李思銳１ ，江秀龍２ ，馬德武１，蒲靈１
（ １．四川省工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究院，成都６１００４１ ；
２．綿陽(yáng)市環(huán)境保護(hù)信息與宣傳教育中心，綿陽(yáng)６２１０００ ）
摘 要：主要闡述了我國(guó)電弧爐煉鋼的發(fā)展概況及市場(chǎng)形勢(shì)，介紹了電弧爐煉鋼的主要原料狀況，探討了目前電弧爐煉鋼的主要技術(shù)發(fā)展以及存在的問(wèn)題，預(yù)測(cè)了電弧爐煉鋼發(fā)展的前景。
關(guān)鍵詞：電弧爐；原料；煉鋼技術(shù)；發(fā)展前景
１引言
當(dāng)今鋼鐵的生產(chǎn)工藝大體可以分為兩大流程：從礦石到鋼鐵的“長(zhǎng)流程”和從廢鋼到鋼鐵的“短流程”[1]。“長(zhǎng)流程”是以鐵礦石、焦炭等為原料，采用燒結(jié)爐、高爐和轉(zhuǎn)爐等設(shè)備生產(chǎn)鋼鐵的過(guò)程；“短流程”則是利用廢鋼為主要原料，采用電爐（電弧爐、中頻爐等）設(shè)備，進(jìn)行廢鋼重熔精煉的工藝過(guò)程，其中電弧爐的應(yīng)用最廣泛，因此“短流程”通常指電弧爐煉鋼。目前我國(guó)煉鋼企業(yè)中，轉(zhuǎn)爐煉鋼仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，而電弧爐煉鋼僅僅占煉鋼總量的６％左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平[2]。隨著我國(guó)廢鋼產(chǎn)量的增加以及電力成本的降低，我國(guó)電弧爐煉鋼產(chǎn)量有很大的成長(zhǎng)空間。本文對(duì)目前我國(guó)電弧爐煉鋼的發(fā)展概況進(jìn)行了闡述，介紹了電弧爐煉鋼的原料、成本以及相關(guān)技術(shù)，分析了電弧爐面臨的問(wèn)題及挑戰(zhàn)并對(duì)未來(lái)的發(fā)展作出了展望。
２我國(guó)電弧爐煉鋼的發(fā)展概況及市場(chǎng)形勢(shì)
世界上第一臺(tái)電弧爐是由法國(guó)人Heroult于1899年發(fā)明，然而我國(guó)真正開(kāi)始大力發(fā)展電弧爐則是在上世紀(jì)80年代末90年代初，特別是1993 年“當(dāng)代電爐流程和電爐工程研討會(huì)”在上海召開(kāi)后，我國(guó)電弧爐煉鋼的技術(shù)和產(chǎn)量都不斷提高[3-4] 。圖１是1996-2015年我國(guó)電爐鋼產(chǎn)量及電爐鋼比例圖表。從圖中可以看出，從1996年到2014年，電弧爐產(chǎn)量逐漸提高，然而粗鋼總產(chǎn)量的增長(zhǎng)速度卻要明顯快于電爐鋼的產(chǎn)量，尤其是2000年之后，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量迅猛發(fā)展，使得我國(guó)電爐鋼的比例反而下降，從1996年接近20%降低到6%-8% 。在2015年，我國(guó)粗鋼及電爐鋼產(chǎn)量都有所降低，尤其是粗鋼產(chǎn)量在近年來(lái)首次出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)。這一年電爐煉鋼的比例也降低到了6.1%。
圖2為2004-2014 年世界電爐鋼產(chǎn)量及電爐鋼比例圖表。由圖可見(jiàn)，近十年來(lái)世界粗鋼及電爐鋼的產(chǎn)量都略微有所增大，電爐鋼的比例一直維持在30%左右，這一比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國(guó)。在世界電爐鋼產(chǎn)量較高的國(guó)家中，美國(guó)、印度的電爐鋼產(chǎn)量超過(guò)5000萬(wàn)噸，電爐鋼比例都超過(guò)了60% ，埃及雖然電爐鋼產(chǎn)量只有600多萬(wàn)噸，但是電爐鋼比例高達(dá)92%。從電爐鋼比例上看，我國(guó)電爐鋼還有進(jìn)一步發(fā)展空間。
３ 電弧爐煉鋼的原料
電弧爐煉鋼的主要原料包括金屬料、氧化劑以及造渣材料。金屬料是原料的主要成分，金屬料包括廢鋼、直接還原鐵、鐵水、生鐵等。在歐美等國(guó)，由于廢鋼資源充足，價(jià)格便宜，廢鋼成為了電弧爐煉鋼的主要原料。而我國(guó)由于廢鋼資源短缺，價(jià)格相對(duì)較高，多數(shù)鋼廠及研究人員將目光轉(zhuǎn)向了鐵水，研究提高鐵水比例對(duì)電爐鋼質(zhì)量及成本的影響。從理論上來(lái)說(shuō)熱裝鐵水比例越高，成本越低，但是在實(shí)際生產(chǎn)中各個(gè)廠根據(jù)自身具體情況所采用的鐵水比例有很大不同，目前普遍認(rèn)為最合適的熱裝鐵水比例是35%~40%，但也有一些廠采用相應(yīng)技術(shù)措施后將鐵水比例提高到50%~70%。比如安鋼100t交流豎式電弧爐的鐵水比例為33%時(shí)電弧爐冶煉周期最短[5] ；衡陽(yáng)華菱鋼管某煉鋼分廠通過(guò)優(yōu)化供電曲線、用氧 工藝和造渣工藝，其鐵水比例達(dá)到了60%[6]。Duan等[7]在山西太鋼利用50t電弧爐通過(guò)兩步工藝法將鐵水的比例提高到了65%~70% 。與傳統(tǒng)的電弧爐工藝相比，新的工藝冶煉周期縮短了5-10分鐘，電能降低了35-50kW·h/t，每噸鋼水可節(jié)約10.5kg/t石灰。金鳳奎等[8] 研究發(fā)現(xiàn)將鐵水比由40%提高到65%后，噸鋼鋼鐵料成本可降低91元，如果鐵水比上升1% ，噸鋼冶煉電耗可降低3kW·h 。向宏學(xué)等[9]以山東鋼鐵萊蕪分公司電爐熱裝鐵水冶煉齒輪鋼實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)隨著電爐鐵水比的增大，噸鋼電耗降低、氧耗增大，冶煉周期降低，但當(dāng)鐵水比大于39.6%時(shí)，冶煉周期隨鐵水比增大而小幅增大?？紤]到冶煉周期、冶煉成本等綜合影響，選擇鐵水比為60%左右最優(yōu)。
直接還原鐵又稱“海綿鐵”，最早作為電弧爐煉鋼原料使用是上世紀(jì)50年代，為了生產(chǎn)高純凈度的鋼而作為廢鋼的替代物而出現(xiàn)的。到了70年代，以直接還原鐵為原料的工藝有所發(fā)展，但是由于其比重較小，容易形成“冰山現(xiàn)象”，并且原料中含有較高的C、脈石等特點(diǎn)，限制了它的使用。直到90年代以后，隨著超高功率電弧爐技術(shù)的發(fā)展加上廢鋼資源短缺，導(dǎo)致直接還原鐵的需求上升，使得相關(guān)技術(shù)得到長(zhǎng)足進(jìn)步。例如在生產(chǎn)中適度控制[C]含量和[O]含量以減少C-O反應(yīng)沸騰形成泡沫渣的影響；采用動(dòng)態(tài)工藝將直接還原鐵中的脈石去除，有效解決由脈石導(dǎo)致的鋼渣的產(chǎn)生；利用超高功率電弧爐在煉鋼過(guò)程中輸入外加的化學(xué)能，加強(qiáng)了熔池?cái)嚢?，可以有效消?ldquo;冰山現(xiàn)象”；適當(dāng)提高直接還原鐵的金屬化率可以有效降低碳粉和電能的消耗，但金屬化率過(guò)高也會(huì)降低熔池活性，一般理想的金屬化率約為94%。目前，采用直接還原鐵為原料的電弧爐煉鋼可以將原料的比例提高到100%，并且其出鋼時(shí)間縮短到1小時(shí)以內(nèi)。值得注意的是，由于我國(guó)直接還原鐵生產(chǎn)仍處于起步階段，產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量均不能滿足生產(chǎn)需要，因此我國(guó)電弧爐煉鋼原料中直接還原鐵的使用還有較大發(fā)展空間[10] 。
廢鋼是電弧爐煉鋼的傳統(tǒng)主原料，采用廢鋼為主要原料符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求[11]。然而，我國(guó)廢鋼資源匱乏，成本偏高，廢鋼量不能滿足鋼鐵發(fā)展的需求，因此我國(guó)電弧爐煉鋼中廢鋼的使用比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于世界平均水平。廢鋼資源的匱乏也限制了我國(guó)電弧爐煉鋼的發(fā)展。不過(guò)，由于我國(guó)近幾十年來(lái)鋼鐵產(chǎn)量飛速增大，隨著鋼鐵使用壽命的到來(lái)，我國(guó)廢鋼的產(chǎn)量必將逐步增加，電弧爐中廢鋼比例也勢(shì)必會(huì)逐步提升。生鐵也是電弧爐煉鋼的基本原料。作為廢鋼的傳統(tǒng)替代品，配入生鐵的目的是提高入爐金屬料中的碳和其它易氧化元素的含量，減少鐵的損失，并具有沸騰、造渣等功能，保證冶煉過(guò)程的順利進(jìn)行[12]。
４ 電弧爐煉鋼技術(shù)發(fā)展
電弧爐煉鋼技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展有了長(zhǎng)足進(jìn)步，包括超高功率供電技術(shù)、強(qiáng)化用氧技術(shù)、泡沫渣技術(shù)、廢鋼預(yù)熱技術(shù)等。高效率、高質(zhì)量、低能耗、低排放是電弧爐煉鋼技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
４．１ 超高功率電弧爐技術(shù)
超高功率電弧爐具備較高的單位功率水平以及高的電弧爐變壓器最大功率利用率和時(shí)間利用率等特征。通過(guò)超高功率電弧爐可以大大提升煉鋼工藝的生產(chǎn)效率、降低冶煉成本并且縮短冶煉時(shí)間，在電弧爐煉鋼工藝中得到廣泛應(yīng)用。在使用超高功率電弧爐煉鋼時(shí)要尤其注意合理的供電制度，這不僅能保證操作的順利進(jìn)行，還有助于降低電耗、電極耗損、縮短冶煉周期[13-14] 。
４．２ 強(qiáng)化用氧技術(shù)
在電弧爐冶煉過(guò)程中大量使用氧氣可以加快脫碳速度，還可以充分利用氧化反應(yīng)放出的熱量達(dá)到節(jié)能降耗的效果。強(qiáng)化用氧技術(shù)主要有氧燃燒嘴、吹氧助熔和熔池脫碳、氧槍以及二次燃燒等技術(shù)。其中，氧燃燒嘴、氧槍和二次燃燒是主要的用氧方式，結(jié)合使用還可以改善熔池?cái)嚢栊Ч⒋龠M(jìn)冶金反應(yīng)、降低電耗以及提高生產(chǎn)率[15]。
４．３ 泡沫渣技術(shù)
泡沫渣技術(shù)，是在吹氧的同時(shí)向熔池內(nèi)噴碳粉或碳化硅粉，加劇碳氧反應(yīng)，在渣層內(nèi)形成大量的CO氣體泡沫，使渣層厚度達(dá)到電弧長(zhǎng)度的2.5~3倍，電弧完全被屏蔽，從而減少電弧輻射，提高電弧爐的熱效率，延長(zhǎng)電弧爐的壽命。因此，泡沫渣技術(shù)適用于大容量超高功率電弧爐，在電弧較長(zhǎng)的直流電弧爐上使用效果更為突出[16] 。
５電弧爐煉鋼的前景
隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)爐、電爐冶煉工藝越來(lái)越成熟，生產(chǎn)效率越來(lái)越高。然而正如前文所述，目前我國(guó)煉鋼企業(yè)中，以鐵礦石為原料的長(zhǎng)流程企業(yè)仍然占主導(dǎo)地位，而以廢鋼為原材料的電爐煉鋼只占煉鋼總量的6%左右，而且這一比例在近年來(lái)還呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)。而世界電爐鋼占比達(dá)卻到了約30% ，遠(yuǎn)高于我國(guó)。一方面，我國(guó)廢鋼資源相對(duì)不足并且2011年之后我國(guó)對(duì)廢鋼又開(kāi)始全額征收增值稅，這使得廢鋼的成本偏高，另一方面，工業(yè)用電的電費(fèi)較生活用電高，這兩方面原因使得電爐煉鋼的成本較高，企業(yè)不愿意投入。目前電弧爐煉鋼成本比轉(zhuǎn)爐煉鋼成本高出10%~30%[17]。目前來(lái)看，短期之內(nèi)，以鐵礦石為原材料的高爐－轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程生產(chǎn)仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。從環(huán)境負(fù)荷方面來(lái)看，黃志甲等 [18]對(duì)比了某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)高爐 － 轉(zhuǎn)爐流程和電爐流程對(duì)環(huán)境的影響，當(dāng)把電爐鋼水量占總鋼水量的比例由8%提高到20%后，企業(yè)減少了鐵礦石消耗8.89%、水耗2.28% 、一次能耗4.23% 、CO2排放3.58% SOX排放0.42%以及NOX 排放0.69%。由此可見(jiàn)，與高爐－轉(zhuǎn)爐煉鋼相比，電爐煉鋼降低了能源消耗，減少了污染物的排放，更有利于環(huán)境的健康發(fā)展。此外，隨著社會(huì)的發(fā)展，廢鋼報(bào)廢周期的來(lái)臨，我國(guó)的廢鋼資源勢(shì)必會(huì)增加，這也會(huì)降低廢鋼的成本，在這種情況下，長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，電弧爐煉鋼會(huì)得到較快發(fā)展，在煉鋼總量的占比也會(huì)逐步增加。
６結(jié)語(yǔ)
電弧爐煉鋼以廢鋼、直接還原鐵、生鐵等為主要原料，采用電弧爐設(shè)備，進(jìn)行廢鋼重熔精煉的工藝。我國(guó)于上世紀(jì)80年代末90
年代初開(kāi)始大力發(fā)展電弧爐煉鋼。不同于歐美以廢鋼為主要原料，我國(guó)以鐵水為主要原料。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前電弧爐煉鋼的技術(shù)已有了長(zhǎng)足進(jìn)步。然而，由于我國(guó)廢鋼供應(yīng)不足再加上用電成本高等原因，我國(guó)電弧爐煉鋼比例遠(yuǎn)低于世界平均水平，不過(guò)隨著我國(guó)廢鋼報(bào)廢周期的到來(lái)，再加上我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，電弧爐煉鋼必將得到較快發(fā)展，在煉鋼總量的占比也會(huì)逐步增加。