢废钢/电能：电能：过过程程所所需需的的能能量量依依赖赖于于电电能能只只有有电电弧弧才才能能保保证证足足够够的的能能量量密密度度达达到到3080MW3080MW，而而一一般般油油氧的功率只有氧的功率只有23MW23MW。17 原料不同是根本原料不同是根本 矿石矿石铁水铁水氧气转炉炼钢氧气转炉炼钢 废钢废钢电弧炉炼钢电弧炉炼钢 能源能源 转炉法转炉法主要是铁水的物理热和化学热主要是铁水的物理热和化学热 电炉法电炉法主要是电弧的物理热主要是电弧的物理热18 关于关于S

20、EAFSSEAFS和和SBBOFSSBBOFS流程物耗、排放和能耗的工程数据流程物耗、排放和能耗的工程数据很多，典型的如图很多，典型的如图4-14-1（买煤、买电方案，不计入厂外电（买煤、买电方案，不计入厂外电厂气体排放）和图厂气体排放）和图4-24-2所列。不难看出，仅就能耗和所列。不难看出，仅就能耗和COCO2 2排排放而言，废钢电炉炼钢流程放而言，废钢电炉炼钢流程SEAFSSEAFS是节约型的、环境友是节约型的、环境友好的流程。好的流程。高炉长流程的物质、能源投入高炉长流程的物质、能源投入/产出平衡图产出平衡图 19短流程投入产出平衡图短流程投入产出平衡图 20输入物料(1t粗钢)矿石钢

21、铁联合企业矿石钢铁联合企业废钢小钢厂废钢小钢厂 铁矿石铁矿石1500kg 1500kg 炼焦煤炼焦煤610kg 610kg 熔剂熔剂40kg40kg燃料煤燃料煤60kg60kg合金合金10kg10kg块矿块矿150kg150kg热热/冷生铁冷生铁熔剂熔剂200kg200kgDRIDRI1130kg1130kg废钢废钢175kg175kg废钢废钢 2695kg 2695kg=1180kg=1180kg水水5m5m3 3(水水)3m3m3 321输出物料(1t粗钢)矿石钢铁联合企业矿石钢铁联合企业 废钢小钢厂废钢小钢厂渣渣 445kg445kg 渣渣 148.5kg148.5kg粉尘粉尘/泥渣泥渣

22、 56kg56kg 炉尘炉尘/泥渣泥渣19kg/2.5kg19kg/2.5kg氧化铁皮氧化铁皮 16kg16kg 氧化铁皮氧化铁皮16kg16kg废耐火材料废耐火材料 4kg4kg 废钢材废钢材17kg17kg废油废油 0.8kg 0.8kg 废油废油0.8kg0.8kg其他其他 54kg 54kg 其他其他3kg3kg=575.8kg=575.8kg =204.3kg204.3kg22排放物排放物(1t(1t粗钢粗钢)矿石钢铁联合企业矿石钢铁联合企业废钢小钢厂废钢小钢厂废水废水(ssss,油油,NH,NH3 3)3 m3 m3 3固体悬浮物固体悬浮物(ssss)1.6 kg1.6 kg油油1

23、50 kg150 kg氨态氮氨态氮110 kg110 kg酚酚,甲基类甲基类,氰化物氰化物 8 kg8 kgCOCO 28 kg 28 kgCOCO 2.5 kg 2.5 kgCOCO2 22.3 t2.3 tCOCO2 2 120 kg120 kgSOSO2 22.2 kg2.2 kgSOSO2 2 60 g 60 gVOCVOC0.3 kg0.3 kgNONOX X 0.5 kg 0.5 kg NONOX X2.3 kg2.3 kg颗粒物颗粒物 16 kg16 kg颗粒物颗粒物1.1 kg1.1 kg其他其他(金属金属,H,H2 2S)S)65 kg65 kg23输入能源输入能源(1t(1

24、t粗钢粗钢)矿石钢铁联合企业矿石钢铁联合企业 废钢小钢厂废钢小钢厂煤煤19.2GJ(655.5kgce)19.2GJ(655.5kgce)煤煤/焦焦0.45GJ(15.4kgce)0.45GJ(15.4kgce)蒸汽蒸汽 5.2GJ(177.5 5.2GJ(177.5 kgcekgce)电电3.5GJ(119.5kgce)3.5GJ(119.5kgce)电电5.5GJ(188.0kgce)5.5GJ(188.0kgce)氧气氧气 0.3GJ(10.2kgce)0.3GJ(10.2kgce)氧气氧气 0.205GJ(7.0kgce)0.205GJ(7.0kgce)天然气天然气0.04GJ(1.4

25、kgce)0.04GJ(1.4kgce)天然气天然气1.3GJ(44.4kgce)1.3GJ(44.4kgce)电极电极0.12GJ(4.1kgce)0.12GJ(4.1kgce)=28.24GJ(964.1kgce)=28.24GJ(964.1kgce)=7.575GJ(258.6kgce)=7.575GJ(258.6kgce)24输出能源输出能源(1t(1t粗钢粗钢)矿石钢铁联合企业矿石钢铁联合企业 废钢小钢厂废钢小钢厂蒸汽蒸汽 5.2GJ(177.5kgce)5.2GJ(177.5kgce)电电 3.4GJ(116.1kgce)3.4GJ(116.1kgce)煤焦油煤焦油 0.9GJ(3

26、0.7kgce)0.9GJ(30.7kgce)苯苯 0.3GJ(10.2kgce)0.3GJ(10.2kgce)=9.8GJ(334.6kgce)=9.8GJ(334.6kgce)净能耗净能耗 BF/BOFBF/BOF是是EAFEAF的的2.42.4倍倍总能耗总能耗 BF/BOFBF/BOF是是EAFEAF的的3.43.4倍倍2526 超高功率供电技术超高功率供电技术 技术特征：随着变压器容量的提高，电气运行参数发生了根技术特征：随着变压器容量的提高，电气运行参数发生了根本性变化，由低电压、大电流、低功率因数变化为高电压、合理本性变化，由低电压、大电流、低功率因数变化为高电压、合理电流、高功率

27、因数。电流、高功率因数。功率级别功率级别1967年（年（Schwabe）1969年（年（Schwabe）1985年后（年后（IISI）普通功率普通功率135210150306109399高功率高功率220290400699超高功率超高功率335500400500700电弧炉功率级别的划分，电弧炉功率级别的划分，kVkVA/tA/t3.3.超高功率电弧炉炼钢电气运行技术超高功率电弧炉炼钢电气运行技术Carbonon/offSignalMeasuringUnitLiquidDetectionandArcStabilityIndicationCarbonInjectionMachine 泡沫渣技术泡

28、沫渣技术2727电炉炼钢复吹技术电炉炼钢复吹技术统计统计炉数冶炼时间 初炼电耗 氧气消耗 石灰消耗氮气氩气钢铁料铁水比minkwh/tm3/tkg/tm3/tm3/tKg/t无底吹73659136.2342.561.5111360.40%有底吹6885512832.451.1600.166109760.40%指标对比-4-8.23-10.1-10.416价格对比元/吨-4.11-5.85-4 1.80.8-48.0脱磷率提高脱磷率提高脱磷率提高脱磷率提高30-30-30-30-50%,50%,50%,50%,氧含量下降氧含量下降氧含量下降氧含量下降100-200ppm100-200ppm100

29、-200ppm100-200ppm2828 提提高高电电弧弧炉炉炼炼钢钢生生产产率率的的技技术术进进步步2930l减轻环境负荷：减轻环境负荷：电弧炉炼钢使用清洁能源；电弧炉炼钢使用清洁能源；采用脱采用脱Si工艺，减少渣量；工艺，减少渣量；推广煤气回收工艺技术；推广煤气回收工艺技术；开发电弧炉废钢预热技术；开发电弧炉废钢预热技术；精炼渣炼钢返回利用技术；精炼渣炼钢返回利用技术；粉尘回收处理技术。粉尘回收处理技术。炼钢之前的炉外处理铁水预处理炼钢之前的炉外处理铁水预处理炼钢之前的炉外处理铁水预处理炼钢之前的炉外处理铁水预处理 炼钢之后的炉外处理钢的炉外精炼炼钢之后的炉外处理钢的炉外精炼炼钢之后的炉

30、外处理钢的炉外精炼炼钢之后的炉外处理钢的炉外精炼 每脱除每脱除每脱除每脱除1kg1kg1kg1kg硫不同工序所需处理费用硫不同工序所需处理费用硫不同工序所需处理费用硫不同工序所需处理费用(美元美元美元美元)分别为：分别为：分别为：分别为：高炉炼铁高炉炼铁高炉炼铁高炉炼铁 铁水预处理铁水预处理铁水预处理铁水预处理 转炉炼钢转炉炼钢转炉炼钢转炉炼钢 炉外精炼炉外精炼炉外精炼炉外精炼 27 10.5 177 6427 10.5 177 6427 10.5 177 6427 10.5 177 64314.4.炉外精炼炉外精炼 炉外精炼的发展历程炉外精炼的发展历程 钢的炉外精炼起源于电炉炼钢，完善于转炉

31、炼钢：钢的炉外精炼起源于电炉炼钢，完善于转炉炼钢：钢的炉外精炼起源于电炉炼钢，完善于转炉炼钢：钢的炉外精炼起源于电炉炼钢，完善于转炉炼钢：早期早期早期早期 电炉炼钢炉内还原期炉内精炼电炉炼钢炉内还原期炉内精炼电炉炼钢炉内还原期炉内精炼电炉炼钢炉内还原期炉内精炼 形成形成形成形成 电炉炼钢炉外处理同炉渣洗、合成渣洗电炉炼钢炉外处理同炉渣洗、合成渣洗电炉炼钢炉外处理同炉渣洗、合成渣洗电炉炼钢炉外处理同炉渣洗、合成渣洗 发展发展发展发展 电炉、转炉炼钢的炉外精炼电炉、转炉炼钢的炉外精炼电炉、转炉炼钢的炉外精炼电炉、转炉炼钢的炉外精炼 50505050 真空处理真空浇铸、真空脱气、真空倒包真空处理真空

32、浇铸、真空脱气、真空倒包真空处理真空浇铸、真空脱气、真空倒包真空处理真空浇铸、真空脱气、真空倒包 60606060/70/70/70/70 多样化大发展：多样化大发展：多样化大发展：多样化大发展：AODAODAODAOD、VODVODVODVOD、ASEA-SKFASEA-SKFASEA-SKFASEA-SKF、LF LF LF LF、RHRHRHRH、喷粉、喂线等喷粉、喂线等喷粉、喂线等喷粉、喂线等 80808080 二次冶金在线化流程二次冶金在线化流程二次冶金在线化流程二次冶金在线化流程 90909090 洁净钢生产洁净钢生产洁净钢生产洁净钢生产32 钢的炉外精炼技术起源于电弧炉炼钢的炉外

33、精炼技术起源于电弧炉炼钢之还原期炉内精炼钢之还原期炉内精炼(Refine(Refine或或Refining)Refining)。在还原期没有剧烈的碳氧反。在还原期没有剧烈的碳氧反应搅拌，在熔池非常平静，动力学条件很应搅拌，在熔池非常平静，动力学条件很差，逐步开发了同炉渣洗、异炉渣洗，继差，逐步开发了同炉渣洗、异炉渣洗，继之以各种炉外精炼技术。之以各种炉外精炼技术。33 当前钢的生产流程属于两步法：当前钢的生产流程属于两步法：矿石矿石矿石矿石 钢水钢水钢水钢水 一步法一步法一步法一步法 直接炼钢直接炼钢直接炼钢直接炼钢 矿石矿石矿石矿石 炼铁炼铁炼铁炼铁 热铁水热铁水热铁水热铁水 炼钢炼钢炼钢炼

34、钢 钢水钢水钢水钢水 两步法两步法两步法两步法 炼铁炼铁炼铁炼铁炼钢炼钢炼钢炼钢 初炼初炼初炼初炼 初级初级初级初级 精炼精炼精炼精炼 还原还原还原还原 金属金属金属金属 氧化氧化氧化氧化34 钢的炉外精炼系指二次还原精炼，故称为钢的炉外精炼系指二次还原精炼，故称为 二次冶金二次冶金 Secondary MetallurgySecondary Metallurgy 矿石矿石矿石矿石炼铁炼铁炼铁炼铁热铁水热铁水热铁水热铁水炼钢炼钢炼钢炼钢初炼钢水初炼钢水初炼钢水初炼钢水炉外精炼炉外精炼炉外精炼炉外精炼合格钢水合格钢水合格钢水合格钢水 初炼初炼初炼初炼 初级初级初级初级 精炼精炼精炼精炼 精炼精炼

35、精炼精炼 还原还原还原还原 金属金属金属金属 氧化氧化氧化氧化 还原还原还原还原 35 物流的衔接物流的衔接 温度的衔接温度的衔接 成分控制成分控制 杂质的去除杂质的去除 提高钢的性能提高钢的性能/价格比价格比 炉外处理的工序功能炉外处理的工序功能36 炉外精炼在流程中的作用炉外精炼在流程中的作用 特殊性特殊性特殊性特殊性使转炉炼钢洁净化使转炉炼钢洁净化使转炉炼钢洁净化使转炉炼钢洁净化 使电炉炼钢高效化使电炉炼钢高效化使电炉炼钢高效化使电炉炼钢高效化 使两种炼钢方法趋同使两种炼钢方法趋同使两种炼钢方法趋同使两种炼钢方法趋同 共共共共 性性性性热的柔性创造环节热的柔性创造环节热的柔性创造环节热的

36、柔性创造环节 37“人人之之生生也也柔柔弱弱，其其死死也也坚坚强强。草草木木之之生生也也柔柔脆脆，其其死死也也枯枯槁槁。故故坚坚强强者者死死之之徒徒，柔柔弱弱者者生生之之徒徒”。柔柔性性是是生生命的象征。命的象征。供氧技术的发展供氧技术的发展 人工吹氧人工吹氧 从从1 1根氧管到根氧管到3 3根氧管根氧管炉壁氧燃炉壁氧燃烧嘴烧嘴 辅助能量辅助能量炉门吹氧机械装置炉门吹氧机械装置 强化供氧及安全生产强化供氧及安全生产炉壁氧枪炉壁氧枪 解决冷区及脱碳解决冷区及脱碳EBTEBT氧枪氧枪 解决冷区及成分均匀解决冷区及成分均匀集束集束射流氧枪射流氧枪 助熔、脱碳及二次燃烧助熔、脱碳及二次燃烧 在废钢短缺

37、及电力价格高的条件下，提高电炉配碳（生在废钢短缺及电力价格高的条件下，提高电炉配碳（生铁及铁水）铁及铁水）强化供氧是降低电炉炼钢生产成本，增强电炉强化供氧是降低电炉炼钢生产成本，增强电炉强化供氧是降低电炉炼钢生产成本，增强电炉强化供氧是降低电炉炼钢生产成本，增强电炉炼钢生产的竞争力的重要手段。炼钢生产的竞争力的重要手段。炼钢生产的竞争力的重要手段。炼钢生产的竞争力的重要手段。5.强化供氧技术强化供氧技术 3839 氧燃助熔氧燃助熔 随着电弧炉炼钢生产率进一步提高的要求，出现了氧燃助熔的用氧效果，随着电弧炉炼钢生产率进一步提高的要求，出现了氧燃助熔的用氧效果，已经从炉门氧枪、炉壁氧枪的超音速氧枪

38、发展为集束氧枪。已经从炉门氧枪、炉壁氧枪的超音速氧枪发展为集束氧枪。氧氧-燃辅助能源所燃辅助能源所供应的能量约占电弧炉炼钢总供应能量的供应的能量约占电弧炉炼钢总供应能量的3040%。国内在国内在90年代后电弧炉公称容量大型化的发展迅速，生产高效化、冶炼年代后电弧炉公称容量大型化的发展迅速，生产高效化、冶炼时间缩短，大量喷入燃料、碳素、配加铁水，电弧炉冶炼所需的氧量大幅度时间缩短，大量喷入燃料、碳素、配加铁水，电弧炉冶炼所需的氧量大幅度提高，见下表。国内外各家开发了大型集束射流氧枪技术，单支氧枪的氧气提高，见下表。国内外各家开发了大型集束射流氧枪技术，单支氧枪的氧气额定供氧流量超过了额定供氧流量

39、超过了3500m3/h。炉容量炉容量t原料原料配碳量配碳量%用氧时间用氧时间min脱碳速度脱碳速度%/min所需总氧气流量所需总氧气流量m3/h所需供氧强度所需供氧强度m3/mint30废钢废钢85%生铁生铁15%0.8400.0184620.2660废钢废钢70%铁水铁水30%1.5300.04724100.67150废钢废钢70%铁水铁水30%1.5250.05671800.8039 集束（集束（coherencecoherence）供氧技术）供氧技术传统超音速射流外裹高速低密度传统超音速射流外裹高速低密度介质介质前期满足废钢助熔、中期脱碳及二次燃烧前期满足废钢助熔、中期脱碳及二次燃烧与喷

40、碳配合控制与喷碳配合控制加铁水脱碳效果好加铁水脱碳效果好40辅助能源辅助能源 氧氧氧氧-燃助熔工艺燃助熔工艺燃助熔工艺燃助熔工艺 炉门氧枪强化供氧炉门氧枪强化供氧炉门氧枪强化供氧炉门氧枪强化供氧 炉气后燃烧工艺炉气后燃烧工艺炉气后燃烧工艺炉气后燃烧工艺 41BSWBSWBSWBSW的典型耗量指标的典型耗量指标的典型耗量指标的典型耗量指标6.二次燃烧（后燃烧）和余热利用二次燃烧（后燃烧）和余热利用 二次燃烧（后燃烧）二次燃烧（后燃烧）二次燃烧（后燃烧）二次燃烧（后燃烧）电电炉炉炼炼钢钢过过程程可可利利用用的的“废废弃弃”能能量量还还有有逸逸出出的的炉炉气气中中的的COCO所所携携带带的的化化学学

41、余余热热，COCO氧氧化化生生成成COCO2 2的的二二次次燃燃烧烧所所释释放放出出的的热热能能约约是是碳碳氧氧化化生生成成COCO的的两两倍倍。然然而而，电电炉炉炼炼钢钢过过程程产产生生的的炉炉气气的的收收集集、后后燃燃烧烧技技术术以以及及二二次次燃燃烧烧产产生生的的热热量量的的回回收收尚尚有有较较大大的的节节能能潜潜力力。在在废废钢钢预预热热装装置置中中回回收收二二次次燃燃烧烧产产生生的的热热量量是是一一个个合合理理的的考虑。考虑。4243 7.过程控制技术过程控制技术 电弧炉炼钢过程一般是在电弧炉炼钢过程一般是在“黑箱黑箱”状态下进行的，环境中状态下进行的，环境中有许多不确定因素，是一个

42、复杂的过程。通过测量、观测及经有许多不确定因素，是一个复杂的过程。通过测量、观测及经验知识对炼钢过程的各个冶炼时期的参数进行必要的计算，以验知识对炼钢过程的各个冶炼时期的参数进行必要的计算，以便指导整个生产过程的正常进行。便指导整个生产过程的正常进行。电弧炉冶炼终点精确控制技术主要是对冶炼过程中烟气成电弧炉冶炼终点精确控制技术主要是对冶炼过程中烟气成分的动态分析，以及冶炼终点钢液的化学成分和温度的精确控分的动态分析，以及冶炼终点钢液的化学成分和温度的精确控制。故需建立电弧炉炼钢过程的工艺模型来确定冶炼过程中的制。故需建立电弧炉炼钢过程的工艺模型来确定冶炼过程中的各项关键参数。各项关键参数。电弧

43、炉冶炼终点精确控制技术电弧炉冶炼终点精确控制技术44 电弧炉炼钢工艺模型中各变量之间的关系主要表现为物料衡算、能电弧炉炼钢工艺模型中各变量之间的关系主要表现为物料衡算、能量衡算和化学平衡。这三者之间相互独立又相互关联，其中以质量（物量衡算和化学平衡。这三者之间相互独立又相互关联，其中以质量（物料）衡算为基础，热量（能量）衡算依赖于质量衡算和化学平衡，且又料）衡算为基础，热量（能量）衡算依赖于质量衡算和化学平衡，且又作用于化学平衡，影响着质量的分配。作用于化学平衡，影响着质量的分配。u 静态控制模型静态控制模型工工艺艺模模型型中中的的衡衡算算和和平平衡衡45u 动态模型动态模型 动态控制模型是在

44、静态控制模型的基础上，根动态控制模型是在静态控制模型的基础上，根据生产过程中实际数据和操作条件的变化对模型进据生产过程中实际数据和操作条件的变化对模型进行动态修正，以达到终点温度和成分的要求。行动态修正，以达到终点温度和成分的要求。包括：包括：1）基于炉气分析的动态控制模型）基于炉气分析的动态控制模型 2）基于迭代动态规划的动态模型）基于迭代动态规划的动态模型 3）基于瞬时反应的动态模型）基于瞬时反应的动态模型46电弧炉炼钢工艺过程控制电弧炉炼钢工艺过程控制 工艺过程控制系统的主要目的是：工艺过程控制系统的主要目的是：相关出钢量和留钢量相关出钢量和留钢量的特定熔化重量的特定熔化重量;要求的出钢

45、到出钢时间要求的出钢到出钢时间;出钢时特定的钢出钢时特定的钢液成分和温度。液成分和温度。工工艺艺过过程程控控制制流流程程8.废铁和其他铁源废铁和其他铁源 充沛的废钢资源为电炉炼钢流程的发展提供了可能性，充沛的废钢资源为电炉炼钢流程的发展提供了可能性，我国电炉炼钢产能增加一直受着废钢资源的制约。由前文表我国电炉炼钢产能增加一直受着废钢资源的制约。由前文表1 1表表3 3可以看出，在可以看出，在20042004年我国钢产量超过了年我国钢产量超过了2.72.7亿吨，为全亿吨，为全世界钢产量世界钢产量10.5410.54亿吨的亿吨的2626，但废钢积累量仅为全世界的，但废钢积累量仅为全世界的7 7。我

46、国钢产量是美国的。我国钢产量是美国的3 3倍，而废钢积累量仅为美国的倍，而废钢积累量仅为美国的36.736.7（0.3670.367倍），其反差近十倍，相比之下，我国是废钢严重倍），其反差近十倍，相比之下，我国是废钢严重短缺的因素。短缺的因素。如果按现有格局不变，估计十年后我国废钢资源状况将如果按现有格局不变，估计十年后我国废钢资源状况将大大得到缓解，但仍低于世界平均值，尚需大量进口废钢，大大得到缓解，但仍低于世界平均值，尚需大量进口废钢，废钢来源必然是美国、日本和独联体国家。废钢来源必然是美国、日本和独联体国家。47废钢资源废钢资源 废钢资源估计废钢资源估计 一般认为，钢材在投入使用后一般认

47、为，钢材在投入使用后1010-2020年后将形成废钢需回收再生年后将形成废钢需回收再生利用，考虑我国钢材大量用于建筑，回收期较长，取循环周期为利用，考虑我国钢材大量用于建筑，回收期较长，取循环周期为1818年，年，则可知则可知19971997-19981998年生产的钢材将在年生产的钢材将在20142014年进入回收利用期，年进入回收利用期，19981998年年我国钢材实际消费量约为是我国钢材实际消费量约为是1.21.2亿吨（自产亿吨（自产1.071.07亿吨，进口亿吨，进口12421242万吨）万吨），考虑到损失和回收率，可以认为到，考虑到损失和回收率，可以认为到20142014年以后我国年

48、自产废钢可达年以后我国年自产废钢可达到到80008000万吨左右。若每年进口废钢量仍维持为万吨左右。若每年进口废钢量仍维持为10001000万吨左右，届时废万吨左右，届时废钢资源的紧张程度有望大大缓解。钢资源的紧张程度有望大大缓解。48 铁矿石资源铁矿石资源 我国已探明铁矿资源储量我国已探明铁矿资源储量459459亿吨，分布于亿吨，分布于2929个省、市和自个省、市和自治区的治区的18981898个矿区，特点是分布广、品位低（平均个矿区，特点是分布广、品位低（平均32.7%32.7%，低于，低于世界平均水平世界平均水平1111个百分点）、共生矿多、杂质含量高、可采储个百分点）、共生矿多、杂质含

49、量高、可采储量（量（200200多亿吨）比例低，达到经济开采规模的只有多亿吨）比例低，达到经济开采规模的只有8080多亿吨。多亿吨。我国重点矿山大部分是五、六十年代建成的，经长期开采，我国重点矿山大部分是五、六十年代建成的，经长期开采，已进入中后期。地方矿山是我国铁矿业的主力军，但受资源和已进入中后期。地方矿山是我国铁矿业的主力军，但受资源和技术条件限制，生产规模小，产能也难大幅度增加。技术条件限制，生产规模小，产能也难大幅度增加。20042004年，年，全国生产铁矿石全国生产铁矿石3101031010万吨（同比增长约万吨（同比增长约22.5%22.5%）。）。未来我国矿石资源形势十分严峻，国

50、内矿山产量只能支撑未来我国矿石资源形势十分严峻，国内矿山产量只能支撑1 1亿吨左右生铁的需要。预计今后每年需要进口铁矿石量将超过亿吨左右生铁的需要。预计今后每年需要进口铁矿石量将超过3 3亿吨。亿吨。49有害金属残余元素有害金属残余元素尚无合理冶金方法，稀释尚无合理冶金方法，稀释5050钢种对废钢中残余元素含量的限制钢种对废钢中残余元素含量的限制 5151直接还原铁产量统计直接还原铁产量统计直接还原铁产量直接还原铁产量/万吨万吨年份年份世界世界中国中国其它其它中国中国/世界世界20004378543730.11200140511140400.27200245082244860.49200349