中國鋼鐵工業(yè)負能煉鋼技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

中國鋼鐵工業(yè)負能煉鋼技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

中國是世界上最大的制造鋼鐵公司，也是一個資源和能源相對匱乏的國家。環(huán)境保護的普及是確保中國鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵?！柏撃軣掍摗笔菬掍摴?jié)能的主要技術(shù),中國轉(zhuǎn)爐鋼比例超過90%,推廣“負能煉鋼”對實現(xiàn)節(jié)能減排目標,保證鋼鐵工業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。本文以2008年“全國重點大型耗能鋼鐵生產(chǎn)設(shè)備節(jié)能降耗對標競賽”中轉(zhuǎn)爐鋼廠數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析總結(jié)近幾年國內(nèi)“負能煉鋼”的主要成績,提出實現(xiàn)“負能煉鋼”的關(guān)鍵技術(shù),并對今后“負能煉鋼”技術(shù)發(fā)展提出具體建議。1國內(nèi)“負能鋼”爐的技術(shù)進步近幾年,轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”技術(shù)的推廣應(yīng)用受到廣泛重視并取得重大進步,表現(xiàn)在以下方面。1.1國內(nèi)“負能鋼板”技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀轉(zhuǎn)爐是中國最主要的煉鋼方法,轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量從2000年的1.068億t,增長到2008年的4.518億t,平均年增長率為19.5%,高于國內(nèi)粗鋼產(chǎn)量增長速度(平均增長率為18.2%)。轉(zhuǎn)爐鋼比例相應(yīng)從2000年的84.1%增長到90%左右,推廣應(yīng)用轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”技術(shù)具有重大的戰(zhàn)略意義。“負能煉鋼”是一個工程概念,20世紀70年代由日本鋼鐵廠首先提出。其含義是指煉鋼過程中回收的煤氣和蒸汽能量大于實際煉鋼過程中消耗的水、電、風、氣等能量總和。如表1所示,通常轉(zhuǎn)爐煉鋼消耗的能量波動在15～30kg/t(鋼),而回收煤氣、蒸汽的能量可折合25～35kg/t(鋼)。因此,實現(xiàn)“負能煉鋼”一方面要努力降低煉鋼能耗,另一方面要加強回收,提高能量回收效率。如圖1所示,隨著中國鋼產(chǎn)量迅速增長,轉(zhuǎn)爐煉鋼工序能耗和噸鋼綜合能耗不斷降低。以2003年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ):國內(nèi)重點鋼鐵企業(yè)能耗水平比國際先進水平高出56kg/t,其中煉鋼工序能耗差距最大,達到37.7kg/t。因此,盡快實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”可促進國內(nèi)鋼鐵工業(yè)整體能耗達到國際先進水平。總結(jié)國內(nèi)“負能煉鋼”的技術(shù)發(fā)展,分為以下3個階段:(1)技術(shù)突破期(20世紀90年代):1989年寶鋼300t轉(zhuǎn)爐實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐工序負能煉鋼,轉(zhuǎn)爐工序能耗達到-11kg/t(鋼);1996年寶鋼實現(xiàn)全工序(包括連鑄工序)負能煉鋼,能耗為-1.12kg/t(鋼)。(2)技術(shù)推廣期(1999-2003年):1999年武鋼三煉鋼250t轉(zhuǎn)爐實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐工序負能煉鋼;2002-2003年馬鋼一煉鋼、鞍鋼一煉鋼、本溪煉鋼廠等一批中型轉(zhuǎn)爐基本實現(xiàn)負能煉鋼;2000年12月萊鋼25t小型轉(zhuǎn)爐初步實現(xiàn)負能煉鋼。但多數(shù)鋼廠“負能煉鋼”的效果均不太穩(wěn)定。(3)技術(shù)成熟期(2004-):近幾年,國內(nèi)鋼廠更加注重轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”技術(shù),許多鋼廠已能夠較穩(wěn)定地實現(xiàn)“負能煉鋼”。特別是100t以上的中型轉(zhuǎn)爐,實現(xiàn)“負能煉鋼”的鋼廠日益增多。國內(nèi)“負能煉鋼”技術(shù)的迅速發(fā)展得益于以下三方面:一是煉鋼工藝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化:隨著國內(nèi)新建100t以上大、中型轉(zhuǎn)爐的增多,配備了煤氣、蒸汽回收與余熱發(fā)電等設(shè)施,為“負能煉鋼”打下設(shè)備基礎(chǔ);二是“負能煉鋼”工藝不斷完善,多數(shù)鋼廠已初步掌握“負能煉鋼”的基本工藝;三是2005年,國家統(tǒng)計局將電力折算系數(shù)調(diào)整為電熱當量值(即1kW·h=0.1229kg)替換原來沿用的電煤耗等價值(即1kW·h=0.404kg)。煉鋼能耗統(tǒng)計值降低,利于實現(xiàn)“負能煉鋼”。1.2國內(nèi)大、高端轉(zhuǎn)爐“負能鋼”突出績效評價2008年“國家重點大型耗能鋼鐵生產(chǎn)設(shè)備節(jié)能降耗對標競賽”,國內(nèi)16家轉(zhuǎn)爐鋼廠共計62座100t以上大、中型轉(zhuǎn)爐參加比賽。由于是對標競賽,各廠家統(tǒng)計數(shù)據(jù)的口徑有差別,一定程度影響了競賽結(jié)果。如寶鋼仍沿用傳統(tǒng)的“電煤等價”折算系數(shù),統(tǒng)計能耗偏高。但競賽結(jié)果也能反映出國內(nèi)大、中型轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”的業(yè)績和水平。圖2給出參賽的62座轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”的業(yè)績。其中多數(shù)鋼廠已實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”。1.3工序能耗波動目前國內(nèi)已有少數(shù)鋼廠實現(xiàn)煉鋼-連鑄全工序負能生產(chǎn)。如表2所示,武鋼、太鋼、沙鋼、濟鋼等鋼廠已實現(xiàn)全工序負能生產(chǎn);邯鋼、萊鋼、鞍鋼第三煉鋼連軋廠、酒鋼等鋼廠已接近實現(xiàn)全工序負能生產(chǎn)。這是近幾年國內(nèi)“負能煉鋼”技術(shù)發(fā)展的重要標志。國內(nèi)鐵水預(yù)處理的工序能耗波動在0.4～0.8kg/t(鋼)(多數(shù)廠已計算在轉(zhuǎn)爐工序能耗中)。精煉工序能耗波動在2.99～35.81kg/t(鋼),平均為8.99kg/t(鋼)。競賽數(shù)據(jù)反映出的一個重要事實是:精煉工序能耗并不隨精煉工藝的復(fù)雜程度和精煉鋼水比例增加而增大,如武鋼三煉鋼品種繁多,真空精煉比高,但精煉工序能耗僅為2.99kg/t(鋼)。這說明今后隨著爐外精煉工藝的優(yōu)化,精煉工藝能耗水平可望大幅度降低。國內(nèi)連鑄工序能耗波動在3.2～31.28kg/t(鋼),平均為10.6kg/t(鋼)。進一步提高連鑄生產(chǎn)效率可使連鑄工序能耗降低到10kg/t以下。綜上所述,在轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”的基礎(chǔ)上,通過工藝優(yōu)化提高生產(chǎn)效率,國內(nèi)大多數(shù)鋼廠可實現(xiàn)煉鋼-連鑄全工序負能生產(chǎn)。2“負能疲勞”的關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)參賽單位實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”的基本經(jīng)驗,提出以下“負能煉鋼”關(guān)鍵技術(shù)。2.1提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率各鋼廠實現(xiàn)“負能煉鋼”的基本經(jīng)驗可以看出:提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率對于實現(xiàn)“負能煉鋼”具有重大意義。以轉(zhuǎn)爐每公稱噸位每年的產(chǎn)鋼量(萬t/公稱t·年)作為轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率指標,與轉(zhuǎn)爐工序能耗和噸鋼電耗作圖,如圖3、4所示。從圖中可以看出:(1)提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率,使轉(zhuǎn)爐工序能耗線性降低。對于大、中型轉(zhuǎn)爐當轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率>0.85萬t/(公稱t·年),可實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”;(2)提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率,使轉(zhuǎn)爐噸鋼電耗進一步降低;(3)提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率,使噸鋼氧耗進一步降低。2.2提高煤氣回收量強化煤氣回收是實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”的基本保障。從競賽結(jié)果(圖5)分析,國內(nèi)大、中型轉(zhuǎn)爐煤氣回收量的平均值為81.8m3/t,略低于“負能煉鋼”所要求的90m3/t。煤氣回收最高值為116.0m3/t,最低值為43.93m3/t,差距較大。說明一些鋼廠急需加強煤氣回收、管理與調(diào)度,減少放散量。在解決煤氣回收、存儲和調(diào)度管理的基礎(chǔ)上,通過以下工藝提高煤氣回收量:(1)提高轉(zhuǎn)爐作業(yè)率,隨著產(chǎn)鋼量增加,轉(zhuǎn)爐煤氣回收量進一步提高,如圖6所示。轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量超過1萬t/(公稱t·年),可保證煤氣回收量≥90m3/t(鋼);(2)縮短前燒期和后燒期,增加煤氣回收時間。為此需要加快前期化渣速度、優(yōu)化復(fù)合吹煉工藝和采用縮短出鋼時間等工藝措施;(3)優(yōu)化降罩工藝,穩(wěn)定煤氣品質(zhì);(4)采用計算機動態(tài)控制轉(zhuǎn)爐終點,實現(xiàn)不倒爐出鋼。2.3國內(nèi)轉(zhuǎn)爐蒸汽回收水平分析加強蒸汽回收對穩(wěn)定實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”具有重要意義。圖7給出62座轉(zhuǎn)爐噸鋼蒸汽回收量的比較:平均蒸汽回收量為62.8kg/t(鋼),最大回收量為99.8kg/t(鋼),最低為0.04kg/t(鋼),兩者相差99.76kg/t(鋼),說明國內(nèi)轉(zhuǎn)爐蒸汽回收水平存在較大差距。造成的原因主要是蒸汽未能充分利用,放散量大。今后需要重點解決低壓蒸汽的利用問題,可采用蒸汽并網(wǎng)、蒸汽發(fā)電和蒸汽作為真空精煉氣源,保證轉(zhuǎn)爐蒸汽具有穩(wěn)定的用戶。強化蒸汽回收的工藝措施:(1)強蒸汽回收、應(yīng)用設(shè)施建設(shè),減少蒸汽放散量;(2)短轉(zhuǎn)爐輔助時間,保證余熱鍋爐穩(wěn)定運行;(3)少轉(zhuǎn)爐熱停時間,提高蒸汽品質(zhì)。2.4提高氧催化劑用量、提高供氧能力為實現(xiàn)“負能煉鋼”應(yīng)圍繞提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率,進一步優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉工藝,達到提高產(chǎn)量、降低能耗和穩(wěn)定鐵水質(zhì)量的目的。強化冶煉的工藝措施是:(1)高供氧強度,縮短吹煉時間。通常吹煉時間決定于供氧強度,而供氧強度受限于爐容比和吹煉、造渣工藝。爐容比為0.95～1.1m3/t,供氧強度可提高到3.5～4.0m3/(t·min),吹煉時間可縮短到15min以內(nèi)。(2)高成渣速度。提高供氧強度必須解決噴濺問題,技術(shù)關(guān)鍵是提高初渣成渣速度。除優(yōu)化氧槍和供氧工藝外,更重要的是要提高石灰質(zhì)量,加快石灰熔化。(3)化復(fù)吹工藝。轉(zhuǎn)爐冶煉的特點是存在碳氧反應(yīng)限速環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)變。如圖8所示,臨界碳含量[C]E以上為氧擴散控制,供氧不會造成渣鋼氧化,并保證煤氣回收安全。當[C]<[C]E時碳擴散控制脫碳反應(yīng),隨供氧量增加鋼渣過氧化,煤氣氧含量增加,不宜回收。優(yōu)化復(fù)吹工藝可使[C]E向低碳區(qū)轉(zhuǎn)移,既可避免鋼渣氧化也能延長煤氣回收時間,提高煤氣回收量。(4)用計算機動態(tài)控制,不僅可提高吹煉終點C、T的控制精度和命中率,還可以提高脫碳氧效率,降低噸鋼氧耗。同時可實現(xiàn)快速出鋼,縮短吹煉時間4～6min,對實現(xiàn)“負能煉鋼”發(fā)揮重要作用。3“負能精制”技術(shù)的發(fā)展方向3.1提升生產(chǎn)效率國內(nèi)轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”技術(shù)的重要發(fā)展方向是鼓勵和倡導(dǎo)國內(nèi)鋼鐵廠實現(xiàn)煉鋼-連鑄全工序負能生產(chǎn)。實現(xiàn)全工序負能生產(chǎn)的基礎(chǔ)是轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”,其關(guān)鍵技術(shù)是大幅度提高生產(chǎn)效率。如圖9、10所示,隨著煉鋼廠生產(chǎn)效率的提高,精煉工序能耗和連鑄工序能耗線性降低,為實現(xiàn)全工序負能生產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)。煉鋼-連鑄全流程高效化生產(chǎn)是實現(xiàn)煉鋼-連鑄全流程負能生產(chǎn)的技術(shù)關(guān)鍵。提高煉鋼連鑄的生產(chǎn)效率應(yīng)采取以下措施:(1)加快生產(chǎn)節(jié)奏,縮短生產(chǎn)周期;(2)降低鋼水周轉(zhuǎn)溫降,穩(wěn)定鋼水溫度;(3)減少熱停時間,實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn);(4)加強能源管理,統(tǒng)一計量標準。日本轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率從傳統(tǒng)日產(chǎn)20爐提高到日產(chǎn)50爐,可增加轉(zhuǎn)爐煉鋼冷卻能8%,相當于提高鋼水溫度174℃。按每增加10℃可增加廢鋼用量4.5kg/t,則提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率獲得的熱量可熔化廢鋼78.3kg,降低煉鋼能耗約39.15kg/t。由此可見,加快生產(chǎn)節(jié)奏,提高生產(chǎn)效率對實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐節(jié)能具有非常明顯的效果。3.2鐵鋼比對中國鋼鐵工業(yè)總能耗的影響“負能煉鋼”的概念存在一定的局限性:雖然對降低轉(zhuǎn)爐工序能耗有積極作用,但對于降低鋼鐵廠綜合能耗存在不利影響。例如,轉(zhuǎn)爐采用高鐵水比操作,回收的煤氣和蒸汽量增加,有利于“負能煉鋼”的實施;但從全流程考慮,提高鐵鋼比使綜合能耗升高,對全系統(tǒng)節(jié)能不利。按中國鋼鐵工業(yè)情況測算,鐵鋼比每提高0.1,造成噸鋼綜合能耗上升約20kg/t(和電爐流程相比)。和世界其它先進產(chǎn)鋼國相比,中國鐵鋼比高出0.23～0.576,和世界平均水平相比約高出0.4,影響噸鋼綜合能耗約80kg/t。因此,從降低國內(nèi)鋼鐵工業(yè)總能耗的觀點出發(fā),應(yīng)把降低鐵鋼比作為“負能煉鋼”的一個重要考核指標。今后,在國內(nèi)大力推廣轉(zhuǎn)爐“負能煉鋼”的過程中必須同時注重提倡降低鐵水比,提高廢鋼比的工藝操作方針。在市場允許的條件下,轉(zhuǎn)爐廠應(yīng)抓緊建設(shè)廢鋼分類加工設(shè)施,改進裝入制度,優(yōu)化冶煉工藝,進一步提高廢鋼比。由于轉(zhuǎn)爐熔化廢鋼不需要增加外部熱源,按國內(nèi)鐵前工序能耗500kg/t計算,轉(zhuǎn)爐每增加1%廢鋼比可降低全流程噸鋼綜合能耗5kg/t,具有重要節(jié)能意義。3.3轉(zhuǎn)爐高拉碳技術(shù)鋼鐵料消耗是轉(zhuǎn)爐煉鋼一項重要節(jié)能指標。降低鋼鐵料消耗可以明顯降低轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能耗,節(jié)鐵10kg/t相當于降低綜合能耗5kg/t。通常,轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中鐵的吹損應(yīng)<10%,主要是鐵水中C、Si、Mn的氧化損失和爐渣、煙塵中鐵的氧化損失。近幾年中國轉(zhuǎn)爐鋼廠的鋼鐵料消耗持續(xù)波動在1085～1090kg/t之間,如何進一步降低鋼鐵料消耗,達到國際先進水平(如日本1065kg/t)是國內(nèi)轉(zhuǎn)爐節(jié)能技術(shù)發(fā)展的重點方向。通常,“負能煉鋼”未與鋼鐵料消耗指標掛鉤,今后從優(yōu)化轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝,降低系統(tǒng)能耗的觀點出發(fā),應(yīng)把鋼鐵料消耗作為“負能煉鋼”的考核指標。降低鋼鐵料消耗的主要技術(shù)措施是:(1)減少吹損。如改善高爐操作,實現(xiàn)低硅冶煉,可減少煉鋼過程硅的氧化損失和轉(zhuǎn)爐渣量。采用轉(zhuǎn)爐高拉碳技術(shù)提高出鋼[C]不但可避免鋼水過氧化,節(jié)約鐵合金;也可以減少吹損。(2)減少渣中鐵損。通常轉(zhuǎn)爐渣量為100～120kg,渣中w(TFe)波動在18%～25%,則渣中鐵的氧化損失為18～30kg。通過減少渣量和降低渣中w(TFe)可減少渣中鐵損10～26kg。(3)增加轉(zhuǎn)爐熱源,實現(xiàn)鐵、錳礦熔融還原。如圖11所示,日本住友公司通過改善鐵水運輸方式,將鐵水入爐溫度提高45～60℃。采用少渣冶煉工藝(圖12),增加轉(zhuǎn)爐冷卻能8%,使轉(zhuǎn)爐增加礦石用量36kg,還原鐵21.6kg,相當于節(jié)約標煤10.8kg/t(鋼)。3.4爐少渣冶煉的特點為實現(xiàn)大批量、低成本、穩(wěn)定生產(chǎn)高潔凈度鋼水的目標,日本近20年開發(fā)成功鐵水“三脫”預(yù)處理和轉(zhuǎn)爐少渣冶煉新工藝,取得了明顯的節(jié)能效果:降低煉鋼能耗66%;降低石灰消耗25%;降低鐵損29%;降低錳鐵合金消耗48%;降低渣量33%;增加粉塵回收利用率60%。日本轉(zhuǎn)爐少渣冶煉的特點:(1)采用高爐低硅鐵水冶煉和鐵水脫硅工藝,穩(wěn)定控制鐵水w([Si])≤0.3%;(2)分別采用鐵水脫硫、脫磷工藝,提高鐵水潔凈度:w([S])≤0.003%,w([P])≤0.015%;(3)轉(zhuǎn)爐采用少渣冶煉工藝,控制轉(zhuǎn)爐渣量≤25kg/t,渣中w(TFe)12%～20%;(4)采用錳礦熔融還原工藝,控制終點鋼水殘w([Mn])≥0.4%;對于高錳鋼殘w([Mn])≥1.5%;(5)轉(zhuǎn)爐高碳出鋼,降低鋼水氧化性,并為真空冶煉提供熱源;(6)100%真空處理,實現(xiàn)真空脫碳脫氧和脫氣。潔凈鋼是21世紀鋼鐵材料發(fā)展的重大方向,也是轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)發(fā)展的重大方向。學習借鑒日本成功經(jīng)驗,研究開發(fā)適于中國資源環(huán)境特點的潔凈鋼生產(chǎn)新工藝,達到減少渣量,提高鐵回收率和降低噸鋼能耗與生產(chǎn)成本的目標將是今