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              1. 鋼鐵工業長短流程比較分析

                發布時間:2019-01-09 02:07              
                鋼鐵工業長短流程比較分析

                李晶 潘宏濤 王新江

                鋼鐵行業的生產有三個流程,即高爐轉爐流程、電爐流程、特種熔煉。高爐、轉爐流程稱為長流程,生產的鋼稱為轉爐鋼,它是以鐵礦石和焦炭為主要原料冶煉成鐵水,再由轉爐冶煉成鋼;電爐流程稱為短流程,生產的鋼稱為電爐鋼,它以廢鋼為主要原料冶煉成鋼。

                1 工藝技術的比較分析

                轉爐流程和電爐流程是鋼鐵冶金行業兩個主要流程,其在煉鋼方面的主要差別在于:

                1)?所用主要鋼鐵料不同。轉爐煉鋼主要以鐵水為主要原料,還有一般15%左右的廢鋼,近一年多時間,由于廢鋼價格低,噸鋼利潤較高為轉爐煉鋼用高比例的廢鋼消耗提供了條件,廢鋼消耗比例大幅提高,有的甚至高達40%,但存在轉爐內熱量不足的問題,解決轉爐內熱量問題是提高廢鋼比的關鍵;電爐煉鋼主要以廢鋼為主要原料,還有鐵水(生鐵)、直接還原鐵,脫碳粒鐵、碳化鐵及復合金屬料等廢鋼替代品。

                2)?主要能源不同。轉爐煉鋼主要是鐵水的物理熱和化學熱;電弧爐煉主要是電弧的物理熱,廢鋼預熱的物理熱、加鐵水帶來的部分物理熱和化學熱。

                3)?主要操作目標不同。轉爐煉鋼是在給定的時間內完成脫碳、脫磷及溫度控制的冶金操作,實現成份(碳、磷)及溫度的命中;電爐煉鋼是在全廢鋼的條件下,在給定的時間內完成廢鋼的升溫、熔化和過熱等,加鐵水等廢鋼替代品的情況下,也有部分脫碳的要求。另外電弧爐煉鋼可分別控制成分和溫度。

                4)?工藝技術進步的方向不同。轉爐煉鋼主要是通過包括提高供氧強度的高效吹煉技術、碳及溫度中率的全自動化吹煉技術、不倒爐出鋼的快速出鋼技術、采用爐外處理和鐵水預處理減輕轉爐冶金負荷等措施,實現轉爐生產高效化;通過接近平衡的冶煉工藝、高效脫磷工藝、出鋼擋渣技術,實現產品的潔凈化,通過少渣冶煉與爐渣返回、使用合金元素熔融還原(Cr、Mn)礦、干法除塵用水減量化,煤氣\余熱回收等技術,實現低成本及負能煉鋼。電爐煉鋼主要是通過強化供能(包括強化供電和輔助能源),采用“環境友好型” 廢鋼預熱系統預熱廢鋼和加鐵水工藝,增加物理熱和化學熱;采用不開爐蓋及出鋼時仍能通電的連續冶煉技術,有效地減少非通電時間;50%左右或更高的大留鋼量平熔池冶煉技術,減少冶煉過程電弧輻射對耐火材料的損害;降低電極消耗。以上技術的應用,縮短冶煉周期,實現高效化生產,降低噸鋼能耗。

                5)?冶金質量方面的差異。鋼中的殘余元素(Cu、Ni、Mo、As、Sb、Bi、Sn)不同,電弧爐煉鋼由于廢鋼多次循環使用,造成鋼中殘余元素含量高;鋼中氮含量不同,電弧爐煉鋼由于電弧區空氣電離增氮及原料中氮含量高,造成鋼中氮含量高。雖然電弧爐采用大留鋼量平熔池操作及密封冶煉,有利于降低氮含量,但還是無法與轉爐煉鋼利用CO汽泡攜帶脫氮能力相比。

                2 長流程與短流程煉鋼成本比較分析

                2.1煉鋼工序成本分析

                對于冶煉棒線材,轉爐+LF、電爐+LF和電爐(兌30%鐵水)+LF工藝煉鋼成本構成包括兩部分,即差別費用項和相同費用項。差別費用項比較如表1所示,相同費用項如表2所示。

                表 1 不同煉鋼工藝成本中不同費用項比較

                項目

                單價

                轉爐+LF

                電爐(全廢鋼)+LF

                電爐(兌30%鐵水)+LF

                單耗

                成本

                單耗

                成本

                單耗

                成本

                */t

                元/t

                */t

                元/t

                */t

                元/t

                一.鋼鐵料耗

                元/t

                1080.00

                2185.40

                1100.00

                2640.00

                1100.00

                2490.91

                ??1.廢鋼

                2400.00

                180.00

                432.00

                1100.00

                2640.00

                770.00

                1848.00

                ??2.鐵水

                1948.00

                900.00

                1753.40

                0

                0.00

                330.00

                642.91

                三.電耗

                元/kwh

                0.00

                216.60

                165.30

                ??電爐冶煉電耗

                0.57

                0

                0.00

                380.00

                216.60

                290.00

                165.30

                四.電極消耗

                0.00

                143.00

                99.00

                ??電爐電極

                0

                0.00

                1.30

                143.00

                0.90

                99.00

                五.耐火材料

                元/t

                2.08

                11.00

                爐襯

                5200.00

                0.40(壽命8000爐)

                2.08

                5(壽命400爐)

                11.00

                5(壽命400爐)

                11.00

                六.輔料

                26.37

                26.97

                31.68

                ?1.石灰(初煉爐)

                417.00

                49.00

                20.43

                40.00

                16.68

                40.00

                16.68

                2.白云石(初煉爐)

                219.00

                27.10

                5.93

                15.00

                3.29

                ??3.碳粉(58%)

                1000.00

                0

                7.00

                15.00

                七.燃氣

                元/Nm3

                31.04

                15.92

                15.61

                ??1.焦爐煤氣

                0.49

                8.00

                3.92

                12.00

                5.88

                6.00

                2.94

                ??2.氬氣

                0.40

                1.10

                0.44

                0.60

                0.24

                0.17

                0.07

                3.氮氣

                0.20

                31.00

                12.40

                20.00

                ??4.氧氣

                0.28

                51.00

                14.28

                35.00

                9.80

                45.00

                12.60

                八.冷卻水

                1.07

                4.35

                5.80

                1.初煉爐

                0.29

                3.70

                1.07

                15.00

                4.35

                20.00

                5.80

                九.能源回收

                -29.00

                -8.00

                1.煤氣(元/m3)

                0.20

                100.00

                20.00

                0

                2.蒸汽(元/kg)

                0.10

                90.00

                9.00

                80.00

                8.00

                小計

                2216.96

                3049.84

                2819.30

                由表1可知,不同煉鋼工藝成本中的差別費用,主要表現在鋼鐵料、電爐電能、電極、耐火材料、石灰等輔料、燃汽、冷卻水等消耗及能源回收方面,特別是鋼鐵料、電爐電能、電極三方面的消耗。轉爐+LF、電爐+LF和電爐(兌30%鐵水)+LF工藝煉鋼差別成本分別為2216.96元/t、3049.84元/t、2819.30元/t。

                表2不同煉鋼工藝成本中相同費用項比較

                項目

                單價

                單耗

                成本

                */t

                元/t

                一、合金消耗

                134.13

                1.硅錳合金(65%)

                7200.00

                18.12

                130.49

                2.硅鐵(70%)

                5700.00

                0.64

                3.64

                3.釩鐵(FeV50)

                91000.00

                0

                4.碳化硅(90)

                3750.00

                4.00

                15.01

                5.硅鈣鋇

                3800.00

                1.30

                4.75

                三.LF冶煉成本

                元/kwh

                74.06

                1.LF爐電耗

                0.57

                40.00

                22.80

                2.除塵及動力電耗

                0.57

                30.00

                17.10

                3.LF爐電極

                58000.00

                0.50

                29.00

                4.石灰(LF爐)

                417.00

                10.00

                4.17

                5.螢石(LF爐)

                1196.00

                0.20

                0.24

                6.LF冷卻水

                0.29

                2.60

                0.75

                五.耐火材料

                元/t

                12.56

                鋼包

                12.56

                七.燃氣

                元/Nm3

                12.00

                鋼包烘烤煤氣

                0.80

                15.00

                12.00

                十.工資及福利費

                15.24

                十一.連鑄成本

                33.00

                十二.制造費用

                39.02

                1.折舊

                31.35

                2.維修費

                4.00

                3.運費

                3.31

                4.其他

                0.37

                十三.備品備件

                7.00

                合計

                346.77

                由表2可知,不同煉鋼工藝成本中的相同費用為346.77元/t,包括合金消耗、LF精煉成本(電耗、輔料、鋼包耐材、冷卻水、燃汽)、連鑄成本、人員工資及福利、制造費用(折舊、維修費、運費及其它)及備品備件。

                通過以上分析,在廢鋼價格為2400元/t、鐵水價格為1948元/t的條件下,轉爐+LF、電爐+LF和電爐(兌30%鐵水)+LF三種工藝煉鋼成本(差別費用+相同費用)分別為2563.73元/t、3396.61元/t、3166.07元/t。

                與轉爐煉鋼總成本相比,全廢鋼、兌30%鐵水兩種情況下,電爐煉鋼總成本分別增加了832.88元/t、602.34元/t,電爐煉鋼各部分成本增加值占總成本增加值的比例如圖1所示。

                (a) 電爐全廢鋼冶煉;(b) 電爐兌30%鐵水冶煉

                1 電爐煉鋼各部分成本增加值占總成本增加值的比例

                由圖1可知,與轉爐煉鋼總成本相比,全廢鋼、兌30%鐵水兩種情況下,鋼鐵料成本分別占總成本增加量的54.58%、50.72%;電爐冶煉電耗分別占總成本增加量的25.93%、27.44%;電極消耗分別占總成本增加量的17.17%、16.44%,剩余為其他費用。成本增加主要為鋼鐵料成本和冶煉電耗成本,其次為電極消耗成本。鋼鐵料成本起主導作用的是廢鋼價格。電耗和電極消耗基本不變的情況下,電價及電極價格是影響成本增加的主要因素。因此,降低電爐煉鋼成本,應主要從廢鋼成本(收得率和單價匹配)、電和電極價格三個方面進行控制。

                2.2 廢鋼價格對不同工藝煉鋼成本的影響

                在其它指標和價格不變的條件下,研究廢鋼價格對三種不同冶煉工藝煉鋼成本的影響。從表1和表2中所示的不同冶煉工藝的煉鋼總成本中減去廢鋼所占成本,將廢鋼價格設定為變量x,計算出煉鋼成本隨廢鋼價格變化的關系,如圖2所示。

                圖2?廢鋼價格變動對煉鋼成本的影響

                由圖2-2可知,

                1)?當廢鋼價格低于1373.73元/t時,電爐(全廢鋼)+LF煉鋼工藝煉鋼成本低于轉爐+LF工藝煉鋼成本,電爐(兌30%鐵水)+LF工藝煉鋼成本更低;

                2)?當廢鋼價格為1373.73~1494.95元/t時,電爐(兌30%鐵水)+LF工藝煉鋼成本低,電爐(全廢鋼)+LF工藝煉鋼成本略高于轉爐+LF工藝煉鋼成本;

                3)?當廢鋼價格大于1494.95元/t時,轉爐+LF工藝煉鋼成本低;

                4)?當廢鋼價格大于1707.07元/t時,電爐(兌30%鐵水)+LF工藝煉鋼成本低;廢鋼價格低于1707.07元/t時,電爐(全廢鋼)+LF工藝煉鋼成本,也就是說加鐵水不利于煉鋼成本的降低。

                因此,采用何種煉鋼工藝成本最低,主要依賴于廢鋼價格。

                2.3 電費價格對不同工序煉鋼成本的影響

                依據2-1和表2-2中的數據,當廢鋼價格比鐵水價格低100元/t、200元/t、300元/t、400元/t、500元/t、600元/t時,全廢鋼與兌30%鐵水冶煉的成本與轉爐煉鋼工藝成本相同,電爐所用電價如表3所示。

                表3 與轉爐成本相同時電爐電費價格表(廢鋼價格降低)

                廢鋼價格(元/t)

                轉爐成本(元/t)

                電費價格(電爐成本=轉爐成本)

                電爐(全廢鋼)

                (元/kwh)

                電爐(30%鐵水)

                (元/kwh)

                1948.00

                2482.17

                1848.00

                2464.17

                1748.00

                2446.17

                1648.00

                2428.17

                0.19

                0.02

                1548.00

                2410.17

                0.44

                0.23

                1448.00

                2392.17

                0.68

                0.43

                1348.00

                2374.17

                0.93

                0.64

                1248.00

                2356.17

                1.17

                0.82

                1148.00

                2338.17

                1.41

                1.03

                1048.00

                2320.17

                1.66

                1.25

                由表 3可知,當廢鋼價格高于1648.00元/t時,電爐煉鋼的成本必然超過轉爐煉鋼成本。當廢鋼價格為1548.00元/t時,用電價格為0.44元/kwh,全廢鋼電爐煉鋼成本與轉爐煉鋼成本相等;用電價格為0.23元/kwh,兌30%鐵水電爐煉鋼成本與轉爐煉鋼成本相等。廢鋼價格進一步降低,相應電價可以稍高些,就可以保證轉爐鋼與電爐鋼的成本相當。

                在廢鋼價格等于鐵水價格的前提下,即廢鋼價格為1948元/t時,電爐煉鋼成本高于轉爐煉鋼成本。從表1和表2中不同冶煉工序煉鋼總成本中減去各工藝中用電消耗所占成本,然后將電價設定為變量x,以廢鋼價格比鐵水價格低500元/t,即廢鋼價格為1448元/t時,計算出煉鋼成本與電價的關系,如圖3所示。

                圖3 電費價格對煉鋼成本的影響

                由圖3可知,當電費價格高于0.68元/kwh時,轉爐+LF工藝煉鋼成本最低,電爐(兌30%鐵水)+LF工藝煉鋼成本最高;當電費價格降低到0.68元/kwh,且高于0.43元/kwh時,電爐(全廢鋼)+LF工藝煉鋼成本最低,其次為轉爐+LF,而電爐(兌30%鐵水)+LF工藝煉鋼成本仍為最高;當電費價格低于0.43元/kwh時,轉爐+LF工藝煉鋼成本最高,其次為電爐(兌30%鐵水)+LF工藝煉鋼成本最低,而電爐(全廢鋼)+LF工藝煉鋼成本最低。

                2.4 電極價格對煉鋼成本的影響

                與轉爐煉鋼總成本相比,電爐煉鋼(全廢鋼、電爐兌30%鐵水)總成本分別增加了832.88元/t、602.34元/t。以表1及表2 中的數據為依據,分析電爐煉鋼總成本增加值(與轉爐煉鋼相比)與電極價格的關系,如圖4所示。由圖4可知,對于電爐全廢鋼和兌30%鐵水冶煉,電極價格每增加1萬元,成本分別增加13.00元/t、9元/t。

                圖4 電極價格與電爐煉鋼總成本增加值的關系

                3 長流程與短流程煉鋼工序能耗比較分析

                明確高爐長流程轉爐煉鋼工序能耗與短流程電爐煉鋼工序能耗之間的區別。

                (1)短流程電爐煉鋼工序能耗

                不同條件下,短流程電爐煉鋼工序能耗如圖5所示。

                圖5 不同煉鋼工藝能耗分布圖

                圖5表明,隨著熱裝鐵水比例增加,電爐煉鋼工序能耗明顯降低。同等情況下,無預熱、無蒸汽回收電爐工序能耗高,廢鋼預熱式Consteel爐次之,有蒸氣回收的最低。采用85%廢鋼+15%生鐵且無預熱、無蒸汽回收,電爐冶煉工序能耗最大為90 kgce/t;采用50%鐵水熱裝且無預熱、有蒸汽回收的電爐冶煉工序能耗最小為41?kgce/t。

                (2)高爐冶煉工藝長流程煉鋼工序能耗

                鐵前各工序能耗情況如表4所示。

                表4 2017年中鋼協會員單位能耗情況對比?kgce/t

                年份

                燒結

                球團

                焦化

                高爐

                2016年

                48.53

                26.33

                97.46

                390.63

                2017年

                48.50

                25.59

                99.67

                390.75

                最低值

                八鋼38.39

                太鋼14.23

                鞍鋼60.83

                重鋼282.61

                最高值

                58.14

                42.14

                148.93

                434.58

                備注:數據來自文獻 (王維興,?2017年中鋼協高爐煉鐵系統能耗現狀及節能潛力分析,?冶金管理,?2018. 04:?49-55.)

                轉爐工序能耗限值如表5所示

                表5 轉爐工序能耗情況

                轉爐公稱容量

                工序能耗

                MJ/t

                kgce/t

                100t

                ≤-262

                ≤-23.9

                200t

                ≤-376

                ≤-25.3

                300t

                ≤-376

                ≤-25.7

                長流程工序僅按高爐工序能耗390.06kgce/t。

                對于100t轉爐,取轉爐工序能耗最大值:-23.9?kgce/t

                長流程工序能耗:

                ??396.06-23.9=372.16(kgce/t)

                取電爐工序能耗最大值 ???90?kgce/t

                則長流程工序能耗與短流程工序能耗差值為:

                372.16-90=282.16(kgce/t)

                4 目前國內外主流電弧爐的技術經濟指標

                2017年國家大力淘汰中頻爐“地條鋼”產能1.2億噸、落后鋼鐵產能5000萬噸,在推動鋼材價格上漲的同時,廢鋼量達1.4億噸,加上鋼鐵行業節能減排工作的日益重視,不少電爐生產企業積極復產或部分企業新上電弧爐,電弧爐鋼迎來發展良機。國外電弧爐生產廠家紛紛推出高效節能、環保型電弧爐。由意大利特諾恩公司開發的Consteel電弧爐繼續加大在中國市場的占有率;由2001年由日本Steel Plantech株式會開發的ECOARC電弧爐、2004年由意大利達涅利集團開發的EAF ECS、2004年由德國西馬克有限公司開發的ShArc電弧爐開始在中國推廣,由德國普銳特冶金技術有限公司2011年開發的Quantum EAF在中國開始建設,2018年由中國中冶賽迪集團有限公司開發CISDI-GreenEAF已成功投產。各電弧爐的主要技術經濟指標如表6所示。

                表6 國內外主流電弧爐的技術經濟指標

                序號

                項目

                Quantum

                ECOARC

                Consteel

                ECS

                SHARC

                CISDI-Green

                1

                金屬收得率

                達95%

                提高 2%

                可提高 1~3%, 達 91-93%

                2

                加料方式

                上料小車加入豎井?

                連續裝入豎式預熱室

                水平加料連續加料

                單斜軌料車上料,

                3

                冶煉周期/min

                <35

                42-52

                39

                <40

                ~40

                40-50

                4

                冶煉電耗/kWh/t

                (100% 廢鋼)

                <290

                250

                345

                較常規電爐節50kWh/t

                290

                300~340

                5

                電極消耗kg/t

                0.9

                0.7~0.9

                1.0~1.1

                減少超過20%

                0.6?

                1.1~1.4

                6

                介質消耗

                O2: 30?Nm3/t, 天然氣:1.5Nm3/t

                O2: 30Nm3/t, 碳粉:35kg/t

                O2: 35?Nm3/t,?燃氣消耗1.5Nm3/t

                O2: 33.2?Nm3/t, 天然氣:6.1Nm3/t

                O2: 20-30 Nm3/t, 天然氣:4Nm3/t, 碳粉:20kg/t

                7

                二噁英排放ng-TEQ/Nm3

                <0.1

                <0.1n

                <0.1

                0.1~0.5

                8

                粉塵排放

                <9kg/t

                爐周圍呼吸空氣粉塵含量<0.6 [mg/m3]

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