世界鋼鐵工業(yè)生產工藝流程經過長期的發(fā)展和選擇，目前有兩大工藝流程：以高爐—氧氣轉爐煉鋼工藝為中心的生產流程，即長流程；以廢鋼—電爐煉鋼為中心的生產流程，即短流程。目前世界電爐鋼比例已占到粗鋼產量的31%以上，由于我國屬于發(fā)展中國家，廢鋼資源緊缺，電力供需不平衡，造成電爐鋼成本較高，從而導致長流程發(fā)展過快，而電爐鋼則呈下降趨勢。到2006年，電爐鋼的比例僅有10.5%，遠低于世界平均水平。如何通過技術創(chuàng)新、工藝優(yōu)化解決電爐煉鋼現存的問題，促進短流程的進一步發(fā)展，應成為廣大冶金科技工作者思考的問題。
1電爐煉鋼的現狀
1.1發(fā)展歷程
電弧爐煉鋼技術的誕生可追溯至19世紀70年代，德國人W. Siemens建造了世界上首臺實驗電弧爐。初期的電弧爐生產率低、能耗高，主要用于特殊鋼的生產領域。80年代后，由于超高功率及相關技術的發(fā)展，使電爐煉鋼發(fā)生了翻天覆地的變化，實現了大型化、高效化，并與精煉、連鑄形成了良好的匹配。這使電爐煉鋼與轉爐煉鋼流程形成了強有力的競爭，世界范圍內的電爐鋼增長比例也明顯高于粗鋼增長比例。近幾年世界鋼產量、電爐鋼比例及我國鋼產量、電爐鋼比例見圖1。
1.2 我國電爐煉鋼現狀
電爐煉鋼自問世以來，呈不斷增長的發(fā)展勢頭，迄今為止占世界總鋼產量達31%以上，且保持著繼續(xù)上升的態(tài)勢，發(fā)達國家上升速度相對較快。我國電爐鋼產量近幾年也在不斷攀升，2000年至今已翻了一番，但由于電爐鋼產量增幅遠低于轉爐鋼產量的增長速度，所以比例呈下降趨勢。1995年以前，電爐鋼比例保持在20%左右，但多數爐型較小，且以模鑄為主。1996年以后，在有關部門的引導和支持下，一大批現代化的電爐投產、達產，電爐發(fā)展進入新的歷史時期，但電爐鋼比例一直在16%左右徘徊。2004年以后，電爐鋼比例出現新低。另外，由于我國鋼產量占到世界總鋼產量的36.4%，因此電爐鋼比例的下降也影響了世界電爐鋼比例。
表1 安鋼100t UHP-FSF取得的技術經濟指標
———————————————————————
冶煉周期 平均41min，最短30min
電爐送電時間 平均31min，最短27min
豎爐作業(yè)率 92%
熱停率 1.5%
最高班產 13爐
最高日產 37爐，3970t
最高月產 103673t
2003年產鋼量 1081278t
電耗 平均222kWht，最低160kWht
氧耗 平均41Nm3t
電極消耗 平均1.5kgt，最低1.3 kgt
———————————————————————
1.3 安鋼集團電爐概況
1999年安鋼集團公司從德國FUCHS引進了一座帶指型豎爐式電弧爐。該電弧爐采用超高功率供電、部分熱裝鐵水、廢鋼預熱、RBT出鋼、水冷爐壁、輔助能源優(yōu)化利用、USTB集束氧槍、環(huán)境保護等多項先進技術，經過幾年運行，各項指標達到國內先進水平，見表1所示。主要產品有：中板用船板（含高強船板）鋼、鍋爐容器鋼、橋梁鋼、低合金鋼和高速線材用冷鐓鋼、預應力鋼絞線用鋼和PC鋼等。
2002年，在100 t電爐車間內又投產一座100 t氧氣頂吹轉爐，配備兩臺LF精煉爐和一臺板坯連鑄機，一臺六機六流方坯連鑄機，鋼坯供高速線材軋機和中板軋機。由于100 t電爐成本高于100 t轉爐，電爐利潤空間較低，生產處于不飽和狀態(tài)。
2 面臨的問題
我國目前電爐流程有一定的發(fā)展空間，但由于在相當長的時間內，廢鋼與電力緊缺的局面仍將存在，電爐鋼的成本仍會高于轉爐鋼成本。
2.1 成本制約
成本是制約電爐鋼發(fā)展的最關鍵因素，面對成本壓力，我國多數電爐煉鋼廠處于微利甚至虧損的局面。追求效益最大化是企業(yè)的發(fā)展目標，以冶煉工序效益 （單位時間利潤或冶煉一爐鋼的經濟效益）表示為：
式中：φ為工序效益，元h；E為一爐鋼水的價格，元； （PiCi）為一爐鋼水的成本，元；Pi為消耗i的價格；Ci為消耗量；τ為冶煉周期。
由式（1）計算可知，在我國廢鋼及電力資源緊缺、價格高的條件下，電爐鋼成本較轉爐鋼高200～300元t。若要使電爐鋼盈利，必須生產高附加值產品（增大E），縮短冶煉周期，并降低消耗（減少 （PiCi）和τ）。
2.2 廢鋼資源及價格制約
我國是發(fā)展中國家，工業(yè)化進程短，社會廢鋼資源不足，而且鋼鐵制造過程技術進步使自產廢鋼不斷減少，同時廢鋼進口量也相應下降，所以我國廢鋼資源短缺、價格居高不下，近年來廢鋼應用量見圖2。由圖2可知，近幾年廢鋼應用量大幅度上升，而進口廢鋼量穩(wěn)中有降。大部分廢鋼的來源依靠社會采購和自產，鋼鐵產能的大幅上揚與廢鋼資源的嚴重不足導致了廢鋼采購困難，這一局面在短期內不會有較大改觀。以上海地區(qū)為例，2003年重廢鋼為1400元t，其后逐年上升，到2008年6月已升至3500元t。
2.3 能源和鋼質量制約
電爐煉鋼原料以廢鋼和生鐵為主，能量供給以電能為主。我國電力緊缺，短時期內仍難滿足國內電爐鋼生產用電需求，缺電和限電導致電爐間歇式生產，生產成本更趨升高。
目前轉爐與電爐冶煉鋼種幾乎相同，鋼質量差距不大。然而在電弧作用下，電弧區(qū)鋼液易于吸氮，影響鋼水質量，不利于生產氮含量較低的鋼種。此外，電爐加熱鋼水會使熔池少量增碳，也不利于生產碳含量要求低的鋼種。同時，廢鋼中殘余元素（Cr、Ni、Cu等）的循環(huán)富集，也影響電爐生產高純凈度的鋼種。
2.4 電爐煉鋼的優(yōu)勢
電爐流程與轉爐流程比較，具有以下特點：
①電爐流程投資省，占地面積小，建設周期短；
�、谫Y源問題：隨著國民經濟的發(fā)展，鐵礦石、焦煤等資源將日益匱乏，而廢鋼資源則會不斷積累，因此從長遠看電爐流程具有優(yōu)勢；
③環(huán)保問題：電爐流程產生的CO2、NOx、SOx等有害氣體量較高爐-轉爐流程少；
�、苣芎膯栴}：廢鋼—電爐—鋼水與高爐—轉爐—鋼水兩種工藝相比，短流程總能耗僅為長流程的50%。
據預測，我國將在2008～2009年結束工業(yè)化中期階段，鋼鐵生產和消費將出現拐點，之后鋼鐵增長速度必將迅速明顯減緩。當2020年左右實現工業(yè)化后，鋼鐵消費將達到峰值，此后廢鋼資源將越來越多，而以廢鋼為主的電爐鋼資源的成本優(yōu)勢也將日益凸顯。
3 優(yōu)化電爐工藝
現代電爐功能的演變過程為：廢鋼快速熔化器、快速升溫器、能量轉換器、高效脫碳脫磷器、廢棄塑料、輪胎等的處理器。這表明轉爐與電爐的功能已基本相近，兩種流程對絕大部分鋼種冶煉的適應性相當，因此要促進電爐鋼發(fā)展，就必須依靠自主創(chuàng)新，不斷優(yōu)化電爐工藝。
3.1 縮短冶煉周期，實現高效化生產
要實現電爐高效化生產，核心是縮短冶煉周期，電爐流程冶煉周期可用下式表示：
τ=τ''+τ″ （2）
式中：τ為冶煉周期，min； τ′為供能時間，min；τ″為熱停工時間，min。
要使τ最小，應滿足下述要求：
式中：Pelec.表觀輸入電功率；η綜合電效率；cosφ：功率因數；Q′：從爐壁外表面向大氣的輻射能；Q″：從渣面向冷卻區(qū)的輻射能；Em：鋼液和熔渣吸收的熱量；Q2η2 ：氧燃燒嘴提供的能量；Q3η3：元素氧化反應提供的能量；Q4η4：廢鋼和鐵水顯熱提供的能量；QN：熔池中元素氧化反應所需氧氣總量；VOηO：單位時間氧槍提供的氧量；VO''ηO''：單位時間氧燃燒嘴提供的供熔池中元素氧化反應的氧量；τc最佳吹氧不供電時間。
根據式（2）、（3），目前縮短冶煉周期上有如下技術：
�、匐姞t加部分鐵水冶煉，增加物理熱和化學熱；
②充分利用變壓器功率，提高有功功率和電效率，增加電能輸入；
③采用新型廢鋼替代品（如改性生鐵），造好泡沫渣；
�、軓娀醚跤欣诠�(jié)能，生產1 m3的氧氣只消耗0.215kg標煤，而用1m3氧氣可節(jié)電4～6 kWht；
�、莞倪M設備，提高操作水平，縮短熱停工時間。
為縮短冶煉周期，形成系統(tǒng)綜合控制，采用先進技術保證鋼質量最優(yōu)、綜合消耗最低的前提下，最大限度的縮短冶煉周期，包括：電弧爐加部分鐵水冶煉的新技術、電爐以氮代氬全程底吹技術、低氮電爐鋼生產技術、終點控制技術、優(yōu)化供電技術、爐料結構優(yōu)化和不延長冶煉周期的DRIHBI加入工藝技術等。安鋼通過多年的探索，已形成了一套相對成熟的技術，冶煉周期平均41 min，最低30 min，解決了電爐與連鑄的匹配問題。
3.2 優(yōu)化生產工藝，降低生產成本
在鋼鐵生產中，成本是決定性因素，必須降低成本以促進電爐鋼的發(fā)展。優(yōu)化生產工藝，加強精細管理與操作，從優(yōu)化爐料結構、降低鋼鐵料消耗、添加合金精礦和還原劑實現直接合金化、廢鋼渣的回收利用等方面入手，以追求工序成本和保障系統(tǒng)成本最低。
在優(yōu)化爐料結構方面，依據鋼種要求和市場價格變化，精細搭配每一爐鋼的廢鋼、鐵水、生鐵塊配比，以及不同類型的廢鋼比例，實現爐料結構最優(yōu)。鋼鐵料消耗是電爐成本中所占比重最大的一項，降低鋼鐵消耗即成為降低成本的關鍵。安陽鋼鐵公司在鐵水缺口較大的不利條件下，通過強化管理、精細操作，目前在無鐵水條件下鋼鐵料消耗達到1088 kgt，低于以往熱裝30%鐵水時1117 kgt水平，為降低電爐鋼成本起了至關重要的作用。
添加合金精礦，直接還原合金化對降低合金料成本十分有益，但受到精礦品位、回收率、有害元素、渣量等多種因素制約，目前合金精礦在電爐上的使用仍不太成熟。隨著技術的進步，該項技術將對降低成本產生深遠影響。
廢鋼渣的合理回收利用，可以有效利用其中的金屬和熱能。安陽鋼鐵公司采用多種方式回收鋼渣中含鐵料的同時，還在生產中將精煉渣返回初煉爐，充分利用精煉渣中高堿度渣料和熱能，進一步還有將轉爐脫碳渣用于電爐脫磷的計劃。
降低生產成本是一項系統(tǒng)工作，包括管理層面和技術層面，但隨著管理精細化和技術進步，相信電爐鋼成本仍有下降的空間。
3.3 依靠自主創(chuàng)新，研發(fā)和應用新技術
面對電爐鋼生產現狀，必須依靠自主創(chuàng)新，不斷研究和應用新技術來支撐電爐工藝進一步優(yōu)化；現代電爐應用的新技術有：熱裝鐵水技術、輔助能源和強化用氧技術、直接還原鐵和改性鐵應用技術、底吹攪拌技術、水冷電極技術、鋼渣煙塵資源綜合利用技術等。
3.3.1 電爐熱裝鐵水技術
電爐熱裝鐵水技術是現代電弧爐煉鋼的一項新技術，其顯著特點是為電弧爐帶來大量的物理熱和化學熱。實踐證明，它不僅能縮短供電時間和冶煉周期、降低冶煉電耗、稀釋廢鋼中有害元素、利于生產優(yōu)質鋼液、開發(fā)新鋼種提高產品競爭力，且可解決鐵液過剩和廢鋼短缺的問題，成為電爐煉鋼降低電耗、提高質量的有效手段。
由于廢鋼資源、價格及質量等因素的制約，電爐有轉爐化的趨勢，熱裝鐵水的比例也越來越高。但熱裝鐵水有一個最佳的加入時間和最佳加入比例，安鋼100 t煙道豎爐電弧爐的生產實踐證明，在其現有生產條件下，最佳鐵水比為31%，熱裝鐵水比例與冶煉周期的關系見圖3。
3.3.2 輔助能源和強化用氧技術
為降低電耗及能耗成本，提高能量輸入強度以縮短冶煉周期，采用了多種形式的能量利用技術，如大流量機械式碳-氧槍、集束氧槍、二次燃燒技術、氧-油燒嘴、底吹燃料和氧氣等技術。另外，為利用爐氣中的余熱，各種廢鋼預熱手段也相繼出現。
電爐煉鋼中輔助能源的利用，首先是吹氧助熔、切割爐料、加熱冷區(qū)和活躍熔池。隨著電爐容量的增加、生產速率的加快，電爐煉鋼過程中使用輔助能源日益受到重視。輔助能源以化學能為主，其效果有：補充電能不足，提高電爐煉鋼生產率和生產效率；用較廉價的化學能部分代替電能；利用氧氣和氧燃燒嘴加熱冷區(qū)，改善傳熱、提高熱效率、二次燃燒等。
電爐煉鋼過程可利用的廢棄能量，逸出的爐氣中CO所攜帶的化學余熱，CO氧化生成CO2的二次燃燒所釋放出的熱能約是碳氧化生成CO的兩倍。然而，電爐煉鋼過程產生的爐氣收集以及二次燃燒產生的熱量回收尚有較大的節(jié)能潛力。在廢鋼預熱裝置中回收二次燃燒產生的熱量是一個合理的措施。
3.3.3 直接還原鐵和改性鐵應用技術
使用直接還原鐵為電爐煉鋼提供純凈鐵源是近年來世界重要的發(fā)展方向。世界范圍內各種直接還原鐵的產量自1990年以來已增加了一倍多，其產量與電爐鋼產量之比大約為15％，已成為電爐煉鋼重要的鐵源。直接還原鐵和熱壓塊的使用量正在增加，特別是用于生產殘留元素含量低的長材和扁平材產品。它們在電爐上的應用，有助于縮短冶煉周期，且每噸原料的電能需求量降低了70 kWh，還能提高金屬化率，有助于提高電爐煉鋼廠的生產率。實踐證實，熱壓塊可在各種不同類型的豎爐中有效預熱。
安陽鋼鐵公司成功自主研制開發(fā)了改性鐵的生產和應用，實踐證明，改性鐵在縮短冶煉時間、減少裝料次數、改善鋼的純凈度等方面具有明顯優(yōu)勢。在熔化過程中，改性鐵自身的氧化還原反應又促進了熔池的攪拌，提供了良好的傳熱條件和去除氣體條件，因此是一種良好的廢鋼替代品。
3.3.4 其它相關技術
應用于電爐煉鋼流程的其它相關新技術有：如底吹攪拌技術、電極噴淋技術、泡沫渣埋弧冶煉技術、鋼渣粉塵資源綜合利用技術等，它們都為電爐鋼提高質量、降低成本提供了保證。
研究表明，電爐應以氮代氬底吹，電爐出鋼氮含量可低于30×10-6；電極噴淋技術的應用，可使噸鋼電極消耗降低了0.3～0.4 kg；泡沫渣埋弧冶煉技術，有利于提高電爐熱效率、節(jié)約電能、縮短冶煉時間等；在鋼渣粉塵資源綜合利用方面，研究表明，鋼渣在農業(yè)上可以用來制作化肥，對提高農作物產量有顯著效果。關于電爐粉塵中鋅、鎳、鉻、鉛等多種金屬化合物的回收利用，也有許多成熟和正在研發(fā)的新技術。
3.4 優(yōu)化品種結構，生產高附加值產品
對于電爐冶煉鋼種的品種結構，目前的優(yōu)化方向應著眼于：轉爐流程不適合生產的高合金鋼、高溫合金和大鍛件等；轉爐流程能夠生產目前在國內產量還不高的一些合金鋼種；過去僅能用轉爐流程生產的、現代電爐亦能生產的一些品種，如高附加值的板材（薄板、中板、厚板）；優(yōu)質高碳鋼（如預應力鋼絞線、鋼簾線）和低合金鋼（如合金冷鐓鋼）等。
另外，對于電爐鋼中傳統(tǒng)意義上的有害元素（如N、Cr、Ni、Cu），應予以全面考慮，如過去認為氮加入鋼中將產生脆性而必須除去，現在開展了鋼中加氮來提高強度的研究，并用它來提高韌性、疲勞強度和耐蝕性等性能，而且因其環(huán)境和諧性和生體適應性優(yōu)良等特點越來越受到人們的關注。日本正進行對氮代鎳的研究，用于生產不銹鋼。而對于富含Cr、Ni、Cu的廢鋼資源，用于生產耐候、耐蝕性鋼可降低貴合金成本。
4 進一步發(fā)展電爐煉鋼，推動循環(huán)經濟
循環(huán)經濟的最終目的是實現經濟的可持續(xù)發(fā)展，鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最重要標志，一是要盡量減少自然資源，如不可再生的鐵礦石、焦炭消耗；二是要盡量減少由不可再生資源煤轉化而來的能源消耗；三是要盡量減少鋼鐵制造過程中CO2等有害氣體和固態(tài)廢棄物向大氣、水、土壤的排放與污染。從整個鋼鐵工業(yè)系統(tǒng)看，對一定規(guī)模的年產鋼量，提高電爐鋼比例，顯然有利于循環(huán)經濟。
4.1 優(yōu)化電爐煉鋼流程
要實現電爐的高效化生產，電弧爐容量大型化是基礎，縮短冶煉周期是核心，而前提則是流程優(yōu)化。目前代表性的流程有，普通鋼長型材：超高功率電爐—LF爐—小方坯連鑄機；合金鋼長型材：超高功率電爐—RHLF—VD—大方坯連鑄機；扁平材：超高功率電爐—LF（VD）—板坯（薄板坯）連鑄機；不銹鋼：超高功率電爐—AODVOD—連鑄機（一步法）、超高功率電爐—AOD+VOD—連鑄機（二步法），最常見的流程如圖4所示：
安鋼進行了100 t電爐流程優(yōu)化的探討，即采用高爐鐵水—鐵水罐扒渣—100 t電爐脫磷—無渣出鋼—轉爐少渣吹煉—LF爐精煉—連鑄—接高線、型棒和2800 mm中厚板軋機的流程。該流程的技術思路是：把車間現有超高功率電爐改造成鐵水預處理爐，在熱裝鐵水（熱裝鐵水比例可根據高爐鐵水供應狀況進行適當調整）條件下進行脫硅、脫磷預處理，在無渣（或少渣）出鐵條件下獲得低磷鐵水（半鋼）。然后，在現有100 t轉爐內利用初煉爐生產的低硫、低硅、低磷鐵水進行少渣煉鋼，在保證鋼水潔凈度的前提下，基本滿足現有方坯和板坯鑄機多爐連澆和高線軋機、型棒材軋機及2800 mm中板軋機生產品種鋼的進度要求，建立起高效率、低成本的潔凈鋼生產平臺。
4.2 提高電爐鋼比例
電爐鋼比例低，直接影響噸鋼能耗，增加溫室氣體排放，我國生產一噸電爐鋼與生產一噸轉爐鋼相比，可以多利用廢鋼500～600 kg，少消耗能源350 kg標煤，少排放CO2 1589 kg，減少廢渣600 kg，減少新水消耗1～3 t。
從國際上看，全球電爐鋼比已達31%以上，若以我國年產鋼5億t計，電爐鋼比將從10%提高到25%，電爐鋼總產量將達1.25億t，每年可少用鐵礦石9750萬t，節(jié)能2625萬t標煤，減少CO2排放1.192億t。如能使我國的電爐鋼比例接近世界平均水平，即從10%增加到30%左右，則每年可減少鐵礦石消耗1.3億t以上，減少CO2排放約1.6億t，節(jié)約標煤0.35億t。因此，提高電爐鋼比例是促進我國鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然途徑，電爐鋼的發(fā)展是循環(huán)經濟的需要。
4.3 制定相關政策，引導可持續(xù)發(fā)展
由于鋼良好的可再生性及環(huán)境、資源和能源等方面日益苛刻的要求，盡可能多的利用廢鋼將成為世界趨勢。以廢鋼為主要原料的電爐流程，因其具備經濟效益與環(huán)境優(yōu)勢，成為發(fā)展循環(huán)經濟的需要。
發(fā)展鋼鐵工業(yè)循環(huán)經濟要依靠管理創(chuàng)新、技術創(chuàng)新、工藝優(yōu)化和政策支持。現階段提高我國電爐鋼比例，政策支持尤為重要。建議國家出臺有關新的鋼質量標準和有害氣體CO2等的排放稅收政策和超標排放的罰款政策，以減少甚至消除電爐鋼和轉爐鋼的成本差距，引導支持企業(yè)從整體利益考慮，從長遠考慮。
新的鋼質量標準的制定（如重新制訂鋼中氧、氮、硫含量要求），有利于淘汰落后產能。同時在相同的國民經濟發(fā)展需求下，提高鋼質量可減少鋼的消費總量，這樣資源、能源消耗和排放也會相應減少。制訂環(huán)保政策可以減少CO2等排放導致的溫室效應，建議政府制定噸鋼CO2排放量標準，借鑒發(fā)達國家相關政策，超標排放在原則上不允許生產；企業(yè)要生產時，須購買生產許可證，按200元t鋼計算，則環(huán)保成本的改變可使轉爐鋼與電爐鋼的成本基本相當，從而促進對現代電爐鋼發(fā)展的新一輪投資。
5 結論
在鋼鐵生產中，成本是決定性因素，近幾年電爐鋼比例的逐年降低是其成本高于轉爐鋼引起的。目前轉爐鋼比例已出現過剩，而電爐鋼比例的上升是必然的。
電爐鋼流程必須依靠自主創(chuàng)新來支撐電爐煉鋼工藝，進一步優(yōu)化工藝，縮短冶煉時間，采用新技術降低成本。隨著中國工業(yè)化進程的推進，廢鋼、電力等資源問題的解決，短流程的優(yōu)勢會凸顯出來。同時，電爐鋼的發(fā)展也是循環(huán)經濟的需要，應在政策上給予相應扶持。 |
