我国转炉“负能炼钢”的技术现状和发展
摘要：本文介绍了我国转炉“负能炼钢”的技术现状，总结了国内负能炼钢的经验，并对负能炼钢的技术概念、工序构成、能源折算系数等问题进行了讨论。在此基础上提出我国加快实施转炉负能炼钢水平的技术措施。
关键词：转炉、煤气回收、负能炼钢
1 前言
  近几年随着世界经济的繁荣，钢铁消费和钢铁产量逐年递增，造成世界范围内资源和能源紧张。根据国际上Deutsche Bank的统计，2004年国际市场焦炭价格上涨了20%，铁矿石价格上涨了16%；到2005年，世界矿价和主焦煤价格大幅度上涨，其中铁矿石上涨71%，主焦煤上涨一倍。钢铁生产原料的大幅度涨价，使钢铁工业的利润空间缩小，钢铁工业必须进一步降低能耗水平，提高资源利用率，才可能保证持续稳定的发展。
  2003年国内重点钢铁企业能耗水平和国际先进水平相比高出56kgce/t，分析钢铁生产过程中各工序的能耗水平与国外先进水平的差距，炼钢工序差距较大，达到37.7kgce/t。因此，国内钢铁厂尽快实现负能炼钢，可使我国钢铁工业整体能耗接近国际先进水平。
2 我国“负能炼钢”的技术现状
2.1“负能炼钢”的技术进步
  宝钢是国内最早实现“负能炼钢”的炼钢厂，1995年实现炼钢-连铸全工序负能炼钢。最近几年，由于品种结构调整，增加了炉外精炼、电磁搅拌等新工序，使工序能耗略有上升，但仍保持负能炼钢。图1给出近几年国内负能炼钢技术发展的状况，其成绩主要是：
  ●1989年宝钢300t转炉实现转炉工序负能炼钢，转炉工序能耗达到-11kgce/t钢的世界领先水平；
  ●1996年宝钢实现全工序（包括连铸工序）负能炼钢，能耗为-1.12kgce/t钢；
  ●1999年武钢三炼钢250t转炉实现转炉工序负能炼钢；
  ●2002～2003年马钢一炼钢、鞍钢一炼钢、本溪炼钢厂等一批中型转炉基本实现负能炼钢；
  ●2000年12月莱钢25t小型转炉基本实现了负能炼钢。
我国转炉“负能炼钢”技术的发展趋势
　
2.1.1 大型转炉“负能炼钢”的实践
  大型转炉负能炼钢技术已经完全成熟，并达到国际领先水平。大型转炉负能炼钢的经验是：
  ●提高转炉作业率，缩短冶炼周期可降低冶炼电耗；
　
宝钢冶炼周期与冶炼电耗的关系
　
  ●优化二次除尘风机运行参数，实现节电；
  ●降低氧气消耗，如武钢采用计算机终点控制技术后，氧气消耗从57Nm3/t下降到50.9Nm3/t，工序能耗降低14kgce/t钢；
  ●加强设备维护，减少煤气放散比例；
  ●缩短钢包周转时间可使出钢温度降低8℃，工序能耗降低0.7kgce/t钢；
  ●采用蓄热燃烧技术烘烤钢包，钢包烘烤实现节能38%。
2.1.2 中型转炉“负能炼钢”的实践
  2002年至2003年国内先后有三座中型转炉炼钢厂（马钢一炼钢、鞍钢一炼钢和本钢炼钢厂）在较短的时间内实现转炉工序负能炼钢。其主要经验是：
  ① 加强煤气回收
  2002年1月～12月马钢实施负能炼钢煤气回收量逐月增加，11月达到108m3/t钢，煤气回收率9月份达到100%，而且回收煤气的热值也逐步增大，CO成份达到50%。蒸汽回收率达到99.6%。通过能量回收，炼钢工序回收能量34kgce/t，消耗能耗33.4kgce/t，工序能耗为-0.6kgce/t。
  ② 缩短冶炼时间，提高生产效率
  本钢炼钢厂2002年吨钢能耗为23.15kgce，采用顶底复吹强化冶炼技术后，将冶炼周期缩短36min，供氧时间缩短16min，日产炉数由75数提高到96炉，当年增加钢产量100万吨，使炼钢工序的平均电耗降低4.4kwh/t，煤气耗量0.03GJ/t，耗水量减少0.5t/t，总计降低炼钢工序能耗2kgce/t。并于2003年7月份实现负能炼钢。
  ③ 合理优化工艺流程
  2002年鞍钢一炼钢厂关停一座混铁炉，吨钢煤气消耗降低0.03GJ，折合1.02kgce。
2.1.3 小型转炉“负能炼钢”的探索
  目前，国内小型转炉仍承担着主要的产钢任务，但绝大部分小型转炉尚未能实现负能炼钢。2000年12月莱钢25t小型转炉在国内率先实现了负能炼钢，证明小转炉完全有可能实现负能炼钢。
  小型转炉冶炼的特点是：
  ●炉容量小，炉容比高，生产能力大；
  ●生产作业率高，品种较单一；
  ●技术装备水平落后；
  ●部分小型转炉废钢比较高。
  根据小型转炉的冶炼特点，可以看出小型转炉由于产量高，作业率高，工序电耗较大、中型转炉低；部分小转炉废钢比高，也有利于降低氧耗。上述因素是小转炉实现负能炼钢的有利条件。但另一方面，由于小转炉技术装备差，能源管理水平低，往往造成煤气回收率低，煤气和蒸汽放散现象比较严重，是造成目前小转炉未能实现负能炼钢的主要原因。
2.2 我国“负能炼钢”存在的问题
  表1给出我国转炉主要的技术参数与工序能耗指标，其中，大、中型转炉的工序能耗比较低，可以尽快实现负能炼钢。但小转炉的能耗明显高于大、中型转炉，其原因主要是小转炉未能充分回收煤气和蒸汽。表2给出国内负能炼钢厂炼钢工序实际消耗的能量。从表中可以看出，国内大、中型转炉能量消耗差别不大，波动在30～43kgce/t左右。转炉实际的能源消耗和生产效率有明显的关系，随着生产效率的提高，转炉工序的能源消耗降低。国内小型转炉的工序能源消耗一般来说低于大、中型转炉，但由于未能回收利用转炉煤气和蒸汽，造成工序能耗高。综上所述，国内转炉未能实现负能炼钢的主要技术问题是：
  ●生产过程能耗偏高；
  ●煤气回收质量低，回收量不足；
  ●蒸汽放散率偏高。
  2003年国内大型转炉产量占当年全国转炉钢产量的21.7%，中型转炉占22.5%，而小型转炉占55.8%。所以小型转炉实现负能炼钢意义尤为重大。
表1  我国转炉主要技术参数与能耗指标
工厂
铁水比
%
炉容比
M3/t
供氧强度
Nm3/t.min
冶炼周期
min
利用系数
t/t·d
日历作业率%
氧耗
Nm3/t
钢铁料消耗kg/t
工序能耗
kgce/t
大型转炉
86.98
0.88
3.35
37.57
23.92
63.23
56.71
935.42
11.55
中型转炉
90.35
0.83
3.36
30.89
32.93
76.35
56.74
1094.61
16.4
小型转炉
85.15
0.6～0.7
3.9
24.7
64.872
85.91
58.9
1079.5
25.66
　
表2  国内负能炼钢厂炼钢工序实际能量消耗（kgce/kg）
单位
项目
电(kwh)
氧气(m3)
蒸汽(GJ)
煤气(m3)
生活水(t)
环水(t)
软水(t)
净水(t)
空气(m3)
氮气(m3)
氩气(m3)
合计
能耗
包钢
单耗t
17.77
63.94
0.05
3.56
0.17
5.25
0.15
0.42
36.42
36.42
0.14
　
折标煤kg
7.18
18.82
1.86
2.15
0.03
1.00
0.16
0.09
1.83
2.49
0.21
35.82
宝钢
单耗t
38.13
52.26
18.55kg
2.64
　
436.78kg
38.84kg
52.56kg
　
20.49
1.00
　
折标煤kg
15.4
15.678
　
1.04
　
0.072
0.03
0.007
　
1.34
1.5
35.07
武钢
单耗t
36.42
50.75
0.03
0.24GJ
　
26.96
0.1m3
　
43.49
34.95
1.41
　
折标煤kg
14.1
11.715
1.158
7.331
　
2.92
0.015
　
2.0
1.86
2.067
43.166
鞍钢
单耗t
16.99
55.63
　
0.126GJ
　
7.49m3
0.17m3
0.11m3
5.9
24.0
　
　
折标煤kg
6.86
15.58
　
4.3
　
1.01
0.08
0.03
0.28
1.82
　
29.96
马钢
单耗t
27.6
52.3
　
47.5MJ
　
14.5
　
　
27.8
28.4
　
　
折标煤kg
11.2
17.3
　
1.6
　
1.7
　
　
1.0
1.5
　
34.3
本钢
单耗t
20.61
56.98
0
0.04GJ
　
　
　
0.7
　
44.46
　
　
折标煤kg
8.33
11.56
0
1.20
　
　
　
0.12
　
8.98
　
30.19
　
2.3 关于“负能炼钢”的技术标准
  （1）负能炼钢的技术定义
  负能炼钢针对转炉生产工序，计算转炉工序同一生产时期内的能源消耗量与能源回收量的差值。计算炼钢工序能耗的表达式如下：
  工序单位能耗=(能源消耗量能源回收量)/钢产量
  转炉工序能源消耗部分由焦炭、水、电、蒸汽、氧气、氮气、氩气、焦炉煤气等能源介质构成。由于生产工艺、生产品种和转炉大小等技术条件的差别，转炉工序能耗一般波动在25～37kgce/t。转炉工序回收的能量主要由煤气和蒸汽两部分构成。转炉出口烟气的总热量约为38.3kgce/t，其中81.8%为潜热，18.2%为显热。采用回收技术通常可回收能量30～36kgce/t，其中70%为转炉煤气，30%为蒸汽。
  分析负能炼钢的技术定义，具有以下特点：
  ①传统负能炼钢的技术定义是一个工程的概念，而非热力学平衡的概念。重点体现转炉生产过程中对烟气热量的回收利用状况及实际生产中消耗的能量水平。
  ②负能炼钢的概念未能全部涵盖炼钢工艺全过程的能量转换与能量平衡，也不能作为评价整个炼钢工序能耗水平的唯一标准。
  ③负能炼钢的技术概念未能充分反映炼钢生产中一些主要的节能指标和技术，如钢铁料消耗、铁钢比、渣量和温度控制等技术环节。
  （2）“负能炼钢”的工序组成
  最初提出负能炼钢概念时，炼钢工序相对简单，以转炉为主。因此转炉工序定义为从铁水进厂至钢水上连铸平台的全部工艺过程。随着炼钢技术的发展，如图3所示，现代炼钢厂增加了铁水脱硫预处理、炉外精炼等新的工序。新增工序的生产能耗如表3所示。由于炉外精炼特别是LF炉的工序能耗较高，与传统炼钢工序的能耗基本相当。因此，建议炼钢工序今后在计算负能炼钢时不应包括炉外精炼。
图3 炼钢工序的历史变迁
　
表3  铁水预处理和炉外精炼的工序能耗
　
　
氩气
m3/t
煤气
m3/t
电
kwh/t
电极
kg/t
氮气
m3/t
氧气
m3/t
蒸汽
kg/t
合计
铁水脱硫
实物量
/
/
0.8
/
8
/
/
/
折合标煤/kgce/T
/
/
0.323
/
0.525
/
/
0.848
CAS-OB
实物量
0.3
/
0.20
铁水温度/
0.20
0.20
/
/
折合标煤/kgce/T
0.45
/
0.0808
/
0.06
0.06
/
0.598
LF
实物量
0.5
/
45
0.5
/
/
/
/
折合标煤/kgce/T
0.75
/
18.18
2
/
/
/
20.93
RH
实物量
0.2
6.3
5.2
0.40
1.40
1.40
75.6
/
折合标煤/kgce/T
0.30
2.49
2.10
1.6
0.42
0.42
10.35
17.26
  注：蒸汽的折算系数按0.137kgce/kg、电极的折算系数按4kgce/kg。
　
  （3）折算系数
  分析文献中发表的各钢厂数据，各钢厂对能源介质的能量折算系数取值不同，如表4所示。负能炼钢作为今后我国炼钢生产技术发展的重要方向，其技术指标应具有科学性、公正性和统一性。因此，需要对能量折算系数进行统一规定。
表4  各钢厂的能量折算系数
　
氧气
kgce/m3
电
kgce/kwh
空气
kgce/m3
氮气
kgce/m3
新水
kgce/m3
软水
kgce/m3
环水
kgce/m3
氩气
kgce/m3
蒸汽
kgce/GJ
煤气
kgce/m3
鞍钢
0.28
0.403
0.047
0.0758
0.27
0.47
0.135
　
43.8
　
包钢
0.294
0.404
0.050
0.068
0.21/0.17
1.06
0.19
1.5
37.2
0.60
马钢
一炼
0.33
0.405
0.036
0.053
0.117
　
　
　
　
0.19
平均值
0.3
0.404
0.045
0.0656
0.129
0.765
0.1625
1.5
40.5
0.395
　
  （4）“负能炼钢”的新定义
  根据以上分析，应更科学地重新定义“负能炼钢”的技术含义为：负能炼钢是指转炉炼钢全工序即从钢水进厂至连铸钢水上回转台（不包括炉外精炼）生产所消耗的除铁水以外的全部能量与生产过程回收的全部能量相比，小于零。
3 提高国内“负能炼钢”水平的技术措施
3.1 进一步优化工艺流程
  炼钢工艺流程的合理优化，对降低转炉工序能耗有重要的影响。采用以下技术措施可以明显的降低转炉工序能耗：
  （1）改善铁钢界面，提高铁水温度。传统工艺采用混铁炉匹配转炉生产，如图4所示。由于多次倒包使铁水的温降很大。如采用单一铁水罐进行铁水运输，铁水预处理和向转炉兑铁，则可降低铁水温降损失约60℃。
  （2）加快转炉生产节奏，减少钢包周转数，可进一步降低转炉出钢温度20℃。综合采用上述两项技术可使转炉增加废钢用量32kg/t钢，转炉工序可实现节能2.3kgce/t钢。
  （3）改进和优化炉外精炼工艺，降低LF炉和RH的工序能耗对实现负能炼钢有重要意义。
　
图4 两种铁水运输方式的温降比较
　
3.2 优化转炉炼钢工艺，降低消耗
  为实现转炉“负能炼钢”，应进一步优化炼钢工艺，缩短吹炼时间，降低各项消耗。主要的技术措施是：
  ●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。
3.3 提高煤气回收质量
  提高煤气回收质量是实现负能炼钢的技术核心。如图5所示，我国大、中型企业负能炼钢的经验已经证明，在目前的生产条件下实现负能炼钢，煤气回收量应超过90m3/t钢。而回收煤气的热值应大于7MJ/m3。为实现这一目标，要求回收煤气中CO含量应大于55%。
  提高煤气回收质量的技术措施是：
  ●控制炉口微差压波动范围在±20Pa将炉口压力控制在+5Pa左右，使空气燃烧系数<0.1，煤气热量回收率可达到91%；
  ●提高炉口处炉气出口压力，可减少空气的吸入量；
  ●改善烟道设计可减少空气吸入量。
　
图5 转炉煤气回收量与工序能耗的关系
　
图6 烟道内转炉煤气CO含量与炉口负压和煤气压力的关系
　
3.4 减少蒸汽放散量
  目前，国内绝大多数转炉采用OG法除尘工艺，利用余热锅炉回收烟气的物理热，由于余热锅炉产生饱和蒸汽压力波动在0.8～1.2MPa，蒸汽品质较低，在冶金厂内利用率不高，造成蒸汽大量放散是目前许多中型炼钢厂未能实现负能炼钢的重要原因。因此，如何解决低压蒸汽的放散问题已成为我国转炉厂实现负能炼钢的主要技术问题。
  为了减少钢铁厂蒸汽放散量，可采用以下技术措施：
  ●进一步优化氧气转炉、余热锅炉的设计，提高蒸汽压力和品质，进而提高蒸汽的利用价值；
  ●改善企业内蒸汽管网和将蒸汽送入内部电厂，减少蒸汽放散量；
  ●发展转炉蒸汽供真空精炼使用的工艺技术，解决目前存在的工艺和装备等方面的技术问题，增加炼钢厂本身消耗蒸汽的能力；
  ●发展低压蒸汽发电技术，将蒸汽能转变为电能。
4 结论
  （1）节能是炼钢厂的生命线，实现转炉负能炼钢已成为我国钢铁厂节能的技术重点。
  （2）国内大型转炉负能炼钢技术已经成熟，并达到国际领先水平；中型转炉已逐步实现负能炼钢；小型转炉虽没有实现负能炼钢，但具有较好的生产条件，加强煤气回收可以很快的实现负能炼钢。
  （3）在国内加快实现转炉负能炼钢的技术关键是：进一步优化工艺流程；优化转炉炼钢工艺，降低消耗；提高煤气回收质量和减少蒸汽放散量