张建国
（北京瀚川鑫冶工程技术有限公司）
摘要：本文简单介绍了废钢预热技术的发展过程，重点分析阐述了最新的EPC废钢预热技术的优点、技术特征及环境效益，并和其它炉子做了对比分析；同时提出了一些专家建议，进一步表明，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。EPC炉子系统可为用户提供领先技术，既能增产降低成本，也能明显减少温室气体排放。
关键词：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。事实证明，利用化学能及废气热可以大幅度降低电炉总能耗。另一方面，温室气体对气候变化的不良影响不但引起全世界的关注，同时也受到电炉设计公司及炼钢厂家的高度重视。在全球温室气体总排放量中，绝大部分产生于矿物能源燃料的燃烧，同时约30% 的碳排放是工业部门排放的。钢铁业的能源消耗极大，因而在气候问题倍受世人瞩目。
用废钢预热方法补偿电炉炼钢能源已有3 0 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。预热废钢还可避免湿废钢入炉，从而避免炉内发生爆炸。因此，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。
1 废钢预热技术的发展
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。康斯迪（Consteel) 技术是一种完全不同的做法。此项技术的核心是废钢不间断装炉，在连续装炉中完成能效转换及增产。此种炉子设计的关键在于控制熔池温度、废钢给进速率及废钢成分。此系统的优点之一是用炉子管道内废气对废钢作局部预热，将预热的废钢连续装入炉内，使炼钢人员能在泡沫渣覆盖下全功率起动炉子。在整个熔炼过程中电弧始终埋没于泡沫渣中，因而电弧状态极为稳定，很少发生闪变及谐波，噪声也大为减少。Consteel 废钢预热产生的效益可以表现为：增产10%，降低了电耗，使废钢脱湿及电极吨钢消耗量下降。
在采用Consteel 系统时，废气进入预热系统，废钢温度可达315-450℃。但随着炼钢技术的发展，炉子运行更为高效，出钢时间进一步缩短，废钢预热变得越来越困难。到后来废钢预热实际是以牺牲炉子产量及提高维护费用为代价。
此后出现的废钢预热技术是手指式竖电炉及环保型高效电炉（ECOARC），这两种系统的主要优点是能100%预热废钢以及能降低电耗及电极消耗。采用手指式电炉可使能耗降至70kWh/t。而ECOARC 炉电耗指标可达到150kWh/t。
2 EPC 废钢预热技术系统
在电炉领域，废钢预热与节省电力具有同等意义。各国电炉专家为使用炉子废气高效预热废钢而开发出各种应用技术。EPC 预热技术不仅考虑了环境保护的问题，而且解决了电炉熔炼时，限制进行废钢装炉作业的问题。
EPC 预热系统（环保预热连续装炉系统）在电炉熔炼废钢的炼钢过程中采用废钢预热技术，利用炉子所排废气预热废钢至700-800℃，可明显降低电力消耗及相应地提高炉子生产率。EPC 预热系统装于电炉上部炉壳旁边，经预热驻留于此的废钢由旁边的伸缩式给料机连续装入炉中进行熔炼，而在此过程中，炉子仍处于通电工作状态的。当废钢料桶在位于待投台中的料斗里装料时，炉子与预热室完全隔离，从而确保炉子装废钢时很少或根本无粉尘逸出。目前所开发的EPC 系统是竖炉预热炉，此炉在炉内留存一定的熔融金属（近40%），因而能保持均衡的熔炼态势。
1. EPC 系统的优点
EPC 系统结合了100% 废钢预热及连续供料这两大优点，在炉子上料期间无粉尘排放及热损失，其具备一系列优点，具体表现为：
（1）粉尘排放最少：在炉子装料当中，系统始终处于气密状态，使车间保持最低污染。
（2）节能：EPC 系统与传统电炉相比可减少电力消耗约100kWh/t。
（3）废钢装炉不受条件限制：可在炉子通电情况下入炉装料，不受炉子操作限制，提升炉子了操作效率并减少断电时间。
（4）停炉少、维护少、热损失少：无特别水冷部件要求，可避免水冷部件出现意外时的大量检修及过度水冷造成的热损失。
（5）通、断电时间变短，生产效率高：与传统电炉相比可提高炉子生产效率25%。
（6）电炉炉顶及炉顶三角区使用寿命长：无需为装炉打开及/ 关闭炉顶，电弧离炉顶较远，热冲击少，有助于延长炉顶及其三角区使用寿命。
（7）投资回报高：预热效果好，因而节能效果明显，生产成本低。此外，在保证一定的废钢质量前提下还可提升收得率。
（8）电弧闪变少：依靠平坦熔池操作以及废钢预热及不间断输入能量，闪变及谐波发生次数下降达50%，同时也使噪声相应下降。
2. EPC 系统的技术特征
EPC 系统在结构设计上充分考虑了炉子的最大操作灵活性，具体体现为以下几个技术特征：
（1）在炉内预留多达30%-40% 熔融金属条件下进行平坦熔池作业。
（2）用伸缩式给料机及综合性秤重装置控制废钢装炉速率。
（3）用伸缩式给料机优化通电中的废钢连续装炉。
（4）根据熔炼功率及预热温度精调废钢装炉速率。
（5）熔池温度均匀并可准确加以控制。
（6）可准确控制废钢预热温度，采用气密系统废气量最小。
3. EPC 系统的环境效益
这种EPC 系统的环境效益体现为：
（1）在封闭系统防护下的仓室里装入废钢（电炉炉顶及EPC 系统均属封密闭结构，主除除尘系统始终运转）。
（2）废钢装炉期间烟气排量最少。
（3）作业区卫生整洁，无安全问题隐患。
（4）废气量最少，低于常规的30%；
（5）除尘器处粉尘最少，低于常规的30%。
（6）电弧噪声低（经预热的废钢在泡沫渣保护下在平坦熔池里熔炼）。
（7）直接预热，入炉废钢加热温度极高。
4. EPC 系统结构及操作说明
废钢装炉系统基本分两大部分，一部分是预热室及伸缩式给料机，另一部分是下凹式装料平台（等待投料台）及在台内运作的投料料斗。废钢由投料料斗投到预热室上部空间，高温废气从炉子出来向上流经预热室内废钢进行预热，可使废钢温度达到800℃的高温，气体离开预热室时温度约为200℃。在预热室下面装有伸缩式给料机系统，保证废钢能以恒定速率送入炉中。废气离开预热室后，流向袋式除尘器，某些废气可予以回收用于调节预热室入口温度。废钢连续送入炉内，直到炉内达到所需熔体重量为止。
在一炉钢的熔炼过程中，炉子输入功率几乎一直均匀稳定。预热室废钢入室速率根据预热室内废钢重量及废气温度进行相应的自动控制调整，而炼钢炉内废钢的供给速度要与此相关联，同时也要根据炉子的输入功率来确定调整。
5. EPC 系统与手指式电炉及Consteel 炉的比较
（1）EPC 由于装有封闭系统无需因料桶装料进行二次除尘、无一次吸气中断。
（2）手指式电炉装料中需敞开炉身，在装炉时有大量烟尘从炉身排入车间。
（3）Consteel 炉需每班将炉子排空一次，修理炉衬及处理预留熔融金属），此外，管道两端开着，使大量空气混入一次废气。
（4）EPC 同Consteel 一样是借泡沫渣及平坦熔池操作，可获得最佳收得率及减少电弧闪变。
（5）EPC 有完整的密封对策，因而废钢装炉时无能量损失。
（6）EPC 在用料方面灵活性极大，因而对废钢无特别要求。
（7）Consteel 废气预热仅是顶层废钢。而EPC 及手指式电炉废气必然要穿过整个废钢层。
（8）EPC 无废钢接触的水冷部件，这使能量损失最低。
（9）不经敞开的炉体装料，因而无大量粉尘产生及无有机物不完全燃烧造成的污染。
（10）EPC 炼钢中车间内粉尘含量最低，这意味可大大简化二次除尘管道系统。
（11）粉尘含大量锌，一般都可很经济地回收（30%）。
（12）能耗低意味着烟囱CO2 含量更少也更环保（约20%）。
3 一些专家建议
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。
在这种考虑中始终宜遵循以下准则：◆确保炼钢工艺最大灵活性。◆不但增产，而且能提高能源利用效率。◆能提高最终产品质量。◆能以最低投入符合环境标准。
根据以上准则，提供以下几点建议：
（1）正确的选择炉型。这种选择的各种因素可能含以下各点：原料可用性，能源可用性及成本，所要求的产品种类，炼后处理/ 精加工可达水准，基建费及熟练劳动力可用性。
（2）能平衡各种能量输入，保证炼钢工艺具备最大灵活性。从长远看，这有助于将能源损失减至最低，能做到按情况多用电，少用氧，或多用氧，少用电，对不同能源的使用进行调整。
（3）为将能量总需求降至最低，需仔细分配炉子的输入能量。熔池的充分混合有助于实现此目的。为将废气温度及成分波动降至最小，应均衡整个冶炼周期中的吹氧操作。这可优化二次燃烧及将废气系统规模压缩至最小。此外，烟气的发生会减至最少，渣与熔池更接近平衡。
（4）为使造泡沫渣作业达到最好效果，应能使喷入熔池及渣层中的固体颗粒物均布在整个熔池表面上。这样做还能使渣及熔池更为平衡，也有助于将熔剂的需求降低至最少及提高钢质量。
（5）为将渗入空气减至最低应尽可能将炉体封闭起来。这样可将炉子废气排量减至最低，从而可采用规格较小的排烟系统。
（6）废钢预热很可能是回收利用废气热量最可行的方案。对于大量使用化学能的炉子这种选择尤有意义，这是因为这时炼钢废气所含能量会更多。为回收废气所含化学能，必须进行充分的二次燃烧。但在全炉次中很难达到完全的二次燃烧，应设法达到高水平的二次燃烧。在废钢预热中分阶段进行二次燃烧可进一步优化废气热回收。
（7）欲用最小代价获最大工艺灵活性，需以炉子混合设计为前提。此设计首先应考虑原料供给的灵活性，且要在高产的同时保持最高能源利用效率。例如大量喷吹固体颗粒物、用碳化铁或直接还原铁粉作原料的操作模式可选用能延长平坦熔池时限的炉子设计，以便延伸颗粒物喷吹周期。也可采取另一种做法，即加大熔池深度使之能加大喷吹速率而避免喷吹过大的风险。
（8）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。
4 结束语
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。EPC 炉子系统可为用户提供领先技术，既能增产降低成本，也能明显减少温室气体排放。