废钢预热经济效益分析

文/北京瀚川鑫冶工程技术有限公司 张建国

废钢预热经济效益分析

Analysis on economic benefit of preheating of scrap

文/北京瀚川鑫冶工程技术有限公司 张建国

本文概述了在电炉炼钢中节约能源的重要性和环保性，分析了电炉炼钢的能耗情况，对不同的预热形式进行了对比分析，并对分离式废钢预热形式的节能效益和影响因素进行了简单的分析和评估，提出了合理的废钢预热温度应该在1200度左右，采用废钢预热炼钢的工艺可取得较好的节能效果 ，大幅缩短冶炼时间，能够取得较好的经济效益。总之，预热废钢还可避免湿废钢入炉，从而避免炉内发生爆炸，废钢预热还能保证工厂安全及防止设备意外损坏事故，减少电炉炼钢的电力消耗及提高钢厂生产效率，对炼钢企业及社会效益都有重大的现实意义。

电炉炼钢 废钢预热 节能降耗

追求炼钢更为经济、更符合生态要求及具有更大的生产灵活性是每个钢厂永恒的目标，为此而尽可能采用维护少而工效高的设备。另外，电力成本持续升高、大气CO2排放条例以及陆地及水源保护法规趋严，这些都促使钢厂在竭力降低能耗及尽量利用生产废物及介质上做文章想办法。用废钢预热方法补偿电炉炼钢能源已有30多年的历史，通常的做法是在废钢装炉前在料桶里用电炉高温废气将废钢加热。高温气体的热源来自于电炉排出的废气，而供给电炉的一次能源则用于将入炉废钢加热至废钢熔点，从而实现通过废钢预热装炉节省能源。

近几年来，随着钢铁业的飞速发展，电炉——炉外精炼——连铸连轧短流程新工艺也有了较快的发展，现在国内有多家大型钢铁企业都采用此流程工艺，如兴澄特钢、北满特钢、上钢五厂等。采用此工艺流程具有投资省、建设快、能耗低等优点。在电炉炼钢中，电能是最主要的能源消耗品，如何降低电炉的电耗是节能最重要最主要的环节。外供热源、电炉煤氧混吹、废钢预热等技术的发展，对电炉的节能起到了极大的作用。

在上述的几种节能措施中，由于废钢预热方式具有投资少、技术要求低、不影响生产、见效快等特点而具有一定的发展优势。但由于国内采用废钢预热节能炼钢的厂家很少，具体的节能效果及影响因素研究的较少。所以非常有必要对废钢预热的节能效果及因素进行分析，为推广该节能技术提供一定的技术依据。

一、电炉能耗的情况分析

在电炉炼钢中，电能主要是对炉料进行加热和熔化。在进入氧化期和还原期时，由于有炉料反应放热，电能消耗相对少。在熔化废钢并将钢水温度保持在1520℃的这段时间内，电炉的热效率只有55～65％，熔化期所需要的能量约为360～380kwh/t，占总能耗的60％～70％，时间约占全炉冶炼时间的一半多。现在发展的超高功率电炉就是为了强化熔化期供热而缩短熔化时间和用能，从而大大提高生产率。但是，从实质来说，超高功率电炉并没有提高能源的实际利用效率。

电炉生产中，不同阶段的热效率不一样，在实际生产中的变化情况分为以下几点。

(1)开始装入废钢时，电弧传热效率为60％左右，随着电弧被废钢埋入，热效率不断提高，高峰时可达到80％～90％，在废钢熔化逐渐露出电弧时，电弧热效率随着下降，低是达到50％～60％；

(2)再装料时，热效率为50％～70％左右；

(3)在精炼期，热效率大约在75％左右。

众所周知，虽然电能作为优质能源，使用中具有很高的效率，但如果考虑到发电效率，用电能对废钢加热，其相对于一次能源而言，能源的利用率并不高，基本不大于28％。在目前世界能源日趋紧张，节能减排成为一项基本国策的发展中的我国来说，如此低的能源利用率是令人难以接受的。

图-1 大冶特钢厂内等着卸废钢的车队

图-2 大治特钢的废钢堆场

二、废钢预热技术

1.废钢预热技术的提出

早期的废钢预热系统采用单独的热源，通常是将废钢装在料桶里加热。据文献资料报道，这种预热方式的节能效果最高可达30kWh/t，且由于出钢时间缩短还能降低电极及耐材消耗。随着电炉技术的发展，有些厂家做了用炉子废气预热废钢的尝试。但是，缺点是预热中粉尘会附着在废钢上，且由于热循环中温度起伏不定，很难控制废钢预热中的废气温度，此外在被预热的废钢内部会形成温度梯度。而从废钢预热技术要求上，则希望对温度加以控制，以免废钢料桶烧毁和防止料桶内细小废钢燃烧或粘附。

那么，在电炉炼钢生产中，如何提高能源利用率呢？目前有不少公司在这方面做了很好的探索研究，并取得了较好的节能效果。德国BSW公司的80t交流电炉，平均输入电功率为66MW，电炉上配置天然气烧嘴3支，吹氧、喷煤，平均电耗355kwh/t，每炉冶炼时间28.2min.日本NKK公司开发的100t环保型高效电弧炉于2001年就在岸和田制钢投产，为节约电能，大量使用了其他能源，电能占总能耗的比例只有25.7％，由此可以看出，对电炉补充外供热，对电耗和冶炼时间都有较大的影响。

据有关资料介绍，当废钢进行预热后，如果废钢入炉前的预热温度为500℃时，可节省电能25％；如果温度为600℃～700℃时，可节省电能33％；如果温度达到900℃时，则可以节省电能50％，冶炼时间也将大幅缩短。

由此可以看出，利用一次能源直接对废钢进行加热，再将加热后的废钢在电炉中利用电能进行熔化冶炼，能够更加充分利用能源，对提高电炉的综合能耗是一条切实可行的节能措施，这就是我们之所以要大力推广废钢预热技术的原因所在。

2.废钢的预热形式

废钢的预热技术，从设备的结构形式来分，可分为整体式和分离式。整体式为预热设备和电炉体结合在一起，形成整体，或者直接利用电炉体作为废钢预热设备，从而可充分利用电炉废气对废钢进行预热，使高温废气的物理热得以回收利用，并可根据预热的温度需要再外供热源。分离式结构为预热炉与电炉体分离，靠外供热源先对废钢进行加热，废钢达到一定温度后，用专用设备投入电炉中，再利用电能进行熔化冶炼。

整体式废钢预热设备与电炉联接的方式可分为几种方式，主要有竖炉电弧炉法、双壳式直流电弧炉和连续加料电弧炉。此种结构形式的最大特点是可以充分利用电炉的高温炉气，以直接提高电炉的热效率来实现节能。新日铁公司开发的双壳式电弧炉，一台炉冶炼的同时，另外一台炉利用其废气对废钢进行预热，废钢温度可达500℃。因此，整体式废钢预热技术其节能效果更加明显。但由于预热设备与电炉炉体结合在一起，在建设过程中影响因素较多，需要对电炉进行较大的改造，建设期长并影响生产，为了充分利用高温烟气对废钢进行预热，还需要做好炉盖的密封，并增加设置排烟设备，投资较大。对于中小容量的电炉来说，由于投资大，节能和产生的效益有限，采用此方式受到限制。对于大容量的电炉，采用此方式更为有利。

分离式废钢预热设备由于与电炉炉体分离，不能利用电炉的高温烟气，完全靠外供热能将废钢进行加热预热，再将加热后的废钢在电炉中利用电能进行熔化冶炼，因此节能效果与整体式结构相比较有所降低，但该形式可将废钢预热到更高的温度。其他的有点还可表现为：预热与熔化冶炼分开，更加便于组织生产；废钢预热量和加热温度容易控制；外供能源的利用率高，设备使用率高，可以充分发挥设备能力；可分别建设，不影响电炉的生产；设备改造投资少，见效快。从以上的优点可以看出，分离式结构更适合对老电炉、小电炉进行改造，并可实现多炉共用，对减少投资更加有利。

某公司目前主要电炉的容量在10～30t，平均电耗为540～570kwh/t，平均冶炼时间为225min，期中熔化期时间大约为120min左右，与采用废钢预热的电炉冶炼工艺相比较，电耗较高，冶炼时间较长。针对该问题，公司组织进行了投资改造，补建废钢加热系统，结果节能效果得到很大的提高。其工艺流程为，废钢在预热加热炉中加热到一定温度后，再投入电炉进行熔化冶炼。预热炉可采用连续式或分批式加料方式，这个主要决定于设计产量及电炉的配套情况。而且，由于对废钢预热温度的均匀性要求不高，因此，预热炉只需要采取较为简单的燃烧控制技术即可，也有利于前期的投资。

另外，对于在电炉上直接安装烧嘴外供热量进行炼钢，进行强化加热，虽然是用一次能源来代替了很大一部分电能，但是它占用了电炉的冶炼时间，所以虽然有较好的综合节能效果，但对提高电炉的生产能力不具有明显优势。而采用分离式废钢预热形式，能实现节能又增产的效果。

3.节能效果统计分析

对于整体式废钢预热系统，由于是直接利用电炉内的高温炉气，其节能效果很明确，更应该关注的是投资回报的问题。而对于分离式废钢预热系统，由于需要使用外供能源，其节能增产的效果将直接影响该技术的推广及应用。采用分离式废钢预热系统，结合某公司电炉的能耗数据，经过计算其节能效果见表-1。由表可以看出，采用废钢预热炼钢，综合节能率在10～15％，节约电耗在150～170kwh/t。

采用此技术，还将大幅缩短冶炼时间，提高生产率，在对电炉不做改造，供电方式及操作工艺不变的情况下，对产能的影响程度按照以下公式计算：

t1=电炉中所需电耗 ～120/160 min

总冶炼时间t2=t1+100 min

产能增加率 η=(1-t2/220)x100

计算结果见表-2，从表中可看出，随着预热温度的提高，钢在电炉中的熔化时间不短缩短。当预热温度为1200℃时，熔化时间可缩短40％，总的冶炼时间可缩短23％。如果充分利用炉外精炼设备对钢水的后处理，让电炉只作为熔炼炉使用，则废钢预热对电炉产能的提高将更为明显。

表-1 预热温度 能耗对比分析表

表-2 不同预热温度对冶炼时间的影响分析表

另外，废钢预热冶炼工艺产生的效益不只体现在节能上，因缩短冶炼时间其效益还表现在：

(1)由于冶炼周期缩短，电极消耗和耐火材料的消耗都将有一定的下降，并延长炉体的使用寿命，降低电炉维修成本。

(2)废钢经过加热后，可充分除去废钢中的水分和表面有机废物，有利于降低钢水中的含气量，为后续精炼工艺阶段提供有力条件。

(3)因为冶炼时间缩短，废钢在炉内的氧化减少，排出的烟尘量将有较大的降低，同时也减少了除尘设备的运行负荷，具有较好的社会环保效益。

4.影响因素分析

对于整体式结构，由于在大型电炉已经有所应用，经验相对较多。在此主要对分离式结构做重点分析，以了解各种因素对节能效果的影响程度。

预热温度的影响，从表-2可以看出，预热温度越高，节能及缩短的冶炼时间的效果越明显。但对于预热炉而言，随着预热温度的提高，其自身的热效率将降低，从而影响总的节能效果。随着预热温度的提高，当大于1300℃时，对于预热炉的结构、材料、燃烧控制、使用寿命都提出了更高的要求，投资也会相应增加，因此预热温度不宜超过1200℃。

吊运及出炉时间的影响：应该尽量缩短这些时间，否则将大大减少实际带入电炉中刚料的有效热，明显减少废钢预热的节能效果。为缩短这些时间，预热炉与电炉在工艺上的布置上要尽量靠近，以便于热废钢的装炉。对于分离式预热炉结构，还需要考虑缩短装炉时间，以一到二次操作就完成全部的装炉为宜。这样不会因为操作次数太多而影响预热炉内废钢的温度和炉温，从而提高预热炉的热效率。

预热炉的结构及燃烧方式：其结构应该具有装炉出炉操作方便，投资少，热效率高的特点。目前运用较多的高温空气蓄热燃烧技术的热效率可达到60％，高的还可达70％。这还是在轧钢生产的加热炉上统计测量的，如果应用于预热炉，应该还可达到更高一些的热效率。因此说，高温空气蓄热燃烧技术应该是一种较为理想的燃烧技术，能获得较高的热效率。

三、结束语

一项技术开发的关键，在于证明其工艺及环境效益的同时，还要证明其相对便捷及无损于生产效率。没有哪种技术方案可以满足各种炼钢操作要求，相反，炼钢厂家必须优先考虑重点目标，再考虑不同炉子设计对重点目标的贡献。

毫无疑问，当前电炉设计趋势表明，今后炉子设计在电能利用及化学能输入上都将达到极高水平。一种能源与另一种能源相比，各用多少取决于当地各种能源成本及使用效率。许多炼钢新技术现正转向商业化，几乎所有这些技术目的都是降低输入功率及达到最高炼钢能效。因此有些技术力图在炼钢中最大限度利用化学能，这类技术几乎完全是根据假设平衡条件，用氧与燃料(碳、CO、天然气)充分反应使炼钢达到最大限度能量输入。而另一些技术是力图通过回收废气中的能量，利用炉子的输入能(竖炉、Consteel、EOF炉)。这类技术的立足点是依赖废气向废钢的高效传热，这就需要废钢与废气之间的最佳接触。各种废钢预热技术只要按最新环境标准设计，就都会有助于降低能耗，提高产量并会因此减少温室气体排放。

炼钢技术会继续改进，不但会设法再优化电炉能源利用效率，还会力求整个炼钢系统总体最佳。总之最重要的一点是优化整个系统的生产成本，而不是优化生产链上的某个作业环节。提高工艺灵活性的同时，操作技术将变得更为复杂。这就需对操作技术有深刻的了解，只有这样才能更好地控制炼钢技术，进而对电炉结构的选择作出更周密的思考。预计，今后几年会产生更多的新型炉子设计。只要有电炉炼钢存在，这种努力就不会止步。

在电炉炼钢生产工艺中，应用废钢预热技术可取得较好的节能效果，对于小型电炉，采用分离式废钢预热形式，可实现节能增产，在废钢预热到1200℃时，可取得节能16％，增产20％左右的综合效益，是一项很有实用价值和环保意义的一项工艺技术，值得大力推广使用。