從電弧煉鋼概念看中國發展ECOARC電爐

王新江 翁泰祥

世界電爐煉鋼的發展在上個世紀發生了很大變化，從圖1可以看到這些變化所帶來的生產效率和主要技術經濟指標的提升。電爐煉鋼的技術思維從早期的熱平衡，發展到除了考慮廢熱的再回收，還考慮如何讓產生的熱量在爐內被利用，如何增加化學能、物理能、電能，進而縮短冶煉周期以提高生產效率及降低成本。

圖1 1965-2005年現代電爐技術發展情況

本世紀初期，中國鋼鐵工業得到快速發展，但是中國的電爐鋼比例遠低于世界發達國家30%的水平，其中電爐鋼比例更從2003年的17.6%一直降低至2016年的6.2%。2004年中國煉鋼專家在日本交流參觀了日本第一套ECOARC（生態電弧爐）電爐在岸和田制鋼的生產情況。雖然中國國內多家煉鋼廠對ECOARC電爐的技術經濟指標表現出濃厚的興趣，但日方希望該經濟環保型電爐在日本和世界范圍內多測試幾個案例再向外推廣。ECOARC電爐是日本政府委托當時的NKK（日本鋼管）設計的經濟環保型電爐，當時為鼓勵日本國內建設這種環保型電爐，日本政府為電爐廠出資約1/3的建設費用。因此，當時NKK（現SPCO的主要股東之一）決定將ECOARC電爐先在日本國內推廣。

雖然部分電爐專家就短流程的溫室氣體排放、兌鐵水等提出了一些呼吁，希望電爐煉鋼工作者能更好利用電能，同時一些歐洲電爐設計廠也提出類似問題，并力圖推動電爐短流程在中國的發展。但是與此同時，中國正值轉爐處于大發展時期，電爐煉鋼比例處于急速下行通道。

一、電爐產能及能量投入

電爐產能。電爐產能要考慮冶煉周期，見圖2。冶煉周期長短關系著產能的大小。因此，在管理上如何縮短斷電時間及如何選擇設備就顯得尤為重要。

圖2 電爐冶煉周期關聯圖

電爐能量投入。電爐能量的投入大致上可分為物理能、化學能和電能。圖3是目前各鋼鐵廠使用的各類能量投入方式。下面針對這三種輸入能量進行討論。

圖3 電爐能量平衡圖

化學能。不同的鋼鐵冶煉流程都會伴隨著碳與氧的互相作用。圖4為碳氧反應在鋼鐵冶煉不同過程的變化。在配加鐵水冶煉之初，大部分技術人員認為，由于總碳的投入增加，氧氣的投入會比原來只加廢鋼冶煉的情況增加更多。然而在生產一段時間之后，許多工廠發現，投入氧氣的總量并沒有因為加入高碳鐵水而增加太多，這是因為吹氧效率的提高。上世紀九十年代，日本的一些工廠就已經開始分析每爐的[C]/[O]比值，目的就是為了分析吹氧效率的高低。當吹氧效率不高時，電爐煉鋼會產生很多自由氧，不僅會造成電極氧化嚴重，增加電極消耗，而且會造成粉塵中金屬氧化物過高，降低廢鋼的回收率。這是很多廢鋼預熱設計的電爐都會發生的問題。

圖4 鋼鐵冶煉不同工藝過程的碳氧反應

物理能。由能量公式(kW·h/kgFe)=(2.27×10-4×T)+0.0142可知，每一噸鐵從常溫25℃提升到1600℃約需要358kW·h的電力。因此，投入的原料如果能夠高于室溫就可降低電力的投入。例如，中國鋼鐵企業廣泛使用的加熱鐵水或鎳鐵水(不銹鋼)，加入熱DRI及各種形式的預熱，這些都是為了降低物理能。目前，也有設備廠商在努力降低熱損。

電能。1964年，W.E.Schwabe提出了電爐的高功率(Ultra High Power)，即電爐變壓器在500kVA/t-600kVA/t以上通過投入大電力以縮短冶煉時間。發展至今，電爐變壓器大于1000kVA/t已非常普遍，甚至能達到1300kVA/t-1500kVA/t。一直以來，煉鋼廠及設備制造商對電能的使用，都在考慮如何在最短時間內投入最大電力，進而縮短投入電力的時間，提高生產能力。在購買變壓器設備時，還要考慮冶煉工藝的特點（比如ECOARC爐型的工藝特點），而并非一味追求購買較大功率變壓器，以免無法有效利用到較高的電力投入。也就是說，ECOARC爐型選擇比常規爐型較小的變壓器就能達到高的功率輸入。

二、選擇ECOARC的理由

從總體角度考慮：電爐流程在廢鋼充裕及重視環保的議題下，應該會迎來新一輪的發展。要想在中國現階段高速發展的電爐煉鋼中取得領先的位置，工藝應具有以下特點：一是符合環保需求(面對未來更嚴苛的中國環保要求)，二是生產不可替代的產品，三是比別人更低的生產成本。

ECOARC是新一代的環保型電爐，該流程不僅可以有效控制二噁英，降低粉塵的排出，而且ECOARC是目前市售電爐中在全廢鋼生產中電力消耗最低的。ECOARC可以控制自由氧，有效提高廢鋼的收得率。由于低的電力消耗以及對自由氧的控制，可以更好抑制電極尖端消耗及側邊氧化，在電極價格高漲期間，ECOARC具有絕對的優勢。ECOARC可以選擇更便宜的輕型廢鋼，不用考慮廢鋼的堆比重和裝料次數的問題。

從環保的角度考慮：ECOARC是應日本政府要求，專門為符合環保要求而生，在日本新建該型爐子，日本政府會給予1/3設備費用的專項補貼。ECOARC是在目前運行的電爐中，可以達到最高二噁英控制標準的新型電爐（二噁英＜0.1ng-TEQ/Nm3）。由于密封式的設計，粉塵量為普通電爐的一半，對于粉塵處理的費用大大降低，因此除塵設備費用也相應大大降低。因為熔池在冶煉過程中比較穩定，有低噪音、低閃爍和高電弧效率等優點，ECOARC可使用較小的變壓器達到較高的電能利用。

從化學能的角度考慮：因為ECOARC的一爐鋼冶煉過程都是在穩定的熔池中進行，氧氣可以一開始就直接吹噴入鋼液中，氧氣效率高于傳統的電爐。電爐煉鋼專家傅杰教授研究指出，1Nm3氧氣相當于6kW·h/t的電能消耗，這表明氧氣置換電能的數字是高于傳統電爐的，并在高的氧氣效率下可實現。

從物理能的角度考慮：廢鋼預熱，在進入鋼液前可達到800℃-1000℃的高溫。因為自由氧的控制，降低FeO生成，能有效提高廢鋼的收得率，并且降低廢鋼粘黏在一起的概率，提高廢鋼溶化速率。ECOARC可以降低電爐的熱損：廢鋼投入，沒有開啟爐蓋的熱損；降低水冷爐壁所帶走的熱量；緊閉的排渣口，減少冷空氣進入；氣密設計，降低熱廢氣排出量。

從電能的角度考慮：傳統電爐在精煉期的電力投入比高功率因數的熔化期還高，是因為在穩定的鋼液送電情況下，單位時間投入電力反而較高。因此，在生產相同產能時，ECOARC電爐可選擇較低變壓器容量。ECOARC電爐具有高的收得率，可降低電能的投入(每提高1%的收得率約節省9kW·h/t的電力)。ECOARC電爐從開始生產(除第一爐的第一桶廢鋼)就可在全程泡沫渣下生產，電力投入效率達到最高。ECOARC電爐的電力消耗最低，電力成本低于其他類型的爐子，全廢鋼冶煉電耗低于250kW·h/t。石墨電極消耗低，實際為0.9kg/t。

從產能的角度考慮：ECOARC電爐具有短的Power on Time；由于化學能及物理能的提升，降低電能的投入，縮短電力投入時間；因為全程泡沫渣及穩定鋼液中送電，電弧電力投入鋼液的效率及吸收率提升，由此減少電力投入時間；降低Power off Time；廢鋼連續加料，沒有斷電及開爐蓋的問題，減少斷電時間；電極耗量低，減少接續的時間。

從主要原料廢鋼的角度考慮：使用輕薄料是ECOARC電爐在中國市場的最大優勢，是其他爐型所不能比擬的。而且廢鋼收得率較高，廢鋼成本相較其他爐型有很大的降本優勢，從而使冶煉成本得到較大程度的降低。

三、結論

在中國倡導綠色鋼鐵生產、智能制造的環境下，ECOARC電爐在溫室氣體排放和二噁英處理中表現出了生態環保電爐所獨有的特性。在廢鋼選擇上，ECOARC電爐以全部適用輕薄料的優良特性，呈現出一定的冶煉成本優勢。在主要技術經濟指標上，ECOARC電爐低的電耗（全廢鋼250kW·h/t）和電極消耗（0.9kg/t）具備強大的競爭優勢。在未來中國電爐的大規模發展時代，鋼廠選擇一個符合政策、環保、產能、成本要求的ECOARC電爐，會使生產運行和經營處于較有利的位置。