中國鋼鐵工業(yè)負能煉鋼技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望

中國鋼鐵工業(yè)負能煉鋼技術發(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)展的關鍵?！柏撃軣掍摗笔菬掍摴?jié)能的主要技術,中國轉爐鋼比例超過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設備節(jié)能降耗對標競賽”中轉爐鋼廠數(shù)據(jù)為基礎,分析總結近幾年國內“負能煉鋼”的主要成績,提出實現(xiàn)“負能煉鋼”的關鍵技術,并對今后“負能煉鋼”技術發(fā)展提出具體建議。1國內“負能鋼”爐的技術進步近幾年,轉爐“負能煉鋼”技術的推廣應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“負能鋼板”技術的發(fā)展現(xiàn)狀轉爐是中國最主要的煉鋼方法,轉爐鋼產量從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%,高于國內粗鋼產量增長速度(平均增長率為18.2%)。轉爐鋼比例相應從2000年的84.1%增長到90%左右,推廣應用轉爐“負能煉鋼”技術具有重大的戰(zhàn)略意義?！柏撃軣掍摗笔且粋€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,隨著中國鋼產量迅速增長,轉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:國內重點鋼鐵企業(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)轉爐“負能煉鋼”可促進國內鋼鐵工業(yè)整體能耗達到國際先進水平?？偨Y國內“負能煉鋼”的技術發(fā)展,分為以下3個階段:(1)技術突破期(20世紀90年代):1989年寶鋼300t轉爐實現(xiàn)轉爐工序負能煉鋼,轉爐工序能耗達到-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)技術推廣期(1999-2003年):1999年武鋼三煉鋼250t轉爐實現(xiàn)轉爐工序負能煉鋼;2002-2003年馬鋼一煉鋼、鞍鋼一煉鋼、本溪煉鋼廠等一批中型轉爐基本實現(xiàn)負能煉鋼;2000年12月萊鋼25t小型轉爐初步實現(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)技術成熟期(2004-):近幾年,國內鋼廠更加注重轉爐“負能煉鋼”技術,許多鋼廠已能夠較穩(wěn)定地實現(xiàn)“負能煉鋼”。特別是100t以上的中型轉爐,實現(xiàn)“負能煉鋼”的鋼廠日益增多。國內“負能煉鋼”技術的迅速發(fā)展得益于以下三方面:一是煉鋼工藝結構的優(yōu)化:隨著國內新建100t以上大、中型轉爐的增多,配備了煤氣、蒸汽回收與余熱發(fā)電等設施,為“負能煉鋼”打下設備基礎;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國內大、高端轉爐“負能鋼”突出績效評價2008年“國家重點大型耗能鋼鐵生產設備節(jié)能降耗對標競賽”,國內16家轉爐鋼廠共計62座100t以上大、中型轉爐參加比賽。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。但競賽結果也能反映出國內大、中型轉爐“負能煉鋼”的業(yè)績和水平。圖2給出參賽的62座轉爐“負能煉鋼”的業(yè)績。其中多數(shù)鋼廠已實現(xiàn)轉爐“負能煉鋼”。1.3工序能耗波動目前國內已有少數(shù)鋼廠實現(xiàn)煉鋼-連鑄全工序負能生產。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;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。這是近幾年國內“負能煉鋼”技術發(fā)展的重要標志。國內鐵水預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效率可使連鑄工序能耗降低到10kg/t以下。綜上所述,在轉爐“負能煉鋼”的基礎上,通過工藝優(yōu)化提高生產效率,國內大多數(shù)鋼廠可實現(xiàn)煉鋼-連鑄全工序負能生產。2“負能疲勞”的關鍵技術總結參賽單位實現(xiàn)轉爐“負能煉鋼”的基本經驗,提出以下“負能煉鋼”關鍵技術。2.1提高轉爐生產效率各鋼廠實現(xiàn)“負能煉鋼”的基本經驗可以看出:提高轉爐生產效率對于實現(xiàn)“負能煉鋼”具有重大意義。以轉爐每公稱噸位每年的產鋼量(萬t/公稱t·年)作為轉爐生產效率指標,與轉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)提高轉爐生產效率,使轉爐工序能耗線性降低。對于大、中型轉爐當轉爐生產效率>0.85萬t/(公稱t·年),可實現(xiàn)轉爐“負能煉鋼”;(2)提高轉爐生產效率,使轉爐噸鋼電耗進一步降低;(3)提高轉爐生產效率,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)轉爐“負能煉鋼”的基本保障。從競賽結果(圖5)分析,國內大、中型轉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、管理與調度,減少放散量。在解決煤氣回收、存儲和調度管理的基礎上,通過以下工藝提高煤氣回收量:(1)提高轉爐作業(yè)率,隨著產鋼量增加,轉爐煤氣回收量進一步提高,如圖6所示。轉爐鋼產量超過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;(4)采用計算機動態(tài)控制轉爐終點,實現(xiàn)不倒爐出鋼。2.3國內轉爐蒸汽回收水平分析加強蒸汽回收對穩(wěn)定實現(xiàn)轉爐“負能煉鋼”具有重要意義。圖7給出62座轉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),說明國內轉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、蒸汽發(fā)電和蒸汽作為真空精煉氣源,保證轉爐蒸汽具有穩(wěn)定的用戶。強化蒸汽回收的工藝措施:(1)強蒸汽回收、應用設施建設,減少蒸汽放散量;(2)短轉爐輔助時間,保證余熱鍋爐穩(wěn)定運行;(3)少轉爐熱停時間,提高蒸汽品質。2.4提高氧催化劑用量、提高供氧能力為實現(xiàn)“負能煉鋼”應圍繞提高轉爐生產效率,進一步優(yōu)化轉爐冶煉工藝,達到提高產量、降低能耗和穩(wěn)定鐵水質量的目的。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。(2)高成渣速度。提高供氧強度必須解決噴濺問題,技術關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量,加快石灰熔化。(3)化復吹工藝。轉爐冶煉的特點是存在碳氧反應限速環(huán)節(jié)的轉變。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,隨供氧量增加鋼渣過氧化,煤氣氧含量增加,不宜回收。優(yōu)化復吹工藝可使[C]E向低碳區(qū)轉移,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”技術的發(fā)展方向3.1提升生產效率國內轉爐“負能煉鋼”技術的重要發(fā)展方向是鼓勵和倡導國內鋼鐵廠實現(xiàn)煉鋼-連鑄全工序負能生產。實現(xiàn)全工序負能生產的基礎是轉爐“負能煉鋼”,其關鍵技術是大幅度提高生產效率。如圖9、10所示,隨著煉鋼廠生產效率的提高,精煉工序能耗和連鑄工序能耗線性降低,為實現(xiàn)全工序負能生產打下良好基礎。煉鋼-連鑄全流程高效化生產是實現(xiàn)煉鋼-連鑄全流程負能生產的技術關鍵。提高煉鋼連鑄的生產效率應采取以下措施:(1)加快生產節(jié)奏,縮短生產周期;(2)降低鋼水周轉溫降,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;(4)加強能源管理,統(tǒng)一計量標準。日本轉爐生產效率從傳統(tǒng)日產20爐提高到日產50爐,可增加轉爐煉鋼冷卻能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,則提高轉爐生產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,加快生產節(jié)奏,提高生產效率對實現(xiàn)轉爐節(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,從降低國內鋼鐵工業(yè)總能耗的觀點出發(fā),應把降低鐵鋼比作為“負能煉鋼”的一個重要考核指標。今后,在國內大力推廣轉爐“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,轉爐廠應抓緊建設廢鋼分類加工設施,改進裝入制度,優(yōu)化冶煉工藝,進一步提高廢鋼比。由于轉爐熔化廢鋼不需要增加外部熱源,按國內鐵前工序能耗500kg/t計算,轉爐每增加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轉爐高拉碳技術鋼鐵料消耗是轉爐煉鋼一項重要節(jié)能指標。降低鋼鐵料消耗可以明顯降低轉爐生產能耗,節(jié)鐵10kg/t相當于降低綜合能耗5kg/t。通常,轉爐煉鋼過程中鐵的吹損應<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)是國內轉爐節(jié)能技術發(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)化轉爐生產工藝,降低系統(tǒng)能耗的觀點出發(fā),應把鋼鐵料消耗作為“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爐渣量。采用轉爐高拉碳技術提高出鋼[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),增加轉爐冷卻能8%,使轉爐增加礦石用量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)定生產高潔凈度鋼水的目標,日本近20年開發(fā)成功鐵水“三脫”預處理和轉爐少渣冶煉新工藝,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)轉爐采用少渣冶煉工藝,控制轉爐渣量≤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,也是轉爐煉鋼技術發(fā)展的重大方向。學習借鑒日本成功經驗,研究開發(fā)適于中國資源環(huán)境特點的潔凈鋼生產新工藝,達到減少渣量,提高鐵回收率和降低噸鋼能耗與生產成本的目標將是今