电弧炉炼钢工艺

AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology电弧炉炼钢工艺冶金与资源学院冶金工程系AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology第一章电炉炼钢及其发展1.1前言电炉是采用电能作为热源进行炼钢的炉子的统称。按电能转换热能方式的差异，电炉可分为：n电渣重熔炉:利用电阻热n感应熔炼炉:利用电磁感应n电子束炉:依靠电子碰撞n等离子炉:利用等离子弧AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnologyn电弧炉:利用高温电弧，不包括加热炉、热处理炉等。目前，世界上电炉钢产量的95%以上都是由电弧炉生产的，因此电炉炼钢主要指电弧炉。电炉炼钢是以废钢为主要原料，以三相交流电作电源，利用电流通过石墨电极与金属料之间产生电弧的高温，来加热、熔化炉料。它是用来生产特殊钢和高合金钢的主要方法(现在也用来生产普通钢)。AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology1.2电炉炼钢发展历史用电能、废钢电弧炉Heroult法国1899解决用高磷生铁炼钢碱性底吹转炉Thomas英国1878废钢得到利用平炉SiemensandMartin英国与法国1865解决大规模生产液态金属酸性底吹转炉Bessemer英国1856发展与贡献炼钢法发明者国别时间AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology电炉是在电发明之后的1899年，由法国的海劳尔特在LaPraz发明的。它被建在阿尔卑斯山（Alps）的峡谷中，原因是在距它不远处有一个火力发电厂。电炉的出现，开发了煤的替代能源，使得废钢开始了经济回收，这最终使得钢铁成为世界上最易于回收的材料，也为可持续发展做出巨大贡献。电炉炼钢在这100多年中，其发展速度虽然不如二十世纪60年代前的平炉，也比不上60年代后转炉发展的那AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology样快，但随着科技的进步，电炉钢产量及其比例始终在稳步增长。尤其二十世纪70年以来，电力工业的进步，科技对钢的质量和数量的要求提高，大型超高功率电炉技术的发展以及炉外精炼技术的采用，使电炉炼钢技术有了长足进步。电炉钢不但在传统的特殊钢和高合金钢领域继续保持其相对优势，而且正在普钢领域表现出强劲的竞争态AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology势。在产品结构上，电炉钢几乎覆盖了整个长材生产领域，诸如圆钢、钢筋、线材、小型钢、无缝管，甚至部分中型钢材等，并且正在与转炉钢争夺板材（热轧板）市场。总之，电炉的发展使得平炉完成它的使命，并与转炉形成竞争，此格局将在较长时期内存在。AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology1.3电炉炼钢的发展前景电弧炉从诞生至今已超过100年了，在这百年中，电炉的设备工艺技术在不断发展，产量不断地提高，其原因是电炉炼钢的经济效益与环境优势。正是由于废钢—电炉炼钢流程具有经济效益与环境优势，有利于钢铁工业的可持续发展，所以电炉炼钢的发展前景一片光明。AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology1.3.1可持续发展概念其概念是在1992年6月联合国在巴西的里约热内卢召开“环境与发展大会”上提出的，会上100多个国家首脑参加，并签署了“关于环境与发展的里约热内卢宣言”，会议要求将可持续发展纳入到各国政策和具体行动中。我国是签署国之一，并于1994年发布了“中国21世纪人口、环境与发展白皮书”，其后又将可持续发展作AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology为重要战略纳入“九五”计划和“2010年远景目标”，将可持续发展与科教兴国并列为我国今后发展的两大基本战略。“可持续发展”定义“既符合当代的需求，又不致损害后代的需求和发展”-人类必须遵循的原则。这一概念的提出，是人类实现持久发展和生存观念的根本改变。AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology1.3.2废钢资源与生态环境废钢铁是电炉的主要原料，随着地球上钢铁蓄积量的不断增加，废钢铁资源逐年递增，不断产生的废钢铁通过经济简便的回收、加工手段就可以回炉熔炼、并可反复使用。从某种意义上讲，这是一个无穷无尽的铁资源。因此，电炉相当于钢铁工业的回收工具，它既回收从电炉流程返回的废钢，也回收高炉-转炉流程返回的AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology废钢。这种现象，使得大型联合企业与小型钢厂形成一个闭环。为此，各个国家均把废钢铁视为宝贵资源，进行回收利用。1027354555回收率塑料铝纸玻璃钢铁物质名称各种物质的回收率/%AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology2004年各国废钢的回收利用情况30.743.916.353.026.438.614.936电炉钢比/%44.451.243.970.241.554.12242.9废钢利用率/%0.210.240.290.70.471.040.64.55废钢利用/亿吨0.460.480.660.991.131.932.72510.6粗钢产量/亿吨德国韩国俄罗斯美国日本欧共体中国世界国别AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology自从有钢铁产品以来，按全世界所生产的粗钢逐年相加，求得的积累钢产量（钢铁蓄积量）到2005年已超过380亿吨。按废钢循环动态平衡的观点来分析，钢铁产品大约10～20年将转化为废钢。若按20年折旧计算，每年由此而产生的废钢量将超过19亿吨，该值接近2003年世界年粗钢总量的2倍。AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology目前废钢利用率较低，尤其中国才22%，最高美国超过70%，若按55%的回收利用率，每年可利用的废钢超过10亿吨，除转炉用的部分废钢外，其余用来生产不到5亿吨电炉钢应该说绰绰有余。这说明就目前世界范围来看，废钢资源是不缺乏的，而且随着钢铁积累量的增加，废钢利用率的提高，可利用的废钢量将继续增加。不难预测，当废钢循环达到动态平衡，世界电炉钢AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology产量比例将接近废钢利用率。由于钢的良好的可再生性，以及环境、资源和能源等方面日益苛刻的要求，使得尽可能多的利用废钢成为国际趋势，国家政策也向此倾斜（作为垃圾而减税）。废钢如得不到有效回收和利用，将成为巨大潜在环境污染源，有些甚至可能对水质、土壤等构成严重威胁。大量锈蚀钢铁废料，不但造成资源浪费，也将造成严重粉尘污染。废钢堆积本身也给环境带来不利影响。AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology1.3.2能源供应电炉用电能炼钢，除废钢原料外，电能占炼钢成本比例最大。随着电力工业的发展，对电炉尤为有利。美国电炉发展速度快的原因是与电力充足、电价便宜分不开的。另外，废钢铁为非氧化物，相比铁氧化物来说属于一种化学能的载能体——载能原料，几乎可以无限再生利用。使用废钢代替生铁炼钢，可以节约生产生铁过程AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology所需的能源消耗，每吨生铁大约需消耗700kg标煤，所以多用废钢可以降低能源消耗。这使得“废钢-电炉炼钢流程”比“高炉-转炉炼钢流程”的吨钢能耗减少一半以上。AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology1.3.3电炉生产流程当今钢铁工业所采用的炼钢流程，经150年来的发展竞争，目前基本形成了两类流程：（1）以铁矿石、煤炭为源头的“高炉-转炉炼钢流程”；（2）以废钢、电力为源头的“废钢-电炉炼钢流程”。废钢-电炉炼钢流程，具有流程短，设备布置、工艺衔接紧凑，投入产出快，故称其为“短流程”。AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnologyn“短流程”的特征该流程是高效、节能，是世界上流行的“三位一体”或者“四个一”。也正是由于这种高效、节能的短流程才赋予给电炉炼钢强大的生命力。n“短流程”的优越性（1）投资省1/3～1/2：每吨钢的投资长流程为1000～1500美元/t，短流程为500～800美元/t；（2）建设周期短1/2：长流程为2～4年，短流程为1～2年；AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology（3）生产能耗低1/2；（4）操作成本低1/4；（5）劳动生产率高1～3倍：长流程为500～900t/（a·p），短流程为1000～3000t/（a·p）；（6）占地面积小1/2～3/5；（7）环境污染少：可减少冶金渣40%、减少废弃物97%、减少废气86%、减轻水污染76%。在人类生存环境日益恶化的今天，使用废钢炼钢意义深远。AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology1.3.4电炉炼钢与环境保护1972年6月联合国在瑞典的斯德哥尔摩召开的“人类与环境会议”，通过了“人类环境宣言”，指出了“人类只有一个地球可以赖以生存”，对我们而言，指出了“这个地球不是从上一代人那里继承的，而是从我们的子孙后代手里借来的”。据报道，过去50年因温室效应，南极气温上升2.5℃，达到零下3℃，全球气候异常现象剧增。现今全AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology球工业化加速，CO2的排放与日俱增，南极升温将会变快，冰雪融化后果不堪设想。各国领导人于1997年由“联合国气候变化框架公约”缔约方在日本签署了“京都议定书”，2005年2月16日正式生效，议定书规定到2012年主要工业化国家温室气体排放量要在1990年基础上平均减少5.2%。（温室气体包括：CO2、一氧化二氮及甲烷，其中CO2约占80%）。AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology应该说这是一个非常艰巨的任务，世界各国都在研究减少CO2等温室气体排放的办法：n设想用核电为热源，用海水制H2作还原剂，以消除CO2的排放。对于钢铁企业，主要的办法有：n减少高炉还原剂的用量；n增加转炉炼钢废钢的比例；n发展电炉炼钢，用电炉流程取代高炉—转炉流程。AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology吨钢综合能耗（含剩余的高炉、焦炉煤气）：19.300GJ/t钢吨钢有害气体排放总量：1369.26kg/t钢万元产值有害气体排放总量：4933.53kg/万元AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology吨钢综合能耗：10.475GJ/t钢吨钢有害气体排放总量：155.61kg/t钢万元产值有害气体排放总量：522.58kg/万元AnhuiUniversityofTechnologyAnhuiUniversityofTechnology流程物质、能源及环境负荷情况比较废