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电弧炉炼钢简介

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电弧炉(简称 EAF)炼钢是以电能作为热源的炼钢方法,它是靠电极和炉料间 放电产生的电弧,使电能在弧光中转变为热能,并借助电弧辐射和电弧的直接作用 加热并熔化金属炉料和炉渣,冶炼出各种成分合格的钢和合金的一种炼钢方法。电弧炉炼钢通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能,以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢的方法。电炉钢以废钢为主要原料,有些电弧炉采用直接还原的海绵铁来代替部分(30~70%)废钢。

电弧炉炼钢简介

电弧炉炼钢通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能,以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢的方法。电弧炉以电能为热源,可调整炉内气氛,对熔炼含有易氧化元素较多的钢种极为有利,发明后不久,就用于冶炼合金钢。并得到较大的发展。随着电弧炉设备的改进以及冶炼技术的提高,电力工业的发展,电炉钢的成本不断降低,现在电炉不但用于生产合金钢,而且大量用来生产普通碳素钢,其产量在主要工业国家钢总产量中的比重,不断上升(见表)。

2(FeO)+Si─→2【Fe】+(SiO2)

(FeO)+C─→【Fe】+CO↑

这种炉渣的形成时间较短,脱硫能力强。炉渣呈白色,冷却后自行碎裂成白色粉末,以此得名。有时为了提高脱氧能力,在还原开始时,先造一个短时间的弱电石渣,随即使之转变为白渣。

另有火砖渣,用石灰、萤石和废耐火砖块造成,是中性渣,主要用于冶炼不锈钢;特点是加热快,不易增碳,渣、钢容易分离,但脱硫能力低。

电弧炉炼钢-1.jpeg

1900年Paul Heroult发明了电弧炉是近代炼钢电炉的起源,电弧炉炼钢使用过炭质电极、天然石墨电极,后来主要用人造石墨电极(简称石墨电极)为导电材料,也是现代电炉炼钢工业不可缺少的耐高温导电材料。石墨电极生产与电炉炼钢有着密切的联系,电弧炼钢炉的不断革新对石墨电极品种的增加、理化性能的提高起到促进作用。

1960年下半年|美国W.E.Schwabe博士主张电炉配备大容量变压器,和通常的电弧炉比较,由于投入了高密度的电能,生产率上升,电炉炼钢正式走向大型化。

1971年日本大同特殊钢公司开发了炉外精炼法,将电弧炉炼制的功能分在两台电炉中进行,即熔化炉和精炼炉。随后,由于钢包精炼的普及,在钢包内可以加热,将还原期移到了LF(气体搅拌)、ASEA-SKF(感应搅拌)等钢包精炼炉上,这样的结果是电弧炉仅仅用来进行熔化和氧化精炼。因此,目前国内外许多转炉炼钢厂也添置了钢包精炼设备,搞起了炉外精炼,进行化学成分及温度的精确稠整。

钢包精炼炉也需要使用高功率或超高功率石墨电极,由于每炉精炼操作时间较短,一般也不吹氧,因此多数精炼炉消耗电极较少,每吨钢只消耗石墨电极l kg左右。同样功率的电弧炉,使用的石墨电极直径有所不同,电极单耗也有差别。

1980年国外钢铁工业把炼钢电弧炉按每吨炉容的变压器容量分为3类:普通功率电炉(RP炉)、高功率电炉(HP炉)和超高功率电炉(UHP炉)。1980年以后建成的大型电弧炉,其变压器容量都在550 kVA/t以上。一部分新建的炼钢电炉的单位炉容的变压器容量达到800 kVA以上,个别电炉达到1000-1200 kVA。电炉炼钢扩大每吨炉容的变压器容量,使用HP、UHP操作技术后,输入电功率高,缩短了冶炼时间。但因初期是大电流短弧操作,石墨电极的消耗量上升和冷点残存冷钢,所以经济效果受到一定限制。

交流电弧炉大功率化 通常会发生电网冲击故障,制约了其进一步大型化。而直流电弧炉能减轻电网冲击的故障,作为能输入大电流的冶炼没备而倍受关注。由于直流炉的变压器功率是交流炉的2倍,使通常输入大电流的困难变得容易。直流电弧炉的特点是可以用1根石墨电极(作为阴极)代替交流炉的3根石墨电极,炉底也有电极(阳极),但炉底不是使用石墨电极。直流电弧炉的石墨电极消耗比交流电弧炉低得多,约为交流炉的40%-60%,每吨钢消耗石墨电极1.0-1.3 kg。大电流操作要求石墨电极具有高的抗热震性能、低电阻率和热膨胀系数。直流电弧炉对石墨电极的理化性能提出更加苛刻的要求。

一、电弧炉钢行业发展现状

    电弧炉炼钢是以废钢铁为主要原料、以电为能源进行炼钢的一种工艺,在钢铁生产中属于短流程工艺,以区别于使用铁矿石、焦炭的长流程炼钢工艺。电弧炉炼钢的基本工艺包括扒渣补炉、装入金属炉料、送电、熔化、氧化、还原精炼和出钢。

    电弧炉炼钢的主要原料包括金属料、氧化剂以及造渣材料,金属料是原料的主要成分,金属料包括废钢、直接还原铁、铁水、生铁等,废钢是电弧炉炼钢的传统主原料,采用废钢为主要原料符合循环经济的发展要求。在欧美等国,由于废钢资源充足,价格便宜,废钢成为了电弧炉炼钢的主要原料,然而,我国废钢资源匮乏,成本偏高,废钢量不能满足钢铁发展的需求,因此我国电弧炉炼钢中废钢的使用比例远远小于世界平均水平。废钢资源的匮乏也限制了我国电弧炉炼钢的发展。


2012-2018年10月全国废钢进口量走势图

2012-2018年10月全国废钢进口量走势图.png


    目前我国炼钢企业中,转炉炼钢仍然占据主导地位,而电弧炉炼钢仅仅占炼钢总量的9%左右,远远低于世界平均水平,电弧炉炼钢企业主要集中在头部集团,并且占比较少,但是相比于高炉—转炉炼钢,电弧炉钢所产生了废气排放物以及原材料消耗情况都具有明显优势,并且复合我国工业发展的发展方向,国家对于电弧炉钢的推行政策也在逐步推出,由此可以看出,未来我国电弧炉钢的发展前景非常可观,有一定加速上升的推动力。


国内外电炉钢(电弧炉和感应炉)产量占炼钢总量比重对比

国内外电炉钢(电弧炉和感应炉)产量占炼钢总量比重对比.png

    数据显示:2017年全球电炉钢产量达 4.71 亿吨,我国电炉钢产量 7749 万吨,同比增长 52.16%、占全球电炉钢产量的 16.43%。从历史统计数据看,2009 年至 2011 年,我国电炉炼钢产量处于上升阶段,至 2011 年达到7094.60 万吨,2012~2016年电炉炼钢产量逐年下降,但同比降幅逐渐缩小,2017年迅猛增长至7749万吨。


2008-2017年我国电炉钢(电弧炉和感应炉)产量走势图

2008-2017年我国电炉钢(电弧炉和感应炉)产量走势图.png


    2017年我国电弧炉钢行业需求量约7632.8万吨,同比2016年的4889.1万吨增长了56.12%,近几年我国电弧炉钢行业需求量情况如下图所示:


2011-2017年中国电弧炉钢行业需求情况

2011-2017年中国电弧炉钢行业市场规模情况.png


    2011年我国电弧炉钢行业市场规模3324亿元,随后几年呈现下降趋势,到2015年达到最低点1165亿元,随后市场规模反弹,到2017年我国电弧炉钢行业市场规模达到了3091亿元。


2011-2017年中国电弧炉钢行业市场规模情况

2011-2017年中国电弧炉钢行业需求情况.png

    二、电弧炉钢行业集中分析

    据相关统计,目前国内拥有30吨以上电弧炉的企业有146家,共计282座电炉,总公称容量为1.8万吨,主要分布在江苏、湖北、四川、广东、山东等地。其中,在工信部公布的三批《符合钢铁行业规范条件企业名单》上的有191座,总容量12980吨。也就是说,不在名单内的电弧炉还有91座,对应的公称容量约为5000吨,这些电炉是2014年以来陆续投产的。


2017年电弧炉粗钢细分产品产能集中度

2017年电弧炉粗钢细分产品产能集中度.png

    三、电炉炼钢行业投资方向

    我国电弧炉炼钢技术虽然已经取得了一定的成果,但与国际先进国家生产技术仍然有很大的差距,提高电炉冶炼效率,优化电弧炉炼钢的生产工艺,从而降低生产过程中的能源消耗,降低电炉炼钢生产对环境的污染等是电弧炉炼钢的发展目标。

    电弧炉炼钢冶炼效率的提高。电炉炼钢的高效化生产和高效率冶炼是电弧炉炼钢技术发展的核心和关键。提高电炉炼钢生产节奏,缩短冶炼周期,推进我国电弧炉的高效化生产,进而形成系统综合控制。提高我国电弧炉的自动化操作水平及计算机控制管理水平是提高电炉冶炼效率的重要方法。优化生产工艺,降低电炉炼钢能耗。

    优化生产工艺,降低电炉炼钢能耗主要体现在以下方面:加强精细管理与操作,充分利用钢水中化学反应产生的化学能和排放废气中的物理能,如二次燃烧技术和废钢预热技术;同时,开发新型电弧炉,同时高效利用电能。绿色电弧炉冶金。

    21世纪炼钢技术的发展必须从能源消耗、资源的综合利用以及环境保护等几个方面之间的相互关系统筹考虑,即炼钢技术的发展必须合理且高效率地利用冶金能源和自然资源,同时最大限度地减少和避免环境污染,发展绿色冶金。


更多关于电弧炉炼钢技术,请查看:  电弧炉炼钢详细介绍



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