电弧炉炼钢高效化的能耗状况分析

钢铁

Iron and Steel

Vo l.43,N o.7

July 2008

电弧炉炼钢高效化的能耗状况分析

李士琦1, 钱 刚1,2, 孙开明1,3, 张 标1, 陈 煜1

(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083; 2.大冶特殊钢股份有限公司,

湖北黄石435001; 3.天津钢管集团有限公司,天津300301)

摘 要:研究了国内现代电弧炉炼钢高效化的电能消耗和能量消耗的状况。研究中选取了3家有代表性的特钢生产企业,2个对比年度的电弧炉炼钢及其前后步5个工序的原料和介质消耗数据约12000个,计算烧结、高炉炼铁、直接还原铁、炼钢、轧钢5个工序的电耗和能耗值,还定义了这5个工序的电耗、能耗加权值为全流程的电耗、能耗值。结果表明,近年来国内电弧炉炼钢炉料结构增加热铁水后,虽然生产效率提高,并且炼钢工序吨坯电耗、能耗和全流程吨坯电耗均有明显降低,但全流程吨坯能耗却大幅度上升。关键词:电炉炼钢;高效化;电耗;能耗

中图分类号:T F 741.5 文献标识码:A 文章编号:0449 749X(2008)07 0086 05

Analysis of Energy Consumption of High Efficiency

EAF Steelmaking

LI Shi qi 1

, QIAN Gang

1,2

, SUN Kai ming

1,3

, ZH ANG Biao 1, CH EN Yu

1

(1.Schoo l o f M etallurg ical and Eco log ical Eng ineer ing,U niver sity o f Science and T echno lo gy Beijing,

Beijing 100083,China; 2.Daye Special Steel Co.,Ltd.,H uang shi 435001,Hubei,China;

3.T ianjin P ipe G ro up Co.,L td.,T ianjin 300301,China )

Abstract:Ener gy co nsumption of hig h efficiency EA F steelmaking w as ana lysed.12,000dat a at 5pro ductio n steps at three EAF steelmakers wer e collected and analyzed to g et specif ic po wer and ener gy consumption of sinter ing,i r on making ,DRI making,steelmaking in EA F and ho t r olling.A nd t he who le mini steel route was defined to be co mpo sed of these 5steps.It show ed that the hig h efficiency EA F steelmaking has made g reat pr og ress w ith ho t met al charg e in reducing specific po wer co nsumpt ion of EAF steelmaking and whole mini st eel route,but the specific energ y co nsumpt ion of w hole mini st eel ro ute has been increased o bv iously.

Key words:EA F steelmaking ;high efficiency;specific electr icity co nsumption;specific energ y consumptio n

作者简介:李士琦(1942 ),男,硕士,教授; E mail :lis hiqi@metall.u stb.edu.cn; 修订日期:2007 11 15

传统的电弧炉炼钢使用冷炉料,废钢和冷生铁配比约为85 15,冶炼过程所需能量主要来自于电弧,采用三期操作工艺,冶炼周期约为4h 。20世纪60年代以来以超高功率为代表的各项技术的成功应用,加速了电弧炉炼钢高效化的进程。电弧炉炼钢的生产率、生产速率大幅度提高[1,2],至90年代电弧炉炼钢的冶炼周期缩短至1h 以内,单位炉容的利用系数达到7000~10000t/(t a),无论是生产率还是生产速率均优化了与连铸的匹配[3,4]。

在电弧炉炼钢高效化的进程中,二次精炼的在线应用扮演了独特的角色,生产效率很低的还原期操作移至后步的二次精炼工序,使得电弧炉炼钢工序的冶金功能专一化为冷炉料的!熔化∀,而其它的冶金功能相对弱化。显然进一步强化电弧炉炼钢、提高生产率的手段主要在于提高能量供应量和供应

强度。表现在技术层面上就是装备的大型化、更高功率、提高化学能输入强度以及减少非通电操作时间或辅助操作时间等[5,6]

。

进入21世纪以来,中国钢铁生产持续快速增长,2006年钢产量达4.2亿t,占全世界产钢量的1/3以上,与之同时,节能降耗也取得了很好的成绩。中国电炉钢在总钢产量中所占的份额虽然仅为15%左右,但是其产量已超过美国电炉钢产量,比德国全部钢产量还要多。中国电弧炉炼钢生产在保持总量快速增长的同时,生产率和生产速率也得到了大幅度的提高,并且产品的质量不断提高、品种的开发不断取得新进展,这些成果和经验已有各方位的研究和报导。

本文仅从能量消耗的角度对中国近年来电弧炉炼钢高效化进行研究。

1 数据构成和数据来源

1.1 企业的选择

为了能够较客观地反映中国电弧炉炼钢的现状,对数据的来源进行了审慎的考虑和选择,其原则是:该电弧炉炼钢企业有着现代化的工艺装备,有良好的生产管理水平,有好的生产业绩,以保证数据资料的完整、可信、具有广泛的代表性。经对中国现有的电弧炉炼钢企业进行较全面的评估和筛选,本文选取3家企业的4台电弧炉炼钢生产作为系统研究的对象,分别记为A,B,C,其中A有2台电弧炉。

1.2 对比年度

对每个企业选取高效化前后2个对比年度,3家企业共计72个月份的月报数据。鉴于数据的完备性、可靠性的不同,最终选取的对照年度和高效化年度稍有差异:

企业A:对照年2000年,高效化年2005年;

企业B:对照年2002年,高效化年2004年;

企业C:对照年2002年,高效化年2005年。1.3 研究工序

本文研究3家特钢企业的5个工序,分别是:烧结、高炉炼铁、直接还原铁、电弧炉炼钢(含钢水精炼和连铸)和热连轧。没有焦化等工序,炼铁和电炉炼钢工序也还没有采取更先进的余热回收和能量回收技术。高效化年和对照年相比,增加了烧结和高炉炼铁工序。

1.4 原料、能源介质和动力介质消耗

各工序消耗的原料7种,分别是烧结矿、球团矿、废钢、冷生铁、热铁水、直接还原铁、铸坯。

各工序消耗的能源介质19种:分别是电力、煤气、焦炭、煤粉、轻油、重油等。

各工序消耗的动力介质5种:分别为空气、水、氮气、氧气和氩气。

上述各种能源介质和动力介质按有关规范折算成标准煤,电力折标煤系数仍使用0.404kg(标煤)/(kW h)。

1.5 钢比系数

本研究采取折算到每吨合格铸坯计算电耗和能耗,按每吨铸坯消耗的该工序产品量即钢比系数进行加权。

总之,本文研究经统计、整理、筛选、分析后,实际使用了3家企业各2个年度的原始生产数据约12000个,相应的合格铸坯量近500万t。2 研究的指标

本文采用以下各项指标对电弧炉炼钢高效化进行电耗和能耗的研究[7]。

2.1 高效化指标

(1)生产率指标

1)电弧炉炼钢年生产率g1。每一座电弧炉炼钢厂的合格铸坯年生产量,记作g1i(万t/a),其中i=A,B,C分别代表所研究的3家企业。

2)热连轧年生产率g2。每一座热轧厂的合格钢材的年产量,记作g2i(万t/a)。

(2)生产速率指标

1)单位炉容量的年利用系数g3。为年合格铸坯产量与相应电弧炉公称容量的比值,记为g3i(t/(t a))。

2)单位电弧炉变压器容量的年利用系数g4。为年合格铸坯产量与变压器容量的比值,记为g4i (t/(MV A a)),其表征了电弧炉供电装置实现表观功率换取合格铸坯生产率的效率。

2.2 电能消耗指标

(1)各工序的单位产品的电耗值SEC j。为各工序的年电能总消耗量与各工序合格产品年产量的比值,j=1,2,3,4,5,依次代表烧结、高炉炼铁、直接还原铁、炼钢和热连轧工序。

SEC j表征了第j个工序电能换取工序产品的效率(电能利用效率)。

(2)流程的单位合格铸坯的电耗值SEC T。

SEC T=#5j=1SEC j∃p j(kW h/t(坯))(1)式中,p j表示第j个工序产品的钢比系数。

SEC T表征了整个电弧炉炼钢流程中电能换取合格产品、折合到铸坯的电能利用效率。

2.3 能量消耗指标

(1)各工序的单位产品的能耗值SEN C j。

SENC j=#k m j,k a j,k(kg(标煤)/t(产品))(2)式中,m j,k为第j个工序各种能源介质和动力介质的单耗;a j,k为相应介质的折标煤系数。在炼铁工序中,煤气的回收利用均已计算在能耗范围内。

工序能耗SENC j表征了第j个工序能量换取工序产品的效率(能量利用效率)。

(2)流程的单位合格铸坯的能耗值SENC T。SENC T=#

5

j=1

SENC j∃p j(kg(标煤)/t(坯))

(3)

87钢 铁第43卷

工序能耗SEC T表征了整个电弧炉炼钢流程中用能源换取合格产品、折合到铸坯的能量利用效率。

3 3家电弧炉炼钢流程各自能量状况

3.1 高效化单元技术

在2个不同的年度之间,所研究的3家电弧炉炼钢流程采用各种技术措施,增大冶炼过程能量输入的强度,取得了不同的高效化成绩。所采用的技术可归纳为以下4项单元技术的合理集成:

(1)调整炉料结构,配用带有大量物理热和化学热的热铁水。除了能量供应之外,调整炉料结构还有减少装料次数,加快熔池形成,造泡沫渣,以及稀释有害杂质,改善钢质量等优点;

(2)强化供氧。调整炉料结构的结果,C、Si等元素量增加,故需大大增加氧气的供应量;加之冶炼过程强化、吹炼时间缩短,故氧气流量成倍增加,为此需采用强化供氧技术,如安装炉壁集束氧等,与之相配合的有供氧、制氧系统、喷碳系统等;

(3)按高效化生产需要,疏通热物流。增加前后步工序或扩大能力,如增加提供热铁水的生产工序和运送系统,又如扩大后步的二次精炼和连续铸钢的能力,增加天车和地面运输能力等;

(4)炼钢电弧炉主体硬件没有做重大改造,炉子容量和主变压器容量都基本没有变化(仅C流程用100MV A变压器替换了90M V A变压器)。配套系统如除尘系统、出渣系统等都做了相应的改造,操作工艺等软技术则有重大的改进,使以上几项技术实现合理集成。

3.2 高效化效果

3家电弧炉炼钢流程高效化及其电能消耗、能量消耗列于表1。可以看出,尽管数值有所差异,但其总的趋势相同:

(1)近年来国内电弧炉炼钢的生产率和生产速率均有大幅度的提高;

(2)电弧炉冶炼电耗大幅度降低,流程总电耗也明显降低;

(3)电弧炉炼钢工序的能耗大幅度降低,而流程总消耗显著增加。

3.3 差异

3家电弧炉炼钢流程高效化及其电耗和能耗大的趋势相同,但也存在明显的差异,其主要原因有:

(1)由于实际研究过程中的种种原因,选用的对比年度不够统一,时间跨度也不一样。例如流程A是2005年度和2000年度相比较,而流程B是2004年度和2002年度相比较;

(2)各流程的原料结构不同。如流程C使用了一定量的直接还原铁,而流程A和流程B则不用这种原料,也没有这一生产工序;

(3)各流程的主要工艺装备、型号、容量有差别。如流程A中还有1台变压器功率级别仅为417 kV A/t的60t交流电弧炉;

(4)各流程的操作水平、管理水平有差异。

4 综合分析讨论

4.1 处理方法

将3个典型的电弧炉炼钢流程的有关数据进行综合处理,得到一般性的结论,其处理方法是:

(1)生产率指标g1、g2分别为3个流程炼钢、轧钢生产率的简单加和,其中流程A为2台60t电炉;

(2)生产速率指标g3是3个流程(4台电弧炉)按电炉公称容量的加权平均值;生产速率指标g4是3个流程(4台电弧炉)按电弧炉变压器额定容量的加权平均值;

(3)各项消耗指标均为3个流程的相应产品产量的加权平均值。

4.2 综合处理结果

按上述原则,将3家企业炼钢流程的各项指标的加权平均结果列于表2。

4.3 分析讨论

由表1和表2可以看出:

(1)中国电炉炼钢流程的生产高效化取得了显著成绩,年生产率提高了56%,2004%2005年公称容量大于100t的电炉单炉年产钢量已达到100万t左右;

(2)中国电弧炉炼钢流程的生产速率获得了很大的提高,单位炉容的年利用系数增加了56%,近8000t/(t a),达到了国际先进水平;

(3)中国电弧炉炼钢单位主变压器额定容量的合格铸坯年产量增加了51%,为10848 t/(MV A a),达到了国际先进水平。其平均变压器功率级别为732kV A/t,仅为普通超高功率水平,这表明中国现代电弧炉炼钢的电能利用效率非常高;

(4)炼钢工序的电耗由523kW h/t降至366 kW h/t,降幅为30%;全流程折算到每吨合格铸坯的加权电耗由606kW h/t降至520kW h/t,降幅为14%;

88第7期李士琦等:电弧炉炼钢高效化的能耗状况分析

表1 3家企业的生产状况

Table1 Production indexes of three EAF steelmakers

项目

企业A

20002005增幅/%

企业B

20002004增幅/%

企业C

20022005增幅/%

基本情况炉型交流+直流直流交流

炉容量/t60+60100150

变压器容量/(M V A)25(A C)+56(DC)909010011

功率级别/(k V A t-1) 67590060066711生产率和生产速率g1/(万t a-1)25.587.324379.291.61683.7115.037 g2/(万t a-1)12.037.521377.0.81676.690.418

g3/(t(t a)-1)21217278243791160165583766737 g4/(t(M V A a)-1)3142107832438798101781693041150124原料结构废钢/%775080465743

冷生铁/%2352052110

DRI/%00002221

热铁水/%045049026指标冶炼周期/min10771-345544-206754-19冶炼电耗/(k W h t-1)547213-61323166-49437348-20

氧气消耗/(m3t-1)33671044963295241-21钢比系数烧结00.72700.79500.419

高炉炼铁00.52800.54900.293

DRI00000.2620.243

炼钢111111

轧钢0.9340.9540.9770.9800.9140.910工序电耗和烧结/(k W h t-1)%36%50%55流程总电耗高炉炼铁/(k W h t-1)%127%132%69

DRI/(k W h t-1)%%%%114110-4

炼钢/(k W h t-1)722334-54421266-37560470-16

轧钢/(k W h t-1)5346-13434812111103-7

流程/(k W h t-1)772471-39463425-8691633-8工序能耗和烧结/(k g(标煤)t-1)%110%76%86流程总能耗高炉炼铁/(k g(标煤)t-1)%592%527%4

DRI/(kg(标煤)t-1)%%%%7608086

炼钢/(k g(标煤)t-1)346201-42222167-24291245-16

轧钢/(k g(标煤)t-1)10996-126910044148123-17

流程/(k g(标煤)t-1)4486845329061511362677824 注:!%∀表示无此工序。

表2 3家企业的综合结果

Table2 Summ arized production indexes of three EAF steelmakers

钢 铁第43卷

(5)炼钢工序的能耗由269kg(标煤)/t降至208kg(标煤)/t,降幅为23%;全流程折算到每吨合格铸坯的加权能耗由461kg(标煤)/t增至700kg (标煤)/t,增幅达52%;

(6)电弧炉炼钢工序的电耗仍为全流程电耗的主体,占其中的70%,炼钢工序的能耗在全流程能耗中只占一小部分,仅为全流程能耗的30%。

5 结论

(1)近年来中国电弧炉炼钢高效化取得显著成绩,接近8000t/(t a)和11000t/(MV A a),达到国际先进水平。

(2)电弧炉炼钢高效化的结果是,炼钢工序电耗降幅30%,降至366kW h/t,全流程电耗降至520kW h/t,降幅14%。节电效果明显,且其中炼钢工序电耗仍是全流程电耗的主体。

(3)电弧炉炼钢高效化的结果是,炼钢工序能耗降至208kg(标煤)/t,降幅达23%;而全流程总能耗增至700kg(标煤)/t,增幅达52%。

感谢有关企业允许使用其生产数据。

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