倪冰
近年來(lái)，世界粗鋼年產(chǎn)量在16億噸~18億噸，其中電爐鋼有4億多噸，占比約25%。除中國(guó)以外，全球鋼鐵工業(yè)的電爐鋼占比已達(dá)40%以上。美國(guó)電爐鋼比例達(dá)到67%，是發(fā)達(dá)國(guó)家中電爐鋼占比最高的。2020年，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量達(dá)10.65億噸，其中電爐粗鋼約0.96億噸，占比約為9%，尚有很大的提高空間。截至2020年底，中國(guó)有30噸以上電爐420座左右，產(chǎn)能18225萬(wàn)噸。
與長(zhǎng)流程相比，電爐短流程CO2排放量?jī)H有25%，固廢排放量?jī)H為1/30，能耗約50%，具有明顯優(yōu)勢(shì)。短流程還有即開(kāi)即停、生產(chǎn)高效靈活、可消納城市廢棄物等優(yōu)點(diǎn)。隨著中國(guó)廢鋼資源逐步釋放，未來(lái)10年~15年電爐具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?guó)家鼓勵(lì)利用廢鋼煉鋼和短流程煉鋼，鼓勵(lì)企業(yè)在不增加新的產(chǎn)能基礎(chǔ)上進(jìn)行電爐流程產(chǎn)能置換，鼓勵(lì)將環(huán)保壓力大、產(chǎn)能過(guò)剩嚴(yán)重地區(qū)的產(chǎn)能置換到廢鋼相對(duì)充足、鋼材供應(yīng)不足的地區(qū)。
隨著世界鋼鐵總產(chǎn)量的增加，電爐煉鋼總產(chǎn)量也逐年增加。除中國(guó)以外，現(xiàn)在全球鋼鐵工業(yè)的電爐鋼占比已達(dá)40%以上，中國(guó)電爐鋼尚有很大的增長(zhǎng)空間。未來(lái)電爐應(yīng)選擇能夠滿足高效節(jié)能、連續(xù)加料、廢鋼預(yù)熱、綠色環(huán)保、余熱回收等要求的爐型，對(duì)應(yīng)爐型選擇工藝技術(shù)，完成相應(yīng)的冶金功能，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，電爐發(fā)展還應(yīng)關(guān)注高效低耗的節(jié)能低成本生產(chǎn)技術(shù)、綠色化關(guān)鍵工藝技術(shù)、智能化制造技術(shù)、高附加值特種鋼冶金技術(shù)等方向。
電爐煉鋼工藝技術(shù)
圍繞生產(chǎn)高效化、功能簡(jiǎn)單化、環(huán)境友好化、控制智能化、原料多元化等目標(biāo)，電爐煉鋼技術(shù)不斷得到發(fā)展。電爐冶煉高效化追求的目標(biāo)是冶煉周期、通電時(shí)間盡可能縮短，冶煉電耗盡量降低。我們應(yīng)圍繞以下6個(gè)方面開(kāi)展工作：采用提高噸鋼輸入電功率的方法，表現(xiàn)在技術(shù)層面上就是裝備的大型化和更高功率；提高鋼中元素氧化的化學(xué)熱及氧燃燒嘴提供的化學(xué)熱；提高由廢鋼預(yù)熱后廢鋼的顯熱；提高電效率和功率因數(shù)，如供電制度合理化、采用智能電弧爐、優(yōu)化短網(wǎng)結(jié)構(gòu)等；縮短熱停工時(shí)間，如裝廢鋼時(shí)間、接電極時(shí)間、出鋼時(shí)間、補(bǔ)爐時(shí)間等；整條產(chǎn)線單一品種組織生產(chǎn)比多品種效率更高。
選擇先進(jìn)爐型以達(dá)到全廢鋼預(yù)熱、連續(xù)加料、不開(kāi)蓋、平熔池、低噪聲、少煙塵、痕量二噁英、除塵灰回收等目的。在技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，電爐經(jīng)歷了傳統(tǒng)開(kāi)蓋式電爐、Fuchs電爐(豎式預(yù)熱廢鋼)、Consteel電爐(水平連續(xù)加料)、Quantum電爐(量子電爐)、Ecoarc電爐（環(huán)保生態(tài)電弧爐）、Sharc電爐（豎井電弧爐）、CISDI-Green電爐（賽迪綠色智能電爐）、CERI-s1-Arc電爐（中冶京誠(chéng)新型廢鋼預(yù)熱電爐）等不同類(lèi)型的發(fā)展。
傳統(tǒng)常規(guī)開(kāi)蓋式電爐的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備故障少、穩(wěn)定可靠，缺點(diǎn)是幾乎都無(wú)法較好地實(shí)現(xiàn)上述目的，生產(chǎn)效率較低。上世紀(jì)90年代，F(xiàn)uchs電爐和Consteel電爐幾乎同時(shí)被引進(jìn)中國(guó)。因?yàn)镕uchs電爐設(shè)備故障率高，在廢鋼成本不能被抵消的大背景下基本上被淘汰了。在Consteel電爐設(shè)備被國(guó)產(chǎn)化后，在“中改電”的背景下，因?yàn)槠湫矢摺⒊杀镜汀⒎€(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)獲得了快速發(fā)展。2017年以前，全國(guó)95%的電爐為開(kāi)蓋頂加料式；自2017年以來(lái)，企業(yè)的新上電爐設(shè)備85%以上為連續(xù)水平加料系統(tǒng)。但Consteel電爐也有明顯的缺點(diǎn)，主要是水平煙道尾氣預(yù)熱廢鋼的設(shè)計(jì)溫度為400攝氏度~600攝氏度，廢鋼溫度一般只能達(dá)到200攝氏度~300攝氏度；預(yù)熱廢鋼通道內(nèi)的廢氣溫度正處于產(chǎn)生呋喃和二噁英等的高峰區(qū)間，有害氣體對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題難以解決；預(yù)熱通道進(jìn)“野風(fēng)”量大，給除塵和余熱回收帶來(lái)困難。
Quantum電爐、Ecoarc電爐和Sharc電爐則希望通過(guò)豎式煙道預(yù)熱廢鋼的方式解決上述難題。Quantum電爐通過(guò)廢鋼料槽升降小車(chē)替代了料籃加料，采用虹吸式無(wú)渣出鋼系統(tǒng)，仍使用手指式系統(tǒng)保持和預(yù)熱廢鋼，預(yù)熱溫度高，有害氣體少。目前，世界上投產(chǎn)和在建的共11座Quantum電爐，其中墨西哥1座、土耳其1座、孟加拉1座、中國(guó)8座。2020年底，中國(guó)2座Quantum電爐投產(chǎn)，綜合效果仍有待觀察。Ecoarc電爐的主要部分是由熔化廢鋼的熔化室和與熔化室直接連接在一起的預(yù)熱豎爐構(gòu)成，爐體密封和廢鋼預(yù)熱相結(jié)合，平熔池操作，高度自動(dòng)化，廢鋼預(yù)熱溫度可達(dá)800攝氏度，可避免污染物的產(chǎn)生，二噁英排放量＜0.1ng-TEQ/m3（納克毒性當(dāng)量值每標(biāo)準(zhǔn)立方米，下同）。目前投產(chǎn)和在建的共9座Ecoarc電爐，其中日本5座、韓國(guó)1座、泰國(guó)1座、中國(guó)2座（在建）。Sharc電爐均為直流電爐，噪聲小、粉塵少，設(shè)計(jì)雙豎井利用尾氣預(yù)熱廢鋼，二噁英＜0.1ng-TEQ/m3。應(yīng)用方面，除土耳其1座正在運(yùn)行的100噸Sharc電爐外，河鋼石鋼引進(jìn)2座130噸Sharc電爐。總之，這3種電爐應(yīng)用數(shù)量較少，前景仍有待進(jìn)一步觀察中。
目前國(guó)內(nèi)電爐產(chǎn)能中，國(guó)產(chǎn)電爐設(shè)備占85%，進(jìn)口電爐占15%。雖然在單體設(shè)備上國(guó)內(nèi)廠家已經(jīng)具備一定實(shí)力，100噸以下的電爐設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但中國(guó)科技工作者也一直致力于研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套電爐設(shè)備。嘗試集合水平加料和豎式電爐的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)設(shè)備商推出了CISDI-Green電爐。該電爐利用階梯型連續(xù)密閉加入廢鋼的思路，形成了階梯加料的獨(dú)有專(zhuān)利技術(shù)，在中國(guó)和歐盟都獲得了專(zhuān)利授權(quán)，并形成了國(guó)內(nèi)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)指標(biāo)也較為先進(jìn)，在國(guó)內(nèi)及東南亞地區(qū)有數(shù)臺(tái)電爐投入使用。另一家設(shè)備商則推出了CERI-s1-Arc電爐。廢鋼經(jīng)由小車(chē)加入豎井，豎井下面的推鋼機(jī)構(gòu)將廢鋼推進(jìn)水平通道，水平通道振動(dòng)廢鋼進(jìn)入平熔池，從而實(shí)現(xiàn)廢鋼連續(xù)加料；通過(guò)煙氣急冷、活性炭吸附和余熱鍋爐降低二噁英含量并實(shí)現(xiàn)余熱利用。該電爐集成了眾多先進(jìn)技術(shù)，目前還處于推廣階段。總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)電爐廠家在設(shè)計(jì)、制造先進(jìn)爐型上還有不少方面需要進(jìn)一步的努力工作。未來(lái)電爐爐型的發(fā)展方向?qū)⑹悄軐?shí)現(xiàn)連續(xù)加料、廢鋼預(yù)熱、綠色環(huán)保、低二噁英排放、余熱回收及智能煉鋼的電爐。
在先進(jìn)的爐型中采用各種高效化生產(chǎn)技術(shù)，目前在全廢鋼條件下，國(guó)內(nèi)部分Consteel電爐和轉(zhuǎn)爐一樣，也能做到30分鐘的冶煉周期。其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)能夠達(dá)到金屬收得率90%~92%，全廢鋼電耗在300千瓦時(shí)/噸以下，電極消耗在1.0千克/噸以下，單位公稱(chēng)容量年產(chǎn)量能做到10000噸鋼/噸以上。
目前，電爐鋼成本要比長(zhǎng)流程高500元/噸鋼~600元/噸鋼，差異主要在于原材料（鐵礦石、焦炭、廢鋼）、電耗、電極消耗、耐材消耗等，短流程降成本的途徑在于以上要素。鑒于國(guó)內(nèi)鋼企成本長(zhǎng)期居高不下，擴(kuò)大廢鋼進(jìn)口、減少對(duì)鐵礦石的依賴是現(xiàn)實(shí)的選擇方案。
此外，電爐鋼低生產(chǎn)成本的過(guò)程管理與控制還包括：減少原料成本，加強(qiáng)對(duì)廢鋼和含鐵原料的分類(lèi)加工和管理，廣泛使用各種含鐵料如熱壓鐵塊、提釩鐵等。降低能源消耗，展開(kāi)電爐供電技術(shù)優(yōu)化的研究，降低電耗和電極消耗，回收物理熱，如熱裝海綿鐵及兌鐵水；加強(qiáng)化學(xué)熱的回收，如廢鋼預(yù)熱技術(shù)以及連續(xù)加料裝置的實(shí)現(xiàn)。錯(cuò)峰用電用好谷電優(yōu)惠，操作過(guò)程的連續(xù)化和自動(dòng)化，縮短熱停工時(shí)間等。
未來(lái)要關(guān)注的技術(shù)方向
以“高效、低耗、綠色化和智能化”為目標(biāo)，鋼企需要選擇合適的電爐爐型及生產(chǎn)技術(shù)。轉(zhuǎn)爐工序的原料主要是液態(tài)的鐵水，電爐工序的原料主要是固態(tài)的廢鋼，最終的產(chǎn)品形態(tài)都是鋼液。物理化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)變不同，決定了控制方法不同，因此電爐的控制比轉(zhuǎn)爐要困難得多，電爐煉鋼要充分考慮這一差異性。未來(lái)發(fā)展方向主要有短流程的高效低耗節(jié)能低成本生產(chǎn)技術(shù)、綠色化關(guān)鍵工藝技術(shù)、新型生態(tài)電爐短流程智能化制造、高附加值特種鋼冶金技術(shù)等幾個(gè)方面。
電爐高效化生產(chǎn)方面，鋼企需要關(guān)注廢鋼分選處理、連續(xù)加料預(yù)熱、電極自動(dòng)調(diào)節(jié)、多功能氧燃燒嘴和復(fù)合噴碳穩(wěn)定造泡沫渣、平熔池和長(zhǎng)壽爐齡、底吹技術(shù)等；綠色化方面，包括煙氣余熱回收、爐殼保溫節(jié)能、低熱值廢水余熱利用、二噁英治理、含鋅除塵灰提取高品質(zhì)附加物、爐渣改質(zhì)利用技術(shù)等；智能化方面，包括廢鋼和爐料配料、電極智能調(diào)節(jié)、多功能機(jī)器人、熔池溫度連續(xù)測(cè)量、泡沫渣檢測(cè)和液面監(jiān)測(cè)控制、爐氣在線分析、終點(diǎn)控制、一鍵式電爐煉鋼或電爐整體智能控制技術(shù)等。
整體上看，我國(guó)高端特鋼比不足5%，歐洲國(guó)家及美國(guó)、日本均超過(guò)20%，瑞典最高達(dá)60%，我國(guó)尚有很大差距。一般來(lái)說(shuō)，高端特鋼多由電爐生產(chǎn)，特鋼行業(yè)專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、品種多、批量小，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，鋼企更應(yīng)注重以高質(zhì)量來(lái)彌補(bǔ)規(guī)模的不足。當(dāng)前，鋼鐵行業(yè)由追求總量向追求高質(zhì)量轉(zhuǎn)變，材料升級(jí)迫在眉睫，高端特鋼需求有望迎來(lái)高速增長(zhǎng)，需要密切關(guān)注相應(yīng)的高端特鋼生產(chǎn)技術(shù)。
（作者系鋼鐵研究總院工藝所教授級(jí)高工）
