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转炉冶炼与电炉冶炼的共性探讨

  来源:安全管理网 
评论: 更新日期:2020年12月03日

现代转炉与电炉的共性问题

1 现代炼钢流程冶炼工序的功能演变

随着技术的进步,传统转炉和电炉的功能在发生转变。现代转炉的功能逐步演变为:①快速高效脱碳器;②快速升温器;③能量转换器;④优化脱磷器。现代电炉的功能演变为:①废钢快速熔化器。现代电弧炉冶炼的一个重要特征是冶炼周期显著缩短,已达到35~45min,与同容量转炉冶炼周期相当,可满足高效连铸多炉连浇的节奏要求,成为一废钢快速熔化器。②快速升温器。电弧炉原料中的废钢、生铁和DRI熔化后,为满足出钢温度要求,快速升温,现代电弧炉成为了一个快速升温器。③能量转换器。现代电弧炉的能源结构包括电能、化学热和物理热。为缩短冶炼周期,必须充分利用变压器功率,增加电能输入;增加化学热和物理热。在一定的冶炼周期条件下,3种能量可互相转换。目前,中国部分地区电力紧缺,价格高,可增加化学热和物理热的比例,炉料预热可增加物理热。采用废气预热炉料技术可增加物理热,减少电能的输入。原料中高配碳,生铁成为主要原料之一,加铁水是最好的生铁预热方式,可增加化学热和物理热。现代电弧炉成为一很好的能量转换器。④高效脱碳脱磷器。为了缩短冶炼周期,以满足高效连铸节奏的要求,强化供氧,脱碳速度快,在废钢熔化和升温过程中电弧炉冶炼具有良好的脱磷条件,现代电弧炉成为一高效脱碳脱磷器。⑤废弃塑料、轮胎等的处理器。现代转炉流程的焦炉、高炉工序可回收部分废弃塑料;现代电弧炉流程也可能具有处理废弃塑料、轮胎等增加化学热的功能,且成本较低,但要注意环境保护。

如上所述,转炉和电炉的功能已演变为基本相近,只是由于炉型不同,原料成分(主要是C,P)不同,在脱碳量、脱碳速度和脱磷要求方面有所不同,从而工艺有所差别。

2 能源结构

钢铁冶金工程包括转炉炼钢和电弧炉炼钢,本质上均属于铁煤化工工程。

转炉炼钢的铁素原料主要来自铁水(铁矿石)及冷料(生铁块及废钢),碳素原料亦来自铁水及冷料。用于炼钢的能源,主要是吹氧与碳反应生成的化学热以及在高炉冶炼过程鼓入的热空气(可以是富氧的)与加入的焦炭和喷入的煤粉反应放热而使铁水带入的物理热,炼钢过程中能源表现形式有化学热和物理热。

电弧炉炼钢过程的铁素原料主要来自废钢及生铁,碳素原料亦主要来自废钢及生铁(碳可用喷粉方式加入)。用于炼钢的能源,主要来自由煤转换出来的电能(火力发电)以及吹氧与碳反应生成的化学热(包括废钢预热过程烟气中CO二次燃烧热)以及从预热废钢带入的物理热。炼钢过程中能源表现形式有电能、化学热和物理热,它们比例有所不同,可以互相转换。传统的电弧炉冶炼以电能为主,现代电弧炉冶炼过程中化学热和物理热占能耗的50%以上。物理热可以由废钢显热,加部分铁水代替生铁带来,也可像ECOARC技术一样,由化学热及电能转变而来。转炉主要是利用铁水的化学热和物理热,传统电弧炉主要是利用电能,现代电弧炉炼钢增加了化学热和物理热,电耗只占总能耗的1/3左右。

3 现代炼钢生产流程的原料结构

现代转炉钢生产流程的主要原料是铁水和冷料(包括废钢、生铁),铁水主要取决于矿石、焦煤资源。

现代电炉钢生产流程的主要原料是废钢和生铁,加入生铁是为了有效进行高配碳操作,为了进一步缩短冶炼周期,最好是加入部分铁水。

因此现代转炉和电炉的主要原料均是铁水和废钢只是二者比例不一。废钢由污染环境的废弃物变为钢生产的有用“资源”。

4 现代炼钢流程的冶炼周期

从技术上考虑,转炉存在一合理的冷料(废钢或生铁)加入比,电炉存在一合理的铁水加入比。目前,现代电炉冶炼周期与转炉的冶炼周期基本相当。

5 现代炼钢流程以氮代氩底吹问题

为均匀成分和温度,现代大型转炉采用顶底复吹,现代大型电炉也采用底吹技术,吹气采用氮氩切换方式,前期吹氮,后期吹氩。根据碳氧反应可以脱氮和在炼钢温度及氧化性条件下氧硫表面活性作用对钢液吸氮具有阻碍作用的原理,采用冶炼过程中全程吹氮,电炉出钢氮可<30×10-6,顶底复吹转炉全程底吹氮出钢时氮含量可在10×10-6左右。

钢材中的氮取决于现代炼钢流程冶炼工序出钢后增氮量,应注意加强出钢后钢液的保护,防止钢液直接与大气接触。

6 转炉电炉冶炼工序的终点控制

对转炉的终点成分、温度控制已做了大量的研究,开发了许多终点控制技术,现代电炉工序冶金过程与转炉相近,也开发了自己的终点控制技术,特别是根据碳氧、铁氧竞争氧化的原理,开发了低碳钢的终点控制技术,并成功地用于生产。

7 对钢种的适用性

随着转炉炉外精炼技术的发展及电炉冶炼周期的缩短,两种流程对绝大部分钢种冶炼的适应性相当,选择何种冶炼工序已演变为:一取决于工序经济效益,二取决于可持续发展,即取决于资源、能源支撑条件和环保要求。

综上所述,现代转炉冶炼与现代电炉冶炼具有越来越多的共性。

共性对钢生产率的影响

由于两种流程对钢种适应性基本相当,使得企业家对选择何种冶炼工序主要考虑企业的经济效益,而企业的经济效益又主要取决于冶炼工序金属原料的价格。

目前,中国废钢远远不能满足炼钢生产的需求。废钢价格不断上涨且短缺,高价位还将维持一相当长的时间;当前电力也紧张、电价高。为此,对于同一钢种,一般企业家均会选择冶炼成本低、利润高的转炉流程,并投资增加转炉的生产能力,这也是国内近年来转炉钢产量迅猛增长的一个重要原因。

但是,炼钢用原料的价格存在不稳定性,例如,废钢的价格会随着可用于炼钢的废钢的生成量增加以及理性利用废钢资源而降低:生铁(铁水)的价格会随着资源不断消耗、环保成本的提高而增加;电价会由于装机容量的增加而降低;这就使得两种流程冶炼工序成本将发生变化:即在一定条件下,对于同一钢种,电炉钢的成本(冶炼成本、总成本)可能低于转炉钢,这就会促进电炉钢的发展。

综上所述,在相当一段时间内,电炉流程与转炉流程将会长期共存,当转炉钢的成本低于电炉钢的成本条件下,电炉可采取生产高附加值钢和加部分铁水冶炼等缩短冶炼周期的措施降低成本;当铁矿、焦煤资源短缺,废钢资源增长时,高炉会加入部分废钢,转炉可采取生产高附加值钢(特别是对金属杂质有严格要求的钢种)和提高入炉铁水温度,降低出钢温度等措施多加废钢,降低成本。中国电炉钢比例,尽管很难达到发达国家的水平,但会逐步增长,2010年可望超过20%,到2020年预计会达到25%左右。

从以上分析可知,现代电炉冶炼与现代转炉冶炼具有越来越多的共性。根据两个现代炼钢流程的共性,可认为中国转炉钢与电炉钢产量在不同时期、不同地区,比例会有所变化;转炉流程与电炉流程在相当长的历史时期内将会共存;电炉钢的比例虽很难达到发达国家的水平,但将会逐步增加。

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