王國軍，朱青德，魏國立
(酒泉鋼鐵( 集團(tuán)) 有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)
摘 要: 簡要介紹近年電爐鋼發(fā)展新技術(shù)及未來電爐爐型發(fā)展方向，對不同冶煉模式電爐鋼成本與轉(zhuǎn)爐鋼成本進(jìn)行比較，對比長短流程能耗及排放指標(biāo)。電爐鋼成本中，鋼鐵料、石墨電極及電力三者，決定電爐鋼成本競爭力的主要因素為廢鋼價格，其次為石墨電極消耗及價格，最后為電耗及電價; 環(huán)保政策傾向電爐短流程，隨著全國碳排放權(quán)交易市場逐步完善，電爐短流程煉鋼競爭力將增強(qiáng); 從降低電爐鋼成本的角度看，電爐發(fā)展方向?qū)⑹侨诤限D(zhuǎn)爐部分功能的電轉(zhuǎn)爐工藝。
關(guān)鍵詞: 電爐鋼；轉(zhuǎn)爐鋼；成本；能耗；排放
引言
鋼鐵生產(chǎn)可分為“從鐵礦石到鋼材”和“從廢鋼到鋼材”兩大流程。相對于鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中以高爐－轉(zhuǎn)爐為代表的常規(guī)流程而言，以廢鋼為主原料的電弧爐煉鋼生產(chǎn)具有工序少、投資低和建設(shè)周期短的特點(diǎn)，因而被稱為短流程［1－3］。近年來，我國廢鋼資源產(chǎn)生量增多，電力條件改善，國家政策導(dǎo)向支持為電爐鋼的發(fā)展創(chuàng)造了一定的條件，但電爐鋼的發(fā)展仍存在一些制約因素，一是廢鋼資源質(zhì)量參差不齊，二是電爐鋼成本競爭力不強(qiáng)，廢鋼與鐵水價差不能長期支撐電爐鋼成本競爭力，國內(nèi)總體電價水平較高，石墨電極價格高且波動較大，造成電爐鋼成本控制難度大。鋼鐵企業(yè)排放指標(biāo)要求越來越嚴(yán)，鋼鐵企業(yè)排放的污染物 80%來自焦化、燒結(jié)等環(huán)節(jié)，長流程煉鋼的弊端日漸明顯［4－5］。系統(tǒng)的比較電爐鋼和轉(zhuǎn)爐鋼成本，以及長短流程能耗與排放，可供發(fā)展電爐鋼企業(yè)參考，具有重要意義。
2 電爐鋼發(fā)展新技術(shù)
電爐煉鋼新技術(shù)主要有鐵水+廢鋼冶煉技術(shù)、強(qiáng)化用氧技術(shù)、伸縮爐蓋電爐技術(shù)、新型康斯迪電爐煉鋼技術(shù)、新型量子電爐煉鋼技術(shù)等。未來電爐爐型的發(fā)展方向是能實(shí)現(xiàn)連續(xù)加料、廢鋼預(yù)熱、綠色環(huán)保、余熱回收及人工智能型煉鋼的電爐。目前，我國康斯迪電爐占總電爐數(shù)量 70%左右，建設(shè)較早的電爐企業(yè)一般為非連續(xù)加料的普通電爐。
2．1 伸縮爐蓋電爐技術(shù)
德國?？怂辜夹g(shù)公司為實(shí)現(xiàn)電爐一籃料操作，開發(fā)了伸縮爐蓋技術(shù)，在普通電爐基礎(chǔ)上增加爐殼高度、增加爐蓋的升降行程，有利于縮短非通電時間、提高生產(chǎn)率。運(yùn)行效果: 噸 鋼吹氧小于 30 Nm3/t，天然氣 4 Nm3/t; 電耗 369 kWh /t，電極消耗0．91 kg /t，一籃料加料次數(shù)由 40%增加至 54%。
2．2 新型康斯迪電爐煉鋼技術(shù)
新型康斯迪電爐，其主要特點(diǎn)及優(yōu)越性: 爐體稱量裝置安裝位置，由傾動平臺下四個滾輪內(nèi)，改為安裝在傾動平臺上方的四個角，依四個稱量單元來測量工作狀態(tài)的爐體重量，該方式安裝、維護(hù)方便，故障率小; 縮短廢鋼預(yù)熱段的長度，提高煙氣出口溫度; 控制野風(fēng)的混入，強(qiáng)化預(yù)熱段內(nèi)的二次燃燒，保證出口溫度在 800 ～ 900 ℃，抑制二噁英的產(chǎn)生; 電爐爐底設(shè)置底吹裝置，在廢鋼下料區(qū)爐底設(shè)置底吹裝置，改善熔池鋼水溫度偏差，縮短冶煉周期; 在廢鋼預(yù)熱段設(shè)置擋板，防止電極極心圓偏位。
2．3 新型量子電爐煉鋼技術(shù)
新型量子電弧爐優(yōu)越性: 過程基本不停電，非通電時間 1～2 min，高生產(chǎn)率，冶煉周期可實(shí)現(xiàn) 33 ～ 36min; 變壓器功率利用率高，約等于 1，減小變壓器功 率的匹配; 電耗可以達(dá)到 280 kWh /t( 廢鋼預(yù)熱 600℃ ) ，電極消耗可以達(dá)到 0．9 kg /t; 平熔池操作，電壓閃爍、噪音水平低，可以免用屋頂煙罩; 節(jié)能、環(huán)保、新型。這種新型電爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，國外有部分鋼企投用，但國內(nèi)目前無新型量子電爐投產(chǎn)［6－7］。
3 成本對比數(shù)據(jù)選取
據(jù)相關(guān)介紹，量子電爐電耗可達(dá)到 280 kWh /t，電極消耗可達(dá)到 0．9 kg /t。
⑴電極消耗。
電極消耗與原料結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化用氧、廢鋼預(yù)熱、連續(xù)加料有關(guān)。目前國內(nèi)外電爐電極消耗 0．91 ～ 4．0kg /t，配加鐵水冶煉時電極消耗低于全廢鋼冶煉電爐。
①全廢鋼冶煉，電極消耗取 3 kg /t。
②35%鐵水+65%廢鋼，電極消耗取國內(nèi)先進(jìn)水平 2 kg /t。
③50%鐵水+50%廢鋼，電極消耗取國內(nèi)先進(jìn)水平 1．8 kg /t。
④量子電爐，電極消耗取 0．9 kg /t。
⑵電極價格。
石墨電極價格 10．5 ～ 14．5 萬元/t，電極直徑越大價格越高，電爐鋼企業(yè)電極直徑一般為 400 ～ 550 mm，以 14．5 萬元/t 測算。
⑶電耗。
電爐鋼電耗取決于原料結(jié)構(gòu)、裝備水平、用氧強(qiáng)度、廢鋼預(yù)熱溫度、加料方式等因素。目前國內(nèi)外電爐電耗 200 ～ 480 kWh /t，加部分鐵水冶煉在縮短冶煉周期，降低電耗方面具有顯著效果。
①全廢鋼冶煉，電耗以 400 kWh /t 測算。
②35%鐵水+ 65%廢鋼，電耗以國內(nèi)先進(jìn)水平250 kWh /t 測算。
③50%鐵水+ 50%廢鋼，電耗以國內(nèi)先進(jìn)水平200 kWh /t 測算。
④量子電爐，電耗以 280 kWh /t 測算。
⑷電價。
電價因電力類型、直供電優(yōu)惠政策等有所差異，按 0．45 元/kWh 測算。
⑸廢鋼價格。
電爐鋼企業(yè)廢鋼價格 2 000 ～ 2 200 元/t，以2 100元/t 測算。
⑹鐵水價格。
鐵水價格取 2 330 元/t。
⑺廢鋼通過轉(zhuǎn)爐冶煉轉(zhuǎn)化成的鋼坯，測算成本的數(shù)據(jù)選取。
①轉(zhuǎn)爐使用廢鋼冶煉時金屬收得率因廢鋼料型、質(zhì)量等有所差異，在 60% ～93%之間，取 80%。
②石灰消耗按廢鋼中 Si 含量 0．20%及爐渣堿度 3．0 確定，取 15 kg /t。
③氧氣消耗按廢鋼中 C、Si、Mn 元素氧化所需氧氣確定，取 15 m3 /t。
⑻耐材成本。
電爐鋼企業(yè)耐材成本 68～98 元/t，以 85 元/t 測算。
⑼合金、輔材及電以外的能源單價均以酒鋼集團(tuán) 3 月份價格為準(zhǔn)。
4 電爐鋼與轉(zhuǎn)爐鋼成本對比
以國內(nèi)電爐鋼企業(yè)為參照，在現(xiàn)有裝備條件和生產(chǎn)水平下，原料結(jié)構(gòu)選取全廢鋼模式、35%鐵水+ 65%廢鋼模式、50%鐵水+50%廢鋼模式電爐鋼成本分別與轉(zhuǎn)爐鋼成本進(jìn)行比較; 假設(shè)國內(nèi)電爐鋼企業(yè)采用最先進(jìn)的新型量子電爐后，測算電爐鋼成本，與轉(zhuǎn)爐鋼成本進(jìn)行比較。全廢鋼冶煉模式電爐鋼與轉(zhuǎn)爐鋼成本比較見表 1。
由表 1 可以看出，全廢鋼冶煉模式電爐鋼成本較轉(zhuǎn)爐鋼成本高 349．65 元/t。
35%鐵水+65%廢鋼模式電爐鋼成本與轉(zhuǎn)爐鋼成本比較見表 2。
由表 2 可以看出，35%鐵水+65%廢鋼模式電爐鋼成本較轉(zhuǎn)爐鋼成本高 249．48 元/t。50%鐵水+50%廢鋼電爐流程與轉(zhuǎn)爐流程成本比較見表 3。
由表 3 可以看出，50%鐵水+50%廢鋼流程電爐鋼成本較轉(zhuǎn)爐鋼成本高 224．82 元/t。指標(biāo)先進(jìn)電爐鋼成本與轉(zhuǎn)爐鋼成本比較見表 4。
由表 4 可以看出，指標(biāo)先進(jìn)電爐鋼成本較轉(zhuǎn)爐鋼成本高 6．34 元/t。若量子電爐采取鐵水+廢鋼工藝，成本將進(jìn)一步降低，與之相比轉(zhuǎn)爐鋼基本無優(yōu)勢。
綜合以上測算，全廢鋼、35%鐵水+ 65% 廢鋼、50%鐵水+50%廢鋼電爐鋼成本均高于轉(zhuǎn)爐鋼成本，波動范圍在 224．82 ～ 349．65 元/t，轉(zhuǎn)爐鋼在成本方面更有優(yōu)勢; 若在轉(zhuǎn)爐出鋼后加部分廢鋼，轉(zhuǎn)爐流程使用廢鋼的成本更有優(yōu)勢; 新型量子電爐鋼成本較轉(zhuǎn)爐鋼成本高 6．34 元/t，綜合考慮長流程碳排放稅以及國家鼓勵廢鋼消費(fèi)等政策，量子電爐鋼成本優(yōu)于轉(zhuǎn)爐鋼成本。
5 長流程與短流程能耗及排放比較
鋼鐵的主流生產(chǎn)工藝可分為兩種: 高爐－轉(zhuǎn)爐長流程和電爐短流程。鋼鐵企業(yè)排放的污染物80%來自焦化、燒結(jié)等環(huán)節(jié)，電爐短流程煉鋼工藝由于直接使用廢鋼作原料，省去了造成污染的諸多環(huán)節(jié)，受到許多鋼鐵企業(yè)的青睞。用廢鋼直接煉鋼比用鐵礦石煉鐵煉鋼可減少廢氣 80%、廢水 76%和廢渣 97%，有利于清潔生產(chǎn)和排廢減量化［8－10］。
2005 年以來，中國是世界最大能源消費(fèi)國和碳排放國，面臨著嚴(yán)峻的碳減排任務(wù)，其中 2016 年，全球 CO2排放量 361．83 億噸( 石油、天然氣和煤炭等化石燃料的排放量) ，中國碳排放量高達(dá) 105．06 億噸，總量超過歐美之和。高爐－轉(zhuǎn)爐長流程與電爐短流程能耗及排放比較見表 5。
由表 5 可以看出，高爐－轉(zhuǎn)爐長流程生產(chǎn)噸鋼CO2排放為 2．2 t 左右，電弧爐生產(chǎn)噸鋼 CO2排放量為 0．5 t 左右，電爐短流程排放的 CO2約為長流程的1 /4; 高爐－轉(zhuǎn)爐長流程生產(chǎn)噸鋼消耗標(biāo)煤 15．8 左右，電弧爐生產(chǎn)噸鋼消耗標(biāo)煤為 9．48 左右，噸鋼消耗標(biāo)煤約為長流程的 1 /2。
經(jīng)估算，我國重點(diǎn)鋼廠的碳排放占到全國碳排放總量的 13．5%，我國碳排放量依然居多，鋼鐵行業(yè)碳排放量不僅占全國碳排放量的比重增加，而且鋼鐵行業(yè)碳排放量也在持續(xù)增加，而電爐煉鋼碳排放明顯低于轉(zhuǎn)爐煉鋼碳排放量。工信部 2015 年 3 月20 日發(fā)布的《鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整政策( 2015 年修訂) ( 征求意見稿) 》，明確要求: “鼓勵推廣以廢鋼鐵為原料的短流程煉鋼工藝及裝備應(yīng)用，到 2025 年，我國鋼鐵企業(yè)煉鋼廢鋼比不低于 30%，廢鋼鐵加工配送體系基本建立”。此項(xiàng)工作實(shí)際推進(jìn)比較緩慢，預(yù)計(jì)國家將出臺強(qiáng)有力的措施支持電爐鋼發(fā)展。
6 結(jié)語
⑴決定電爐鋼成本競爭力的主要因素為廢鋼價格。以全廢鋼電爐流程測算的電爐鋼成本為例，電爐鋼成本中鋼鐵料成本占總成本的 68．53%，石墨電極成本占總成本的 12． 79%，電力成本占總成本的5．29%，因此，鋼鐵料、石墨電極及電力三者中，決定電爐鋼成本競爭力的主要因素為廢鋼價格，其次為石墨電極消耗及價格，最后為電耗及電價。
⑵環(huán)保政策傾向電爐短流程，隨著全國碳排放權(quán)交易市場逐步完善，電爐短流程煉鋼競爭力將增強(qiáng)。隨著全國碳排放權(quán)交易市場逐步完善，電爐短流程工藝將迎來發(fā)展機(jī)遇期，需持續(xù)關(guān)注國家碳排放相關(guān)政策。
⑶從降低電爐鋼成本的角度看，電爐發(fā)展方向?qū)⑹侨诤限D(zhuǎn)爐部分功能的電轉(zhuǎn)爐工藝。隨著近年電爐煉鋼技術(shù)的推陳出新，電爐生產(chǎn)電耗、電極消耗及冶煉周期都有長足進(jìn)步，電爐轉(zhuǎn)爐化趨勢日益明顯，無論是配加鐵水冶煉、強(qiáng)化供氧，還是增加底吹功能等強(qiáng)力降低能耗的措施，都已融合轉(zhuǎn)爐工藝技術(shù)。
參考文獻(xiàn):
［1］ 徐匡迪，洪 新．電爐短流程回顧和發(fā)展中的若干問題［C］．中國電爐流程與工程技術(shù)文集，北京: 冶金工業(yè)出版社，2005: 36-48．
［2］ 馬春武，李 智，封偉華，等．廢鋼價格與廢鋼比對煉鋼經(jīng)濟(jì)效益的影響［J］．中國冶金，2015，25( 09) : 6-10 / /26．
［3］ 彭 鋒，李 曉．中國電爐煉鋼發(fā)展和趨勢［J］．鋼鐵，2017，52( 04) : 7-12．
［4］ 干 勇，劉 瀏，王新林，等．新世紀(jì)冶金工業(yè)的發(fā)展與展望［J］．中國冶金，2003( 01) : 24-26．
［5］ 朱 榮，魏光升．電爐煉鋼智能化技術(shù)的發(fā)展［N］．世界金屬導(dǎo)報(bào)，2015-05-05( B02) ．
［6］ 張訓(xùn)鵬．冶金工程概論［M］．長沙: 中南大學(xué)出版社，2007: 43-54．
［7］ 傅 杰，柴毅忠，毛新平．中國電爐煉鋼問題［J］．鋼鐵，2007( 12) : 1-6．
［8］ 李士琦，張漢東，陳煜等．電弧爐煉鋼流程的能量狀況［J］．鋼鐵，2006( 08) : 24-27．
［9］ 賴建華，張傳來．轉(zhuǎn)爐煉鋼和電爐煉鋼比較研究［J］．南方企業(yè)家，2018( 04) : 233．
［10］ 張建國．轉(zhuǎn)爐煉鋼和電爐煉鋼的優(yōu)缺點(diǎn)比較分析［J］．資源再生，2016( 05) : 54-57．