電爐冶煉節(jié)能最權威.ppt

電弧爐冶煉節(jié)能,徐采棟院士 （北京科技大學） 2010年8月10日,引言 電弧爐煉鋼之單元操作電氣運行特性 電爐煉鋼之反應工程學過程的能量狀況 電爐煉鋼之過程系統(tǒng)和流程學流程的能量狀況 結語,1 引言,電是一種方便、清潔的能源，電力工業(yè)的發(fā)展促進了電能在煉鋼中的應用。用電熱轉換技術為煉鋼過程提供熱量有多種方法，獲得工業(yè)應用的主要有： 電弧 電磁感應 等離子炬 電子束 電渣 當前，在煉鋼工業(yè)生產中占絕對統(tǒng)治地位的是電弧爐煉鋼生產技術，一般情況下“電爐煉鋼”即為“電弧爐煉鋼”。,電爐煉鋼的功能在于將冷廢鋼加工成為成份和溫度合格的鋼水，其中包括了供能和冶金兩方面的操作。討論電爐煉鋼的能量問題，包括三個工程技術問題： （1）增加能量供應，包括電能和其它物理熱和化學能，換取生產率（104t/a）的增加。電爐的公稱容量由20世紀50年代的35噸，增至120150t以上，大了4050倍；主變壓器容量由2000kVA左右，增至90100MVA，也增大了近50倍；單爐的生產率由每年產鋼數(shù)千噸增至每年產鋼100萬噸以上，增大了100倍以上，與之相應的能量供應也大大增加；,（2）增加輸入功率，包括電功率和單位時間內其它物理熱和化學熱的供應量，提高電爐煉鋼的生產速率（104t/t-a），亦即縮短冶煉周期、提高生產節(jié)奏。20世紀50年代以來，電爐煉鋼的冶煉周期由4小時降至1小時以內，生產速率提高了4倍以上，年出鋼爐次由不足2000次提高至10000次以上，增長56倍； （3）提高能量的利用效率，按占用電網的容量來計算為單位主變壓器容量每年生產的合格鋼水量，即變壓器利用系數(shù)（104t/MVA-a）。每噸鋼水所具有的熱焓差異不大，電爐煉鋼的節(jié)能實際是提高單位能量實現(xiàn)物質轉換的效率。節(jié)電，實質上是提高單位電能生產的合格鋼水量。,2 電弧爐煉鋼之單元操作,2.1 電弧穩(wěn)定燃燒條件 （1）按電源性質可將電弧分為直流電弧和交流電弧兩大類，工業(yè)應用的電弧大多數(shù)是交流電弧。 理想的交流電弧的電壓和電流為正弦波形，其電壓、電流和極性隨時間周期性地改變。交流電弧的電壓和電流每一個周期會改變兩次方向，若采用50 Hz電源，其電壓及電流在1秒內通過0點的次數(shù)為100次，且改變方向。,為了保證電弧的燃燒，兩電極端面之間，應有一定數(shù)量的帶電質點之，并要求有一定強度的電場、也就是應有一定大小的電弧電壓。電弧開始燃燒的電壓稱為起弧電壓或燃弧電壓。若外電路電抗x0，電弧電流和電弧電壓同相。在外電壓U小于起弧電壓時，電弧熄滅，電流為0。在時間橫軸上，電源電壓過0點的前后就有一段時間間隔，此時電弧是熄滅的，這就是交流電弧燃燒不穩(wěn)定的根源。 為了不滅弧，要求電路有一定的感性，在煉鋼情況下，要求的理論值是功率因數(shù)cos 0.866。,（2）交流電弧爐煉鋼過程中產生諧波的主要原因： 電弧的電阻不恒定，造成電弧電流的非正弦畸變。 交流電的正負半周中石墨電極和鋼交替做陰極和陽極，電流的正負兩個半周的波形不對稱，形成偶次諧波。 三相電弧不均勻，導致三次諧波。 供電系統(tǒng)連結的各種諧波源導致各種諧波的形成。,實測的電流波形和相應的諧波構成 南鋼100t/60MVA電弧爐,2.2 三相交流電路 在工程技術中要求交流電弧爐煉鋼過程的三相不平衡均值小于5，大型三相交流電爐煉鋼過程的實測結果表明：電流、電壓和功率均符合三相平衡的工程技術要求。 三相不平衡實測結果，南鋼100t/60MVA高阻抗電弧爐,2.3 交流電爐煉鋼過程電氣運行電工原理 根據電工學原理和電爐主電路的有關數(shù)據，對給定的次級電壓、線路電阻和電抗得到電弧功率、變壓器有功功率、無功功率和視在功率及其他有關重要的運行參數(shù)隨電極電流變化的曲線圖，稱之為電爐煉鋼過程的理論電氣運行曲線，利用該曲線圖中可以得出允許工作電流范圍。 將爐子變壓器各級次級電壓下的電氣運行情況可繪成電氣圓圖，電氣圓圖定量地給出了電弧爐的操作區(qū)間。,2.4 現(xiàn)代電爐煉鋼過程的實際電氣運行特性 （1）20世紀60年代，超高功率電爐的出現(xiàn)使電弧爐煉鋼得到飛速發(fā)展，大型化、超高功率化成為現(xiàn)代電爐煉鋼的主流。現(xiàn)代電爐主變壓器容量，達到60100MVA。 為了提高爐子的工作效率、避免電極電流過大，電弧爐的操作方式發(fā)生了改變。其特征是：高功率因數(shù)、高電壓、低電流操作，如圖2-3和圖2-4所示。,圖2-4 超高功率電爐與小電爐 電氣運行特性的比較,圖2-3 10t電爐電氣運行特性,現(xiàn)代超高功率電爐煉鋼電氣操作方式的顯著變化是工作點位置的變化，普通功率小電爐，操作區(qū)間的功率因數(shù)小于0.707，如圖2-3所示，工作點較接近短路狀態(tài)，操作電抗接近短路電抗，傳統(tǒng)的電爐運行工作點的工程計算模型是適用的。 而大型超高功率電爐的操作區(qū)間的功率因數(shù)接近于0.86，如圖2-4的陰影區(qū)域，工作電流不到短路電流的二分之一，該工況下諧波的影響、非線性操作電抗的影響不可忽略。現(xiàn)代電爐運行工作點的工程分析必須建立在非線性工作電抗模型的基礎上。,（2）根據電工學原理，可知，在交流電弧電路中，由于高次諧波的存在，實際操作電抗Xop是各高次諧波產生的感抗的加和，即：,Xop,實測操作電抗和電極電流的關系如圖2-5。,圖2-5 操作電抗與電極電流的關系（90MVA）,（3）由于操作電抗的非線性，電弧爐煉鋼的實際電氣運行曲線與傳統(tǒng)的理論曲線已經有所不同。,圖2-6 理論電氣運行特性圖 圖2-7 實際電氣運行特性圖 變壓器容量100MVA電壓級別865V 變壓器容量100MVA電壓級別865V Xop=1.2*Xsc Xop=3.29*exp（15.871/I2）,2.5 工作點總表和許用工作點總表 工作點總表描述了在每個電壓級別下各電極工作電流（點）處的電流功率或有功功率。根據非線性工作電抗模型得到的工作點總表，更為貼近電爐煉鋼的實際情況。 按兩方面指標，對工作點總表予以判別，功率因數(shù)是否過高，不能穩(wěn)定運行；變壓器容量或工作電流是否過載，不宜長期使用；得到許用工作點總表。,表中變壓器過載嚴重，不宜長期使用； 變壓器略有過載； *cos 太高，不能穩(wěn)定運行； *cos 值過高，不宜使用； 可安全、穩(wěn)定運行。,表2-2 許用工作點總表的評價,2.6 供電曲線 制定交流電弧爐供電曲線的總的目標是快節(jié)奏、低成本地冶煉出合格鋼水。制定的供電曲線要能夠安全、穩(wěn)定運行，同時兼顧生產節(jié)奏，即：保證電爐變壓器承受的視在功率不過載；電弧穩(wěn)定高效燃燒；電壓有載切換次數(shù)盡可能少。 一般來說，制定供電曲線主要從兩方面來考慮： 能量需求； 能量的有效利用。,某原料狀況用的供電曲線 南鋼100t/60MVA電弧爐,2.7 高阻抗電弧爐 傳統(tǒng)的小型電爐煉鋼，常采用“掛電抗”的運行方式：在電爐變壓器之前串聯(lián)一定阻抗的電抗器，使運行的工作點移至cos 0.65的區(qū)間，在該工況下弧光短而穩(wěn)定。 為了抑制大型現(xiàn)代電爐煉鋼對電網產生的電沖擊，80年代出現(xiàn)了高阻抗電弧爐技術在主電路中串聯(lián)電抗器并采用較高的二次側工作電壓，其優(yōu)點是電爐工作電流降低1/3左右，相應的二次電路和石墨電極的幾何尺寸減小，設備投資和運行中電損失減小，爐子運行對電網沖擊減輕。高阻抗電弧爐技術在國內3060MVA范圍內受到歡迎。,其缺點是： （1）增加了一套電抗器，設備投資和運行成本都有所增加； （2）主電路二次側電壓提高，甚至超過1000伏，對操作人員人力安全和設備的安全不利。 因此，對大于70MVA的電爐供電是否采用高阻抗技術尚需慎重考慮。,2.8 直流電弧爐 最早見諸報道的電弧煉鋼爐就是采用直流電弧，二十世紀80年代，大型整流技術的工程應用促進了直流電爐煉鋼技術的發(fā)展，見圖2-9。,圖2-9 直流電弧爐的發(fā)展,交流電弧爐煉鋼過程中種種問題源于交流電每秒100次通過零點，陰極和陽極頻繁互換。顯然，直流電弧的穩(wěn)定性要優(yōu)越得多；直流電穿透熔池并引起熔池強烈攪拌，導致熔池傳熱效率提高。直流電弧的電壓、電流、功率的可操控性較好等，都是直流電弧的明顯優(yōu)點。 直流電弧爐的主要缺點是大型整流裝置投資較高；運行中產生的偏弧和諧波對策亦需較多裝備；大功率直流電弧爐石墨電極的制造和底電極裝備也是重要的技術限制。 國內一般對直流電弧爐認識較為負面，對此尚需進行更為充分的工程技術分析。,工業(yè)化煉鋼生產的基本特點一是巨量性，即高的生產率和高的生產速率；二是重現(xiàn)性，即過程和產品的可精確控制。為此，工業(yè)化煉鋼生產應在高溫、熔融狀態(tài)下進行，與之相應的是煉鋼過程所需要大量的熱能。 從能量利用的角度，可以認為煉鋼是以能量換取鋼產量，或者說是以功率換取生產速率。 理論計算指出每噸15601570的普通鋼液具有的熱焓約為380kWh。 電爐煉鋼過程的能量狀況，取決于爐料結構、能源結構和爐型三方面的影響。,3 電爐煉鋼過程的能量狀況,3.1 爐料結構的討論 對以下五種特定的爐料狀況進行物料衡算和能量衡算，以便定量的討論爐料結構的影響。 爐料全部為冷低碳廢鋼 爐料全部為冷生鐵 爐料全部為熱鐵水 爐料全部為冷直接還原鐵 傳統(tǒng)的電爐煉鋼爐料結構：爐料中冷廢鋼占85，冷生鐵占15。,由典型爐料結構下的能量狀況可以看出： （1）使用冷廢鋼、冷生鐵和冷直接還原鐵做原料，冶煉過程都需要由外熱源補充熱量；使用熱鐵水做原料，煉鋼過程能量有富余，約合每噸鋼水富余75.8 kWh，即允許補加近20的冷廢鋼。 （2）實際的煉鋼過程使用的爐料結構，可認為是上述理想狀況的不同搭配。 爐料中使用其他含鐵原料取代1的冷廢鋼引起能量收支的變化，理論數(shù)值約為： 配加1的冷生鐵 冶煉電耗減少 1.18 kWh/t-steel 配加1的熱鐵水 冶煉電耗減少 4.66 kWh/t-steel 配加1的DRI 冶煉電耗增加 1.24 kWh/t-steel,3.2 能源構成的討論 （1）電能是基本的能源 電爐煉鋼的重要功能是廢鋼鐵料的回收再利用，二次精煉的在線化使傳統(tǒng)的電爐煉鋼三期操作轉化為以熔化功能為主的操作，能量的供應在電爐煉鋼技術中所占的地位進一步凸顯。 傳統(tǒng)的電爐煉鋼爐料以冷廢鋼為主，配1015的冷生鐵，每噸鋼水所缺熱能約390 374 kWh/t-steel。,冷廢鋼、冷生鐵比例為85：15，即爐料結構，每噸成品鋼水需補充熱能373.8kWh/t。 按出鋼量100t計，則總共需向熔池補充37.4MWh的熱能。取有效供能時間為45min（0.75hr），熱效率為0.8，則供熱能源功率應為：37.4/（0.80.75）=62.3 MW 在現(xiàn)有的工程技術條件下，每支氧燃燒嘴的功率僅為23MW，可見較為合適的大功率熱源首選是電弧。用化學能為熱源的嘗試，如EOF技術，都未能獲得成功的生產應用效果。,（2）提高變壓器功率級別 不考慮其他能源，全部由交流電弧供熱，可求出變壓器容量應為：82.4 MVA。 若按傳統(tǒng)的小電爐煉鋼電氣運行的概念操作，變壓器容量應為：106.5 MVA 可見，大容量、高生產率的現(xiàn)代電爐，其電氣運行狀態(tài)必須是：高的變壓器功率級別；高的功率因數(shù)運行；相應的較高電壓級別，盡量低的工作電流。否則，變壓器容量太大、電極工作電流太大，電網能力利用率太低。這一點，已于前文2中討論。,（3）輔助能源和強化用氧 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)、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： 補充電能的不足，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； 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。 按德國巴登鋼廠數(shù)據核算結果和按天津鋼管公司的生產數(shù)據核算結果（2003年）列于表3-2和表3-3。,（4）利用余熱預熱廢鋼 用煉鋼過程產生的廢氣預熱廢鋼是真正意義的“節(jié)能”，80年代以后才有成功的工程應用，如雙爐殼、Fuchs爐以及Consteel爐等。,電能400kwh/t(63.5%),燒嘴供熱 40kwh/t(6.5%),反應放熱190kwh/t(30%),總能量 630kwh/t,廢氣帶走熱135kwh/t (21%),其它熱損失10kwh(2%),冷卻水帶走熱50kwh/t(8%),渣需熱 50kwh(8%),鋼水需熱 385 kwh/t(61%),電能 285kwh/t（49%）,燒嘴供熱 50kwh/t(9%),反應放熱 190kwh/t(32.5%),預熱爐料帶入熱 55kwh/t(9.5%),廢氣帶走熱 65kwh/t(11%),其它熱損失 10kwh/t(2%),冷卻水帶走熱70kwh/t(12%),渣需熱 50kwh/t(9%),總能量 580kwh/t (100%) 525kwh/t (90.5%),鋼水需熱385kwh/t(66%),圖3-1 Fuchs能量利用圖,（5）后燃燒(Post) 電爐煉鋼過程可利用的“廢棄”能量還有逸出的爐氣中的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的收集、后燃燒技術以及二次燃燒產生的熱量的回收尚有較大的節(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考慮。 按前文2所述工況，爐氣帶走的化學預熱約為10 kWh/t。,3.3 爐型結構 煉鋼電爐爐型基于以電弧為高溫熱源，較少考慮熔池中的反應熱，形狀較為扁平，與氧氣轉爐有較大的區(qū)別。,電爐：熔池體積V13.9m3 轉爐：熔池體積V13.9m3 熔池深度h880mm 熔池深度h1170mm 熔池直徑D5988mm 熔池直徑D4372mm 熔池徑深比：D/h6.805 熔池徑深比：D/h3.737 熔池上表面積S27.21m2 熔池上表面積S15m2 比上表面積S/V2.13m-1 比上表面積S/V1.18m-1,100t,2.994,100t,4.1 電爐煉鋼與流程下游工序的匹配 電爐煉鋼在流程中的功能：以一定的速率將原料加工成成份和溫度都合格的鋼液，主要特征有兩點： （1）電爐煉鋼過程是間歇性操作，為保證實現(xiàn)多爐連澆，能量輸入應與之匹配。冶煉周期的縮短使通電時間相應縮短、非通電時間所占比例增大。這對電源能力的利用是不合理的。在當前，每座電爐每年出鋼次數(shù)應為7000至10000次，即0.71.0104t/t-a。,4 電爐煉鋼流程的能量狀況,（2）電爐煉鋼提供的合格鋼水是保證下游各工序高效、流暢運行的物質基礎，電爐煉鋼的生產率應與熱軋生產率相匹配。在6070年代，長型材的熱連軋機組的生產率約為30萬t/a，若電爐煉鋼的年生產速率為0.5104 t/a-t，相應的電爐容量為60 t。當前長型材熱連軋機組的生產率已提高至7080104 t/t-a，相應的電爐容量應為70100 t。單流的薄板坯連鑄連軋流程生產率為100120104 t/a，煉鋼電爐的容量可取120150t。 熱連軋生產率達到200104 t/a以上，煉鋼電爐容量將超過200t，由于電爐變壓器、石墨電極等技術條件所限，已不合理，故熱軋寬帶企業(yè)不宜配用電爐煉鋼。,4.2 電爐煉鋼與流程上游工序的匹配 （1）如前所述，傳統(tǒng)的電爐煉鋼使用廢鋼為主要原料，配入1015的生鐵塊以保證一定的配碳量。在吹氧助熔的條件下，冷爐料產生的化學熱量也不多，冶煉過程需要外界大量的熱能。 電爐煉鋼工序能耗約為250300 kgce，略高于國際鋼鐵協(xié)會IISI的結果。 （2）使用不同比例的熱鐵水作為原料，電爐煉鋼工序取得了明顯的效益，其主要原因是熱鐵水是具有很高的物理熱和化學熱的載能體，且成本較低。,熱鐵水所攜帶的物理熱和化學熱來自于前道高爐煉鐵工序。根據某些企業(yè)300380m3高爐的實際數(shù)據計算，生產一噸熱鐵水，高爐煉鐵工序的能耗大約是377 kgce，折合3080 kWh/t-iron。 考慮燒結、球團和焦化等工序，折合到每噸熱鐵水的能耗大約是500550 kgce/t-iron，即40844493kWh/t-iron，而熱裝鐵水帶到電爐煉鋼過程中的物理熱和化學能共計只有600650 kWh/t-iron。,（3）目前國內電爐配加熱鐵水的比例約為2530左右。按年產100萬噸鋼計，需鐵水3035萬噸/年，所配高爐容積為300350m3。 （4）直接還原鐵的使用 使用直接還原鐵為電爐煉鋼提供純凈鐵源是近年來國際上重要的發(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，近年來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。 當前，國內最大的直接還原鐵生產廠屬天津鋼管有限公司，每噸直接還原鐵的能耗約為9001000kgce。,4.3 電爐煉鋼流程是再生流程 將電爐煉鋼置于鐵元素利用的大循環(huán)之中，得到圖4-1?？梢钥闯觯?（1）電爐煉鋼流程主要以社會廢鋼為原料，是一類再生流程、靜脈流程。由于廢鋼不足而補充的直接還原鐵和熱鐵水則取自礦物，屬于不可再生資源。 （2）與高爐/轉爐流程相比，電爐煉鋼流程在煉鋼工序之前工序很少，因之稱為“短流程”或“再生流程”、或“靜脈流程”、或“廢鋼電爐流程”。,提取流程（動脈）,再生流程（靜脈）,（3）廢鋼電爐煉鋼連鑄熱連軋形成的單通道生產流程短而緊湊，稱之為“小鋼廠”。其后年生產率逐漸增加至5080萬噸/年，甚至達到100萬噸/年以上。小鋼廠的大量出現(xiàn)是60年代以后電爐鋼產量和比重持續(xù)增長的重要原因。,（4）國際鋼鐵工業(yè)協(xié)會IISI給出的兩類流程的能量的數(shù)據，列于表4-1。,4.4 我國大電爐煉鋼生產實績 本文選用四家不同工況的電爐的煉鋼生產實績來說明我國電爐煉鋼的能量狀況。 （1）基本情況，見表4-2。,（2）主要工況，見表4-3。 表4-3 各廠原料結構和有關指標（2003年至2004年月報）,（3）基本的評價 天津、安陽的電爐兩年的年平均產鋼量達到100萬噸，韶關和興澄的單臺電爐年平均產鋼量也達到了7587萬噸/年。表明我國大型電爐煉鋼的生產率已接近國際先進水平，我國電爐煉鋼流程實現(xiàn)單通道的高效化生產已具備了基本的工程技術基礎。 電爐煉鋼的生產速率達到了7000次9500次，分別按年日歷作業(yè)時間8760小時和年額定工作時間7000小時計算，平均冶煉周期如表所列。大型電爐煉鋼的平均生產節(jié)奏已居國際先進水平。我國大型電爐煉鋼生產技術、管理水平和流程的通暢都達到了很高的水平。,表4-4 三家電爐煉鋼的平均冶煉周期,三座交流電弧爐的單位變壓器容量的年利用系數(shù)達到1100014000 t/MVA-a，已居國際領先水平（直流爐變壓器容量較大，不可比）。該指標描述的是單位供電容量一年所生產的合格鋼坯（水）量，表述了用能量換取產量的效率，由于各廠使用的原料結構不同，這項指標尚缺乏可比性。 考慮到熱鐵水帶入的熱能較多，折算結果一并列于表4-5。折算后的利用系數(shù)數(shù)值雖然有所降低，但仍能在10000 t/MVA-a左右，表明我國大電爐煉鋼的能量利用水平也已達到國際先進水平。,表4-5 折算后的各項指標,四座電爐煉鋼冶煉電能消耗為193379 kWh/t-坯，直觀上已達到國際領先水平。 由于所用原料結構不同，為此，利用本文第3部分中的數(shù)據進行修正，折算后的結果為每噸鋼坯的冶煉電耗約為370430 kWh/t，與國際先進水平相當。,（4）電耗與熱鐵水配比的關系 四座電爐共95個月的冶煉電耗與熱鐵水配比數(shù)據的簡單相關關系繪于圖4-2。線性回歸式為： SEC417.5-5.17（iron） 該式表明爐料中熱鐵水配比增加1，相應的噸坯電耗減少5.17 kWh，與前文中的理論分析，大致可相互印證。,四廠電爐原料中鐵水比例與實際冶煉電耗的關系 (n=95 R=0.8746 * ) 圖4-2 原料中鐵水比例與實際電耗的關系圖,四廠電爐原料中鐵水比例與折算冶煉電耗的關系 (n=95 R=0.135 ) 4-3 原料中鐵水比例與折算電耗的關系,考慮到爐料結構的影響，采用折算電耗，得到散點圖4-3，其相關性的信度水準很差，這表明：熱鐵水配比增加，能量利用沒有改善。,（5）電耗與利用系數(shù)之間的關系 冶煉電耗與爐容利用系數(shù)及變壓器利用系數(shù)的簡單相關關系如圖，線性相關的顯著性水準都非常高，表明冶煉速率提高、生產節(jié)奏加快，有利于電耗降低。,三廠電爐變壓器利用系數(shù)與冶煉電耗的關系 四廠爐容利用系數(shù)與折算冶煉電耗的關系 (n=71 R=0.637 * ) (n=95 R=0.6793 * )