電爐煉鋼的功能在于將冷廢鋼加工成為成分和溫度合格的鋼水，其中包括了供能和冶金兩方面的操作，討論電爐煉鋼的能量問題，包括3個(gè)工程技術(shù)問題：
(1)增加能量供應(yīng)，包括電能和其它管式爐物理熱和化學(xué)能，換取生產(chǎn)率的增加。電爐的公稱容量由20世紀(jì)50年代的3～5ｔ，增至120～150ｔ以上，增大了40～50倍；箱式爐主變壓器容量由2000ｋＶ·Ａ左右，增至90～100ＭＶ·Ａ，也增大了近50倍，單爐的生產(chǎn)率由每年產(chǎn)鋼數(shù)千噸增至每年產(chǎn)鋼100萬ｔ以上，增大了100倍以上，與之相應(yīng)的能量供應(yīng)也大大增加。
(2)增加輸入功率，包括電功率和單位時(shí)間內(nèi)其它物理熱和化學(xué)熱的供應(yīng)量，提高電爐煉鋼的生產(chǎn)速率，亦即縮短冶煉周期、提高生產(chǎn)節(jié)奏。20世紀(jì)50年代以來，箱式電爐煉鋼的冶煉周期由4ｈ降至1ｈ以內(nèi)，生產(chǎn)速率提高了4倍以上，年出鋼爐次由不足2000次提高至10000次以上，增長5～6倍；
(3)提高能量的利用效率，按占用電網(wǎng)的容量來計(jì)算為單位主變壓器容量每年生產(chǎn)的合格鋼水量，即變壓器利用系數(shù)。每噸鋼水所具有的熱焓差異不大，電爐煉鋼的節(jié)能實(shí)際是提高單位能量實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)換的效率。節(jié)電，實(shí)質(zhì)上是提高單位電能生產(chǎn)的合格鋼水量。
電爐煉鋼與流程下游工序的匹配
電爐煉鋼在流程中的功能是：以一定的速率將原料加工成成分和溫度都合格的鋼液。就當(dāng)前一般的工程技術(shù)水平而言，電爐煉鋼工序在流程中的主要特征有兩點(diǎn)：
(1)電爐煉鋼過程是間歇性操作，冶煉周期約為60ｍｉｎ，為保證連鑄工序?qū)崿F(xiàn)多爐連澆，電能和化學(xué)能、物理能的輸入應(yīng)與之匹配。進(jìn)一步提高生產(chǎn)速率，冶煉周期有低于50ｍｉｎ甚至45ｍｉｎ的趨勢(shì)。然而冶煉周期的縮短使通電時(shí)間相應(yīng)縮短、非通電時(shí)間所占比例增大，這對(duì)電源能力的利用是不合理的。按目前發(fā)展的趨勢(shì)，可以看見將余熱充分利用和實(shí)現(xiàn)連續(xù)煉鋼的苗頭。在當(dāng)前，每座電爐每年出鋼次數(shù)應(yīng)為7000～10000次，即單位爐容的利用系數(shù)或年生產(chǎn)速率為(0.7～1.0)萬ｔ/(ｔ·ａ)；
(2)電爐煉鋼提供的合格鋼水是保證下游各工序高效、流暢運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)，電爐煉鋼的生產(chǎn)率應(yīng)與熱軋生產(chǎn)率相匹配。在60～70年代，長型材的熱連軋機(jī)組的生產(chǎn)率約為30萬ｔ/ａ，若電爐煉鋼的年生產(chǎn)速率為0.5萬ｔ/(ｔ·ａ)，相應(yīng)的電爐容量為60ｔ。當(dāng)前長型材熱連軋機(jī)組的生產(chǎn)率已提高至(70～80)萬ｔ/ａ，相應(yīng)的電爐容量應(yīng)為70～100ｔ。單流的薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)率為(100～120)萬ｔ/ａ，煉鋼電爐的容量可取120～150ｔ。
熱連軋生產(chǎn)率達(dá)到200萬ｔ/ａ以上，煉鋼電爐容量將超過200ｔ，由于電爐變壓器、石墨電極等技術(shù)條件所限，已不合理，故熱軋寬帶企業(yè)不宜配用電爐煉鋼(此外還應(yīng)考慮廢鋼原料中金屬殘余元素對(duì)板帶材質(zhì)量的不利影響)。
電爐煉鋼與流程上游工序的匹配
(1)如前所述，傳統(tǒng)的電爐煉鋼使用廢鋼為主要原料，配入10%～15%的生鐵塊以保證一定的配碳量。一般說來，常溫(25℃)的廢鋼原料所具有的物理熱很少。在吹氧助熔的條件下，冷爐料產(chǎn)生的化學(xué)熱量也不多，冶煉過程需要外界大量的熱能。根據(jù)我國近年來各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，電爐煉鋼工序(包括精煉、連鑄及車間輔助項(xiàng)目)能耗為250～300ｋｇ，略高于國際鋼鐵協(xié)會(huì)ＩＩＳＩ的結(jié)果。
(2)使用不同比例的熱鐵水作為原料，電爐煉鋼工序取得了明顯的效益，其主要原因是熱鐵水是具有很高的物理熱和化學(xué)熱的載能體，且成本較低。將電爐煉鋼置于流程之中，不難看出熱鐵水所攜帶的物理熱和化學(xué)熱來自于前道高爐煉鐵工序。根據(jù)一些企業(yè)300～380ｍ3高爐的實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算，生產(chǎn)1ｔ熱鐵水，高爐煉鐵工序的能耗是377ｋｇ，折合3080ｋＷ·ｈ/ｔ。考慮燒結(jié)、球團(tuán)和焦化等工序，折合到每噸熱鐵水的能耗是500～550ｋｇ/ｔ，即4084～4493ｋＷ·ｈ/ｔ，而熱裝鐵水帶到電爐煉鋼過程中的物理熱和化學(xué)能共計(jì)只有600～650ｋＷ·ｈ/ｔ。
(3)目前國內(nèi)電爐配加熱鐵水的比例為25%～30%。按年產(chǎn)100萬ｔ鋼計(jì)，需鐵水30～35萬ｔ/ａ。取高爐利用系數(shù)為3ｔ/(ｍ3·ｄ)，所配高爐容積為300～350ｍ3。
(4)直接還原鐵的使用。使用直接還原鐵為電爐煉鋼提供純凈鐵源是近年來國際上重要的發(fā)展方向。世界范圍內(nèi)各種直接還原鐵的產(chǎn)量自1990年以來已增加了1倍多，近年來產(chǎn)量已超過4000萬ｔ/ａ，與電爐鋼產(chǎn)量之比大約為15%，已成為電爐煉鋼重要的鐵源。
直接還原鐵的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步很快，特別是ｗ(Ｃ)接近2%的熱壓塊(ＨＢＩ)，為電爐煉鋼提供了高密度、高化學(xué)能的純凈鐵源。在世界范圍內(nèi)直接還原鐵的生產(chǎn)技術(shù)以氣基法為主流，氣基法在直還鐵生產(chǎn)量中占了90%。然而，我國天然氣缺乏，優(yōu)質(zhì)鐵礦較少，資源限制了直接還原鐵生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前，國內(nèi)最大的直接還原鐵生產(chǎn)廠屬天津鋼管有限公司，每噸直接還原鐵的能耗約為900～1000ｋｇ。
我國大電爐煉鋼流程的生產(chǎn)實(shí)績
本文選用4家不同工況的電爐的煉鋼生產(chǎn)實(shí)績來說明我國電爐煉鋼的能量狀況。
1 基本情況，見表1。
表1 基本情況
廠家
天津鋼管公司
安陽鋼鐵公司
韶關(guān)鋼鐵公司
興澄鋼鐵公司
爐型
普通
Ｆｕｃｈｓ
Ｃｏｎｓｔｅｅｌ
直流電弧爐
爐容/ｔ
150
100
90
100
主變壓器/主變壓器/(ＭＶ·Ａ)
90
72
60
90
主要鋼類
合金鋼
優(yōu)鋼
優(yōu)鋼
合金鋼
變壓器功率級(jí)別/(ＭＶ·Ａ·ｔ-1)
0.60
0.72
0.67
0.90
2 主要工況，見表2。
表2 各廠原料結(jié)構(gòu)和有關(guān)指標(biāo)(2003—2004年)
項(xiàng)目
天管
安陽
韶關(guān)
興澄
原料結(jié)構(gòu)
廢鋼/%
47.84
71.98
70.07
53.97
熱鐵水/%
14.17
21.95
23.35
42.96
冷生鐵/%
13.48
6.06
6.57
3.06
直還鐵/%
24.51
0
0
0
指標(biāo)
冶煉爐數(shù)/(爐·月-1)
608
798
633
711
成坯量/(104ｔ·ａ-1)
99.55
103.42
75.08
87.11
單爐成坯量/(ｔ·爐-1)
142.29
108.31
98.43
101.96
冶煉周期/ｍｉｎ
61.41
44.43
51.47
49.25
氧氣消耗/(ｍ3·ｔ-1)
44.99
47.62
27.72
64.92
電能消耗/(ｋＷ·ｈ·ｔ-1)
379.39
261.22
307.48
193.27
爐容利用系數(shù)/(ｔ·ｔ-1·ａ-1)
7299
9.580
7604
8531
變壓器利用系數(shù)/ (104ｔ·(ＭＶ·Ａ)-1·ａ-1)
1.1611
1.4364
1.2514
0.9679
3 基本的評(píng)價(jià)
3 基本的評(píng)價(jià)
1)天津鋼管公司、安陽鋼鐵公司的電爐兩年的年平均產(chǎn)鋼量達(dá)到100萬ｔ，韶關(guān)鋼鐵公司和興澄特鋼的單臺(tái)的電爐年平均產(chǎn)鋼量也達(dá)到了75～87萬ｔ/ａ。表明我國大型電爐煉鋼的生產(chǎn)率已接近國際先進(jìn)水平，我國電爐煉鋼流程實(shí)現(xiàn)單通道的高效化生產(chǎn)已具備了基本的工程技術(shù)基礎(chǔ)。
2)4家電爐煉鋼的生產(chǎn)速率亦即平均年出鋼爐次達(dá)到了7000～9500次，分別按年日歷作業(yè)時(shí)間365×24=8760ｈ和年額定工作時(shí)間7000ｈ計(jì)算，兩年平均冶煉周期如表3所列。對(duì)于大型電爐煉鋼的平均生產(chǎn)節(jié)奏如此之快是難能可貴的，已居國際先進(jìn)水平。說明我國大型電爐煉鋼生產(chǎn)技術(shù)水平、管理水平和流程的通暢都達(dá)到了很高的水平。
3)3座交流電弧爐的單位變壓器容量的年利用系數(shù)(表4)達(dá)到11000～14000ｔ/(ＭＶ·Ａ·ａ)，已居國際領(lǐng)先水平(直流爐變壓器容量較大，不可比)。該指標(biāo)描述的是單位供電容量一年所生產(chǎn)的合格鋼坯(水)量，表述了用能量換取產(chǎn)量的效率，由于各廠使用的原料結(jié)構(gòu)不同，這項(xiàng)指標(biāo)尚缺乏可比性。
表3 4家電爐煉鋼的平均冶煉周期
項(xiàng)目
天管
安陽
韶關(guān)
興澄
爐容利用系數(shù)/(ｔ·ｔ-1·ａ-1)
7279
9580
9603
8531
年作業(yè)時(shí)間/ｈ
8760
8760
8760
7003
表現(xiàn)平均冶煉周期/ｍｉｎ
72.20
54.90
49.10
49.25
額定年作業(yè)時(shí)間/ｈ
7000
7000
7000
7000
額定平均冶煉周期/ｍｉｎ
57.70
43.80
55.20
49.08
表4 折算后的各項(xiàng)指標(biāo)
項(xiàng)目
天管
安陽
韶關(guān)
興澄
變壓器容量/(ＭＶ·Ａ)
90
72
60
90
公稱功率級(jí)別/(ｋＶ·Ａ·ｔ-1)
600
720
667
900
熱鐵水量/%
14.17
21.93
23.35
42.96
折算后功率級(jí)別/(ＭＶ·Ａ·ｔ-1)
699.0
922.0
870.0
1577.8
利用系數(shù)/(ｔ·(ＭＶ·Ａ)-1·ａ-1)
11611
14364
12514
9679
折算后利用系數(shù)/(ｔ·(ＭＶ·Ａ)-1·ａ-1)
9965.0
11211.0
9592.0
5520.9
考慮到熱鐵水帶入的熱能較多，折算結(jié)果一并列于表5。折算的利用系數(shù)數(shù)值雖然有所降低，但仍能在10000ｔ/(ＭＶ·Ａ·ａ)左右，表明我國大電爐煉鋼的能量利用水平也已達(dá)到國際先進(jìn)水平。
4)4座電爐煉鋼冶煉電能消耗見表5，為193～379ｋＷ·ｈ/ｔ，直觀上可以認(rèn)為已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
由于所用原料結(jié)構(gòu)不同，為此，利用本文第3部分中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，折算后的結(jié)果也列于表5。可以看出，折算后每噸鋼坯的冶煉電耗約為370～430ｋＷ·ｈ/ｔ，與國際先進(jìn)水平相當(dāng)。其中安陽鋼鐵公司的冶煉電耗較低，可能是利用廢熱預(yù)熱技術(shù)得到有效的發(fā)揮。
表5 修正后的電能消耗}
項(xiàng)目
天管
安陽
韶關(guān)
興澄
實(shí)際電耗/(ｋＷ·ｈ·ｔ-1)
379.39
261.22
307.48
193.27
熱鐵水量/%
14.17
21.95
23.35
42.96
冷生鐵量/%
13.48
6.06
6.57
3.06
直還鐵量/%
24.51
0
0
0
折算后電耗/(ｋＷ·ｈ·ｔ-1)''?
430.94
370.76
424.15
397.25
4 電耗與熱鐵水配比的關(guān)系
4座電爐共95個(gè)月的冶煉電耗與熱鐵水配比數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明，其線性相關(guān)的信度水準(zhǔn)非常高。線性回歸式為：
ＳＥＣ=417.5-5.17ｗ(Ｆｅ)
該式表明爐料中熱鐵水配比增加1%，相應(yīng)的噸坯電耗減少5.17ｋＷ·ｈ，這一結(jié)果與前文中的理論分析，大致可相互印證。
考慮到爐料結(jié)構(gòu)的影響，采用折算電耗，其相關(guān)性的信度水準(zhǔn)很差，這表明：熱鐵水配比增加，能量利用沒有改善。
電耗與利用系數(shù)之間的關(guān)系
國內(nèi)4家不同工況的大型電爐近兩年24個(gè)月的煉鋼實(shí)績來看，我國已具備發(fā)展現(xiàn)代電爐煉鋼流程的基本條件，電爐煉鋼的操作水平和綜合管理水平已居世界一流，我國大型電爐煉鋼電能消耗已達(dá)到國際先進(jìn)水平。
冶煉電耗與爐容利用系數(shù)及變壓器利用系數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明出線性相關(guān)的顯著性的信度水準(zhǔn)都非常高，這表明冶煉速率的提高、生產(chǎn)節(jié)奏的加快，有利于電耗降低。
