王少強，操龍虎

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

近年來，以電弧爐煉鋼為核心的短流程煉鋼工藝，在工程投資、噸鋼資源消耗、能源消耗、占地面積和二氧化碳等污染物排放量比長流程煉鋼工藝少等優(yōu)點受到國家的高度重視，發(fā)展電爐煉鋼符合鋼鐵行業(yè)科學(xué)發(fā)展和低碳經(jīng)濟發(fā)展的要求[1]。然而，由于工業(yè)用電及廢鋼的價格較高，電爐冶煉成本較轉(zhuǎn)爐成本高。因此采用更加節(jié)能的電爐冶煉工藝具有重要意義。

目前電爐節(jié)能降耗的手段主要有噴碳、留鋼操作、泡沫渣冶煉、氧燃燒嘴助熔、廢鋼預(yù)熱等技術(shù)手段，而廢鋼預(yù)熱技術(shù)是近30年來電爐節(jié)能降耗關(guān)注的重點方向[2]。廢鋼預(yù)熱主要是通過將廢鋼裝入預(yù)熱通道內(nèi)，電爐冶煉過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^廢鋼從而將廢鋼預(yù)熱。預(yù)熱廢鋼可有效降低噸鋼電能消耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的[3]。

1 廢鋼預(yù)熱的節(jié)能效益分析

大量的研究者分析了廢鋼在熔池中的熔化行為，從結(jié)果可以認(rèn)為，廢鋼熔化過程的示意圖如圖1所示。從圖1中可以看出，當(dāng)廢鋼加入到鋼液中，首先在廢鋼表面會形成凝固層。此時廢鋼熔化過程的熱傳遞主要分為3個過程：

1)液態(tài)金屬液向凝固層表面進行對流傳熱q1

q1=αF(tL-tc)

(1)

式中:α為鋼液向凝固層表面的傳熱系數(shù)，W/(m2· ℃);tL和tc分別為鋼液溫度和凝固層表面溫度， ℃;F為廢鋼表面積，m2。

2)凝固層及廢鋼間的熱傳導(dǎo)q2

(2)

3)在廢鋼熔點溫度時，廢鋼從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟娜刍瘽摕醧3

q3=Hρv

(3)

式中：H為熔化潛熱，低碳鋼取75 W·h/kg；ρ為廢鋼的密度，7 900 kg/m3；v為固液相界面的遷移速度，m/h。

圖2所示為直徑為25.4 mm的25 ℃冷廢鋼在1 650 ℃鋼液中的相對直徑的變化行為，從圖2中可以看出，廢鋼在熔化過程分為2個階段[4]：①當(dāng)廢鋼加入到熔池中，由于廢鋼表面溫度很低，廢鋼界面處鋼液溫度下降并逐漸形成凝固層，隨著對流傳熱，凝固層也逐漸熔化并消失，并定義凝固層形成及熔化完全的時間為τc；②當(dāng)凝固層完全熔化之后，加入的廢鋼開始熔化，并定義廢鋼開始熔化至完全熔化的時間為τL，該熔化過程需要的熱量為廢鋼從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟娜刍瘽摕醧3，當(dāng)廢鋼尺寸和鋼液溫度固定時，τL可認(rèn)為是恒定值。從以上研究可知，廢鋼在鋼液中熔化時間τ=τc+τL。因此在不改變廢鋼原料尺寸和鋼液溫度時，縮短廢鋼熔化時間的主要手段是降低τc值。

圖1 廢鋼熔化過程示意圖

從圖2中可以看出，凝固層存在時間占了廢鋼熔化時間的60%左右，因此消除或減少凝固層存在的時間能顯著提高廢鋼熔化速率，降低電爐冶煉周期。從圖1的熔化曲線可以看出，當(dāng)q2>q1時，廢鋼界面處的鋼液會發(fā)生凝固。因此，為了消除凝固現(xiàn)象，可提高鋼液向廢鋼表面的傳熱量q1或降低傳導(dǎo)熱量q2。根據(jù)式(1)可知，提高q1主要的方法是提高對流給熱系數(shù)α和鋼液溫度tL。提高對流給熱系數(shù)的主要操作方法是增加鋼液攪拌和留鋼操作，這部分內(nèi)容本文不做考慮，而冶煉過程中鋼液溫度tL變化不大，對q1影響不明顯。目前最常用的提高廢鋼熔化速度，降低冶煉周期的方法是采用廢鋼預(yù)熱的手段。Li等[4]研究發(fā)現(xiàn)，提高廢鋼溫度可降低傳導(dǎo)熱量q2，并使τc顯著降低。當(dāng)溫度達到890 ℃時，廢鋼與鋼液界面無凝固層出現(xiàn)，并直接發(fā)生熔化過程。因此，廢鋼預(yù)熱能促進廢鋼熔化，縮短冶煉周期。

圖2 廢鋼熔化過程的相對直徑變化

表1所示為廢鋼預(yù)熱溫度及熱焓分析，從表1中可以看出，隨著溫度的升高，廢鋼所含的能量越高，當(dāng)廢鋼溫度為200 ℃時，理論上可使電爐降低電耗26.8 kW·h/t。當(dāng)廢鋼入爐溫度達到600 ℃時，理論上電爐冶煉電耗能降低95.1 kW·h/t，且隨著溫度的繼續(xù)升高，電爐冶煉能耗會將進一步降低，按每度電0.6元來計算，可降低噸鋼冶煉成本達50元以上。

表1 廢鋼預(yù)熱溫度及其熱焓分析

2 廢鋼預(yù)熱技術(shù)

廢鋼預(yù)熱技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，并在90年代得到全面推廣，它能有效節(jié)約電能，促進廢鋼的熔化，縮短冶煉周期。目前廢鋼預(yù)熱的技術(shù)方式主要有兩種：豎井式預(yù)熱和水平式預(yù)熱。

1)豎井式預(yù)熱

20世紀(jì)90年代，德國Fuchs公司研制出新一代Fuchs電爐(見圖3)。其原理是在爐頂?shù)谒目?直流電弧爐第二孔)的位置配一豎窯通道，與熔化室連通。并在豎窯的下部與熔化室之間增加一水冷活動托架，將豎爐與熔化室隔開，廢鋼分批加入到豎窯中。廢鋼經(jīng)預(yù)熱后，打開托架加入爐中進行冶煉。該設(shè)備的廢鋼預(yù)熱溫度接近500 ℃。在一定留鋼量的條件下，可實現(xiàn)冶煉周期達到35～40min，提高生產(chǎn)率20%。但為了停留廢鋼，該豎井的高度相比其他預(yù)熱裝置要高，同時由于手指水冷限制了最大預(yù)熱溫度值[5]。后序開發(fā)的豎井式Quantum電爐[6-7]和Sharc電爐[8]，改進了指形托架的結(jié)構(gòu)，使廢鋼在豎爐內(nèi)發(fā)生黏結(jié)和堵塞的概率降低，并對豎爐內(nèi)結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)計，優(yōu)化了傳熱效果，使廢鋼預(yù)熱溫度達到500～600 ℃。

圖3 豎式電爐結(jié)構(gòu)

劍鼻蝠生活在中美洲和南美洲，屬于雜食性動物。蝙蝠科動物的吻鼻部均長有鼻葉，這是一種構(gòu)造復(fù)雜的皮膚衍生物，和蝙蝠自身具備的發(fā)射超聲波的功能息息相關(guān)。

圖4 ECOARC生態(tài)電爐豎井結(jié)構(gòu)

此外，還有COSS電爐，如圖5所示。其廢鋼預(yù)熱裝置不直接與電爐相連，并取消了水冷托架。電爐煙氣從側(cè)壁向豎井內(nèi)進行對流而預(yù)熱廢鋼，并采用推鋼的方式向爐內(nèi)進行加料。該電爐結(jié)構(gòu)減少了維護成本，廢鋼預(yù)熱溫度接近500 ℃。

2)水平式預(yù)熱

Consteel電爐系統(tǒng)是爐料連續(xù)喂入、預(yù)熱和熔煉的電爐煉鋼工藝，如圖6所示。在連續(xù)加料的同時，利用爐子產(chǎn)生的高溫廢氣對行進的爐料進行連續(xù)預(yù)熱。但由于高溫?zé)煔鈴膹U鋼上部流過，并主要以輻射換熱的方式進行廢鋼預(yù)熱，而廢鋼與煙氣之間的直接對流換熱受到限制，使得熱傳遞系數(shù)很低，導(dǎo)致廢鋼入爐前的溫度僅250～300 ℃。目前Consteel電爐的冶煉電耗為350～380 kW·h/t，高于一般豎式電爐。但由于冶煉的穩(wěn)定性高，目前在國內(nèi)運行的較多。為了解決預(yù)熱溫度低的問題，特諾恩開發(fā)了第二代Consteel電爐，其在預(yù)熱通道內(nèi)安裝了空氣/天然氣燒嘴燒嘴來加熱廢鋼，可使廢鋼溫度接近500 ℃，節(jié)約電耗約60 kW·h/t[11-12]。

圖5 COSS電爐豎井結(jié)構(gòu)

圖6 Conteel電爐結(jié)構(gòu)

圖7為階梯進料型電弧爐，針對廢鋼預(yù)熱溫度低的缺點，同時結(jié)合了傳統(tǒng)的水平連續(xù)加料電爐的優(yōu)點，實現(xiàn)了廢鋼進料過程中的翻滾，改善了預(yù)熱效果，縮短冶煉周期，降低電耗。

圖7 階梯進料型電弧爐

3)其他形式預(yù)熱

其他還有料籃式電爐和雙殼電爐等，料籃式廢鋼預(yù)熱電爐其特點是電爐產(chǎn)生的高溫廢氣經(jīng)沉降室后進入裝有廢鋼的預(yù)熱室進行預(yù)熱，平均預(yù)熱溫度在300～400 ℃，節(jié)約電能40 kW·h/t左右，達涅利開發(fā)的DANARC電爐在預(yù)熱之前無沉降室，平均預(yù)熱溫度可達400～500 ℃[13]。雙殼電爐的特點是當(dāng)熔化爐(1)進行熔化時，所產(chǎn)生的高溫廢氣由第四孔經(jīng)燃燒室后進行預(yù)熱爐內(nèi)(2)預(yù)熱廢鋼。當(dāng)爐1出鋼后，轉(zhuǎn)動電極裝置對爐(2)進行冶煉熔化廢鋼。一般預(yù)熱溫度約200 ℃，節(jié)約能耗20 kW·h/t[14]。表2所示為不同廢鋼預(yù)熱型電爐節(jié)能分析，從結(jié)果中可以看出，豎井式電爐廢鋼預(yù)熱效果較好，水平式及其他類型的預(yù)熱電爐的廢鋼預(yù)熱溫度較低，因此豎井式電爐的冶煉電耗相對降低。

表2 不同廢鋼預(yù)熱型電爐的節(jié)能分析

3 廢鋼預(yù)熱帶來的問題及解決方案

圖8 二英生成速率與溫度間的關(guān)系

圖9 EPC預(yù)熱系統(tǒng)

4 結(jié)論和展望

隨著國際對節(jié)能減排的越發(fā)重視，節(jié)能環(huán)保型電爐獲得了不斷發(fā)展。目前各種類型的廢鋼預(yù)熱型電爐均有自身的優(yōu)缺點，不因只關(guān)注于廢鋼預(yù)熱效果。我國在消化國內(nèi)外先進的廢鋼預(yù)熱型電爐的技術(shù)之外，根據(jù)自身的原料、冶煉工藝及污染物控制的特點，選擇和開發(fā)適合自身發(fā)展的節(jié)能環(huán)保型電爐，努力實現(xiàn)使電爐技術(shù)朝著更節(jié)能、更環(huán)保的方向邁進。