施維枝，楊寧川，黃其明，談存真

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶401122）

憑借投資、效率、環(huán)保等方面的顯著優(yōu)勢，以廢鋼為主要原料的短流程電弧爐煉鋼，已成為世界鋼鐵生產(chǎn)的兩大主要流程之一[1-2]。隨著世界能源供應(yīng)日趨緊張，環(huán)境問題日益突顯，綠色發(fā)展、節(jié)能減排已成為新常態(tài)。電弧爐煉鋼中，電能是其主要用能方式，如何降低電弧爐電耗是其節(jié)能的主要切入點和落腳點。當(dāng)電弧爐采用超高功率化、二次燃燒及底吹技術(shù)等強化用氧后，電弧爐煙氣顯著增加，且溫度高達(dá)1 200～1 500 ℃，煙氣帶走的熱量占總熱量支出的15%～20%以上，折合電能相當(dāng)于80～120 kW·h/t[3]，為降低能耗、回收能量，在廢鋼入爐前，利用電弧爐排出的高溫?zé)煔膺M行廢鋼預(yù)熱，具有投資少、見效快等優(yōu)點，成為電弧爐煉鋼領(lǐng)域的研究重點。

1 廢鋼預(yù)熱技術(shù)

廢鋼預(yù)熱技術(shù)，是一種提高電弧爐綜合能耗的節(jié)能措施，即利用高溫?zé)煔庵苯訉U鋼進行預(yù)熱，再將預(yù)熱后的廢鋼在電弧爐中進行熔化冶煉[4]。

世界上第一套廢鋼預(yù)熱裝置，是日本開發(fā)的料罐式廢鋼預(yù)熱技術(shù)，即利用電弧爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱ρb在料罐中的廢鋼進行預(yù)熱，1980 年在50 t 電弧爐上安裝進行工業(yè)應(yīng)用，次年應(yīng)用于100 t電弧爐上。之后，在不到10 年時間里，廢鋼預(yù)熱裝置在日本大規(guī)模推廣。中國天津鋼管的150 t 電弧爐、撫順特鋼50t 電弧爐等均配備料罐式廢鋼預(yù)熱裝置。料罐式廢鋼預(yù)熱的主要優(yōu)點[5]：①回收煙氣顯熱20%～30%；②平均節(jié)電20～25 kW·h/t；③節(jié)約電極消耗0.3～0.5 kg/t；④提高生產(chǎn)率約5%，縮短冶煉周期約3 min/爐。主要缺點：①產(chǎn)生白煙和廢氣，污染環(huán)境；②高溫?zé)煔馐沽瞎蘧植窟^燒，降低其使用壽命；③廢鋼預(yù)熱溫度低、廢鋼黏結(jié)等。由于存在上述種種難以克服的問題，料罐式廢鋼預(yù)熱技術(shù)已退出歷史舞臺，并促使歐美和日本積極開發(fā)新的廢鋼預(yù)熱技術(shù)。

2 國外典型廢鋼預(yù)熱電弧爐

20世紀(jì)80年代末90年代初，歐美和日本等國先后開發(fā)出基于廢鋼預(yù)熱技術(shù)的雙爐殼電弧爐、豎式電弧爐、Consteel 電弧爐等廢鋼預(yù)熱電弧爐。同時，諸如EcoARC電弧爐、Quantum電弧爐等多種新型廢鋼預(yù)熱電弧爐相繼問世。

2.1 雙爐殼電弧爐

雙爐殼電弧爐絕大部分為直流電弧爐，由日本率先研發(fā)并于1992年在日本Kansai Billet Center投產(chǎn)，至今已投產(chǎn)20多座[6]。中國首次引進的70t直流雙爐殼電弧爐于1995年投產(chǎn)。

表1 典型廢鋼預(yù)熱電弧爐國內(nèi)外首臺套應(yīng)用情況

雙爐殼電弧爐具有一套供電系統(tǒng)、兩個爐體，即“一電雙爐”。一套電極升降裝置交替對兩個爐體進行供熱熔化廢鋼，即利用冶煉操作爐殼（熔化爐）產(chǎn)生的高溫?zé)煔忸A(yù)熱另一爐殼（預(yù)熱爐）中的廢鋼，廢鋼預(yù)熱后旋入電極進行冶煉，如此交替進行（見圖1）[8]。

雙爐殼電弧爐的主要優(yōu)點[9]：①廢鋼預(yù)熱溫度可達(dá)250～300 ℃，節(jié)電40～50 kW·h/t；②冶煉周期縮短至60 min；③提高生產(chǎn)率15%～20%；④變壓器利用率由65%提高到85%以上。但是，雙爐殼電弧爐由于預(yù)熱效率低、設(shè)備維護量大以及二噁英等污染物排放等缺點，已經(jīng)退出市場[10]。

2.2 豎式電弧爐

圖1 雙爐殼電弧爐技術(shù)概念及工程應(yīng)用

豎式電弧爐在爐蓋一側(cè)安裝廢鋼預(yù)熱豎井，電弧爐高溫?zé)煔庾韵露贤ㄟ^豎井，與豎井內(nèi)廢鋼進行對流換熱，充分預(yù)熱廢鋼（見圖2[12]）。豎式電弧爐于20世紀(jì)80 年代末開發(fā)并逐漸推廣，并經(jīng)歷普通豎爐（SF）、手指式豎爐（FSF）和雙爐殼豎爐（DSF）三個發(fā)展階段[11]，分別能夠?qū)崿F(xiàn)50%廢鋼預(yù)熱、100%廢鋼預(yù)熱和最短的非通電時間（一電兩爐）。首座普通豎爐、手指式豎爐、雙爐殼豎爐，分別于1992 年在英國Co-Steel Sheerness投產(chǎn)、1995年在墨西哥Hylsa投產(chǎn)、1993年在法國Unimetal Gandrange 投產(chǎn)。中國首次引進的90 t 普通豎爐于1995 年投產(chǎn)，珠江鋼鐵廠、安陽鋼鐵集團分別于1998年、1999年引進150 t、100 t手指式豎爐。

圖2 豎式電弧爐技術(shù)概念及工程應(yīng)用

豎式電弧爐的主要優(yōu)點：①廢鋼最高預(yù)熱溫度800 ℃，節(jié)電50～70 kW·h/t；②縮短冶煉周期，節(jié)省8～10 min/爐；③廢鋼作為煙氣初始過濾器，吸附少量鐵塵顆?；氐诫姞t，金屬收得率提高約1.5%。但是，由于縱向布置，要求廠房高度高；廢鋼在豎井內(nèi)預(yù)熱溫度較高，易粘結(jié)手指；重型廢鋼易砸壞手指，導(dǎo)致漏水，維護量較大等顯著問題，老式的豎式電弧爐現(xiàn)已逐步退出市場。

2.3 Consteel電弧爐

Consteel電弧爐由美國Intersteel技術(shù)公司（1995年并入意大利TECHINT 公司，現(xiàn)為TENOVA）從20 世紀(jì)70 年代著手開發(fā)，并于1987 年在美國Nucor 公司進行工業(yè)試驗，試驗成功后，于1989年在美國Charlotte steel投產(chǎn)第一座54t Consteel 電弧爐。Consteel 電弧爐是世界上已證明可靈活使用金屬原料、最早實現(xiàn)連續(xù)加料和留鋼操作的廢鋼預(yù)熱電爐。中國西寧特鋼與貴陽特鋼從 TECHINT 引進 60t Consteel 電弧爐，并于 2000 年投產(chǎn)。

Consteel電弧爐主要由爐料連續(xù)輸送系統(tǒng)、廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)、電爐熔煉系統(tǒng)、燃燒室及余熱回收系統(tǒng)等四部分組成（見圖3）。在連續(xù)加料的同時，利用爐子產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱U鋼進行連續(xù)預(yù)熱，預(yù)熱溫度可達(dá)200～300 ℃，過程實現(xiàn)廢鋼連續(xù)加料、連續(xù)預(yù)熱及連續(xù)熔化，電弧加熱熔池、熔池熔化廢鋼[3]。

圖3 Consteel電弧爐技術(shù)概念

Consteel 電弧爐的主要優(yōu)點：①保持留鋼操作，實現(xiàn)連續(xù)加料、連續(xù)預(yù)熱、連續(xù)熔化，廢鋼預(yù)熱溫度400～600 ℃，節(jié)電約30～60 kWh·t；②留鋼埋弧冶煉，降低閃變及噪音；③減少煙塵排放量，提高金屬收得率約1%～1.5%；④減少非通電時間，縮短冶煉周期，提高生產(chǎn)率。主要缺點：①僅表面廢鋼得到預(yù)熱，廢鋼預(yù)熱不充分；②系統(tǒng)占地面積大，車間布置不夠緊湊；③預(yù)熱通道漏風(fēng)量大；④預(yù)熱廢鋼后煙氣中含二噁英等有毒氣體。圖3為具有不同類型連續(xù)加料系統(tǒng)的Consteel電弧爐，相較圖3（a）傳統(tǒng)Consteel，圖3（b）Consteel Evolution可穩(wěn)定控制煙氣溫度，能在最大限度預(yù)熱廢鋼的同時有效抑制二噁英產(chǎn)生。Consteel電弧爐在廢鋼預(yù)熱和節(jié)電效果上雖不及豎式電弧爐，但由于設(shè)備高穩(wěn)定性及可靠性受到使用者的青睞，在國內(nèi)外得到較好的推廣應(yīng)用，成為目前主流的廢鋼預(yù)熱電弧爐。

2.4 EcoARC電弧爐

EcoARC 電弧爐是日本SPCO 開發(fā)的高效環(huán)保廢鋼預(yù)熱電弧爐，首座EcoARC電弧爐（70 t）于2001年在日本Kishiwada Steel 投產(chǎn)，截止目前，已在日本、韓國、泰國投產(chǎn)6 座。2019 年，中國本鋼集團首次從SPCO 引進2座EcoARC電弧爐，并計劃于2020年投產(chǎn)。

EcoARC 電弧爐，包括熔融爐和預(yù)熱室，預(yù)熱室強固連接到熔融爐。廢鋼裝入連接在爐殼上的“豎型”預(yù)熱室中，利用高溫?zé)煔忸A(yù)熱廢鋼。預(yù)熱室與爐體緊密連接，防止空氣滲入爐內(nèi)，實現(xiàn)密閉化操作（見圖4）。

圖4 EcoARC電弧爐技術(shù)概念及工程應(yīng)用

EcoARC 電弧爐的主要優(yōu)點：①實現(xiàn)100%廢鋼預(yù)熱，預(yù)熱溫度可達(dá)850 ℃，節(jié)電約150 kW·h/t；②有效抑制二噁英，排放低于0.1ng-TEQ/m3（標(biāo)準(zhǔn)）；③準(zhǔn)密閉爐，減少煙塵排放量，提高金屬收得率約1%～1.5%。主要缺點是由于爐體體積較大、豎井無法分離、耐材在線更換等原因造成設(shè)備維護困難，投資成本較高。

2.5 Quantum電弧爐

Quantum 電弧爐是由德國西門子奧鋼聯(lián)研發(fā)的高效節(jié)能廢鋼預(yù)熱電弧爐（2015年SIEMENS與日本MHI合資成立PRIMETALS，進行Quantum 電弧爐技術(shù)推廣），繼 2014 年在墨西哥 Tyasa 投產(chǎn) 1 座 100 t 電弧爐、2018年在孟加拉國投產(chǎn)1座80t電弧爐[13]，PRIMETALS積極開拓中國市場，2017年至今，先后與桂林平鋼、河南亞新集團旗下鼎盛鋼鐵、長峰鋼鐵、福建金盛蘭集團旗下3 家子公司（武漢順樂、郎溪鴻泰、河源德潤）、桂鑫鋼鐵、梧州永達(dá)共8家民營鋼鐵企業(yè)簽訂10座（9座100t 級及以上）Quantum 電弧爐合同。2019 年初，金盛蘭集團落戶廣東省云浮市，年產(chǎn)800 萬噸的短流程優(yōu)特鋼項目也將計劃引進Quantum電弧爐。

Quantum 電弧爐通過安裝在爐頂?shù)膹U鋼提升機提升傾動料槽進行廢鋼裝料操作，廢鋼料槽由已在廢鋼料場提前裝好的矩形廢鋼料籃自動裝滿，廢鋼裝料操作全自動進行（見圖5[14]）。廢鋼連續(xù)預(yù)熱系統(tǒng)在熱循環(huán)期間利用爐內(nèi)高溫?zé)煔?，實現(xiàn)100%廢鋼均勻預(yù)熱。其獨特性在于：具有高效率的爐料連續(xù)預(yù)熱系統(tǒng)、新型連續(xù)加料系統(tǒng)、出鋼時下爐殼單獨傾動系統(tǒng)、加料和出鋼均不斷電系統(tǒng)、FAST無渣出鋼系統(tǒng)[15]。

圖5 Quantum電弧爐技術(shù)概念及工程應(yīng)用

Quantum 電弧爐的主要優(yōu)點：①生產(chǎn)率高，冶煉周期33 min；②能耗低，實現(xiàn)100%廢鋼預(yù)熱，噸鋼電耗約280～300 kW·h/t；③環(huán)境友好，減排溫室氣體30%，降低粉塵排放；④自動化程度較高，從廢鋼裝料到出鋼，幾乎實現(xiàn)全自動運行。Quantum 電弧爐在降低電耗有一定優(yōu)勢，但需要大量天然氣對廢氣進行補燃，鑒于目前僅2座投產(chǎn)業(yè)績，其手指系統(tǒng)的穩(wěn)定性還需進一步確認(rèn)。

3 中冶賽迪自主開發(fā)廢鋼預(yù)熱電弧爐

我國煉鋼工藝長期由以高爐—轉(zhuǎn)爐為主體的“長流程”主導(dǎo)，電弧爐短流程煉鋼研發(fā)相對薄弱，并從20世紀(jì)90 年代開始，陸續(xù)引進國外廢鋼預(yù)熱技術(shù)，自主研發(fā)的廢鋼預(yù)熱技術(shù)鮮有報道。中冶賽迪從2008年開始，在電弧爐生產(chǎn)工藝流程及核心裝備自主創(chuàng)新方向進行深入研究，自主開發(fā)兩套不同類型的廢鋼預(yù)熱電弧爐，分別為CISDI-GreenEAF 和CISDI-AutoARC，并于2018年4月同時熱試投產(chǎn)。

3.1 CISDI-GreenEAF

CISDI-GreenEAF 結(jié)構(gòu)上區(qū)別于全球現(xiàn)有的各類廢鋼預(yù)熱電弧爐，基于獨特的電弧爐側(cè)頂斜槽加料技術(shù)（Top-Side-Chute），利用斜槽內(nèi)物料運動速度的水平分量把廢鋼加到接近電爐中心（Focus to Arc），改善現(xiàn)有廢鋼預(yù)熱電爐冷區(qū)問題，提高電弧爐熱效率以及生產(chǎn)效率，結(jié)合廢鋼預(yù)熱煙氣溫度調(diào)節(jié)技術(shù)，實現(xiàn)低成本環(huán)保生產(chǎn)（見圖6）。

圖6 CISDI-GreenEAF技術(shù)概念及工程應(yīng)用

CISDI-GreenEAF的主要關(guān)鍵技術(shù)：

（1）全自動密閉加料技術(shù)：采用斜軌料車自動上料技術(shù)，多批次小批量裝料（4～5次加料），配合大容量留鋼操作和廢鋼預(yù)熱技術(shù)，降低冶煉過程對電網(wǎng)的沖擊，縮短冶煉周期。加料為全密閉方式，在加料口配合除塵口開度控制，保證加料時粉塵和煙氣最小溢出；加料時無需打開爐蓋，解決開蓋加料大量熱散失的問題；降低生產(chǎn)過程粉塵排放，提高金屬收得率1%～2%。

（2）穿透式廢鋼預(yù)熱技術(shù)：采用電弧爐側(cè)頂斜槽加料技術(shù)，在廢鋼預(yù)熱室與電弧爐本體的接口側(cè)設(shè)置擋料齒耙，實現(xiàn)隔擋廢鋼或控制落料。電弧爐加料過程中，擋料齒耙處于閉合狀態(tài)，將廢鋼隔擋在預(yù)熱室，高溫?zé)煔饨?jīng)擋料齒耙穿透預(yù)熱室中的廢鋼，實現(xiàn)100%廢鋼預(yù)熱。電弧爐側(cè)頂斜槽加料，通過控制落料點改善密閉加料過程中物料堆積在一側(cè)造成的冶煉冷區(qū)問題，使電弧加熱更加均勻，提高電弧加熱效率。

（3）高效節(jié)能數(shù)字式智能電極調(diào)節(jié)技術(shù)：中冶賽迪自主開發(fā)的DMI-AC 電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基于智能化動態(tài)過程控制和能源輸入最優(yōu)化目標(biāo)控制策略，具有最佳工作點的自動調(diào)整的功能，提高電能利用率；DMI-AC電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)電氣響應(yīng)時間＜60 ms[16]，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，極大提高電弧燃燒穩(wěn)定性。配合CISDI自有的短網(wǎng)平衡設(shè)計以及大功率供電技術(shù)，穿井期電流波動率＜33%、熔清期電流波動率＜14%。

3.2 CISDI-AutoARC

CISDI-AutoARC 采用階梯分料和廢鋼預(yù)熱技術(shù)，縮短冶煉周期。其中，廢鋼階梯分料技術(shù)是中冶賽迪獨有專利技術(shù)，在中國和歐盟都獲得專利授權(quán)，能夠大幅度提高廢鋼分料速度、廢鋼輸送速度，有效提升廢鋼加入速度，提高生產(chǎn)效率。

CISDI-AutoARC的主要關(guān)鍵技術(shù)（見圖7、圖8）：

圖7 CISDI-AutoARC技術(shù)概念

圖8 CISDI-AutoARC工程應(yīng)用

（1）階梯分料及快速連續(xù)加料技術(shù)：獨特階梯構(gòu)造設(shè)計，保障高堆料的廢鋼自動分料攤薄，分料效果好；實現(xiàn)振動連續(xù)可控加料，廢鋼激振式自動落料于冷區(qū)，電極無需提升，連續(xù)送電加熱，加快生產(chǎn)節(jié)奏。預(yù)熱段傾斜3°～4°，廢鋼輸送速度是傳統(tǒng)水平加料設(shè)備1.3～1.4倍，輸送能力達(dá)8 t/min。

（2）涵道階梯式廢鋼預(yù)熱技術(shù)：預(yù)熱段階梯式設(shè)計，廢鋼在激振輸送的同時自動翻滾，增大廢鋼換熱面積，提高熱交換效率，改善傳統(tǒng)水平加料系統(tǒng)僅廢鋼表層預(yù)熱，廢鋼預(yù)熱更充分，預(yù)熱效果更好。配合高效二次燃燒系統(tǒng)，強化高溫?zé)煔饬髟趶U鋼料層的滲透性，進一步提高廢鋼預(yù)熱效率及高溫?zé)煔庥酂崂寐省?/p>

（3）二噁英抑制技術(shù)：采用抑制二噁英生成的高溫?zé)煔饧崩浼夹g(shù)，穿透型廢鋼預(yù)熱+高溫?zé)煔夥至鲗崿F(xiàn)煙氣溫度控制800～900 ℃，利用成本較低的高溫?zé)煔饧崩浼夹g(shù)（800～900 ℃迅速降低至200 ℃），從源頭消除二噁英。現(xiàn)場測量結(jié)果表明，二噁英能控制到0.1ng-TEQ/m3（標(biāo)準(zhǔn)），滿足國家和歐盟排放標(biāo)準(zhǔn)。

CISDI-GreenEAF、CISDI-AutoARC 與前述國外典型廢鋼預(yù)熱電弧爐技術(shù)特征及指標(biāo)對比見表2。

從表2可以看出：

（1）目前工業(yè)應(yīng)用的廢鋼預(yù)熱電弧爐，主要以國外技術(shù)為主。按加料方式，可分為以Consteel、CISDIAutoARC 等為代表的水平連續(xù)加料式，以EcoARC、Quantum、CISDI-GreenEAF等為代表的豎爐式，且在節(jié)能及減排上較傳統(tǒng)電弧爐有較大的優(yōu)勢。

（2）水平連續(xù)加料式廢鋼預(yù)熱電弧爐雖然在廢鋼預(yù)熱、節(jié)電效果、金屬收得率改善上不及豎爐式廢鋼預(yù)熱電弧爐，但由于設(shè)備高穩(wěn)定性及可靠性，綜合能耗和運行成本更經(jīng)濟，受到使用者的青睞，在國內(nèi)外得到較好的推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論與展望

中國“十三五”《鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級規(guī)劃（2016—2020年）》指出：加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，按照綠色可循環(huán)理念，注重以廢鋼為原料的短流程電爐煉鋼的發(fā)展。目前，我國電爐鋼產(chǎn)能占比較低，2018 年預(yù)計為11%～12%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家美國（62%以上）及世界平均水平，預(yù)計到2035年，中國以廢鋼為原料的電爐鋼產(chǎn)能占比將達(dá)到55%[17]，中國短流程電弧爐煉鋼將大有可為。

中國鋼鐵行業(yè)的工程公司和研究機構(gòu)應(yīng)致力于短流程煉鋼工藝和設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)方面的研發(fā)，形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、獨創(chuàng)性的關(guān)鍵技術(shù)，逐步比肩甚至領(lǐng)先國際先進水平，積極在短流程煉鋼迅猛發(fā)展的時代占據(jù)一席之地，助力中國鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

表2 各種爐型技術(shù)特征及指標(biāo)對比

綠色發(fā)展、節(jié)能減排成為新常態(tài)，電弧爐煙氣余熱利用成為行業(yè)關(guān)注熱點，也是電弧爐煉鋼技術(shù)中的重要節(jié)能減排措施。國內(nèi)外電弧爐廢鋼預(yù)熱技術(shù)已取得顯著成效，不僅大幅節(jié)約能源，而且有效提高生產(chǎn)效率。新建電弧爐應(yīng)充分考慮采用廢鋼預(yù)熱技術(shù)，以利用余熱資源，降低消耗，減少成本，提高生產(chǎn)效率。