張莉霞
電弧爐技術的最新發展著重于優化廢鋼裝入、預熱技術、熔煉、無渣出鋼以及在裝料、出鋼、堵出鋼口期間連續供電操作。考慮到電弧爐的能量平衡，最大一部分的過程能量損耗是爐內排放的熱廢氣，有效回收這種能量對提高電爐煉鋼的整體能量平衡顯得非常重要。因此，能源高效利用技術在電爐煉鋼降低單位能源消耗量和相關污染物排放方面建立了新的基準。
鋼鐵在目前以及未來幾十年中仍將是工業主要使用的材料。現今不斷增長的結構鋼需求是全球電爐煉鋼市場的主要特點。預計到2015 年，電爐鋼年產量將增加至500 多萬t，到2020 年產量將增至575 萬t。因此需要電爐裝入的金屬原料(廢鋼、直接還原鐵、熱壓塊鐵/HBI)成本逐漸降低以及能源高效利用技術，以確保資源的最優化。尤其是能源成本占據了小型鋼廠運營成本的大部分份額，能源價格上漲對電爐鋼鐵企業是一個重要風險。電爐煉鋼企業需要通過一項全面的能源管理以應對這一趨勢，以提高鋼鐵廠的能源效率。現有小型鋼廠如果使用全面的能源管理系統能夠使其節能量高達30%。
1 能源成為電爐煉鋼的主要挑戰
電爐鋼產業當今和將來面對的最主要的挑戰之一是日益增長的能源成本和更嚴格的環境法規。
1.1 更高的能源成本
除了電爐煉鋼原料，能源是當今電爐煉鋼生產中的主要成本支出，其在電爐煉鋼車間成本占37%，在軋鋼車間成本支出占30%。同時能源價格自2004 年以來也是不斷增加，預計在未來價格更高。因而降低運營成本，確保高績效水平煉鋼的關鍵是優化工廠技術，最大限度地提高工廠效率，減少能源浪費。
1.2 更加嚴格的環保法規
隨著國際協定和國家法律日益要求減少污染和二氧化碳排放，必須采取先進的解決方案，以滿足當今和未來的環保法規。
2 提高能源效率的典型措施。
下面給出了幾個最節能的小型鋼鐵廠采取的創新案例。創新和現代化的組合顯示了一個小型鋼鐵廠的能量平衡如何可以得到改善。整個小型鋼廠節能可高達30%。
2.1 新一代電弧爐的廢鋼
預熱
日益增加的能源成本和嚴格的環境法規導致鋼鐵的生產成本較高。因此，一個最先進的電弧爐必須符合以下的技術和市場需求:
◆最大利用率和最小的停機時間以確保高生產率；
◆高程度的自動化過程控制，以實現質量可靠和一致的鋼鐵產品；
◆煉鋼節能操作；
◆最大限度保障工作人員安全；
◆低電壓閃變效應；
◆符合當前和未來的環保法規要求。
Simetal EAF Quantum 是西門子新豎型電弧爐，結合數十年的工程經驗和20 多個豎爐型爐子電爐工廠安裝獲得的知識和經驗。高效利用爐子廢氣進行熱循環，使廢鋼100%在熔化前被預熱，同時廢鋼裝入和熔化允許通電時間被最大化。這些特點除了大幅減少冶煉周期接近30mmin 外，還可大量節約能源和成本。采用留鋼操作允許熔化階段采用平底熔池，減少了電壓閃變效應。當然這要結合已經申請專利的FAST 出鋼系統(爐子先進的無渣出鋼)，這個系統集合新型廢鋼裝料系統、獨特的廢氣處理系統和操作高性能電弧爐應用分析技術。西門子新豎型電弧爐出鋼能量消耗只有280kWh/t，生產效率提高至少10%，單位電極消耗降低了30%。所有這些因素及其他優點的組合使得生產成本下降約20%。投資回報可能在兩到四年，這取決于能源成本和生產計劃。
第一臺Simetal EAF Quantum 爐于2011 年12 月安裝在墨西哥鋼鐵生產廠(Tyasa)，出鋼量為t00t。
2.2 連續直接還原鐵熔煉
現在使用新Simetal EAF FAST DRI 可以連續地在一個電弧爐冶煉DRI(直接還原鐵)。該解決方案的一大亮點是，即使在出鋼過程中直接還原鐵的裝入和電力輸入也不間斷。西門子冶金技術開發這個爐型作為先進的直接還原鐵基電爐，其特征是一個改進的爐殼設計和留鋼操作以加速DRI 熔化，出鋼和補出鋼口在通電狀態下進行。由于全新的爐殼運動模式與FAST 無渣出鋼系統相結合這個才成為可能。殘渣最小化得益于出鋼通道的虹吸式設計。現有的爐子可以使用FASTDRI 系統進行升級改進。為了提高生產率，從直接還原廠來的熱直接還原鐵可以通過專門開發的DRI 板式輸送機傳送鏈在600℃左右裝入FAST DRI 爐中。
2.3 電爐性能最大化
有效利用電爐裝入原材料和能源的需求是電爐煉鋼發展的重要推動力量。電能和化學能輸入對照圖顯示了優化潛力(圖1)。一項來自西門子冶金技術的最新電爐創新用來應對這一挑戰，即Simetal EAF Heatopt。此解決方案提供持續監測爐廢氣、廢氣流量和熔渣水平。此外，天然氣、用于精煉和二次燃燒的氧氣以及用來進行爐渣管理的碳也由系統全面控制。
Simetal EAF Heatopt 是由四個主要部分組成:整體過程模型(HPM)本身-算法和預測策略的組合；Lomas 廢氣分析系統；SAM 廢氣流量分析儀；FOX300 爐渣泡沫化指示器。
這個系統具有以下特點:
◆生產率增加約3.6%；
◆減少氣體和氧氣耗約15%；
◆碳消耗平均減少15%；
◆鋼材生產成本降低約2$/t；
◆通過應用圖形分析得到高工藝透明度。
2.4 電爐廢氣余熱回收
在新Heat2Power 電弧爐能量系統中，傳統電弧爐中常規的水和空氣冷卻排氣系統被一個熱回收蒸汽發生器(HRSG)替換。根據可利用的空間，熱回收蒸汽發生器可以在車間內部或外部安裝。
蒸汽緩沖存儲器(LD/BOF 煉鋼所熟知)，或者獨特的高溫熔鹽儲能系統，確保即使在爐子裝料或出鋼蒸汽也能穩定供應。蒸汽可直接用于許多方面，如過程加熱、蒸汽噴射器、區域加熱或海水淡化等。此外，還開發了使用蒸汽來驅動汽輪機，具有出色的發電效率。根據回收系統的大小，使用這些發電系統可重新獲得高達35kWh/t 的電能。
2.5 全面優化煉鋼操作
廣泛的先進工藝優化系統、最新的工藝模型以及多樣的自動化軟件包可以降低從EAF 到二次精煉設施的原材料和能源的消耗。先進的能源管理解決方案和系統，生產執行、質量控制和狀態監測的全面優化，控制成本的有效操作是高性能電爐煉鋼的基礎。
2.6 高速長材鑄造
西門子冶金技術開發了高速方坯連鑄機。該連鑄機對典型規格130mm×130mm 方坯連鑄速度可以超過6m/min。許多技術特點使之成為可能。鑄機采用滑動水口的控制。成熟的具有板簧指導的Simetal DYNAFLEX 液壓振蕩器使結晶器振動參數可在線調整，以此作為基礎以確保鑄造產品的正確潤滑和防止不必要的機械部件的振動。專利授權的Simetal Diamond 解決方案采用了特殊形狀的結晶器管輪廓和擴展的足輥用來加快高速連鑄所需的坯殼凝固。二次冷卻系統的改進提供了結晶器出口以后所需要的理想冷卻條件，確保正確的鑄坯表面溫度和鑄坯凝固模式。
2.7 直接從鋼液連續生產長材
WinLink 是西門子冶金技術直接從鋼液連續生產長材的創新技術。鋼坯連鑄機直接與軋機相連，在連續不間斷的生產線上將鋼液加工成鋼筋或其他長材產品。在一個高度緊湊的生產廠，通過高速方坯連鑄機與軋機的直接鏈接，生產者將受益于較低的投資支出(CAPEX)，降低生產成本(OPEX)，顯著節約能源，減少二氧化碳排放量，提高了長材的盈利能力，可快速回收投資。
WinLink 很適合安裝在以廢鋼為基礎的，產能是30 萬t 和40 萬t 的棒材小型鋼廠，主要生產在建筑業和基礎設施應用的標準碳鋼牌號。
3 能量優化研究
西門子冶金技術的能量優化包括三個階段:能量檢查、能量提高學習和能源實現概念。在第一階段，對工廠能量狀態進行分析和確定相應的節能潛力。能源改進研究將對基于各個鋼廠配置節能潛力的詳細調查進行評估。提高能源利用效率的潛在行為定制評價是這第一階段的主要成果。最后，能源實現概念將闡述詳細的技術概念，包括改進項目的實施步驟。
3.1Simetal EMS
這種先進的能源管理系統提供了揭示煉鋼廠內所需的實際能耗的透明度。高效靈活地記錄消費數據、能源規劃和分配、CO2 監控和能量平衡的產生可以很容易地集成到現有的自動化系統。
Simetal EMS 是一個模塊化可配置的，可擴展成一套適用于不同的自動化水平和生產單元組合功能。太原鋼鐵(集團)有限責任公司從Simetal EMS 簽訂了第一筆訂單，獲得以下效果:
◆在能源需求、成本中心的消費方面提高透明度，大量節約能源；
◆通過自動報告信息顯示和關鍵績效指標(KPIs)強化成本控制；
◆煉鋼廠內的能量消耗優化，從而避免了高峰期的網絡負荷和不必要的閃變損失；
◆在數學模擬和計算模型的基礎上對能源需求進行可靠預測。
4 結束語
鋼鐵企業保持競爭力的關鍵是對小型鋼廠高效節能操作。小型鋼廠節約能源的潛力是巨大的，但不幸的是在許多情況下沒有持續推動。現有工廠能源強度顯示了相當大的差異。整個小型鋼廠節能的主要內容可以在電弧爐廢鋼預熱，電爐廢氣能量回收，避免過程溫降中找到。CCM 和RM 之間的密切聯系是小型鋼廠下一步的發展方向，無論是熱送熱裝和直接軋制都能有高效的節能潛力。鋼鐵廠要更多關注更高能效的綠色技術。