我国转炉“负能炼钢”技术的发展与展望

我国转炉“负能炼钢”技术的发展与展望

刘 浏

钢铁研究总院

摘 要：以2008年全国大、中型转炉“负能炼钢”对标竞赛的数据为基础，分析总结国内转炉“负能炼钢”的主要成绩，提出实现“负能炼钢”的关键技术，并对今后国内“负能炼钢”技术发展趋势提出具体建议。

关键词：转炉，“负能炼钢”，节能降耗

1．前言

　我国是世界上最大的产钢国，同时也是资源、能源相对匮乏的国家，推广节能减排技术是保证我国钢铁工业可持续发展的关键。“负能炼钢”是炼钢节能的主要技术，我国转炉钢比例超过90％，推广“负能炼钢”对实现节能减排目标，保证钢铁工业健康发展具有重要意义。

　本文以2008年“全国重点大型耗能钢铁生产设备节能降耗对标竞赛”中转炉钢厂数据为基础，分析总结近几年国内“负能炼钢”的主要成绩，提出实现“负能炼钢”的关键技术，并对今后“负能炼钢”技术发展提出具体建议。

2．国内转炉“负能炼钢”的技术进步

　 近几年，转炉“负能炼钢”技术的推广应用受到广泛重视并取得重大进步，表现在以下方面。

2．1转炉工序能耗逐年降低

　 转炉是我国最主要的炼钢方法，转炉钢产量从2000年的1．068亿吨，增长到2008年的4．518亿吨，平均年增长率为19．5％，高于国内粗钢产量增长速度(平均增长率为18．2％)。转炉钢比例相应从2000年的84．1％增长到90％左右，推广应用转炉“负能炼钢”技术具有重大的战略意义。

　“负能炼钢”是一个工程概念，20世纪70年代由日本钢铁厂首先提出。其含义是指炼钢过程中回收的煤气和蒸汽能量大于实际炼钢过程中消耗的水、电、风、气等能量总和。如表1所示，通常转炉炼钢消耗的能量波动在15～30kgce／t钢，而回收煤气、蒸汽的能量可折合25～35kgce／t钢。因此，实现“负能炼钢”一方面要努力降低炼钢能耗，另一方面要加强回收，提高能量回收效率。

　如图1所示，随我国钢产量迅速增长，转炉炼钢工序能耗和吨钢综合能耗不断降低。以2003年数据为基础：国内重点钢铁企业能耗水平比国际先进水平高

出56kgce／t，其中炼钢工序能耗差距最大，达到37．7kgce／t 。因此，尽快实现转

炉“负能炼钢”可促进国内钢铁工业整体能耗达到国际先进水平。

　总结国内“负能炼钢”的技术发展，分为以下三个阶段：

　 (1)技术突破期(20世纪90年代)：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；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。

　 (2)技术推广期(1999～2003年)：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小型转炉初步实现负能炼钢。但上上数钢厂“负能炼钢”的效果均不太稳定。

　 (3)技术成熟期(2004～)：近几年，国内钢厂更加注重转炉“负能炼钢”技术，许多钢厂已能够较稳定地实现“负能炼钢”。特别是100吨以上的中型转炉，实现“负能炼钢”的钢厂日益增多。

　 国内“负能炼钢”技术的迅速发展得益于以下三方面：一是炼钢工艺结构的优化：随着国内新建100吨以上大、中型转炉的增多，配备了煤气、蒸汽回收与余热发电等设施，为“负能炼钢”打下设备基础；二是“负能炼钢”工艺不断完善，多数钢厂已初步掌握“负能炼钢”的基本工艺；三是2005年，国家统计局将电力折算系数调整为电热当量值(即1kWh=0．1229kgce)替换原来沿用的电煤耗等价值(即1kWh=0．404kgce)。炼钢能耗统计值降低，利于实现“负能炼钢”。

2．2不少大、中型转炉己实现“负能炼钢”

　 2008年“国家重点大型耗能钢铁生产设备节能降耗对标竞赛”，国内16家转炉钢厂共计62座100吨以上大、中型转炉参加比赛。由于是对标竞赛，各厂家统计数据的口径有差别，一定程度影响了竞赛结果。如宝钢仍沿用传统的“电煤等价”折算系数，统计能耗偏高。但竞赛结果也能反映出国内大、中型转炉“负能炼钢”的业绩和水平。图2给出参赛的62座转炉“负能炼钢”的业绩。其中多数钢厂已实现转炉“负能炼钢”。

2．3少数钢厂实现炼钢．连铸全工序负能生产

　 目前国内已有少数钢厂实现炼钢-连铸全工序负能生产。如表2所示，武钢、太钢、沙钢、济钢等钢厂已实现全工序负能生产；邯钢、莱钢、鞍钢第三炼钢连轧厂、酒钢等钢厂已接近实现全工序负能生产。这是近几年国内“负能炼钢”技术发展的重要标志。

　国内铁水预处理的工序能耗波动在0．4～0．8kgce／t钢(多数厂已计算在转炉工序能耗中)。精炼工序能耗波动在2．99～35．81kgce／t钢，平均为8．99kgce／t钢。竞赛数据反映出的一个重要事实是：精炼工序能耗并不随精炼工艺的复杂程度和精炼钢水比例增加而增大，如武钢三炼钢品种繁多，真空精炼比高，但精炼工序能耗仅为2．99kgce／t钢。这说明今后随着炉外精炼工艺的优化，精炼工艺能耗水平可望大幅度降低。

　国内连铸工序能耗波动在3．2～31．28kgce／t钢，平均为10．6kgce／t钢。进一步提高连铸生产效率可使连铸工序能耗降低到10kgce／t以下。

　 综上所术，在转炉“负能炼钢”的基础上，通过工艺优化提高生产效率，国内大多数钢厂可实现炼钢一连铸全工序负能生产。

3．“负能炼钢”的关键技术

　总结参赛单位实现转炉“负能炼钢”的基本经验，提出以下“负能炼钢”关键技术。

3．1 提高生产效率是实现“负能炼钢”的基础

　各钢厂实现“负能炼钢”的基本经验可以看出：提高转炉生产效率对于实现“负能炼钢”具有重大意义。以转炉每公称吨位每年的产钢量(万吨·公称吨／年)作为转炉生产效率指标，与转炉工序能耗和吨钢电耗作图，如图3、4所示。

　 从图中可以看出：

　(1)提高转炉生产效率，使转炉工序能耗线性降低。对于大、中型转炉当转炉生产效率>0．85万吨·公称吨／年，可实现转炉“负能炼钢”；

　 (2)提高转炉生产效率，使转炉吨钢电耗进一步降低；

　(3)提高转炉生产效率，使吨钢氧耗进一步降低。

3．2强化转炉煤气回收

　强化煤气回收是实现转炉“负能炼钢”的基本保障。从竞赛结果(如图5)分析，国内大、中型转炉煤气回收量的平均值为81．8m³／t，略低于“负能炼钢”所要求的90m³／t。煤气回收最高值为1 07．9m³／t，最低值为43．93m³／t，差距较大。说明一些钢厂急需加强煤气回收、管理与调度，减少放散量。

　在解决煤气回收、存储和调度管理的基础上，通过以下工艺提高煤气回收量：

　 (1)提高转炉作业率，随产钢量增加，转炉煤气回收量进一步提高，如图6所示。转炉钢产量超过1万吨／公称吨·年，可保证煤气回收量≥90m³／t钢；

　 (2)缩短前烧期和后烧期，增加煤气回收时间。为此需要加快前期化渣速度、优化复合吹炼工艺和采用缩短出钢时间等工艺措施；

　 (3)优化降罩工艺，稳定煤气品质；

　 (4)采用计算机动态控制转炉终点，实现不倒炉出钢。

3．3加强蒸汽回收

　加强蒸汽回收对稳定实现转炉“负能炼钢”具有重要意义。图7给出62座转炉吨钢蒸汽回收量的比较：平均蒸汽回收量为62．8k钢，最大回收量为94．4kg／t钢，最低为20．85kg／t钢，两者相差73．65kg／t钢，说明国内转炉蒸汽回收水平存在较大差距。造成的原因主要是蒸汽未能充分利用，放散量大。今后需要重点解决低压蒸汽的利用问题，可采用蒸汽并网、蒸汽发电和蒸汽作为真空精炼气源，保证转炉蒸汽具有稳定的用户。

强化蒸汽回收的工艺措施：

　 (1)加强蒸汽回收、应用设施建设，减少蒸汽放散量；

(2)缩短转炉辅助时间，保证余热锅炉稳定运行；

　 (3)减少转炉热停时问，提高蒸汽品质。

3．4优化转炉冶炼工艺

　 为实现“负能炼钢”应围绕提高转炉生产效率，进一步优化转炉冶炼工艺，达到提高产量、降低能耗和稳定铁水质量的目的。强化冶炼的工艺措施是：

　 (1)提高供氧强度，缩短吹炼时间。通常吹炼时间决定于供氧强度，而供氧强度受限于炉容比和吹炼、造渣工艺。炉容比为0．95～1．1m³／t，供氧强度可提高到3．5～4．0Nm³／t．min，吹炼时间可缩短到15min以内。

　 (2)提高成渣速度。提高供氧强度必须解决喷溅问题，技术关键是提高初渣成渣速度。除优化氧枪和供氧工艺外，更重要的是要提高石灰质量，加快石灰熔化。

　 (3)优化复吹工艺。转炉冶炼的特点是存在碳氧反应限速环节的转变。如图8所示，临界碳含量[C]_E以上为氧扩散控制，供氧不会造成渣钢氧化，并保证煤气回收安全。当[C]<[C]_E时碳扩散控制脱碳反应，随供氧量增加钢渣过氧化，煤气氧含量增加，不宜回收。优化复吹工艺可使[C]_E向低碳区转移，既可避免钢渣氧化也能延长煤气回收时间，提高煤气回收量。

　 (4)采用计算机动态控制，不仅可提高吹炼终点C、T的控制精度和命中率，还可以提高脱碳氧效率，降低吨钢氧耗。同时可实现快速出钢，缩短吹炼时间4～6min，对实现“负能炼钢”发挥重要作用。

4．今后“负能炼钢”技术的发展方向

4．1 实现炼钢．连铸全工序负能生产

　国内转炉“负能炼钢”技术的重要发展方向是鼓励和倡导国内钢铁厂实现炼钢．连铸全工序负能生产。实现全工序负能生产的基础是转炉“负能炼钢”，其关键技术是大幅度提高生产效率。如图9、10所示，随着炼钢厂生产效率的提高，精炼工序能耗和连铸工序能耗线性降低，为实现全工序负能生产打下良好基础。万吨／公称吨·年

　 炼钢一连铸全流程高效化生产是实现炼钢．连铸全流程负能生产的技术关键。提高炼钢连铸的生产效率应采取以下措施：

　 (1)加快生产节奏，缩短生产周期；

　 (2)降低钢水周转温降，稳定钢水温度；

　(3)减少热停时间，实现连续稳定生产；

　 (4)加强能源管理，统一计量标准。

　 如图11所示，日本转炉生产效率从传统日产20炉提高到日产50炉，可增加转炉炼钢冷却能8％，相当于提高钢水温度174℃。按每增加10℃可增加废钢用量4．5kg／t，则提高转炉生产效率获得的热量可熔化废钢78．3kg，降低炼钢能耗约39．15kgce／t。由此可见，加快生产节奏，提高生产效率对实现转炉节能具有非常明显的效果。

4．2降低铁钢比是“负能炼钢”的主要指标

　“负能炼钢”的概念存在一定的局限性：虽然对降低转炉工序能耗有积极作用，但对于降低钢铁厂综合能耗存在不利影响。例如，转炉采用高铁水比操作，回收的煤气和蒸汽量增加，有利于“负能炼钢”的实施；但从全流程考虑，提高铁钢比使综合能耗升高，对全系统节能不利。

　按中国钢铁工业情况测算，铁钢比每提高0．1，造成吨钢综合能耗上升约20kgce／t (和电炉流程相比)。和世界其他先进产钢国相比，我国铁钢比高出0．23～0．576，和世界平均水甲相比约高出0．4，影响吨钢综合能耗约80kgce／t。因此，从降低国内钢铁工业总能耗的观点出发，应把降低铁钢比作为“负能炼钢”的一个重要考核指标。

　 今后，在国内大力推广转炉“负能炼钢”的过程中必须同时注重提倡降低铁水比，提高废钢比的工艺操作方针。在市场允许的条件下，转炉厂应抓紧建设废钢分类加工设施，改进装入制度，优化冶炼工艺，进一步提高废钢比。由于转炉熔化废钢不需要增加外部热源，按国内铁前工序能耗500kgce／t计算，转炉每增加1％废钢比可降低全流程吨钢综合能耗5kce／t，具有重要节能意义。

4．3进一步降低钢铁料消耗

　 钢铁料消耗是转炉炼钢一项重要节能指标。降低钢铁料消耗可以明显降低转炉生产能耗，节铁10kg／t相当于降低综合能耗5kgce／t。

　通常，转炉炼钢过程中铁的吹损约为10％，主要是铁水中C、Si、Mn的氧化损失和炉渣、烟尘中铁的氧化损失。近几年我国转炉钢厂的钢铁料消耗持续波动在1085～1090kg／t之间，如何进一步降低钢铁料消耗，达到国际先进水平(如日本1065kg／t)是国内转炉节能技术发展的重点方向。

　 通常，“负能炼钢”未与钢铁料消耗指标挂钩，今后从优化转炉生产工艺，降低系统能耗的观点出发，应把钢铁料消耗作为“负能炼钢”的考核指标。

　 降低钢铁料消耗的主要技术措施是：

　(1)减少吹损。如改善高炉操作，实现低硅冶炼，可减少炼钢过程硅的氧化损失和转炉渣量。采用转炉高拉碳技术提高出钢[C]不但可避免钢水过氧化，节约铁合金；也可以减少吹损。

　 (2)减少渣中铁损。通常转炉渣量为100～120 k，渣中TFe波动在18～25％，则渣中铁的氧化损失为18～30k。通过减少渣量和降低渣中TFe含量可减少渣中铁损10～26kg。

　 (3)增加转炉热源，实现铁、锰矿熔融还原。如图12所示，日本住友公司通过改善铁水运输方式，将铁水入炉温度提高45～60℃。采用少渣冶炼工艺(如图11)。增加转炉冷却能8％使转炉增加矿石用量36kg，还原铁21．6kg，相当于节约标煤10．8kg／t钢。

4．4研究开发转炉少渣冶炼新工艺

　 为实现大批量、低成本、稳定生产高洁净度钢水的目标，日本近20年开发成功铁水“三脱”预处理和转炉少渣冶炼新工艺，取得了明显的节能效果：降低炼钢能耗66％；降低石灰消耗25％；降低铁损29％；降低锰铁合金消耗48％；降低渣量33％(如图13)；增加粉尘回收利用率60％。

　 日本转炉少渣冶炼的特点：

　 ·采用高炉低硅铁水冶炼和铁水脱硅工艺，稳定控制铁水[Si]≤0．3％；

　 ·分别采用铁水脱硫脱磷工艺，提高铁水洁净度：[S]≤0．003％，[P]≤0．015％：

　 ·转炉采用少渣冶炼工艺，控制转炉渣量≤25kg／t，渣中TFe12～20％；

　 ·采用锰矿熔融还原工艺，控制终点钢水残[Mn]≥0．49％；对于高锰钢残[Mn]≥1．5％；

　 ·转炉高碳出钢，降低钢水氧化性，并为真空冶炼提供热源；

　·100％真空处理，实现真空脱碳脱氧和脱气。

　 洁净钢是21世纪钢铁材料发展的重大方向，洁净钢生产是21世纪转炉炼钢技术发展的重大方向。学习借鉴日本成功经验，研究开发适于我国资源环境特点的洁净钢生产新工艺，达到减少渣量，提高铁回收率和降低吨钢能耗与生产成本的目标将是今后国内转炉“负能炼钢”技术发展的重大方向，必须给予高度重视。

5．结论

　 (1)近几年国内转炉“负能炼钢”技术取得了优异成绩，主要表现为转炉工序能耗逐年降低，不少大、中型转炉已实现“负能炼钢”，少数钢厂已实现炼钢．连铸全工序负能生产。

　 (2)总结近几年国内转炉“负能炼钢”的基本经验是：提高生产效率是“负能炼钢”的基础；强化煤气回收是保证；加强蒸汽回收是条件；为此需要进一步优化转炉冶炼工艺。

　 (3)今后，国内转炉“负能炼钢”技术的发展趋势是：争取实现炼钢-连铸全工序负能生产；把降低铁钢比作为“负能炼钢”的考核指标；进一步降低钢铁料消耗；研究开发转炉少渣冶炼新工艺。

参考文献：