電爐煉鋼法備課講稿

冶金學(xué)—煉鋼篇閻立懿東北大學(xué)鋼鐵冶金研究所2009年6月/沈陽（No10）9/27/20241東北大學(xué)/閻立懿主要內(nèi)容概述煉鋼基礎(chǔ)理論煉鋼用原材料轉(zhuǎn)爐煉鋼法電爐煉鋼法9/27/20242東北大學(xué)/閻立懿

上回結(jié)束了第四章的內(nèi)容

氧氣底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法（在空氣底吹轉(zhuǎn)爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的）發(fā)展OBM/德國、LMS/法國、Q-BOP/美國，以及設(shè)備結(jié)構(gòu)特點。底吹過程鋼水及爐渣成分的變化見趨勢圖——底吹與頂吹特點比較：熔池攪拌充分，吹煉過程平穩(wěn)，渣中氧化鐵低，氧氣利用率高、脫碳速度快，脫硫能力強、氮低等。爐齡低，鋼中[H]含量高。9/27/20243東北大學(xué)/閻立懿氧氣復(fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法（復(fù)吹是頂吹和底吹技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果）

復(fù)吹法有：LBE/法鋼研，LD-OTB/神戶，LD-OB/新日鐵，STB-P/住友，K-BOP/川崎等。復(fù)吹的特點如下：熔池攪拌充分：底吹≈復(fù)吹＞頂吹渣中∑(FeO)含量：頂吹＞復(fù)吹＞底吹[C]-[O]曲線位置高低：頂吹的高，復(fù)吹的低，并接近底吹的（頂吹＞復(fù)吹＞底吹）；鋼水中含氧量高低：頂吹＞復(fù)吹＞底吹。硫的分配系數(shù)：復(fù)吹＞底吹＞頂吹。磷的分配系數(shù)：復(fù)吹＞底吹≈頂吹。9/27/20244東北大學(xué)/閻立懿

5.1.1何謂煉鋼電爐

電爐是采用電能作為熱源進行煉鋼的爐子的統(tǒng)稱。按電能轉(zhuǎn)換熱能方式的差異，電爐可分為：電渣重熔爐—利用爐渣的電阻熱；感應(yīng)熔煉爐—利用電磁感應(yīng)；電子束爐—依靠電子碰撞；等離子爐—利用等離子?。浑娀t—利用高溫電弧，不含加熱爐、熱處理爐等。5.1電爐煉鋼及其發(fā)展9/27/20246東北大學(xué)/閻立懿

目前，世界上電爐鋼產(chǎn)量的95%以上都是由電弧爐生產(chǎn)的，因此電爐煉鋼主要指電弧爐。

電爐煉鋼是以廢鋼為主要原料，以三相交流電作電源，利用電流通過石墨電極與金屬料之間產(chǎn)生電弧的高溫，來加熱、熔化爐料。它是用來生產(chǎn)特殊鋼和高合金鋼的主要方法（現(xiàn)在也用來生產(chǎn)普通鋼）。9/27/20247東北大學(xué)/閻立懿

5.1.2電爐煉鋼發(fā)展歷史

回顧一下現(xiàn)代煉鋼簡史，見下表：時間國別發(fā)明者煉鋼法發(fā)展與貢獻1856英國HenryBessemer酸性底吹轉(zhuǎn)爐解決大規(guī)模鋼水的生產(chǎn)1865/7法國-英國Martin-Siemens酸性平爐廢鋼得到利用1878英國SidneyThomas堿性底吹轉(zhuǎn)爐解決用高磷鐵水煉鋼1899法國Heroult電弧爐用電能、廢鋼1952奧地利LinzandDonawitzLD法氧氣煉鋼9/27/20248東北大學(xué)/閻立懿

電爐是在電發(fā)明之后的1899年，由法國的海勞爾特（Heroult）在LaPraz發(fā)明的。它被建在阿爾卑斯山（Alps）的峽谷中，原因是在距它不遠處有一個火力發(fā)電廠。電爐的出現(xiàn)，開發(fā)了煤的替代能源，使得廢鋼開始了經(jīng)濟回收，這最終使得鋼鐵成為世界上最易于回收的材料，也為可持續(xù)發(fā)展做出巨大貢獻。9/27/20249東北大學(xué)/閻立懿

1）由煉鋼方法百年興衰看電爐發(fā)展電爐煉鋼在這100多年中，其發(fā)展速度不如二十世紀60年代前的平爐，也比不上60年代后轉(zhuǎn)爐發(fā)展的那樣快，但隨著科技的進步，世界電爐鋼產(chǎn)量及其比例始終在穩(wěn)步增長。尤其二十世紀70年代以來，電力工業(yè)的進步，科技對鋼的質(zhì)量和數(shù)量的要求提高，大型超高功率電爐技術(shù)的發(fā)展以及爐外精煉技術(shù)的采用，使電爐煉鋼技術(shù)有了長足進步。9/27/202410東北大學(xué)/閻立懿2）由鋼產(chǎn)量與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化看電爐發(fā)展

鋼產(chǎn)量

9/27/202411東北大學(xué)/閻立懿世界粗鋼總量與電爐鋼比的變化情況時間1970198019902000200220042005總鋼產(chǎn)/億噸6.07.167.78.489.0410.611.1電爐鋼比/%14.222.027.533.834.535～35世界粗鋼產(chǎn)量，2000年前的20多年一直在7.0～8.0億噸間徘徊，電爐鋼產(chǎn)量比例一直在穩(wěn)步上升，由十幾增至三十幾。之后2002、2004、2005、2006、2007年以每年1億噸的速度，由9.04億增加到13.28億噸（中國/4.95、日本/1.2、美國/0.97億噸三家之和達到53%）電爐鋼產(chǎn)量比例維持在30％以上（31％）。9/27/202412東北大學(xué)/閻立懿

美國

是世界上主要產(chǎn)鋼國，其電爐鋼比例也最高。原因是有豐富的廢鋼資源和充足的廉價電力，使得電爐發(fā)展迅速，見表：日本1985～1994年9年間，電爐生產(chǎn)能力增加了2074萬噸（＋73%），而高爐—轉(zhuǎn)爐能力降低了2619萬噸。電爐鋼產(chǎn)量比例由29%提高31.6%，1996年達到33%，2007年達到3100萬噸。時間19751995199920042006電爐鋼比/%20.039.546.15356.99/27/202413東北大學(xué)/閻立懿德國轉(zhuǎn)爐鋼增2%，電爐鋼增102%；法國轉(zhuǎn)爐鋼減32%，電爐鋼增138%；西班牙轉(zhuǎn)爐鋼減27%，電爐鋼增119%；意大利轉(zhuǎn)爐鋼不變，電爐鋼增24%。

歐洲1978～1998年20年間轉(zhuǎn)爐鋼與電爐鋼產(chǎn)量的變化如下：9/27/202414東北大學(xué)/閻立懿其他國家的情況：從1995至2001年，韓國從37.8%增加到43.6%、印度從29.7%增長到42.5%，2006年美國電爐鋼比例為56.9%、韓國45.7%、德國33.1%、印度50.5%，我國臺灣地區(qū)也達到了45.7%，而我國大陸的電爐鋼比例卻逐年下降，目前下降到10%左右。9/27/202415東北大學(xué)/閻立懿中國近年電爐鋼比例情況時間20002001200220032004200520062007中國總鋼產(chǎn)/億噸1.291.521.822.222.833.524.234.95電爐鋼比例/％15.715.916.717.615.211.910.511.8時間19931996中國總鋼產(chǎn)/億噸0.901.01電爐鋼/比例％2318.79/27/202416東北大學(xué)/閻立懿

2）但電爐鋼產(chǎn)量1993～2000年一直維持2000萬噸，2000年后一直在增加，2000～11002005年五年間增加了2700萬噸，2004～2006年均約為4200萬噸，2007年達到5840萬噸，這超過美國1999年的水平。比例低的主要原因：進入21世紀以來，由于我國大陸地區(qū)建筑用鋼材需求增加，使粗鋼總產(chǎn)量增加過快，高爐—轉(zhuǎn)爐流程的產(chǎn)能和鋼產(chǎn)量粗獷擴張，使得中國電爐鋼比例有較大幅度地降低，同時也使得世界電爐鋼比例有所降低，但目前仍在30%以上。

上表、右圖給出：1）電爐鋼比例1993年達到最高23.2%，之后大幅度降低，1996～2003年間一直徘徊在15%～18%；從2003～2007年降至～12％。9/27/202417東北大學(xué)/閻立懿

為什么世界各國及我國臺灣地區(qū)的電爐鋼比例均較高？因為提高電爐鋼比例有利于循環(huán)經(jīng)濟，是實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。北科大傅杰教授最近指出：中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興，不能用本次經(jīng)濟危機以前那種模式恢復(fù)生產(chǎn)，重新啟動過剩產(chǎn)能。我國本輪鋼鐵產(chǎn)業(yè)振興的正確途徑，一是要控制總量增長，進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，使產(chǎn)品升級；二是要調(diào)整轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼的比例，提高電爐鋼的比重。

9/27/202418東北大學(xué)/閻立懿

鋼的品種結(jié)構(gòu)—實現(xiàn)“全方位競爭”

電爐鋼不但在傳統(tǒng)的特殊鋼和高合金鋼領(lǐng)域繼續(xù)保持其相對優(yōu)勢，而且正在普鋼領(lǐng)域表現(xiàn)出強勁的競爭態(tài)勢。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，電爐鋼幾乎覆蓋了整個長材領(lǐng)域，諸如圓鋼、鋼筋、線材、小型鋼、無縫管，甚至部分中型鋼材等。并且正在與轉(zhuǎn)爐鋼爭奪板材（熱軋板）市場。

總之，電爐的發(fā)展使得平爐完成它的使命，并與轉(zhuǎn)爐形成競爭，此格局將在較長時期內(nèi)存在。9/27/202419東北大學(xué)/閻立懿5.1.3電爐煉鋼的發(fā)展前景電爐從誕生至今已近110年了，在這百年中，電爐的設(shè)備、工藝技術(shù)在不斷發(fā)展，產(chǎn)量不斷地提高，其原因是電爐煉鋼的經(jīng)濟效益與環(huán)境優(yōu)勢。正是由于廢鋼—電爐煉鋼流程具有經(jīng)濟效益與環(huán)境優(yōu)勢，有利于鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。9/27/202420東北大學(xué)/閻立懿1）可持續(xù)發(fā)展概念其概念是在1992年6月聯(lián)合國在巴西里約熱內(nèi)盧召開“環(huán)境與發(fā)展大會”上提出的，會上100多個國家首腦參加，并簽署了“關(guān)于環(huán)境與發(fā)展的里約熱內(nèi)盧宣言”，會議要求將可持續(xù)發(fā)展納入到各國政策和具體行動中。我國是簽署國之一，并于1994年發(fā)布了“中國21世紀人口、環(huán)境與發(fā)展白皮書”，其后又將可持續(xù)發(fā)展作為重要戰(zhàn)略納入“九五”計劃和“2010年遠景目標”，將可持續(xù)發(fā)展與科教興國并列為我國今后發(fā)展的兩大基本戰(zhàn)略。9/27/202421東北大學(xué)/閻立懿“可持續(xù)發(fā)展”定義：

“既符合當代的需求，又不致?lián)p害后代的需求和發(fā)展”——人類必須遵循的原則。

這一概念的提出，是人類實現(xiàn)持久發(fā)展和生存觀念的根本改變。9/27/202422東北大學(xué)/閻立懿

2）廢鋼資源與生態(tài)環(huán)境

廢鋼鐵是電爐的主要原料，隨著地球上鋼鐵蓄積量的不斷增加，廢鋼鐵資源逐年遞增，不斷產(chǎn)生的廢鋼鐵通過經(jīng)濟簡便的回收、加工手段就可以回爐熔煉、并可反復(fù)使用。從某種意義上講，這是一個無窮無盡的鐵資源。9/27/202423東北大學(xué)/閻立懿為此，各個國家均把廢鋼鐵視為寶貴資源，各種物質(zhì)的回收情況及世界歷年廢鋼的消耗情況分別見圖及表。物質(zhì)名稱鋼鐵玻璃紙鋁塑料回收率%55453527109/27/202424東北大學(xué)/閻立懿鋼鐵蓄積量到2008年已超過420億噸，若按20年折舊計算，每年產(chǎn)生的廢鋼量將超過20億噸，該值超過2003年世界年粗鋼總量的2倍。目前，廢鋼利用率較低，尤其中國還不到30%，最高的是美國超過70%，若按50%的回收利用率，每年可利用的廢鋼超過10億噸，除轉(zhuǎn)爐用的部分廢鋼（＜2億噸）外，其余可以生產(chǎn)電爐鋼超過6億噸。這說明就目前世界范圍來看，廢鋼資源是不缺乏的，而且隨著鋼鐵蓄積量的增加，廢鋼利用率的提高，可利用的廢鋼量將繼續(xù)增加。

不難預(yù)測，當廢鋼循環(huán)達到動態(tài)平衡，世界電爐鋼產(chǎn)量比例將接近廢鋼利用率。9/27/202425東北大學(xué)/閻立懿

由于鋼的良好的可再生性，以及環(huán)境、資源和能源等方面日益苛刻的要求，使得盡可能多的利用廢鋼成為國際趨勢，國家政策也向此傾斜（作為垃圾而減稅）。廢鋼如得不到有效的回收和利用，將成為巨大的潛在環(huán)境污染源，有些甚至可能對水質(zhì)、土壤等構(gòu)成嚴重威脅。大量銹蝕的鋼鐵廢料，不但造成資源的浪費，也將造成嚴重的粉塵污染。廢鋼的堆積本身也給環(huán)境帶來不利影響。9/27/202426東北大學(xué)/閻立懿3）能源供應(yīng)電爐用電能煉鋼，除廢鋼原料外，電能占煉鋼成本比例最大。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，對電爐尤為有利。美國電爐發(fā)展速度快的原因是與電力充足、電價便宜分不開的。另外，廢鋼鐵為非氧化物，相比鐵氧化物來說屬于一種化學(xué)能的載能體——載能原料，幾乎可以無限再生利用。使用廢鋼代替生鐵煉鋼，可以節(jié)約生產(chǎn)生鐵過程所需的能源消耗，每噸生鐵大約需消耗700kg標煤，所以多用廢鋼可以降低能源消耗。這使得“廢鋼—電爐煉鋼流程”比“高爐—轉(zhuǎn)爐煉鋼流程”的噸鋼能耗減少一半。9/27/202427東北大學(xué)/閻立懿4）電爐煉鋼生產(chǎn)流程

當今鋼鐵工業(yè)所采用的煉鋼流程，經(jīng)150年來的發(fā)展競爭，目前基本形成了兩類流程：以鐵礦石、煤炭為源頭的“高爐—轉(zhuǎn)爐煉鋼流程”；以廢鋼、電力為源頭的“廢鋼—電爐煉鋼流程”。廢鋼—電爐煉鋼流程，具有流程短，設(shè)備布置、工藝銜接緊湊，投入產(chǎn)出快，故稱其為“短流程”（1000——180min）。“短流程”的特征：該流程必須是高效、節(jié)能，是世界上流行的“三位一體”或者“四個一”。也正是由于這種高效、節(jié)能的短流程才賦予給電爐煉鋼強大的生命力。

9/27/202428東北大學(xué)/閻立懿“短流程”的優(yōu)越性：投資省～1/3：每噸鋼的投資長流程為1000～1500美元/t，短流程為500～800美元/t；建設(shè)周期短1/2：長流程為2～4年，短流程為1～2年；生產(chǎn)能耗低1/2；勞動生產(chǎn)率高1～3倍：長流程為500～900t/a.p，短流程為1000～3000t/a.p；占地面積小1/2～3/5；環(huán)境污染少：可減少冶金渣40%、減少廢棄物97%、減少廢氣86%、減輕水污染76%，在人類生存環(huán)境日益惡化的今天，使用廢鋼煉鋼意義深遠。9/27/202429東北大學(xué)/閻立懿4）電爐煉鋼與環(huán)境保護1972年6月聯(lián)合國在斯德哥爾摩召開的“人類與環(huán)境會議”，通過了“人類環(huán)境宣言”，指出了“人類只有一個地球可以賴以生存”，對我們而言，指出了“這個地球不是從上一代人那里繼承的，而是從我們的子孫后代手里借來的”。據(jù)報道，過去50年因溫室效應(yīng)，南極氣溫上升2.5℃，達到零下3℃，全球氣候異?，F(xiàn)象劇增。現(xiàn)今全球工業(yè)化加速，CO2的排放與日俱增，南極升溫將會變快，冰雪融化后果不堪設(shè)想。（限排的溫室氣體主要有六種：二氧化碳、甲烷、氮氧化物、臭氧、氯氟化碳及水蒸氣，其中CO2約占80%）9/27/202430東北大學(xué)/閻立懿這就促使各國領(lǐng)導(dǎo)人于1997年由“聯(lián)合國氣候變化框架公約”締約方，在日本簽署了“京都議定書”，于2005年2月16日，旨在限制全球氣候變暖的《京都議定書》正式生效。這份有141個國家參與的協(xié)定規(guī)定：36個發(fā)達國家將在2008～2012年間，使本國的全部溫室氣體排放量比1990年減少5.2%。國際能源機構(gòu)的一項調(diào)查結(jié)果表明，美國、中國、俄羅斯和日本的二氧化碳排放量幾乎占全球總量的一半。2007年，美國二氧化碳排放量居世界首位，年人均二氧化碳排放量約20噸（2008年減少2.8％），約占全球總量的23.7%。中國的二氧化碳排放總量位據(jù)世界第二，年人均二氧化碳排放量約2.51噸，約占全球總量的13.6%?？茖W(xué)預(yù)測表明，到2025年前后，中國的二氧化碳排放總量可能超過美國，居世界第一位。從人均來看，到2025年也有可能達到世界平均水平。

9/27/202431東北大學(xué)/閻立懿應(yīng)該說這是一個非常艱巨的任務(wù)，世界各國都在研究減少CO2等溫室氣體排放的辦法：

對于鋼鐵企業(yè)，主要的辦法有：減少高爐還原劑的用量——如降低焦比，減少CO2排放量；增加轉(zhuǎn)爐煉鋼廢鋼的比例——如減少鐵水產(chǎn)量，減少CO2排放量；發(fā)展電爐煉鋼，用電爐流程取代高爐—轉(zhuǎn)爐流程。因為，電爐煉鋼有利于環(huán)境保護，無論從當前還是長遠考慮，都會迫使人們?nèi)グl(fā)展電爐。看一個例子，說明電爐煉鋼有利于環(huán)境保護……9/27/202432東北大學(xué)/閻立懿高爐—轉(zhuǎn)爐—薄板坯連鑄—連軋流程物質(zhì)、能源及環(huán)境負荷情況9/27/202433東北大學(xué)/閻立懿電爐——薄板坯連鑄——連軋流程物質(zhì)、能源及環(huán)境負荷情況9/27/202434東北大學(xué)/閻立懿表流程與物質(zhì)、能源及環(huán)境負荷情況比較噸鋼消耗主要物資消耗/kg