电炉冶炼节能(最权威-徐采栋院士)课件

电弧炉冶炼节能电弧炉冶炼节能 徐采栋院士（北京科技大学）（北京科技大学）20102010年年8 8月月1010日日 1.1.引言引言2.2.电弧炉炼钢之单元操作电弧炉炼钢之单元操作电气运行特性电气运行特性3.3.电炉炼钢之反应工程学电炉炼钢之反应工程学过程的能量状过程的能量状况况4.4.电炉炼钢之过程系统和流程学电炉炼钢之过程系统和流程学流程的流程的能量状况能量状况5.5.结语结语1 1 引言引言 电是一种方便、清洁的能源，电力工业的发展促电是一种方便、清洁的能源，电力工业的发展促进了电能在炼钢中的应用。用电进了电能在炼钢中的应用。用电热转换技术为炼热转换技术为炼钢过程提供热量有多种方法，获得工业应用的主要有：钢过程提供热量有多种方法，获得工业应用的主要有：电弧电弧 电磁感应电磁感应 等离子炬等离子炬 电子束电子束 电渣电渣 当前，在炼钢工业生产中占绝对统治地位的是电当前，在炼钢工业生产中占绝对统治地位的是电弧炉炼钢生产技术，一般情况下弧炉炼钢生产技术，一般情况下“电炉炼钢电炉炼钢”即为即为“电弧炉炼钢电弧炉炼钢”。电电炉炉炼炼钢钢的的功功能能在在于于将将冷冷废废钢钢加加工工成成为为成成份份和和温温度度合合格格的的钢钢水水，其其中中包包括括了了供供能能和和冶冶金金两两方方面面的的操操作作。讨讨论电炉炼钢的能量问题，包括三个工程技术问题：论电炉炼钢的能量问题，包括三个工程技术问题：（1）增增加加能能量量供供应应，包包括括电电能能和和其其它它物物理理热热和和化化学学能能，换换取取生生产产率率（104t/a）的的增增加加。电电炉炉的的公公称称容容量量由由20世世纪纪50年年代代的的35吨吨，增增至至120150t以以上上，大大了了4050倍倍；主主 变变 压压 器器 容容 量量 由由 2000kVA左左 右右，增增 至至90100MVA，也也增增大大了了近近50倍倍；单单炉炉的的生生产产率率由由每每年年产产钢钢数数千千吨吨增增至至每每年年产产钢钢100万万吨吨以以上上，增增大大了了100倍倍以上，与之相应的能量供应也大大增加；以上，与之相应的能量供应也大大增加；（2）增增加加输输入入功功率率，包包括括电电功功率率和和单单位位时时间间内内其其它它物物理理热热和和化化学学热热的的供供应应量量，提提高高电电炉炉炼炼钢钢的的生生产产速速率率（104t/t-a），亦亦即即缩缩短短冶冶炼炼周周期期、提提高高生生产产节节奏奏。20世世纪纪50年年代代以以来来，电电炉炉炼炼钢钢的的冶冶炼炼周周期期由由4小小时时降降至至1小小时时以以内内，生生产产速速率率提提高高了了4倍倍以以上上，年年出出钢钢炉炉次次由由不不足足2000次提高至次提高至10000次以上，增长次以上，增长56倍；倍；（3）提提高高能能量量的的利利用用效效率率，按按占占用用电电网网的的容容量量来来计计算算为为单单位位主主变变压压器器容容量量每每年年生生产产的的合合格格钢钢水水量量，即即变变压压器器利利用用系系数数（104t/MVA-a）。每每吨吨钢钢水水所所具具有有的的热热焓焓差差异异不不大大，电电炉炉炼炼钢钢的的节节能能实实际际是是提提高高单单位位能能量量实实现现物物质质转转换换的的效效率率。节节电电，实实质质上上是是提提高高单单位位电电能能生生产产的的合合格格钢水量。钢水量。2 2 电弧炉炼钢之单元操作电弧炉炼钢之单元操作 2.1 2.1 电弧稳定燃烧条件电弧稳定燃烧条件 （1）按电源性质可将电弧分为直流电弧和交流）按电源性质可将电弧分为直流电弧和交流电弧两大类，工业应用的电弧大多数是交流电弧。电弧两大类，工业应用的电弧大多数是交流电弧。理想的交流电弧的电压和电流为正弦波形，其理想的交流电弧的电压和电流为正弦波形，其电压、电流和极性随时间周期性地改变。交流电弧电压、电流和极性随时间周期性地改变。交流电弧的电压和电流每一个周期会改变两次方向，若采用的电压和电流每一个周期会改变两次方向，若采用50Hz电源，其电压及电流在电源，其电压及电流在1秒内通过秒内通过0点的次数点的次数为为100次，且改变方向。次，且改变方向。为为了了保保证证电电弧弧的的燃燃烧烧，两两电电极极端端面面之之间间，应应有有一一定定数数量量的的带带电电质质点点之之，并并要要求求有有一一定定强强度度的的电电场场、也也就就是是应应有有一一定定大大小小的的电电弧弧电电压压。电电弧弧开开始始燃燃烧烧的的电电压压称称为为起起弧弧电电压压或或燃燃弧弧电电压压。若若外外电电路路电电抗抗x x0 0，电电弧弧电电流流和和电电弧弧电电压压同同相相。在在外外电电压压U U小小于于起起弧弧电电压压时时，电电弧弧熄熄灭灭，电电流流为为0 0。在在时时间间横横轴轴上上，电电源源电电压压过过0 0点点的的前前后后就就有有一一段段时时间间间间隔隔，此此时时电电弧弧是是熄熄灭灭的的，这这就就是是交交流流电电弧弧燃燃烧烧不不稳定的根源。稳定的根源。为为了了不不灭灭弧弧，要要求求电电路路有有一一定定的的感感性性，在在炼炼钢钢情情况况下，要求的理论值是功率因数下，要求的理论值是功率因数cos 0.866cos 0.866。（2 2）交流电弧炉炼钢过程中产生谐波的主要原因：）交流电弧炉炼钢过程中产生谐波的主要原因：电弧的电阻不恒定，造成电弧电流的非正弦畸变。电弧的电阻不恒定，造成电弧电流的非正弦畸变。交交流流电电的的正正负负半半周周中中石石墨墨电电极极和和钢钢交交替替做做阴阴极极和和阳阳极，电流的正负两个半周的波形不对称，形成偶次谐波。极，电流的正负两个半周的波形不对称，形成偶次谐波。三相电弧不均匀，导致三次谐波。三相电弧不均匀，导致三次谐波。供电系统连结的各种谐波源导致各种谐波的形成。供电系统连结的各种谐波源导致各种谐波的形成。实测的电流波形和相应的谐波构成实测的电流波形和相应的谐波构成南钢南钢100t/60MVA100t/60MVA电弧炉电弧炉2.2 2.2 三相交流电路三相交流电路 在在工工程程技技术术中中要要求求交交流流电电弧弧炉炉炼炼钢钢过过程程的的三三相相不不平平衡衡均均值值小小于于5 5，大大型型三三相相交交流流电电炉炉炼炼钢钢过过程程的的实实测测结结果果表表明：电流、电压和功率均符合三相平衡的工程技术要求。明：电流、电压和功率均符合三相平衡的工程技术要求。三相不平衡实测结果，南钢三相不平衡实测结果，南钢100t/60MVA100t/60MVA高阻抗电弧炉高阻抗电弧炉电流，电流，A A电压，电压，kVkV有功功率，有功功率，kWkW无功功率，无功功率，kVARkVAR视在功率，视在功率，kVAkVAA A相相1176.71176.730.6830.68165011650112502125022076220762B B相相1139.21139.230.8130.81160641606412376123762034320343C C相相1165.61165.630.5930.59166081660811903119032049420494平均值平均值1160.501160.5030.6930.69163911639112260122602053320533标准差标准差19.2619.260.110.11288.20288.20315.81315.81212.21212.21标准差比标准差比1.66%1.66%0.36%0.36%1.76%1.76%2.58%2.58%1.03%1.03%2.3 2.3 交流电炉炼钢过程电气运行电工原理交流电炉炼钢过程电气运行电工原理 根根据据电电工工学学原原理理和和电电炉炉主主电电路路的的有有关关数数据据，对对给给定定的的次次级级电电压压、线线路路电电阻阻和和电电抗抗得得到到电电弧弧功功率率、变变压压器器有有功功功功率率、无无功功功功率率和和视视在在功功率率及及其其他他有有关关重重要要的的运运行行参参数数随随电电极极电电流流变变化化的的曲曲线线图图，称称之之为为电电炉炉炼炼钢钢过过程程的的理理论论电电气气运运行曲线，利用该曲线图中可以得出允许工作电流范围。行曲线，利用该曲线图中可以得出允许工作电流范围。将将炉炉子子变变压压器器各各级级次次级级电电压压下下的的电电气气运运行行情情况况可可绘绘成成电气圆图，电气圆图定量地给出了电弧炉的操作区间。电气圆图，电气圆图定量地给出了电弧炉的操作区间。2.4 2.4 现代电炉炼钢过程的实际电气运行特性现代电炉炼钢过程的实际电气运行特性 （1 1）2020世世纪纪6060年年代代，超超高高功功率率电电炉炉的的出出现现使使电电弧弧炉炉炼炼钢钢得得到到飞飞速速发发展展，大大型型化化、超超高高功功率率化化成成为为现现代代电电炉炉炼炼钢钢的的主主流流。现现代代电电炉炉主主变变压压器器容容量量，达达到到6060100MVA100MVA。为为了了提提高高炉炉子子的的工工作作效效率率、避避免免电电极极电电流流过过大大，电电弧弧炉炉的的操操作作方方式式发发生生了了改改变变。其其特特征征是是：高高功功率率因因数、高电压、低电流操作，如图数、高电压、低电流操作，如图2-32-3和图和图2-42-4所示。所示。图图2-4 2-4 超高功率电炉与小电炉超高功率电炉与小电炉电气运行特性的比较电气运行特性的比较 图图2-3 10t2-3 10t电炉电气运行特性电炉电气运行特性 现现代代超超高高功功率率电电炉炉炼炼钢钢电电气气操操作作方方式式的的显显著著变变化化是是工工作作点点位位置置的的变变化化，普普通通功功率率小小电电炉炉，操操作作区区间间的的功功率率因因数数小小于于0.7070.707，如如图图2-32-3所所示示，工工作作点点较较接接近近短短路路状状态态，操操作作电电抗抗接接近近短短路路电电抗抗，传传统统的的电电炉炉运运行行工工作点的工程计算模型是适用的。作点的工程计算模型是适用的。而而大大型型超超高高功功率率电电炉炉的的操操作作区区间间的的功功率率因因数数接接近近于于0.860.86，如如图图2-42-4的的阴阴影影区区域域，工工作作电电流流不不到到短短路路电电流流的的二二分分之之一一，该该工工况况下下谐谐波波的的影影响响、非非线线性性操操作作电电抗抗的的影影响响不不可可忽忽略略。现现代代电电炉炉运运行行工工作作点点的的工工程程分分析析必必须建立在非线性工作电抗模型的基础上。须建立在非线性工作电抗模型的基础上。（2 2）根根据据电电工工学学原原理理，可可知知，在在交交流流电电弧弧电电路路中中，由由于于高高次次谐谐波波的的存存在在，实实际际操操作作电电抗抗XopXop是是各各高高次次谐谐波波产生的感抗的加和，即：产生的感抗的加和，即：Xop实测操作电抗和电极电流的关系如图实测操作电抗和电极电流的关系如图2-52-5。图图2-5 2-5 操作电抗与电极电流的关系（操作电抗与电极电流的关系（90MVA90MVA）（3 3）由于操作电抗的非线性，电弧炉炼钢的实际电）由于操作电抗的非线性，电弧炉炼钢的实际电气运行曲线与传统的理论曲线已经有所不同。气运行曲线与传统的理论曲线已经有所不同。图图2-6 2-6 理论电气运行特性图理论电气运行特性图 图图2-7 2-7 实际电气运行特性图实际电气运行特性图 变压器容量变压器容量100MVA100MVA电压级别电压级别865V 865V 变压器容量变压器容量100MVA100MVA电压级别电压级别865V865V Xop=1.2*Xsc Xop=3.29*exp Xop=1.2*Xsc Xop=3.29*exp（15.871/I215.871/I2）2.5 2.5 工作点总表和许用工作点总表工作点总表和许用工作点总表 工工作作点点总总表表描描述述了了在在每每个个电电压压级级别别下下各各电电极极工工作作电电流流（点点）处处的的电电流流功功率率或或有有功功功功率率。根根据据非非线线性性工工作作电电抗抗模模型型得得到到的的工工作作点点总总表表，更更为为贴贴近近电电炉炉炼炼钢钢的的实实际际情情况。况。按按两两方方面面指指标标，对对工工作作点点总总表表予予以以判判别别，功功率率因因数数是是否否过过高高，不不能能稳稳定定运运行行；变变压压器器容容量量或或工工作作电电流流是否过载，不宜长期使用；得到许用工作点总表。是否过载，不宜长期使用；得到许用工作点总表。级级U2(V)Curve1Curve2Curve3Curve4Curve5Curve635892*34865*33839*32811*3119级级均可安全稳定运行均可安全稳定运行表中表中变压器过载严重，不宜长期使用；变压器过载严重，不宜长期使用；变压器略有过载；变压器略有过载；*cos太高，不能稳定运行；太高，不能稳定运行；*cos值过高，不宜使用；值过高，不宜使用；可安全、稳定运行。可安全、稳定运行。表表2-2 2-2 许用工作点总表的评价许用工作点总表的评价2.6 2.6 供电曲线供电曲线 制制定定交交流流电电弧弧炉炉供供电电曲曲线线的的总总的的目目标标是是快快节节奏奏、低低成成本本地地冶冶炼炼出出合合格格钢钢水水。制制定定的的供供电电曲曲线线要要能能够够安安全全、稳稳定定运运行行，同同时时兼兼顾顾生生产产节节奏奏，即即：保保证证电电炉炉变变压压器器承承受受的的视视在在功功率率不不过过载载；电电弧弧稳稳定定高高效效燃燃烧烧；电电压压有有载载切切换换次次数数尽尽可能少。可能少。一般来说，制定供电曲线主要从两方面来考虑：一般来说，制定供电曲线主要从两方面来考虑：能量需求；能量需求；能量的有效利用。能量的有效利用。某原料状况用的供电曲线某原料状况用的供电曲线南钢南钢100t/60MVA100t/60MVA电弧炉电弧炉2.7 2.7 高阻抗电弧炉高阻抗电弧炉 传传统统的的小小型型电电炉炉炼炼钢钢，常常采采用用“挂挂电电抗抗”的的运运行行方方式式：在在电电炉炉变变压压器器之之前前串串联联一一定定阻阻抗抗的的电电抗抗器器，使使运运行行的的工工作作点移至点移至cos cos 0.650.65的区间，在该工况下弧光短而稳定。的区间，在该工况下弧光短而稳定。为为了了抑抑制制大大型型现现代代电电炉炉炼炼钢钢对对电电网网产产生生的的电电冲冲击击，8080年年代代出出现现了了高高阻阻抗抗电电弧弧炉炉技技术术在在主主电电路路中中串串联联电电抗抗器器并并采采用用较较高高的的二二次次侧侧工工作作电电压压，其其优优点点是是电电炉炉工工作作电电流流降降低低1/31/3左左右右，相相应应的的二二次次电电路路和和石石墨墨电电极极的的几几何何尺尺寸寸减减小小，设设备备投投资资和和运运行行中中电电损损失失减减小小，炉炉子子运运行行对对电电网网冲冲击击减减轻轻。高阻抗电弧炉技术在国内高阻抗电弧炉技术在国内303060MVA60MVA范围内受到欢迎。范围内受到欢迎。其缺点是：其缺点是：（1 1）增加了一套电抗器，设备投资和运行成本都）增加了一套电抗器，设备投资和运行成本都有所增加；有所增加；（2 2）主电路二次侧电压提高，甚至超过）主电路二次侧电压提高，甚至超过10001000伏，伏，对操作人员人力安全和设备的安全不利。对操作人员人力安全和设备的安全不利。因此，对大于因此，对大于70MVA70MVA的电炉供电是否采用高阻抗技的电炉供电是否采用高阻抗技术尚需慎重考虑。术尚需慎重考虑。2.8 2.8 直流电弧炉直流电弧炉 最最早早见见诸诸报报道道的的电电弧弧炼炼钢钢炉炉就就是是采采用用直直流流电电弧弧，二二十十世世纪纪8080年年代代，大大型型整整流流技技术术的的工工程程应应用用促促进进了了直直流流电电炉炼钢技术的发展，见图炉炼钢技术的发展，见图2-92-9。图图2-9 2-9 直流电弧炉的发展直流电弧炉的发展 交流电弧炉炼钢过程中种种问题源于交流电每秒交流电弧炉炼钢过程中种种问题源于交流电每秒100100次通过零点，阴极和阳极频繁互换。显然，直流电弧的稳次通过零点，阴极和阳极频繁互换。显然，直流电弧的稳定性要优越得多；直流电穿透熔池并引起熔池强烈搅拌，定性要优越得多；直流电穿透熔池并引起熔池强烈搅拌，导致熔池传热效率提高。直流电弧的电压、电流、功率的导致熔池传热效率提高。直流电弧的电压、电流、功率的可操控性较好等，都是直流电弧的明显优点。可操控性较好等，都是直流电弧的明显优点。直流电弧炉的主要缺点是大型整流装置投资较高；运直流电弧炉的主要缺点是大型整流装置投资较高；运行中产生的偏弧和谐波对策亦需较多装备；大功率直流电行中产生的偏弧和谐波对策亦需较多装备；大功率直流电弧炉石墨电极的制造和底电极装备也是重要的技术限制。弧炉石墨电极的制造和底电极装备也是重要的技术限制。国内一般对直流电弧炉认识较为负面，对此尚需进行国内一般对直流电弧炉认识较为负面，对此尚需进行更为充分的工程技术分析。更为充分的工程技术分析。工工业业化化炼炼钢钢生生产产的的基基本本特特点点一一是是巨巨量量性性，即即高高的的生生产产率率和和高高的的生生产产速速率率；二二是是重重现现性性，即即过过程程和和产产品品的的可可精精确确控控制制。为为此此，工工业业化化炼炼钢钢生生产产应应在在高高温温、熔熔融融状状态态下下进进行行，与之相应的是炼钢过程所需要大量的热能。与之相应的是炼钢过程所需要大量的热能。从从能能量量利利用用的的角角度度，可可以以认认为为炼炼钢钢是是以以能能量量换换取取钢钢产产量量，或或者者说说是是以以功功率率换换取取生生产产速速率率。理理论论计计算算指指出出每每吨吨1560156015701570的普通钢液具有的热焓约为的普通钢液具有的热焓约为380kWh380kWh。电电炉炉炼炼钢钢过过程程的的能能量量状状况况，取取决决于于炉炉料料结结构构、能能源源结结构和炉型三方面的影响。构和炉型三方面的影响。3 3 电炉炼钢过程的能量状况电炉炼钢过程的能量状况3.1 3.1 炉料结构的讨论炉料结构的讨论 对对以以下下五五种种特特定定的的炉炉料料状状况况进进行行物物料料衡衡算算和和能能量量衡算，以便定量的讨论炉料结构的影响。衡算，以便定量的讨论炉料结构的影响。炉料全部为冷低碳废钢炉料全部为冷低碳废钢 炉料全部为冷生铁炉料全部为冷生铁 炉料全部为热铁水炉料全部为热铁水 炉料全部为冷直接还原铁炉料全部为冷直接还原铁 传传统统的的电电炉炉炼炼钢钢炉炉料料结结构构：炉炉料料中中冷冷废废钢钢占占8585，冷生铁占，冷生铁占1515。由典型炉料结构下的能量状况可以看出：由典型炉料结构下的能量状况可以看出：（1 1）使使用用冷冷废废钢钢、冷冷生生铁铁和和冷冷直直接接还还原原铁铁做做原原料料，冶冶炼炼过过程程都都需需要要由由外外热热源源补补充充热热量量；使使用用热热铁铁水水做做原原料料，炼炼钢钢过过程程能能量量有有富富余余，约约合合每每吨吨钢钢水水富富余余75.8 75.8 kWhkWh，即即允许补加近允许补加近2020的冷废钢。的冷废钢。（2 2）实实际际的的炼炼钢钢过过程程使使用用的的炉炉料料结结构构，可可认认为为是是上上述理想状况的不同搭配。述理想状况的不同搭配。炉炉料料中中使使用用其其他他含含铁铁原原料料取取代代1 1的的冷冷废废钢钢引引起起能能量量收支的变化，理论数值约为：收支的变化，理论数值约为：配加配加1 1的冷生铁的冷生铁 冶炼电耗减少冶炼电耗减少 1.181.18kWh/t-steelkWh/t-steel配加配加1 1的热铁水的热铁水 冶炼电耗减少冶炼电耗减少 4.664.66kWh/t-steelkWh/t-steel配加配加1 1的的DRIDRI 冶炼电耗增加冶炼电耗增加 1.241.24 kWh/t-steelkWh/t-steel3.2 3.2 能源构成的讨论能源构成的讨论（1 1）电能是基本的能源）电能是基本的能源 电电炉炉炼炼钢钢的的重重要要功功能能是是废废钢钢铁铁料料的的回回收收再再利利用用，二二次次精精炼炼的的在在线线化化使使传传统统的的电电炉炉炼炼钢钢三三期期操操作作转转化化为为以以熔熔化化功功能能为为主主的的操操作作，能能量量的的供供应应在在电电炉炉炼炼钢钢技技术术中中所所占占的地位进一步凸显。的地位进一步凸显。传传统统的的电电炉炉炼炼钢钢炉炉料料以以冷冷废废钢钢为为主主，配配10101515的的冷冷生铁，每吨钢水所缺热能约生铁，每吨钢水所缺热能约390390 374 kWh/t-steel 374 kWh/t-steel。冷废钢、冷生铁比例为冷废钢、冷生铁比例为8585：1515，即炉料结构，即炉料结构，每吨，每吨成品钢水需补充热能成品钢水需补充热能373.8kWh/t373.8kWh/t。按出钢量按出钢量100t100t计，则总共需向熔池补充计，则总共需向熔池补充37.4MWh37.4MWh的热的热能。取有效供能时间为能。取有效供能时间为45min45min（0.75hr0.75hr），热效率为），热效率为0.80.8，则供热能源功率应为：则供热能源功率应为：37.4/37.4/（0.80.80.750.75）=62.3 MW=62.3 MW 在现有的工程技术条件下，每支氧燃烧嘴的功率仅为在现有的工程技术条件下，每支氧燃烧嘴的功率仅为2 23MW3MW，可见较为合适的大功率热源首选是电弧。用化学，可见较为合适的大功率热源首选是电弧。用化学能为热源的尝试，如能为热源的尝试，如EOFEOF技术，都未能获得成功的生产应技术，都未能获得成功的生产应用效果。用效果。（2 2）提高变压器功率级别）提高变压器功率级别 不不考考虑虑其其他他能能源源，全全部部由由交交流流电电弧弧供供热热，可可求求出出变变压压器容量应为：器容量应为：82.4 MVA82.4 MVA。若若按按传传统统的的小小电电炉炉炼炼钢钢电电气气运运行行的的概概念念操操作作，变变压压器器容量应为：容量应为：106.5 MVA106.5 MVA 可可见见，大大容容量量、高高生生产产率率的的现现代代电电炉炉，其其电电气气运运行行状状态态必必须须是是：高高的的变变压压器器功功率率级级别别；高高的的功功率率因因数数运运行行；相相应应的的较较高高电电压压级级别别，尽尽量量低低的的工工作作电电流流。否否则则，变变压压器器容容量量太太大大、电电极极工工作作电电流流太太大大，电电网网能能力力利利用用率率太太低低。这一点，已于前文这一点，已于前文2 2中讨论。中讨论。（3 3）辅助能源和强化用氧）辅助能源和强化用氧 电炉炼钢中辅助能源的利用首先是吹氧助熔、切割炉电炉炼钢中辅助能源的利用首先是吹氧助熔、切割炉料、加热冷区、活跃熔池。随着电炉容量的增加、生产速料、加热冷区、活跃熔池。随着电炉容量的增加、生产速率的加快，电炉炼钢过程中使用辅助能源日益受到重视。率的加快，电炉炼钢过程中使用辅助能源日益受到重视。辅助能源以化学能为主，其效果有：辅助能源以化学能为主，其效果有：补充电能的不足，提高电炉炼钢生产率和生产效率；补充电能的不足，提高电炉炼钢生产率和生产效率；用较廉价的化学能，部分代替电能；用较廉价的化学能，部分代替电能；用氧气和氧燃烧嘴加热冷区、改善传热、提高热效率用氧气和氧燃烧嘴加热冷区、改善传热、提高热效率 二次燃烧。二次燃烧。按德国巴登钢厂数据核算结果和按天津钢管公司的生按德国巴登钢厂数据核算结果和按天津钢管公司的生产数据核算结果（产数据核算结果（20032003年）列于表年）列于表3-23-2和表和表3-33-3。（4 4）利用余热预热废钢）利用余热预热废钢 用用炼炼钢钢过过程程产产生生的的废废气气预预热热废废钢钢是是真真正正意意义义的的“节节能能”，8080年年代代以以后后才才有有成成功功的的工工程程应应用用，如如双双炉炉壳壳、FuchsFuchs炉以及炉以及ConsteelConsteel炉等。炉等。电能400kwh/t(63.5%)烧嘴供热40kwh/t(6.5%)反应放热190kwh/t(30%)总能量630kwh/t废气带走热135kwh/t(21%)其它热损失10kwh(2%)冷却水带走热50kwh/t(8%)渣需热50kwh(8%)钢水需热385kwh/t(61%)电能285kwh/t（49%）烧嘴供热50kwh/t(9%)反应放热190kwh/t(32.5%)预热炉料带入热55kwh/t(9.5%)废气带走热65kwh/t(11%)其它热损失10kwh/t(2%)冷却水带走热70kwh/t(12%)渣需热50kwh/t(9%)总能量580kwh/t(100%)525kwh/t(90.5%)钢水需热385kwh/t(66%)图3-1 Fuchs能量利用图（5 5）后燃烧）后燃烧(Post)(Post)电电炉炉炼炼钢钢过过程程可可利利用用的的“废废弃弃”能能量量还还有有逸逸出出的的炉炉气气中中的的COCO所所携携带带的的化化学学余余热热，COCO氧氧化化生生成成COCO2 2的的二二次次燃燃烧烧所所释释放放出出的的热热能能约约是是碳碳氧氧化化生生成成COCO的的两两倍倍。然然而而，电电炉炉炼炼钢钢过过程程产产生生的的炉炉气气的的收收集集、后后燃燃烧烧技技术术以以及及二二次次燃燃烧烧产产生生的的热热量量的的回回收收尚尚有有较较大大的的节节能能潜潜力力。在在废废钢钢预预热热装装置置中中回回收收二二次次燃燃烧烧产产生生的的热热量量是是一一个个合合理理的的考虑。考虑。按按前前文文2 2所所述述工工况况，炉炉气气带带走走的的化化学学预预热热约约为为10 kWh/t10 kWh/t。3.3 3.3 炉型结构炉型结构 炼炼钢钢电电炉炉炉炉型型基基于于以以电电弧弧为为高高温温热热源源，较较少少考考虑虑熔熔池池中的反应热，形状较为扁平，与氧气转炉有较大的区别。中的反应热，形状较为扁平，与氧气转炉有较大的区别。电炉：熔池体积电炉：熔池体积V13.9m3转炉：熔池体积转炉：熔池体积V13.9m3熔池深度熔池深度h880mm熔池深度熔池深度h1170mm熔池直径熔池直径D5988mm熔池直径熔池直径D4372mm熔池径深比：熔池径深比：D/h6.805熔池径深比：熔池径深比：D/h3.737熔池上表面积熔池上表面积S27.21m2熔池上表面积熔池上表面积S15m2比上表面积比上表面积S/V2.13m-1比上表面积比上表面积S/V1.18m-1100t2.994100t4.1 4.1 电炉炼钢与流程下游工序的匹配电炉炼钢与流程下游工序的匹配 电电炉炉炼炼钢钢在在流流程程中中的的功功能能：以以一一定定的的速速率率将将原原料料加加工工成成份和温度都合格的钢液，主要特征有两点：成成份和温度都合格的钢液，主要特征有两点：（1 1）电电炉炉炼炼钢钢过过程程是是间间歇歇性性操操作作，为为保保证证实实现现多多炉炉连连浇浇，能能量量输输入入应应与与之之匹匹配配。冶冶炼炼周周期期的的缩缩短短使使通通电电时时间间相相应应缩缩短短、非非通通电电时时间间所所占占比比例例增增大大。这这对对电电源源能能力力的的利利用用是是不不合合理理的的。在在当当前前，每每座座电电炉炉每每年年出出钢钢次次数数应应为为70007000至至1000010000次，即次，即0.70.71.01.010104 4t/t-at/t-a。4 4 电炉炼钢流程的能量状况电炉炼钢流程的能量状况（2）电电炉炉炼炼钢钢提提供供的的合合格格钢钢水水是是保保证证下下游游各各工工序序高高效效、流流畅畅运运行行的的物物质质基基础础，电电炉炉炼炼钢钢的的生生产产率率应应与与热热轧轧生生产产率率相相匹匹配配。在在6070年年代代，长长型型材材的的热热连连轧轧机机组组的的生生产产率率约约为为30万万t/a，若若电电炉炉炼炼钢钢的的年年生生产产速速率率为为0.5104t/a-t，相相应应的的电电炉炉容容量量为为60t。当当前前长长型型材材热热连连轧轧机机组组的的生生产产率率已已提提高高至至7080104t/t-a，相相应应的的电电炉炉容容量量应应为为70100 t。单单流流的的薄薄板板坯坯连连铸铸连连轧轧流流程程生生产产率率为为100120104t/a，炼钢电炉的容量可取，炼钢电炉的容量可取120150t。热热连连轧轧生生产产率率达达到到200104t/a以以上上，炼炼钢钢电电炉炉容容量量将将超超过过200t，由由于于电电炉炉变变压压器器、石石墨墨电电极极等等技技术术条条件件所所限限，已不合理，故热轧宽带企业不宜配用电炉炼钢。已不合理，故热轧宽带企业不宜配用电炉炼钢。4.2电炉炼钢与流程上游工序的匹配电炉炼钢与流程上游工序的匹配（1）如如前前所所述述，传传统统的的电电炉炉炼炼钢钢使使用用废废钢钢为为主主要要原原料料，配配入入1015的的生生铁铁块块以以保保证证一一定定的的配配碳碳量量。在在吹吹氧氧助助熔熔的的条条件件下下，冷冷炉炉料料产产生生的的化化学学热热量量也也不不多多，冶冶炼炼过过程程需要外界大量的热能。需要外界大量的热能。电电炉炉炼炼钢钢工工序序能能耗耗约约为为250300kgce，略略高高于于国国际际钢钢铁协会铁协会IISI的结果。的结果。（2）使使用用不不同同比比例例的的热热铁铁水水作作为为原原料料，电电炉炉炼炼钢钢工工序序取取得得了了明明显显的的效效益益，其其主主要要原原因因是是热热铁铁水水是是具具有有很很高高的的物理热和化学热的载能体，且成本较低。物理热和化学热的载能体，且成本较低。热铁水所携带的物理热和化学热来自于前道高炉炼铁热铁水所携带的物理热和化学热来自于前道高炉炼铁工序。根据某些企业工序。根据某些企业300380m3高炉的实际数据计算，生高炉的实际数据计算，生产一吨热铁水，高炉炼铁工序的能耗大约是产一吨热铁水，高炉炼铁工序的能耗大约是377kgce，折，折合合3080kWh/t-iron。考虑烧结、球团和焦化等工序，折合到每吨热铁水的考虑烧结、球团和焦化等工序，折合到每吨热铁水的能耗大约是能耗大约是500500550 kgce/t-iron550 kgce/t-iron，即，即408440844493kWh/t-4493kWh/t-ironiron，而热装铁水带到电炉炼钢过程中的物理热和化学能，而热装铁水带到电炉炼钢过程中的物理热和化学能共计只有共计只有600600650 kWh/t-iron650 kWh/t-iron。（3）目目前前国国内内电电炉炉配配加加热热铁铁水水的的比比例例约约为为2530左左右右。按按年年产产100万万吨吨钢钢计计，需需铁铁水水3035万万吨吨/年年，所所配配高高炉炉容容积为积为300350m3。（4）直接还原铁的使用）直接还原铁的使用使使用用直直接接还还原原铁铁为为电电炉炉炼炼钢钢提提供供纯纯净净铁铁源源是是近近年年来来国国际际上上重重要要的的发发展展方方向向。世世界界范范围围内内各各种种直直接接还还原原铁铁的的产产量量自自1990年年以以来来已已增增加加了了一一倍倍多多，近近年年来来产产量量与与电电炉炉钢钢产产量量之比大约为之比大约为15，已成为电炉炼钢重要的铁源。，已成为电炉炼钢重要的铁源。当当前前，国国内内最最大大的的直直接接还还原原铁铁生生产产厂厂属属天天津津钢钢管管有有限限公司，每吨直接还原铁的能耗约为公司，每吨直接还原铁的能耗约为9001000kgce。4.3 4.3 电炉炼钢流程是再生流程电炉炼钢流程是再生流程 将将电电炉炉炼炼钢钢置置于于铁铁元元素素利利用用的的大大循循环环之之中中，得得到到图图4-14-1。可以看出：。可以看出：（1 1）电电炉炉炼炼钢钢流流程程主主要要以以社社会会废废钢钢为为原原料料，是是一一类类再再生生流流程程、静静脉脉流流程程。由由于于废废钢钢不不足足而而补补充充的的直直接接还还原原铁和热铁水则取自矿物，属于不可再生资源。铁和热铁水则取自矿物，属于不可再生资源。（2 2）与与高高炉炉/转转炉炉流流程程相相比比，电电炉炉炼炼钢钢流流程程在在炼炼钢钢工工序序之之前前工工序序很很少少，因因之之称称为为“短短流流程程”或或“再再生生流流程程”、或、或“静脉流程静脉流程”、或、或“废钢废钢电炉流程电炉流程”。提取流程（动脉）提取流程（动脉）再生流程（静脉）再生流程（静脉）（3）废废钢钢电电炉炉炼炼钢钢连连铸铸热热连连轧轧形形成成的的单单通通道道生生产产流流程程短短而而紧紧凑凑，称称之之为为“小小钢钢厂厂”。其其后后年年生生产产率率逐逐渐渐增增加加至至5080万万吨吨/年年，甚甚至至达达到到100万万吨吨/年年以以上上。小小钢钢厂厂的的大大量量出出现现是是60年年代代以以后后电电炉炉钢钢产产量量和和比比重持续增长的重要原因。重持续增长的重要原因。（4 4）国际钢铁工业协会）国际钢铁工业协会IISIIISI给出的两类流程的能给出的两类流程的能量的数据，列于表量的数据，列于表4-14-1。输入能量输入能量(1t(1t粗钢粗钢)输出能量输出能量(1t(1t粗钢粗钢)矿石钢铁联合企业废钢小钢厂矿石钢铁联合企业废钢小钢厂煤5333.3kWh煤/焦125kWh蒸汽1444.4kWh蒸汽1444.4kWh电944.4kWh电972.2kWh电1527.8kWh煤焦油250kWh氧气83.3kWh氧气56.9kWh苯83.3kWh天然气11.1kWh天然气361.1kWh=2722.1kWh电极33.3kWh净能耗BF/BOF是EAF的2.4倍7844.3kWh=2104.1kWh总能耗BF/BOF是EAF的3.4倍4.4 我国大电炉炼钢生产实绩 本文选用四家不同工况的电炉的炼钢生产实绩来说明我国电炉炼钢的能量状况。（1）基本情况，见表4-2。厂厂家家天津钢管公司天津钢管公司安阳钢铁公司安阳钢铁公司韶关钢铁公司韶关钢铁公司兴澄钢铁公司兴澄钢铁公司炉炉型型普通普通FuchsConsteel直流电弧炉直流电弧炉炉容（炉容（t）15010090100主变压器（主变压器（MVA）90726090主要钢类主要钢类合金钢合金钢优钢优钢优钢优钢合金钢合金钢变压器功率级别变压器功率级别MVA/t0.600.720.670.9（2）主要工况，见表4-3。表4-3 各厂原料结构和有关指标（2003年至2004年月报）厂厂家家天管天管安阳安阳韶关韶关兴澄兴澄原原废钢废钢47.8471.9870.0753.97料料热铁水热铁水14.1721.9523.3542.96结结冷生铁冷生铁13.486.066.573.06构构直还铁直还铁24.51000指指标标冶炼炉数冶炼炉数（炉（炉/月）月）608798633711成坯量成坯量104t/a99.55103.4275.0887.11单炉成坯量单炉成坯量t/炉炉142.29108.3198.43101.96冶炼周期冶炼周期min61.4144.4351.4749.25氧气消耗氧气消耗m3/t-坯坯44.9947.6227.7264.92电能消耗电能消耗kWh/t-坯坯379.39261.22307.48193.27炉容利用系数炉容利用系数t/t-a7299958076048531变压器利用系数变压器利用系数104t/MVA-a1.16111.43641.25140.9679（3）基本的评价）基本的评价天天津津、安安阳阳的的电电炉炉两两年年的的年年平平均均产产钢钢量量达达到到100万万吨吨，韶韶关关和和兴兴澄澄的的单单台台电电炉炉年年平平均均产产钢钢量量也也达达到到了了7587万万吨吨/年年。表表明明我我国国大大型型电电炉炉炼炼钢钢的的生生产产率率已已接接近近国国际际先先进进水水平平，我我国国电电炉炉炼炼钢钢流流程程实实现现单单通通道道的的高高效效化化生生产产已已具具备了基本的工程技术基础。备了基本的工程技术基础。电电炉炉炼炼钢钢的的生生产产速速率率达达到到了了7000次次9500次次，分分别别按按年年日日历历作作业业时时间间8760小小时时和和年年额额定定工工作作时时间间7000小小时时计计算算，平平均均冶冶炼炼周周期期如如表表所所列列。大大型型电电炉炉炼炼钢钢的的平平均均生生产产节节奏奏已已居居国国际际先先进进水水平平。我我国国大大型型电电炉炉炼炼钢钢生生产产技技术术、管管理理水平和流程的通畅都达到了很高的水平。水平和流程的通畅都达到了很高的水平。表表4-4 4-4 三家电炉炼钢的平均冶炼周期三家电炉炼钢的平均冶炼周期天管安阳韶关兴澄炉容利用系数t/t-a7279958096038531年作业时间hr8760876087607003表现平均冶炼周期min72.254.949.149.25额定年作业时间h7000700070007000额定平均冶炼周期min57.743.855.249.08三三座座交交流流电电弧弧炉炉的的单单位位变变压压器器容容量量的的年年利利用用系系数数达达到到1100014000t/MVA-a，已已居居国国际际领领先先水水平平（直直流流炉炉变变压压器器容容量量较较大大，不不可可比比）。该该指指标标描描述述的的是是单单位位供供电电容容量量一一年年所所生生产产的的合合格格钢钢坯坯（水水）量量，表表述述了了用用能能量量换换取取产产量量的的效效率率，由由于于各各厂厂使使用用的的原原料料结结构构不不同，这项指标尚缺乏可比性。同，这项指标尚缺乏可比性。考考虑虑到到热热铁铁水水带带入入的的热热能能较较多多，折折算算结结果果一一并并列列于于表表4-5。折折算算后后的的利利用用系系数数数数值值虽虽然然有有所所降降低低，但但仍仍能能在在10000t/MVA-a左左右右，表表明明我我国国大大电电炉炉炼炼钢钢的的能能量量利用水平也已达到国际先进水平。利用水平也已达到国际先进水平。表表4-5 4-5 折算后的各项指标折算后的各项指标天管安阳韶关兴澄变压器容量MVA90726090公称功率级别kVA/t600720667900热铁水量14.1721.9323.3542.96折算后功率级别MVA/t6999228701577.8利用系数t/MVA-a1161114364125149679折算后利用系数t/MVA-a99651121195925520.9天管天管安阳安阳韶关韶关兴澄兴澄实际电耗实际电耗kWh/t-kWh/t-坯坯379.39379.39261.22261.22307.48307.48193.27193.27热铁水量热铁水量14.1714.1721.9521.9523.3523.3542.9642.96冷生铁量冷生铁量13.4813.486.066.066.576.573.063.06直还铁量直还铁量24.5124.510 00 00 0折算后电耗折算后电耗kWh/tkWh/t430.94430.94370.76370.76424.15424.15397.25397.25四座电炉炼钢冶炼电能消耗为四座电炉炼钢冶炼电能消耗为193379kWh/t-坯，坯，直观上已达到国际领先水平。直观上已达到国际领先水平。由于所用原料结构不同，为此，利用本文第由于所用原料结构不同，为此，利用本文第3部分中部分中的数据进行修正，折算后的结果为每吨钢坯的冶炼电耗的数据进行修正，折算后的结果为每吨钢坯的冶炼电耗约为约为370430kWh/t，与国际先进水平相当。，与国际先进水平相当。（4 4）电耗与热铁水配比的关系）电耗与热铁水配比的关系 四四座座电电炉炉共共9595个个月月的的冶冶炼炼电电耗耗与与热热铁铁水水配配比比数数据据的的简简单相关关系绘于图单相关关系绘于图4-24-2。线性回归式为：。线性回归式为：SECSEC417.5-5.17417.5-5.17（ironiron）该该式式表表明明炉炉料料中中热热铁铁水水配配比比增增加加1 1，相相应应的的吨吨坯坯电电耗减少耗减少5.17 kWh5.17 kWh，与前文中的理论分析，大致可相互印证。，与前文中的理论分析，大致可相互印证。四厂电炉原料中铁水比例与实际冶炼电耗的关系四厂电炉原料中铁水比例与实际冶炼电耗的关系 (n=95 R=0.8746 *)(n=95 R=0.8746 *)图图4-2 4-2 原料中铁水比例与实际电耗的关系图原料中铁水比例与实际电耗的关系图四厂电炉原料中铁水比例与折算冶炼电耗的关系四厂电炉原料中铁水比例与折算冶炼电耗的关系(n=95 R=0.135)(n=95 R=0.135)4-3 4-3 原料中铁水比例与折算电耗的关系原料中铁水比例与折算电耗的关系 考虑到炉料结构的影响，采用折算电耗，得到散点图考虑到炉料结构的影响，采用折算电耗，得到散点图4-34-3，其相关性的信度水准很差，这表明：热铁水配比增，其相关性的信度水准很差，这表明：热铁水配比增加，能量利用没有改善。加，能量利用没有改善。（5 5）电耗与利用系数之间的关系）电耗与利用系数之间的关系 冶冶炼炼电电耗耗与与炉炉容容利利用用系系数数及及变变压压器器利利用用系系数数的的简简单单相相关关关关系系如如图图，线线性性相相关关的的显显著著性性水水准准都都非非常常高高，表表明明冶冶炼炼速率提高、生产节奏加快，有利于电耗降低。速率提高、生产节奏加快，有利于电耗降低。三厂电炉变压器利用系数与冶炼电耗的关系三厂电炉变压器利用系数与冶炼电耗的关系 四厂炉容利用系数与折算冶炼电耗的关系四厂炉容利用系数与折算冶炼电耗的关系(n=71 R=0.637 *)(n=95 R=0.6793 *)(n=71 R=0.637 *)(n=95 R=0.6793 *)图图4-4 4-4 电炉变压器利用系数电炉变压器利用系数 图图4-5 4-5 电炉炉容利用系数电炉炉容利用系数 与冶炼电耗的关系与冶炼电耗的关系 与折算冶炼电耗的关系与折算冶炼电耗的关系5 5 结语结语 （1 1）电电炉炉炼炼钢钢过过程程需需要要大大量量热热能能。其其单单元元操操作作层层次次的的特特征征是是：炼炼钢钢电电炉炉是是一一种种大大功功率率的的电电热热能能量量转转换换装装置置；其其工工序序级级的的特特征征是是：原原料料结结构构、能能量量结结构构和和炉炉型型；其其流流程程中中的的特特性性是是：与与上上下下工工序序的的物物流流和和能能量流的匹配与衔接。量流的匹配与衔接。对对于于电电炉炉炼炼钢钢过过程程的的能能量量的的研研讨讨，应应在在高高的的生生产产率、高的生产速率和高度能量利用率的前提下展开。率、高的生产速率和高度能量利用率的前提下展开。（2 2）电电弧弧功功率率的的最最大大化化是是现现代代电电炉炉炼炼钢钢核核心心的的单单元元操操作作，其其主主要要内内容容包包括括实实际际电电气气运运行行特特性性、工工作作点点选择和供电曲线等。选择和供电曲线等。（3 3）现现代代电电炉炉炼炼钢钢过过程程的的能能量量状状况况取取决决于于炉炉料料结结构构、能能源源结结构构和和炉炉型型结结构构三三个个方方面面。各各种种工工程程技技术术的的应应用用，本本质质上上不不能能“节节能能”，只只是是：改改变变能能量量构构成成。如如，用用燃燃料料代代替替电电能能；提提高高能能量量利利用用效效率率，消消耗耗单单位位能能量量换换取更多合格钢水量，或用单位功率换取更高的生产速率。取更多合格钢水量，或用单位功率换取更高的生产速率。（4 4）将将电电炉炉炼炼钢钢置置于于生生产产流流程程之之中中，除除物物流流匹匹配配外外，过程的能量状况受到整个流程及上、下游工序的影响。过程的能量状况受到整个流程及上、下游工序的影响。使使用用热热铁铁水水作作为为电电炉炉炼炼钢钢的的原原料料，对对电电炉炉炼炼钢钢的的生生产产率率、生生产产速速率率、质质量量、成成本本都都是是非非常常有有利利的的。但但是是电电炉炉炼炼钢钢过过程程的的综综合合能能耗耗略略有有降降低低，过过程程的的能能量量利利用用率率并并未提高，未提高，“短流程短流程”的优势受到损害。的优势受到损害。（5 5）国内四家不同工况的大型电炉炼钢实绩，表明：）国内四家不同工况的大型电炉炼钢实绩，表明：我我国国大大型型电电炉炉炼炼钢钢生生产产率率接接近近国国际际先先进进水水平平100100万吨万吨/年左右，已具备发展现代电炉流程的基本条件；年左右，已具备发展现代电炉流程的基本条件；我我国国大大型型电电炉炉炼炼钢钢生生产产速速率率已已达达到到国国际际领领先先水水平平700070001000010000吨吨/吨吨-年年，表表明明我我国国电电炉炉炼炼钢钢的的操操作作水水平平和和综合管理水平已居世界一流；综合管理水平已居世界一流；我我国国大大型型电电炉炉炼炼钢钢电电能能消消耗耗已已降降到到200200400 400 kWh/t-kWh/t-steelsteel，变变压压器器利利用用系系数数高高达达110001100014000 14000 t/MVA-at/MVA-a，均均为为国国际际先先进进水水平平。然然而而，若若扣扣除除配配加加铁铁水水提提供供的的能能量量，实实际际能能量量物物质质转转化化效效率率的的水水平平仍仍然然不不高高，电电炉炉炼炼钢钢节节能能工工作仍有待进一步提高。作仍有待进一步提高。当当前前，电电炉炉炼炼钢钢方方法法是是产产量量占占第第二二位位的的炼炼钢钢方方法法，在在世世界界范范围围内内电电炉炉钢钢产产量量约约占占总总钢钢产产量量的的三三分分之之一一，与与以以化化学学能能为为热热源源的的传传统统冶冶金金流流程程相相比比，电电炉炉炼炼钢钢技技术术的的种种种种特特点点、优优势势和和劣劣势势来来源源于于原原料料和和能能源源两两个个方方面面。随随着着社社会会的的发发展展、科科学学技技术术的的进进步步，特特别别是是随随着着废废钢钢积积累累的的增增长长、电电力力工工业业的的发发展展、能能源源结结构构的的优优化化，由电能提供物理热的电炉炼钢方法仍将有长足的进步。由电能提供物理热的电炉炼钢方法仍将有长足的进步。