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废钢预热技术的工业应用及其节能作用
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  伴随着钢铁生产的技术进步,我国电炉炼钢技术也得到了持续的发展,包括超高功率冶炼、富氧及燃料喷吹、偏心炉底出钢、热兑铁水等,但与国外同行相比,我国电炉炼钢的综合能耗偏高,尚未达到国际先进水平。而电炉炼钢中富氧技术的应用直接导致了电炉烟气温度上升,温度可达1300℃,随烟气显热带走的热量占总投入热量的13%~20%。理论上废钢预热温度每增加100℃,可节约电能20千瓦时/吨钢。除节约能源、降低消耗外,废钢预热还可缩短冶炼周期,提高生产率。目前,成功得到工业应用的废钢预热技术主要有吊篮型、直流双壳炉型、竖炉型和Consteel(康斯迪)型4种。

  吊篮型废钢预热法需解决污染难题

  吊篮型预热方式是将装满废钢的吊篮放入容器中进行预热,同时备用吊篮轮流连续使用。实践表明,吊篮型废钢预热的效果受到废钢种类、烟气温度、预热时间等因素影响,不同电炉节省电力的大小差别较大,通常可以回收20%~30%的烟气余热,降低电耗10千瓦时/吨钢~35千瓦时/吨钢(平均为20千瓦时/吨钢),冶炼周期缩短3分钟/炉,节约电极0.3千克/吨钢~0.5千克/吨钢,提高生产率约5%。随着电炉炼钢技术的发展,电炉冶炼周期时间缩短,要提高烟气余热回收率,就需要提高废钢预热的时间和预热废钢的比例,从而需要多个吊篮进行预热,通过串联形成吊篮型多级废钢换热,提高了预热效果。

  吊篮型废钢预热在节约电力的同时,也带来了污染物排放问题,特别是二氧芑(致癌物)的产生,其主要是废钢中的油分、涂料、橡胶、化学合成品等有机物和锌、镉镀层挥发物在预热装置中温度较低时加热而产生。受到吊篮局部过热变形、废钢黏结的限制,预热温度不能太高,预热效果有限,限制了该方法的推广使用。

  直流双壳炉型废钢预热法寻求节能突破

  为提高电炉生产能力,日本率先开发出直流双壳电炉,可达到100%废钢预热,可减少电耗60千瓦时/吨钢~90千瓦时/吨钢。受换热能力和废钢类型的限制,直接采用烟气余热来预热废钢的双壳炉型实际很难取得预期效果,故多采用带有烧嘴的双壳炉型废钢预热方法,而且需要增加其他燃料。尽管这种方法吨钢耗电量能够减少,生产率提高20%以上,通常节约20千瓦时/吨钢~40千瓦时/吨钢,但因增加了其他能源,导致节能效果下降。

  竖炉型废钢预热法应用广泛

  由于吊篮型废钢预热存在环境和预热效果的问题,在20世纪90年代初,出现了两种商业运行成功的废钢预热方法,即竖炉型废钢预热和Consteel型电炉废钢预热法。竖炉型废钢预热方法,是目前最为成功、应用最为广泛的电炉废钢预热方法———竖炉直接安装在电炉上方,电炉排出烟气不经管道直接进入竖炉,保证了排气热量的充分利用。双壳炉体型竖式电炉,热效率比一般烧嘴热效率要高,可回收废气热量的60%~70%,与无竖炉的传统超高功率电弧炉相比,总能耗要减少50千瓦时/吨钢~100千瓦时/吨钢,提高生产效率15%以上,并且减少环境污染。连续装料型S-EAF———竖式双电极直流电弧炉,电耗下降40千瓦时/吨钢以上,冶炼周期缩短7分钟~8分钟,生产效率比常规机组增加30%~40%。

  竖炉型废钢预热仍然存在一些需要改进的地方,如由于剖面不对称或呈椭圆形导致炉内受热不平衡,从而引起热损失;高温预热导致废钢氧化,降低炼钢收得率并增大为进行还原而需要的能量;废钢保存装置抗热负荷的可靠性;二次燃烧的空间小,增大了防止一氧化碳气体爆炸的难度。

  Consteel型废钢预热法不断改进

  Consteel电炉是在连续加料的同时,利用炉子产生的高温废气对运送过程中的炉料进行连续预热,可使废钢入炉前的温度高达500℃~600℃,而预热后的废气经燃烧室进入预热回收系统。它实现了废钢连续预热、连续加料、连续熔化,提高了生产率,改善了车间内外的环保条件,降低了电耗及电极消耗等。连续电弧炉是未来电弧炉的发展趋势,具有显著的节能作用。目前我国引进最多的高端、先进的电弧炉炼钢设备炉型就是Consteel电炉。

  尽管Consteel电炉具有显著的节能效果,但目前也存在明显的不足,主要体现在下面3个方面:

  一是烟气余热利用不足,废钢预热温度低。Consteel电炉的高温烟气单纯地从废钢炉料的上方通过,主要靠辐射将热量传给废钢,比烟气穿过废钢料柱直接进行热交换的废钢预热方式如竖炉式电炉的废钢预热效果差得多。二是动态密封准确控制难,预热通道漏风量大。电炉与Consteel废钢预热通道的衔接处、预热通道水冷料槽与小车水冷料槽的叠加处、上料废钢运输机与预热通道之间的动态密封装置处是主要漏风点。动态密封要准确控制则比较难,动态密封起不到应起的作用而成为最大的漏风点。三是料跨吊车作业率非常高,影响电炉生产。双吸盘电磁吊车给Consteel废钢运输机上料,吊车作业率高,这不但要求吊车司机要有熟练的操作技能,而且经常会因上料问题影响电炉生产。

  针对以上问题,我国有厂家对Consteel废钢预热装置进行改进,提高了超过1倍的废钢预热效果。主要改进措施包括:一是改变预热通道内水冷料槽的结构并增加料层高度,实现烟气流动方向和烟气余热与废钢的热交换,并增大通道内废钢量,增加预热停留时间。二是去掉Consteel工艺大约30米长的废钢运输机,采用废钢料斗(料筐)向箱式液压废钢加料机加料,加料次数相对较少,避免了电磁吊车频繁操作和多次长提升行程操作。三是将Consteel工艺的动态密封装置改为直接密封,从而大大降低了漏风量,提高了预热效果。

  目前,我国钢铁企业面临越来越大的节能减排压力,电炉烟气余热如何充分利用已成为行业关注的热点,也是电炉炼钢技术中节能减排的重要措施。目前国内使用最多的是竖炉型废钢预热、Consteel型、双壳电炉废钢预热。为了响应国家节能减排号召,钢铁企业应该进一步推进电炉烟气余热利用。新建电炉应充分考虑采用废钢预热技术,以充分利用余热资源,降低消耗,减少成本,并可提高电炉生产效率。现有电炉应结合场地、炉型等实际条件,进行适当改造,以充分利用烟气余热进行废钢预热,从而取得最佳经济效益。由于受各种客观条件的影响,对于推进废钢预热技术有困难的电炉,应充分考虑到电炉烟气余热回收,比如回收余热生产蒸汽形成热能或发电供企业生产用,最大限度地利用烟气余热。(中国冶金报)

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