轉(zhuǎn)爐煉鋼和電爐煉鋼的優(yōu)缺點比較分析

文 / 北京瀚川鑫冶工程技術(shù)有限公司 張建國

轉(zhuǎn)爐煉鋼和電爐煉鋼的優(yōu)缺點比較分析

文 / 北京瀚川鑫冶工程技術(shù)有限公司 張建國

本文對電爐煉鋼和高爐煉鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)的優(yōu)缺點進行了簡要的分析論述，對兩種工藝生產(chǎn)產(chǎn)品中的殘留物、氮含量進行了分析比較；并進一步指明，隨著社會廢鋼資源的積累，直接還原技術(shù)的開發(fā)，電力工業(yè)的發(fā)展，電爐煉鋼技術(shù)（大容積電爐、超高功率電爐等）、鐵水預(yù)處理和爐外精煉技術(shù)的飛速發(fā)展，電爐鋼廠越來越多地轉(zhuǎn)向生產(chǎn)普通鋼，而轉(zhuǎn)爐鋼廠越來越多地生產(chǎn)特殊鋼。在未來鋼鐵工業(yè)的發(fā)展中，每個企業(yè)都需要把對電爐與轉(zhuǎn)爐冶煉特殊鋼優(yōu)劣分析做為課題之一，科學(xué)合理地選擇特鋼冶煉工藝流程。

電爐煉鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼殘留物氮量控制

電弧爐最初在20年代開發(fā)成功，用來熔煉廢鋼、生產(chǎn)一般應(yīng)用級別的鋼材，如鋼筋等。與高爐——轉(zhuǎn)爐聯(lián)合鋼鐵廠相比，短流程的電爐鋼廠生產(chǎn)要簡單得、靈活得多，它能生產(chǎn)正常質(zhì)量的、且在價格上比高爐——轉(zhuǎn)爐聯(lián)合鋼鐵企業(yè)要廉價的鋼材，所需要的就是廢鋼與電能的充足供應(yīng)。

一直以來，制約著短流程鋼廠發(fā)展的最大的因素仍是沒有能力正常地生產(chǎn)某些優(yōu)質(zhì)低碳鋼。然而，近幾年來技術(shù)的全面發(fā)展和兩種流程間的激烈競爭，明顯改變了生產(chǎn)效率。其結(jié)果是一些世界級的電爐鋼廠頂替了成本更高的聯(lián)合企業(yè)，成為諸如大型材、鋼梁、SBQ等大部分優(yōu)質(zhì)碳鋼的供應(yīng)者。

在我國，近年來面對廢鋼資源的日益短缺、優(yōu)質(zhì)廢鋼價格和用電成本居高不下的現(xiàn)實，以電弧爐作為主要冶煉工藝的特殊鋼企業(yè)也開始致力于研究用轉(zhuǎn)爐冶煉特殊鋼的工藝技術(shù)。

目前，國外用轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的特殊鋼已占特殊鋼總量的60%左右（日本更高，約占70%）。特殊鋼中的主要鋼種如軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼以及冷鐓鋼等均可采用“高爐供熱鐵水→轉(zhuǎn)爐 + 二次精煉 → 連鑄 → 連軋”工藝生產(chǎn)。

目前，我國重點普鋼企業(yè)的轉(zhuǎn)爐都已配備了RH和LF等二次精煉手段，而且已有相當(dāng)比例的優(yōu)特鋼產(chǎn)品被普鋼企業(yè)以低成本、低價格的絕對優(yōu)勢所占領(lǐng)。

在未來鋼鐵工業(yè)的發(fā)展中，科學(xué)合理地選擇特鋼冶煉工藝流程，是每個企業(yè)都非常關(guān)注電爐與轉(zhuǎn)爐冶煉特殊鋼優(yōu)劣分析的課題。

一、特殊鋼的生產(chǎn)工藝流程

目前，特殊鋼生產(chǎn)工藝流程主要有3種：

（1）電爐流程：電爐→二次精煉→連鑄→軋制；

（2）轉(zhuǎn)爐流程：高爐→鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→二次精煉→連鑄→軋制；

（3）特種冶金：真空感應(yīng)熔煉、電渣重熔、真空電弧重熔、電子束熔煉、等離子熔煉等葉鍛造或軋制。

由于早期特殊鋼大都采用電爐冶煉，習(xí)慣上形成了特殊鋼廠就是電爐鋼廠，特殊鋼一定要用電爐冶煉，而電爐一定要生產(chǎn)特殊鋼才夠水平，才可以有好的經(jīng)濟效益。這主要是由于早期電爐煉鋼的特點和特殊鋼本身產(chǎn)品特點決定的。

電爐煉鋼是依靠電能感應(yīng)的物理熱進行冶煉的，可在爐內(nèi)熔化大量合金和廢鋼鐵，這樣電爐鋼在合金化等方面較轉(zhuǎn)爐煉鋼有一定的優(yōu)越性。但其缺點是冶煉周期長、生產(chǎn)效率低、電價昂貴、成本高和爐容小等。又由于特殊鋼產(chǎn)品有合金含量高、多品種、小批量和附加值高等特點，因此早期用電爐冶煉特殊鋼達到了揚長避短之目的，但同時人們也一直認(rèn)為轉(zhuǎn)爐主要是用來冶煉普通鋼的。

隨著社會廢鋼資源的積累，直接還原技術(shù)的開發(fā)，電力工業(yè)的發(fā)展，電爐煉鋼技術(shù)（大容積電爐、超高功率電爐等）、鐵水預(yù)處理和爐外精煉技術(shù)的飛速發(fā)展，電爐鋼廠越來越多地轉(zhuǎn)向生產(chǎn)普通鋼，而轉(zhuǎn)爐鋼廠越來越多地生產(chǎn)特殊鋼。

二、電爐與轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)流程的優(yōu)劣勢分析

鐵水預(yù)處理及二次精煉技術(shù)的發(fā)展，使得轉(zhuǎn)爐流程在特殊鋼生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要的作用。轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)特殊鋼技術(shù)首先是由日本開發(fā)的。日本于1957年引進氧氣轉(zhuǎn)爐技術(shù)，1961年使用轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)特殊鋼28萬噸，占當(dāng)時特殊鋼產(chǎn)量的10%；1967年生產(chǎn)156萬噸，占23%；1971年生產(chǎn)528萬噸，占51%；1985年產(chǎn)量達1200萬噸，近年來一直保持在1000萬噸以上的水平，占特殊鋼產(chǎn)量的70%左右。

1.電爐流程的優(yōu)劣勢

（1）電爐煉鋼配以LF/V D二次精煉生產(chǎn)特殊鋼的優(yōu)勢在于使用化學(xué)性質(zhì)為中性的電弧作為熱源，冶煉過程中加熱與化學(xué)反應(yīng)相互獨立，從而保證了工藝的靈活性。又由于允許加入較多數(shù)量的合金，因而在生產(chǎn)高合金鋼方面具有更明顯的優(yōu)勢。電爐煉鋼工藝適合于生產(chǎn)小批量、多品種、合金含量較高的鋼種。

（2）由于電爐加熱鋼水時會使熔池增碳，而電爐冶煉過程成分控制較為容易，故其優(yōu)勢鋼類為中、高碳鋼和高合金鋼。由于電弧區(qū)鋼液吸氮，因而難以生產(chǎn)氮含量低的產(chǎn)品。

圖1　電爐煉鋼

（3）電弧加熱爐料時，產(chǎn)生的物理熱大部分被包圍在爐料中，而且?guī)ё叩臒釗p失少，所以熱效率比轉(zhuǎn)爐煉鋼法要高。但使用小容量的電弧爐生產(chǎn)特殊鋼的首要問題在于無法配置有效的二次精煉手段；其次是裝備水平難以提高，影響了成分和溫度的精確控制；第三是由于出鋼量小，爐間成分波動范圍大。

（4）消耗高、生產(chǎn)成本高。現(xiàn)代大型超高功率電爐技術(shù)的不斷完善，基本解決了上述問顥。

2.轉(zhuǎn)爐流程的優(yōu)劣勢

（1）鐵水的純凈度和質(zhì)量穩(wěn)定性均優(yōu)于廢鋼。

（2）采用鐵水預(yù)處理工藝，進一步提高鐵水純凈度：S≤0.005%，P≤O.01%。

（3）氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼配以RH二次精煉的工序優(yōu)勢，在于極高的生產(chǎn)速率和優(yōu)異的純凈度，因而適于低碳/超低碳、低殘余元素的鋼種，尤其是批量很大、合金含量較低的鋼種。

（4）轉(zhuǎn)爐的終點控制水平高，渣鋼反應(yīng)比電爐更接近平衡。

（5）轉(zhuǎn)爐鋼水的氣體含量低，N≤20ppm，H≤3ppm。

（6）由于冶煉過程所需的能量依靠鋼中易氧化元素與氧作用而釋放的化學(xué)能供應(yīng)，因而溫度控制與冶金過程密切相關(guān)，工藝靈活性較差。

（7）轉(zhuǎn)爐冶煉周期短，生產(chǎn)效率高，易于與精煉、連鑄形成高效化生產(chǎn)。

（8）轉(zhuǎn)爐與LF爐匹配，可靈活生產(chǎn)高、中碳及含有一定合金量的低合金鋼。

（9）轉(zhuǎn)爐冶煉是采用化學(xué)熱和物理熱，富裕熱量只能熔化10~15%的廢鋼或合金，故不適宜冶煉高合金鋼，尤其不適宜煉合金工具鋼、難熔鎢鐵等高熔點合金。

圖2　轉(zhuǎn)爐煉鋼

三、電爐煉鋼與轉(zhuǎn)爐煉鋼中殘留物及氮量控制的分析

1.殘留物控制

基于廢鋼的電爐煉鋼有它的優(yōu)勢，也存在劣勢。它極度依賴于廢鋼的價格和供應(yīng)能力，且有些地方的電價昂貴。雖然電爐的產(chǎn)量能比轉(zhuǎn)爐煉鋼流程更好的追隨市場需求，但廢鋼價格走向卻隨著經(jīng)濟活動而變?；陔姞t的小鋼廠要想保持競爭力，則必須確保廢鋼市場具有充足的供應(yīng)能力。而且，廢鋼質(zhì)量對電爐鋼的質(zhì)量影響也大，冶煉中對入爐廢鋼的化學(xué)成份應(yīng)基本明確，且力求穩(wěn)定，這對順利冶煉非常重要。如果大量配入廢鋼壓塊，里面包的是什么東西，難于弄清，其化學(xué)成份難于掌握，所以經(jīng)常易造成熔清含碳量過高或過低，給正常冶煉帶來困難。

某鋼廠電爐，由于使用的打包比壓塊較多、且質(zhì)量不高，雜質(zhì)較多及有害化學(xué)成分較多，曾出現(xiàn)月平均熔清含硫量高達0.146%，有的爐次高達0.4%以至0.48%，熔清含磷量高達0.2%以上的也不罕見，從而造成冶時大大拖長，石灰用量和還原劑增加，電耗也增加。至于由于含Cu量過高，造成整爐報廢的時有出現(xiàn)。更為嚴(yán)重的是，由于冶時拖長易造成爐殼燒穿的現(xiàn)象，給人身安全和設(shè)備安全帶來直接的威脅?？梢姡瑥U鋼的質(zhì)量嚴(yán)重影響到鋼水的質(zhì)量，大量使用不明成份的廢鋼是不可取的，造成的后果和損害也是可想而知的。

長流程的轉(zhuǎn)爐煉鋼，其以鐵礦石為基礎(chǔ)原料，鋼中殘留金屬量比電爐流程低，且遠(yuǎn)低于目標(biāo)規(guī)范。對于相當(dāng)數(shù)量的長材，殘留金屬量的公差范圍較寬，在不損害產(chǎn)品性質(zhì)的時候是可以接受的，甚至殘留金屬量還相當(dāng)高，這也就是目前為何電爐煉鋼廠的產(chǎn)品基本都是長材的主要原因。而對于扁平材，最終用戶對其要求非常嚴(yán)格，如深沖性能、高耐沖擊性能和表面光潔度等，因此，殘留金屬量必須低，以實現(xiàn)所要求的產(chǎn)品性能。在這一領(lǐng)域，長流程的轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)企業(yè)仍然占據(jù)著絕對的技術(shù)優(yōu)勢。

盡管如此，在最近的10~15年間，得益于電爐設(shè)計、生產(chǎn)與原料供應(yīng)、中厚板坯連鑄技術(shù)和直接軋制的發(fā)展，某些電爐鋼企業(yè)、尤其是美國的電爐鋼企業(yè)，已經(jīng)躋身于扁平材市場，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的帶鋼。當(dāng)然，絕大多數(shù)小鋼廠的生產(chǎn)仍集中在長材領(lǐng)域，尤其國內(nèi)的企業(yè)。

2.氮量控制

鋼水中氮含量的控制主要與工藝參數(shù)有關(guān)。在電爐上控制氮含量是非常困難的，這是用電爐流程生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼最大的限制條件。氮含量控制與低碳鎮(zhèn)靜鋼有特殊的關(guān)系，鋼中氮含量高會引起應(yīng)變時效，使鋼的延展性下降。當(dāng)這些鋼一般用于深沖加工制品時，要求氮含量小于50ppm。在更嚴(yán)格的應(yīng)用中，如超低碳Ⅳ鋼，氮含量要求小于30ppm，經(jīng)常要接近20ppm。雖然這些專用的高附加值產(chǎn)品在轉(zhuǎn)爐煉鋼的聯(lián)合鋼廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中只占很小的比重，但他們表達了最嚴(yán)格的生產(chǎn)極限。通常情況下，轉(zhuǎn)爐出鋼時的氮含量只有電爐鋼的1/3，轉(zhuǎn)爐為15~40ppm，電爐為60~100ppm。

傳統(tǒng)的電爐操作是在敞開渣門的情況下完成大部分的精煉工作，這就導(dǎo)致大量的空氣進入電爐，促進了爐內(nèi)的高氮氣氛。通常，普通電爐是不密封的，在爐殼和爐頂區(qū)域有很多開口，空氣可自由穿越這些開口。因此，普通的以冶煉廢鋼為主的電爐煉鋼工藝的顯著特點是爐內(nèi)氣氛中的氮會被暴露的鋼水吸收。在電弧等離子區(qū)尤為如此，高溫將氮氣分解成原子或離子狀態(tài)的氮，進一步促進了氮的吸收。

為此，在電爐工藝中，一般可通過有效的消除氣源與鋼液的接觸可降低吸氮量。在生產(chǎn)操作中，主要通過在電孤四周形成大量的保護性泡沫渣、增強熔池上方一氧化碳?xì)夥蘸徒档蛧姶禋怏w的氮含量等手段來實現(xiàn)這個目的。

另外，“密封”電爐、即關(guān)閉渣門有助于削減空氣的滲入量。歐洲煤鋼共同體最近的研究顯示，電爐出鋼時鋼水中的氮含量隨著爐料中預(yù)還原鐵的數(shù)量、生鐵的添加量或者在脫碳時的噴碳量而變化。與全廢鋼裝料相比，利用脫碳期增加一氧化碳發(fā)生量的操作可以實現(xiàn)較低的氮含量。

然而，除去少數(shù)個案外，現(xiàn)代電爐的設(shè)計、操作、入爐原料、產(chǎn)品規(guī)范等對實現(xiàn)最低氮出鋼并不樂觀。國際鋼協(xié)最近在世界范圍的調(diào)查表明，對于在53座電爐上生產(chǎn)的眾多鋼鐵產(chǎn)品，出鋼目標(biāo)氮沒有低于40ppm的，而且雖然40ppm在基本原理上看似是可實現(xiàn)的，且也可搜集到20~30ppm的引述，但是可實現(xiàn)的最低氮量水平還沒有建立。電爐鋼低氮含量是在特殊情況下實現(xiàn)的，低氮煉鋼是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)扁平材最大的要求。

四、結(jié)束語

在近20年里，電爐煉鋼的發(fā)展明顯快于高爐——轉(zhuǎn)爐流程。特別是參與扁平材生產(chǎn)的電爐鋼廠數(shù)量在不斷增加，尤其是投資成本低且以直接還原鐵為原料的新廠不斷出現(xiàn)，或者建在能獲得鐵水的原有廠址的工廠。

現(xiàn)代電爐在設(shè)計上與薄板坯、中厚板坯技術(shù)直接產(chǎn)生聯(lián)系，再加上直接軋制技術(shù)，其成本要比傳統(tǒng)的順序批處理工藝低得多。這是因為與傳統(tǒng)流程相比，它操作步驟簡化、工藝裝備少、生產(chǎn)時間短和能耗低的結(jié)果。

對于扁平材，現(xiàn)代電爐和技術(shù)先進的傳統(tǒng)煉鋼流程間的競爭才剛剛開始，這種競爭強烈的依賴于當(dāng)?shù)氐脑?、能源和市場條件。

然而，發(fā)展趨勢更多的體現(xiàn)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，帶有地域性或者生產(chǎn)集中，更小、自動化水平更高、更專業(yè)化，即生產(chǎn)一定范圍內(nèi)的普通或高附加值鋼材，擁有自己的消費點，能靈活迅速的應(yīng)對客戶或市場的變化。因為這種布局與客戶的距離更近，通過優(yōu)化產(chǎn)品的分配降低生產(chǎn)和運輸成本，并加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度。這些小規(guī)模的、資本密集度低的工廠的成本競爭力已經(jīng)確保了在選定地區(qū)建立新煉鋼產(chǎn)能的行動，并根據(jù)那里的能源、原料、勞力、市場結(jié)構(gòu)、運輸成本、市場需求等條件開發(fā)市場。

對于聯(lián)合型鋼鐵公司，巨大的歷史資產(chǎn)和長久的資產(chǎn)壽命嚴(yán)重制約了他們對“市場型工廠”生產(chǎn)模式的響應(yīng)。因為新競爭者為提高鋼的質(zhì)量在技術(shù)上持續(xù)改進，熱切期望至少要達到聯(lián)合鋼鐵企業(yè)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，因此，從長遠(yuǎn)看，聯(lián)合型鋼鐵企業(yè)的不利形勢在加劇。

因為市場型企業(yè)的最憂配置，使得它相對于傳統(tǒng)的、集中的、聯(lián)合的工藝能更迅捷、更廉價、更能響應(yīng)市場。聯(lián)合型鋼鐵企業(yè)只有精簡生產(chǎn)環(huán)節(jié)、降低能耗，以此來提高生產(chǎn)效率，同時還要不斷開發(fā)更高級的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，只有通過這些才能保持競爭力。

在扁平材領(lǐng)域，現(xiàn)代電爐煉鋼與高爐——轉(zhuǎn)爐聯(lián)合流程的競爭才剛剛開始。

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