世界钢铁冶炼技术发展方向解析-炼钢

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炼钢
　　进入21世纪后，社会对钢铁企业的要求也发生重大转变，从过去单纯要求钢铁厂为社会进步不断提供低成本、高品质的钢材外，还要求充分发挥其能源转换功能，通过节能减排，基本消除自身对环境造成的污染，同时要求钢铁厂具有大量处理社会废弃物并融入循环经济社会的功能。由于社会基本要求的改变，新一代炼钢工艺流程的兴起将成为历史必然。
　　转炉冶炼纯净钢技术
　　当前，世界转炉炼钢发展趋势是提高钢水洁净度，即大大降低吹炼终点时的各种夹杂物含量，要求S低于0.005%；P低于0.005%；N低于20ppm。采用复合吹炼、对熔池进行高水平搅拌并采用现代检测手段及控制模型，可严格控制化学成分及终点温度。减少补吹炉次比例，降低吨钢耐材消耗。
　　铁水预处理对改进转炉操作指标及提高钢的质量意义重大。美国及西欧各国铁水预处理只限于脱硫，而日本铁水预处理则包括脱硫、脱硅及脱磷。
　　日本所有转炉钢厂，美、欧几十家钢厂以及其它国家的所有新建钢厂，在转炉上都装有检测用的副枪，在预定的吹炼时间结束前的几分钟内正确使用此枪可保证极高的含碳量及钢水温度命中率，使90%～95%的炉次都能在停吹后立即出钢，即无需再检验化学成分，当然也就无需补吹。此外，这也使产量提高，使补衬磨损大大减少。
　　纯净钢生产是个系统工程，必须从整体考虑建立纯净钢生产体制，应从钢铁生产的每一环节抓起，以降低各杂质含量。只拥有先进单元冶炼工艺技术是不能稳定地生产出纯净钢的，必须将所有先进的单元冶炼工艺技术系统优化，才能稳定地大规模、低成本地生产纯净钢。
　　转炉“负能”炼钢技术
　　转炉“负能”炼钢，是指转炉炼钢工序消耗的总能量小于回收的总能量，转炉工序不但不消耗能源，反而外供能源。转炉生产实现“负能”炼钢可以降低炼钢生产成本和吨钢综合能耗。转炉工序“负能”炼钢业已成为衡量一个现代化钢铁企业炼钢生产技术水平的重要标志，所以国内外转炉炼钢厂均把能否实现“负能”炼钢作为炼钢厂提高经济效益和环境保护的重大工艺技术加以深入研究。
　　要实现“负能”炼钢，必须千方百计地提高转炉煤气和蒸汽的回收数量与品质，同时使回收的蒸汽得以高效利用。转炉煤气干式回收系统（LT法）是较为先进的煤气回收系统，它是提高转炉煤气回收水平的重要技术支持，其流程如图1所示。
　　LT法净化回收技术在国际上已被认定为今后的发展方向，它可以部分或完全补偿转炉炼钢过程的全部能耗，有望实现转炉无能耗炼钢的目标。
　　“十一五”期间，我国重点大中型钢铁企业中，只有少数企业能够实现全年“负能”炼钢，大部分企业还没有做到负能炼钢，尤其是中、小型转炉。
　　为进一步提高转炉“负能”炼钢技术的应用，在提高煤气回收质量和减少蒸汽放散量方面：应优化锅炉设计，提高蒸汽压力和品质；开发真空精炼应用转炉蒸汽的工艺技术，增加炼钢厂本身利用蒸汽能力；发展低压蒸汽发电技术，提高电能转化效率；在优化转炉工艺方面：可采用高效供氧技术，缩短冶炼时间，加快钢包周转；努力降低铁钢比，增加废钢用量；采用铁水“三脱”预处理技术减少转炉渣；优化复合吹炼工艺，降低氧耗，提高金属收得率；采用自动炼钢技术，实现不倒炉出钢；改善铁钢界面，提高铁水温度；采用单一铁水罐进行铁水运输，降低铁水温降损失等。
　　虽然“负能”炼钢并未全部涵盖炼钢全工艺过程能量转换与能量平衡，不能作为整体评价炼钢工序能耗水平的唯一标准，但国际先进钢铁企业都把实现转炉“负能”炼钢作为重要指标。我国转炉钢比例超过80%，因此“负能”炼钢技术全面推广对钢铁行业清洁生产意义重大。

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废钢预热型电弧炉技术
　　电弧炉炼钢期间产生的高温烟气中含有大量的显能和化学能，随电弧炉用氧不断强化，产生大量高温烟气使热损失增加，吨钢废气带走热量超过150kWh/t。这是电弧炉冶炼过程中最大的一部分能量损失，充分回收这部分能量来预热废钢可以大幅度地降低电能消耗。理论上废钢预热温度每增加100℃，可节约电能20kWh/t。若考虑到能量的有效利用率，一般来讲，废钢预热温度每增加100℃可节约电能15kWh/t左右。因此，利用烟气所携带的热量来预热废钢是电炉钢节能降耗的重要措施之一。
　　目前，较具竞争力的废钢预热方式主要有Consteel系统和手指竖炉式电弧炉。Consteel连续炼钢炉是使废气和废钢在电炉长烟道内逆向移动预热废钢，经预热的废钢和溶剂连续加入熔池，由钢水熔化而非由电弧直接熔化，可实现定期出钢。Consteel工艺的最大优点是电极向已形成的熔池和泡沫渣供电，电弧稳定，大大降低了因电压闪烁和谐波电流畸变对供电质量的影响，比较适于电网能力较小的地区建设电炉。
　　手指竖炉式电炉利用竖炉内废钢流与废气间的连续逆向流动，回收废气及二次燃烧产生的热量，实现了废钢高温预热；同时废钢料柱可对含尘烟气进行初级过滤，减少粉尘排放量。竖炉上装备的能够托住废钢的手指状装置，利用前一炉废气预热下一炉第一篮废钢；手指打开后，第一篮废钢进入炉膛，同时加入第二篮废钢。第二篮废钢在竖炉内预热并逐步进入熔池直至熔化，实现了100%废钢预热，现代电弧炉技术进展的另一特点是电能不再是熔化废钢的唯一能源。氧燃烧嘴、碳氧枪、二次燃烧等辅助能源喷吹技术形成电炉的燃烧控制中心，对电炉节能越来越重要；而引入辅助能源的关键是如何提高能量有效利用率。手指竖炉式电炉成功利用炉内喷吹和余热回收技术，实现了能量最优控制。
　　我国安阳钢铁集团公司手指竖炉式电弧炉炼钢生产实践表明，其100t电炉采用35% 热装铁水+65% 废钢的原料结构冶炼指标分别达到电耗209kWh/t、电极消耗1.14kg/t、通电时间32min，超过原设计指标。安钢的成功实践必将为我国废钢预热节能技术的进步提供有益的经验。

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　高效连铸技术
　　高效连铸实质上就是提高单位时间的高质量铸坯的产量，高的铸坯质量是前提，高的拉坯速度、高的作业率及高的连浇率等是手段。高作业率、高连浇率、高拉速、无缺陷铸坯是高效连铸技术的主要内容。
　　提高拉坯速度无疑是提高生产率、提高连铸机效率最直接、最根本的技术经济指标，但要稳定高拉速生产，就要有高效结晶器(优化了的结构、形状、最佳的材质、最先进合理的冷却系统、完善的振动系统等)；稳定的接近凝固温度的浇铸技术；中间包钢水调温技术；二次冷却制度的合理化；先进的连续矫直技术等等，才能稳定高拉速生产。
　　作业率、连浇率也是高效连铸机的一个重要指标。铸机效率提高的主要目标是实现铸机的“无维修操作”，即铸机不要停机在线检修，而采用设备诊断技术进行预防维修，定期更换设备。实行整体吊装、快速更换、离线维修捡查，使铸机经常保持在正常操作状态，同时还要千方百计地缩短生产过程中的准备间隙时间。
　　我国未来连铸技术的发展应以连铸高效率生产、稳定拉速为目标，对铁水预处理——炼钢——二次精炼进行协同研究与改进，使之与高效化连铸工序实现合理匹配，协同和连续运行。同时要研究为稳定和提高铸坯质量的各种技术和管理措施。加强对连铸机专业化分工的研究，要根据不同特点连铸机与产品质量的关系，并在生产流程优化的基础上，推行连铸机专业化分工模式，改变“万能铸机” 的概念，从而建立更为合理、高效、稳定的生产流程。
　　结?语
　　钢铁工业属于资源能源密集型和污染较重的工业。要实现清洁生产，即以最低的资源消耗、最高的生产效率、最优化的质量控制和接近“零排放”的最小的环境负荷来生产合格、低成本的优良产品，就必须加强工艺技术优化，其中最重要的就是从总体上优化钢铁生产流程，研发突破性的钢铁冶炼新技术，以提高资源能源利用效率。而最有希望实现的突破性钢铁生产技术包括：在脱碳后回收利用高炉煤气和进一步储存二氧化碳(超低二氧化碳排放冶炼项目)；用氧进行熔融还原和直接还原，其二氧化碳的捕获和存储；以及使用可持续的生物能源。
　　因此“十二五”期间，我国钢铁制造流程在技术结构上还应不断完善和优化，同时密切关注国际先进产钢国的节能、资源综合利用和污染控制技术动向，并向着连续化、紧凑化和产品的系列化与专业化方向不断发展。