新一代电炉废钢预热技术
New Generation in Preheating Technology for Electric Arc FurnaceSteelmaking
新一代电炉废钢预热技术
电炉冶炼中利用烟气的显热将废钢加热到700℃，减少电能消耗和提高了生产率，采用环保的连续废钢预热系统EPC将废钢100%预热，连续不断向电炉推送预热的废钢，不用打开炉盖。本文将EPC系统和当前的废钢预热系统进行比对。
增加能源消耗成本，即电能、化学能和增加原材料成本的上升迫使钢厂想办法降低成本来提高竞争优势。使用化学能和烟气的显热可以减少电炉冶炼的总体能耗。另一方面，温室效益对大气的影响不仅仅引起全世界的注意，电炉设计和制造商必须加以考虑，生产钢水电炉厂也是需要实际行动来降低排放。
全球温室气体排放主要来自于化学能燃烧，大约30%的碳排放来自于工业领域，包括了电炉炼钢和电厂发电。钢铁工业对气候影响有相当大的作用，因为大量的能源用于生产最终的钢铁产品，比如，生产螺纹钢筋的小型钢厂电炉生产中，50%以上的能源是电能，见图1。
图1 小型电炉钢厂能源消耗组成
减少温室气体排放需要钢厂减少烟气直接排放，降低电耗间接将对电站的排放。
本文介绍不同的废钢预热技术，目前最新的废钢连续预热加料电炉冶炼工艺，废钢预热装置较低的投资成本、灵活和高的产能、对环境影响小。
各种废钢预热系统
今天的钢厂寻求经济、环保和灵活操作的设备，要求维护少，设备可靠耐用。以此来保持商业竞争上的优势。电价的上升造成用电成本提高，CO2排放量的严格限制，对于水和种种介质更加严厉的环保法规都必须考虑。废钢预热已使用30多年，目的是节电，在常规电弧炉中，在废钢加入到电炉之前，先在料篮中使用烟气预热，使用电炉烟气预热和烧嘴补充热量。电弧炉主要的能源用来将废钢熔化，如果废钢进入炉内已具有一定的温度，这将减少电能的消耗，预热方式也防止了潮湿的废钢进入炉内，消除了废钢爆炸的可能性，因此，废钢的预热也相应改善了钢厂的安全，防止设备的突然损坏。废钢预热减少电弧炉电能消耗，增加了冶炼能力。
早期废钢预热使用独立的热源，废钢在料篮里面加热，见图2。使用这个类型的预热方式据说吨钢最高能够节电30KWh，由于降低了出钢周期，伴随着减少电极消耗和耐材消耗。当电炉第四孔烟气排放的设计出现，使得开始使用电炉产生的烟气来预热废钢成为可能，据报道使用预热后的布袋除尘器掉下的粉尘量都减少了，这是因为粉尘都粘接在废钢上了。利用电炉烟气预热废钢难点是电炉冶炼中能量输入不同造成烟气温度波动，此外，这种预热废钢方式造成了废钢在高度上的温度梯度。预热废钢的温度必须加以控制，否则要损坏废钢料篮，还要防止废钢在料篮预热中粘接在一起。
图2 废钢料篮预热
得兴康斯迪电炉则是完全不同的预热系统，见图3。这个概念是废钢在连续加料中得到预热，节约了能量和提高了产量。康斯迪电炉达到预热效果必须控制熔池温度、废钢给进速率和废钢质量。这个系统的特点之一是大留钢操作，在出钢时刻康斯迪废钢通道里仍然具有一定温度的烟气来预热废钢，冶炼开始通电形成泡沫渣覆盖电弧可以大功率供电，保持高温的烟气。这种操作模式造成该系统的变压器可以比其它电炉小10%的原因，但是其产量与常规电炉一样，稳定的电弧操作得益于全程良好泡沫渣，减少了电弧的闪烁和有害的谐波，噪音低。
图3 康斯迪废钢预热系统
上述两个预热系统可以将废钢加热到315~450℃，而且仅仅发送在加热后期，一般节能在15~40KWh/吨。如果冶炼效率不断提高，出钢到出钢时间越来越短，废钢预热操作变得越来越困难，最后，废钢处理操作实际上减少了冶炼时间，增加了维护的成本。废钢预热是可以提高产量10%，减少电能消耗，排除废钢中的湿气，减少电极消耗。
进一步的废钢预热技术是西门子VAI手指竖炉和ECOARC电炉，见图4和图5。主要优点是对废钢100%预热，减少了电能消耗和电极消耗。使用手指的竖炉，吨钢可以节约70KWh电能。在ECOARC电炉中，废钢连续不断给进预热竖炉中，废钢柱始终与熔化的钢水接触，在熔化期阶段，电炉和废钢竖炉向后倾斜，按照作者提供的数据，该工艺吨钢电耗为150KWh。
图4 西门子/VAI手指竖炉
这两种形式的电炉中，竖炉安装在电炉的上炉壳中，要求冶炼厂房具有较高的高度，还有一个缺点是竖炉和手指需要大量的冷却水，其消耗为吨钢30KWh电能。
其它预热系统这里就不做详细介绍：
（1） BBS的旋转窑预热。
（2） IHI竖炉。
（3） ESC系统。
（4） 双炉壳系统。
EPC系统（独立预热和连续加料）
在炼钢冶炼中，通过电炉熔化废钢，若废钢预热到700~800℃，就可充分利用烟气中的显热，显著降低电炉冶炼中的电耗和提高产能。在这个方面，和KR Tec GmbH 合作的CVS技术，研发了一种环境友好而高效的废钢预热系统。
研发环境友好和连续加料的EPC系统，见图6，这个系统达到了100%的废钢预热和通过自身的预热室向电炉加料，不需要电炉打开炉盖和系统本身的EPC竖炉盖子。EPC系统在烟气给废钢加热时候，防止了常规电弧炉开盖造成的粉尘外泄和热量损失。
图6 EPC系统
EPC系统具有许多的优点：
（1） 最小的粉尘排放—加料过程中系统处于良好的密封状态，对冶炼厂房的污染程度最小。
（2） 节约能量—与常规电弧炉相比，EPC减少了吨钢冶炼的电耗约100KWh。
（3） 独立的废钢加料—废钢料篮加料过程独立于电炉操作，这样就改善了电炉的作业，减少停电时间。不需要打开炉盖加料，所以显著地降低电炉的热量损耗。
（4） 有效通电时间长和维护量小、热损低—没有水冷机械部件，比如托废钢的手指。不需要运输机械，不需要额外的水冷部件，这些往往造成不可预见的事故停顿进行检修维护，导致过度的水冷带走了电炉中的热量。（译注：这里说的是由于事故造成电炉停止供电，检修设备，此时电炉的水冷上炉壳和水冷大炉盖继续通水冷却，带走电炉的热量。）
（5） 通电时间和停电出钢时间短，提高了生产率：和常规的电炉相比较，可以提高产能25%。
（6） 电炉大炉盖和中心三角区小炉盖耐材寿命长—根本不需要打开/关闭炉盖进行加料操作，电弧远离炉盖所以很少有与炉盖拉弧现象，水冷炉盖不易损坏。由于降低了热冲击现象，有利于炉盖中芯的耐材小炉盖寿命延长。
（7） 投资回收效益高—EPC系统预热的效益投资比高，预热效果好，带来了缩短冶炼周期，提高了生产率。废钢收得率也能够得到一点改进，这要取决于废钢的质量了。
（8） 减少闪烁—由于平熔池操作、废钢预热和恒定的能量输入，使得闪烁和有害谐波减少50%以上，这也导致了噪音降低。
（9） 减少废钢处理—由于优化的竖炉设计和先见之明给料系统设计，EPC并不需要废钢进行任何的特殊的处理。
新而优良的EPC系统设计上考虑到最大的操作灵活性，主要的特点为：
（1） 大留钢量平熔池操作，留钢量为30~40%。
（2） 由废钢称重系统控制给料系统连续加料速率。
（3） 按照电炉输入的能量和废钢预热温度来设定废钢给进速率。
（4） 均匀地熔池温度。
（5） 控制优良的废钢预热温度。
（6） 密封良好的设计达到最小的烟气量。
对环境的改善：
（1） 废钢加料与电炉是分离的密闭系统，电炉炉盖和EPC系统都是密闭操作，竖炉预热设备位于一次烟气除尘线上。
（2） 废钢加料期间最小的烟气排放。
（3） 干净安全的工作地。
（4） 减少了30%的烟气排放。
（5） 减少30%的粉尘，降低了除尘系统压力。
（6） 减少了电弧噪音，这是在平熔池泡沫渣良好，废钢预热到位的操作条件下取得的效果。
（7） 直接使用一次烟气预热废钢，废钢与高温烟气直接接触，提高了预热效率。
（8） EPC系统适应最严格的环保规定。
炼钢工艺最大的问题之一就是排放，世界范围内的排放规定越来越严格。电炉冶炼领域内，在某种意义上，节电和废钢预热是等同的，各种技术的发展都是使用高温烟气来提高废钢的预热温度，EPC系统的目标之一就是加料系统和电炉分离独立出来，特别考虑了环境问题。EPC的预热室安装在电炉的上炉壳旁边，废钢停留在竖炉内，液压缸连续将废钢推入炉内熔化，此时加料过程中，电炉是持续通电熔化废钢。即使是废钢料篮位于上方加料等待位置的时候，预热腔体室由料斗的前板关闭而处于密闭状态，电炉和预热腔体室完全是隔绝的，这就保证在电炉加料过程中几乎没有粉尘的外泄。当加料斗开车定位在等待位置上，打开EPC的上部滑动板，废钢料篮向其加入废钢，当加料完成后，关闭上部的水平滑板，料斗内的废钢处于等待位置。由于废钢的熔化和预热是相互独立的两个系统，所以EPC系统在加料过程电炉的熔炼阶段不被中断。在预热段下方有两个液压缸来推动机构水平移动，平稳地将预热好的废钢推入电炉中。当移动废钢的料斗处于预热位置上的时候，预热腔体室后墙关闭，一个特别设计的烟气管路，带有水冷的零号一次烟气阀来控制预热腔体室内的预热效果。废钢料篮将废钢加入等待位置上的料斗内，在加料期间，料斗已经移动到加料位置上等待加料，料斗的前门关闭，将加料位置与一次烟气通道隔绝起来，这样保证电炉仍然可以处在通电生产状态之中，加料完成后，废钢料篮上升，EPC上层滑板移动关闭密封腔体。
当前的EPC系统是一个预热竖炉结构形式，电炉保持大的留钢量，接近40%，因此可以达到稳定的操作条件，出钢是通过偏心炉底出钢口出钢，废钢加料系统有两个主要的部件构成—预热腔体室，其下部具有液压缸推钢系统；另一个是加料舱位和料斗系统。料斗接受废钢后进入到预热位置，废钢从上部进入废钢料柱，从电炉来的烟气通过预热腔内预热废钢，废钢预热的温度可以高达800℃，烟气离开预热腔内后的温度大约为200℃。在预热腔体的底部有一个可以水平伸缩移动的液压缸推进系统，它的操作分为两个阶段，连续不断地将废钢推入到电炉内，烟气离开预热段腔体上部进入到布袋除尘器，有的气体能循环进入炉内，目的是调节进入预热段的温度。（译注：不明白为什么需要将这个烟气重新进入到炉内。）
废钢连续被推入到电炉内，一直达到需要的冶炼重量，电炉进入到冶炼后期，过热钢水温度，然后出钢。希望能量输入在整个出钢到出钢周期差不多都是均匀供给，大多数电炉的操作都是自动的，废钢进入到预热段的速率建立在自动对预热腔体内的废钢高度进行量测，以及对烟气温度的测量，电炉的喂给废钢速率也是与此相关，和实际上的能量输入相关，吹氧喷碳来控制泡沫渣的深度。
图7 EPC工艺阶段：（a）精炼升温期，（b）出钢后，（c）废钢连续给进和预热废钢，（d）熔化/废钢准备加料阶段，（e和f）废钢熔化/加料/废钢给进炉内阶段
EPC系统工艺阶段（见图7）如下描述：
1 精炼期
—为下一炉钢预热废钢。
—推钢机处于返回状态。
—第二料篮准备加料。
—打开加料位置盖子。
—在后面的位置上接受废钢加料。
2 出钢后：
—通电开始对留钢钢水熔池升温。
—启动推钢机加入废钢。
—当加料时候，料斗前墙保持竖炉密封。
—不中断电炉的排气，烟气不会外泄。
—独立的加料/推钢机推入废钢进入炉内，电炉熔化钢水的操作独立。
3 连续废钢给进/预热阶段
—在连续废钢给进到炉内时期对废钢预热。
—废钢推钢机位于中间位置。
—优化废钢给进速率，使用小行程推钢减小废钢进入熔池量。
—加料斗后墙保持竖炉密封。
4 熔炼/加料阶段：
—推钢机处在最后位置，给废钢塌陷下行留出空间。
—推钢机头保证烟气穿透的空间。
—关闭废钢加料边部滑动门。
—料斗运动到预热段位置。
—独立的废钢加入料斗和废钢给进到炉内。
5 废钢熔化/加料/给进阶段：
—在连续废钢推入炉内时期预热废钢。
—推钢机位于前端位置。
—优化废钢给进速率，使用小的给进量。
—优化竖炉上部的吸气和预热。
6 废钢熔化/加料/给进阶段：
—料斗独立运动进入到预热位置。
—推钢机独立地将废钢推入炉内。
—废钢预热和加料期间，电炉连续通电生产。
—加料时期，料斗前端墙保持竖炉密封。
—优化烟气热能进入废钢过程。
EPC与常规电炉、手指竖炉和康斯迪电炉比较
（1） EPC系统由于良好的加料密封设计，不需要庞大的二次烟气处理量，一次烟气过程不会中断。（表1）
表1 几种电炉指标对比
（2） 康斯迪电炉要求每个班倒空电炉一次，进行耐材修补以保持留钢操作管理，常规电弧炉则能够继续运行。在康斯迪两侧大量的野风进入一次烟气通道中，见表1.（译注：康斯迪电炉没有这个要求，正常生产中不需要倒空电炉，仅仅在检修停产中标定称重装置即可。康斯迪两侧大量野风进入是不正确的，在预热段进料口有一定量野风进入，这需要动态风机进行调节。）
（3） 手指竖炉加料时刻必须打开竖炉盖子，一次烟气吸风中断，竖炉也好似烟囱，大量的烟气在加料期间溢出进入厂房内。（表1）
（4） EPC电炉像康斯迪电炉那样平熔池操作原理，泡沫渣屏蔽电弧。金属收得率高（渣中FeO含量和烟气得到控制），减少了电弧的闪烁。
（5） EPC电炉加料中没有能量损失，这是因为优良的密封设计。
（6） EPC系统生产灵活，可使用不同金属料，对废钢没有限制。（译注：我根本不相信。）
（7） EPC系统安装有称重系统，能够实时知晓竖炉中废钢的重量，自动化系统计算废钢给进到电炉的重量，以便竖炉能保持所需要的预热废钢能力，烟气的显热能够得到最大限度的利用。
（8） 在康斯迪电炉中，预热段中仅仅是上部废钢得到烟气的预热，在EPC和手指竖炉中，一次烟气是完全贯穿整个的废钢料柱的，加热废钢效率高。
（9） EPC系统没有水冷件与废钢接触，所以能量的损失最小。
（10） 不开盖操作，没有粉尘污染车间内部，没有有机材料燃烧产生的污染，在开盖加料过程这些有机物这些不能完全被燃烧掉的。（译注：这里指的是二噁英，有机材料在低温燃烧中不会分解的。）
（11） 车间内最小的粉尘量，这就意味着二次烟气量大大减少，减少二次烟气除尘分量约50%。（译注：我仍然不相信，因为主要的二次烟气是从电极孔冒出来的，必须要有足够的二次烟气处理量。）
（12） 除尘灰内有丰富的锌可以经济地回收利用。（译注：这不取决于电炉形式，主要是废钢料中是否有大量的锌，比如使用轻薄料上面的镀锌层，这是康斯迪电炉的优势，使用轻薄料造成的。）
（13） 粉尘量减少约30%。
（14） 能量消耗低意味着CO2低，大约下降20%，对环境保护友好。
概述
毫无疑问，将来的电炉设计趋势是高的电能和化学能输入，使用各种能量的比例是取决于当地的价格因素。现在有许多炼钢新技术，在所有的电炉中，目标都是减少电能的输入，以及最大程度提高能源的利用效率。这样，一些技术就力图最大程度使用化学能，这些工艺很大程度上取决于准平衡状态，这里的氧完全与燃料燃烧消耗掉（碳，CO，天然气等等），给出了最大的输入化学能。其他的工艺方案是力图充分利用输入的能量，比如竖炉和康斯迪电炉。而EOF电炉则是充分利用高温烟气的显热。这些工艺更大程度上取决于烟气与废钢的接触来传递热量，要求废钢和烟气具有良好的接触方式，所有这些工艺都能够展示他们的优点。新型电炉的关键是研发一种工艺过程，要具有环境友好工艺特点，有灵活的操作便利性，而又不影响产能的发挥。其实根本就没有非常完美的方案来满足冶炼钢厂提出的所有要求，于是宁可优先考虑钢厂的目标，然后配合以各种电炉设计的优点，重要的是保持下面的特点：
（1） 提供灵活的工艺过程。
（2） 改进能源利用效率能够提高产能。
（3） 改进最终产品的质量。
（4） 以最低的成本满足环境规定。
考虑这些因素，给出下面的结论：
（1） 正确地选择电炉形式，满足单独设备特殊需要。考虑冶炼中原材料因素、可利用的能源和成本因素、产品大纲、电炉后燃烧水平、精炼过热阶段的热能利用。资金成本和经过培训的劳动力状态等。
（2） 平衡各种能源输入，操作便利灵活，这将有助于长期使用最小的能源成本，也就是提高电力输入水平降低氧气使用，或者反过来，提高化学能输入，降低电耗水平。
（3） 输入电炉的能量分布必须合理有效，为了提高能源利用效率，达到最小的能量要求，保持较好的熔池混合搅动是有利于达到这个目标的。（译注：这里指的是能量进入熔池中必须尽快将热能传递到每一处，只有熔池中钢水搅拌起来才能达到这个目标，比如使用底部吹气搅拌，或者是电磁搅拌，氧枪合理位置形成熔池搅拌等。）
（4） 在全部的出钢到出钢周期内均匀分布吹氧，达到烟气温度和成分最小的波动，这样，优化后燃烧减少除尘系统的容量，此外，产生的烟气量最小，钢/渣接近于平衡状态是比较有利的。
（5） 喷射固体物质进入熔池和渣中必须分配在整个熔池的表面，这是为了有效使得形成的泡沫渣效率最大化，这样也是能够使得钢渣和熔池运动到平衡状态，也有助于减少了溶剂需要量，改善了钢的质量。
（6） 各种容器尽可能密闭，为了防止野风的进入，电炉形成烟气量最小，除尘系统风量减小，设备投入低
（7） 废钢预热提供了烟气显热的利用，电炉高效地使用化学能，在这样的操作中烟气高温具有较多的能量，为了最大限度利用烟气中的化学能，必须布置后燃烧系统，在整个冶炼周期中达到高效的后燃烧效率是非常困难的，在废钢预热操作中，分阶段后燃烧将来需要进一步优化。
（8） 使用最低的成本达到所希望最大的操作灵活性导致了电炉设计的多元化，这些设计注意到使用废钢的灵活性，高的连续能源使用效率，并且达到高的生产效率。例如，使用固体原料喷入，碳化铁或者直接还原铁粉末，这要求增加平熔池存在的时间，目的是为喷入的固态粉末时候铺展开来，同时使用较深的熔池，这样可以加大喷入物质的速率进入到熔池内部，不至于在表面上喷洒后被负压的烟气带走。
（9） 不断优化改变操作程序，不仅仅是优化电炉的能源利用效率，而且寻求整个的炼钢设备全方位的优化，最重要的因素是优化整个的设备的操作成本，而不能在整个环节链上仅仅强调一个局部的操作。随着工艺的灵活性提高造成工艺过程也变得复杂，这就必须要较好的理解工艺过程，以便使过程得到良好的控制。再则，需要更多关注电弧炉的设计选型，现在具有较多的新设计，只要是冶炼使用的电炉，优化的设计总是在不断进行中。
（10） 所有废钢预热技术设计理念都是按照最新的环保标准，减少能源的消耗，增加电炉产量，减少电能消耗，减少温室气体排放。取得专利的EPC系统引导电弧炉技术优化，增加产能，降低成本，以及最小的温室气体排放进入大气中。
致谢
作者感谢土耳其Toscelik钢厂，其首次采用EPC技术的170吨电炉年产200万吨。
参考文献
1. S. Friedman, “Climate Change and theIron and Steel Industry,” U.S. Environmental Protection Agency, Electric ArcFurnace Conference Proceedings, 1998, pp. 585–597.
2. H. Tanaka, “Overview and EE&C ofSteel Industry in Japan,” International Engineering Dept., The EnergyConservation Center, Japan, November 2006.
3. Electric Arc Furnace ScrapPreheating, published by The EPRI Center for Materials Production.
4. F. Memoli and M. Bianchi Ferri, “NewTrack Record for Consteel® Due to New Environment-Friendly Features,” MPTInternational, May 2007, pp. 58–65. 5. R. Yamaguchi, H. Mizukami, T. Maki andN. Ao, “ECOARC Technology,” Electric Furnace Conference Proceedings, 2000, pp.325–336.
唐杰民翻译于<Iron & SteelTechnology>January 2013
来源：唐杰民冶金40年