能源成本(电力及矿物能源成本)及原料成本不断升高是目前炼钢厂家降低生产成本及增强竞争实力急需应对的当务之急。事实证明，利用化学能及废气潜能可以大幅度降低电炉总能耗。另一方面，温室气体影响气候变化的不祥兆头不但引起全世界的关注，同时也受到电炉设备工程公司及电炉炼钢厂家的高度重视。

在全球温室气体总排放量中，绝大部分发生于矿物能源燃料的燃烧，同时约30%碳排放是工业部门排放的。此工业部门既含电炉炼钢，也包括发电。钢铁业的能源消耗极大，因而在气候问题论坛上倍受瞩目。本文主要是介绍各种废钢预热技术，叙述废钢预热在降低基建费用、扩展炼钢灵活性及减少环境影响等方面产生的效果以及电炉钢厂连续装料最新开发成果。

1 各类废钢预热系统

炼钢厂家现在正寻求更精良解决方法，使炼钢更为经济、更符合生态要求及具有更大的生产灵活性。为达到这些目标，必须采用维护少而工效高的设备。采用这样设备的宗旨是保持企业商业功绩及竞争力。电力成本持续升高、大气CO2排放条例以及陆地及水源保护法规趋严——这些无不使炼钢厂家竭力降低能耗及尽量利用生产废物及介质。用废钢预热方法补偿电炉炼钢能源已有30多年的历史，通常的作法是在废钢装炉前在料桶里用电炉高温废气将废钢加热。高温气体的热源来自于电炉或附属烧嘴排出的废气，而供给电炉的一次能源则用于将入炉废钢加热至废钢熔点。这样就可通过废钢预热装炉节省能源。预热废钢还可避免废钢湿着入炉，从而避免炉内发生爆炸。因此，废钢预热还能保证工厂安全及防止设备意外损坏事故。废钢进行预热的突出优点是可以减少电炉炼钢的电力消耗及提高钢厂生产率。

早期的废钢预热系统采用单独的热源，通常是将废钢装在料桶里加热。据报导，这种预热方式的节能效果最高可达30kWh/t，且由于出钢至出钢时间缩短还能降低电极及耐材消耗。后来，因为开发出电炉第4孔废气系统，有些厂家做了用炉子废气预热废钢的尝试。据报导，此举的一个效果是，预热中粉尘会附在废钢上，因而袋式除尘器的粉尘负荷有所下降。但由于热循环中温度起伏不定，很难控制废钢预热中的废气温度，此外在被预热的废钢内部会形成温度梯度。对温度必须加以控制，以免废钢料桶烧毁和防止料桶内细小废钢燃烧或粘附。

研究者指出的康斯迪（Consteel）技术是进行一种完全不同的作法。此项技术理念的核心是废钢不间断装炉，在连续装炉中完成能效转换及增产。此种炉子结构达到效果的关键在于控制熔池温度、废钢给进速率及废钢成分。此系统的优点之一是用炉子隧道内废气对废钢作局部预热，将预热的废钢连续装入炉内，使炼钢人员能在泡沫渣覆盖下全功率起动炉子。这也是电炉能将变压器规格降低10%但是产钢量能与传统大变压器炉子产量相等的原因之一。在整个熔炼过程中电弧始终埋没于泡沫渣中，因而电弧状态极为稳定，很少发生闪变及谐波，噪声也大为减少。

在采用Consteel系统时，废钢温度可达315-450℃，废气最初进入预热系统热端即可达到这么高的温度，而相邻炉罩一般仅能节能15-40kWh/t。但随着炉子运行更为高效及出钢至出钢时间进一步缩短，废钢预热变得越来越困难。到后来废钢预热实际是以牺牲炉子产量及提高维护费用为代价。Consteel废钢预热产生的一些效益是：增产10%，降低了电耗，使废钢脱湿及电极吨钢消耗量下降。

此后出现的废钢预热技术是手指状炉身炉（简称指状炉）及环保型高效电炉（ECOARC），这两种系统的主要优点是能100%预热废钢以及能降低电耗及电极消耗。采用指状炉能使能耗降至70kWh/t。而ECOARC炉是连续将废钢装入起预热作用的竖炉身中与熔炼室内的熔融金属接触，在熔炼期电炉与竖炉身一起后倾。据报导，ECOARC炉电耗指标可达到150kWh/t。

这两种炉都是将竖炉身装在电炉炉壳上方，因而厂房需要更高的高度，另一缺点是竖炉身及指状结构水冷会带来高达30kWh/t的能量损失。

除上述几种炉型外，还有本文未详细介绍的几种预热系统，它们是：

◆BBS Brusa回转窑式预热系统

◆IHI竖炉式预热器

◆ESC复合预热装置

◆双炉壳式预热系统。

2 EPC预热系统（环保预热连续装系统）

在电炉熔炼废钢的炼钢过程中采用废钢预热技术，利用炉子所排废气显热预热废钢至700-800℃可明显降低电力消耗及相应地提高炉子生产率。在这方面，一些公司合作开发了一种环境友好的高效废钢预热技术。

这项挑战结果是开发出环保型预热及连续装炉（EPC）系统，这种EPC系统结合了100%废钢预热及连续供料这两大优点，无需加炉顶或在炉身上开洞，与其他常见炉子弊端不同，EPC系统在炉子上料期间无粉尘排放及热损失。

这种EPC系统具备一系列优点。这些优点包括：

◆粉尘排放最少——在炉子装料当中，系统始终处于气密状态，使车间保持最低污染。

◆节能——EPC系统与传统电炉相比可减少电力消耗约100kWh/t。

◆废钢装炉不受条件限制——可在炉子通电情况下不受炉子操作限制用料桶将废钢装炉，这样就可提升炉子操作效率并减少能电时间，取消炉顶开口可大量减少热损失。

◆停炉少、维护少、热损失少——无指状炉身这类需强制水冷部件，无运输机，无特别水冷部件要求，可避免水冷部件出现意外时的大量检修及过度水冷热损失。

◆通断电时间变短，因而生产效率高，与传统电炉相比可提高炉子生产效率25%。

◆电炉炉顶及炉顶三角区使用寿命长——无需为装炉打开及/关闭炉顶，电弧离炉顶始终较远。炉顶水冷壁板很少被电弧烧损，热冲击少，有助于延长炉顶及其三角区使用寿命。

◆投资回报高——EPC预热效果好，因而最明显的优点是生产成本低。此外，如上所述，通、断电时间短保保证较高生产效率。此外，在一定的废钢质量前提下还可提升收得率。

◆电弧闪变少——依靠平坦熔池操作以及废钢预热及不间断输入能量。闪变及谐波发生次数下降达50%，同时也使噪声相应下降。

◆无废钢处理——由于炉身及伸缩式给料机设计完美，EPC系统对废钢无需作特别处理。

这种特别EPC系统在结构设计上考虑炉子的最大操作灵活性，有以下主要特征：

◆在炉内预留多达30%-40%熔融金属条件下进行平坦熔池作业

◆用伸缩式给料机及综合性秤重装置控制废钢装炉速率

◆用伸缩式给料机优化通电中的废钢连续装炉

◆根据熔炼功率及预热温度精调废钢装炉速率

◆熔池温度均匀并可准确加以控制

◆可准确控制废钢预热温度

◆采用气密系统废气量最小。

环境效益：

◆在封闭系统防护下位分开的仓室里装入废钢（电炉炉顶及EPC系统均属封密闭结构，主除尘始终运转）。

◆废钢装炉期间烟气排量最少。

◆作业区卫生整洁及安全无羔。

◆废气量最少，低于常规的30%。

◆除尘器处粉尘最少，低于常规的30%。

◆电弧噪声低（经预热的废钢在泡沫渣保护下在平坦熔池里熔炼）。

◆直接预热，入炉废钢加热温度极高。

◆EPC系统符合大多数环境标准。

炼钢过程大量排放有害物质是最严重问题之一。在世界范围，排放法规变得更为严厉。在电炉领域，从某种意义上说，废钢预热与节省电力具有同等意义。各国专家为用炉子废气高效预热废钢开发出各种应用技术。EPC的目的之一是考虑环境的方方面面，摆脱电炉熔炼势态限制进行废钢装炉作业。EPC预热装于电炉上部炉壳旁边，经预热驻留于此的废钢由旁边的伸缩式给料机连续装入炉中进行熔炼，而这一过程是炉子仍处于通电状态下完成的。即使废钢料桶在位于待投台中的料斗里装料，预热室也会被料斗正面斗壁封闭，使炉子与预热室完全隔离，从而保证炉子装废钢当中很少或根本无粉尘逸出。废钢料桶是在装料料斗位于待投台里时打开EPC系统顶部卧式滑动闸门柱EPC料斗里装废钢。装完废钢后，EPC系统顶部卧式滑动闸门自动关闭。装在料斗里的废钢处于待投位置。由于熔炼及预热，EPC在装料当中其预热室总被隔离，无需中断熔炼及预热。等待投料的料斗在两个液压缸作用下，在预热室上方向前横移，将废钢投入预热室，使之进行预热。料斗位于预热区上方时用其后壁将预室封闭。特殊废气管道结构及水冷调节阀使得能有效控制预热室预热效果。废钢料桶能在位于待投台（又叫装料台）内时将废钢装入EPC系统的料斗里，因此熔炼作业及预热不致被中断。废钢料桶升至一定高度将废钢装入料斗后，EPC顶部横向滑动闸门关闭。

目前所开发的EPC系统是基于AC/DC技术的竖炉身预热炉，此炉在炉内保留大量预留熔融金属（近40%），因而能保持均衡的熔炼态势。此炉是经炉底出钢口定期出钢。废钢装炉系统基本分两大部分，一部分是预热室及伸缩式给料机，另一部分是下凹式装料平台（等待投料台或待投台）及在台内运作的投料料斗。废钢是由投料料斗投到预热室上部空间。高温废气从炉子出来向上流经预热室内废钢预热，可使废钢温度达到800℃的高温度。气体离开预热室时温度约为200℃。在预热室下面装有伸缩式给料机系统。此给料机分两步运行，保证废钢能以恒定速率送入炉中。废气离开预热室流向袋式除尘器，某些废气可予以回收用于调节预热室入口温度。废钢连续送入炉内，直到炉内达到所需熔体重量为止。此后是短时精炼及过热阶段。最后，将炼好的一炉钢水出炉。在一炉钢的熔炼过程中，炉子输入功率几乎一直均匀稳定。炉子大多数操作完全自动化，预热室废钢入室速率根据预热室内废钢重量及废气温度进行调整，也完全是自动控制。炉内废钢供给速率与此项控制链接，同时也要根据炉子输入功率来定。根据泡沫渣深度控制喷碳及吹氧。

EPC系统操作步骤如下所述：

1）精炼期：

——预热下一炉所用废钢

——伸缩式给料机位于后退位置

——为装炉备好另一桶废钢

——滑动闸门打开准备装料

——料斗在后退位置装料

2）出钢后：

——接通电源，利用炉内预留熔融金属启动熔炼

——启动伸缩式供料机喂送废钢

——料斗装料时用其正面斗壁将炉身密封

——不中断吸收废气，无烟尘逸出

——相互不受制约地进行装炉/给料/熔炼各项作业

3）废钢连续供给/预热阶段：

——在废钢连续供给中预热废钢

——伸缩式给料机位于中间位置

——优化隧道内小给料机的废钢喂送

——正在装料的料斗用其后壁将炉身密封

——优化炉身顶部吸气/预热

4）熔料及装料阶段

——伸缩式给料机将废钢投入隧道区

——伸缩式给料机（速率）保证废气达到最佳渗透

——废钢装入后滑动闸门关闭

——料斗往预热室内移动

——废钢装炉及供给并行不悖

5）废钢装炉/熔炼/供给阶段

——在连续供给废钢当中预热废钢

——伸缩式给料机位于前面位置

——用小给料机优化隧道内废钢供给

——正在装炉的料斗用其后壁将炉身封闭

——优化炉身吸气/预热

6）废钢熔炼/装炉/供料阶段

——仅是料斗进入预热室

——仅伸缩式给料机供给废钢

——废钢装炉及连续供料当中不中断通电

——料斗在装炉中用其前面斗壁将炉身封闭

——优化废气传导

3 EPC系统与传统电炉、指状电炉及Consteel炉的对比

1）EPC由于装有封闭系统无需因料桶装料进行二次除尘、无一次吸气中断。

2）指状炉装料中需敞开炉身。废气吸入被中断，炉身会像烟囱那样喷入废气。在装炉当中有大量烟尘从炉身排入车间里。

3）Consteel炉需每班将炉子排空一次（修理炉衬及处理预留熔献金属），而传统电炉可持续操作。此外，隧道两端开着，使大量空气进入一次废气。

4）EPC同Consteel一样是借泡沫渣及平坦熔池操作，可获得最佳收得率（渣及粉尘中的Fe得到控制）及减少电弧闪变。

5）EPC有完整的密封对策，因而废钢装炉当中无能量损失。

6）EPC在用料方面灵活性极大，因而对废钢无特别要求。

7）EPC是装设在秤重台座上，能准确知道炉身重量。用自动化系统计算炉内所装废钢重量，从而可不断加大废钢预热量，使炉身保持相应负荷，并使实际利用的废气能量最大。

8）Consteel仅是顶层废钢得到废气预热。而EPC及指状炉废气必然要穿过整个废钢层。

9）EPC无废钢接触的水冷部件，这使能量损失最低。

10）不经敞开的炉体装料，因而无大量粉尘产生及无有机物不完全燃烧造成的污染。

11）EPC炼钢中车间内粉尘含量最低，这意味可大大简化二次除尘管子系统。

12）粉尘含大量锌，一般都可很经济地回收（30%）。

13）能耗低意味烟囱CO2含量更尚环保（约20%）。

4 小结

毫无疑问，当前电炉结构趋势表明，今后炉子结构在电能利用及化学能输入上都将跃上极高水平。一种能源与另一种能源相比各用多少取决于当地各种能源成本及使用效率。许多炼钢新技术现正转向商业化。几乎所有这些技术目的都是降低输入功率及达到最高炼钢能效。因此有些技术力图在炼钢中最大限度利用化学能，这类技术几乎完全是根据假平衡条件，用氧与燃料（碳、CO、天然气）充分反应使炼钢达到最大限度能量输入。而另一些技术是力图通过回收废气中的能量，利用炉子的输入能（竖身炉、Consteel、EOF炉）。这类技术的立足点是依赖废气向废钢的高效传热，这就需要废钢与废气之间的最佳接触。上述各种技术都能证明其某些效益。一项技术开发的关键在于证明其工艺及环境效益的同时，还要证明其相对便捷及无损于生产效率。没有哪种技术方案可以满足各种炼钢操作要求。相反，炼钢厂家倒不如首选重点目标，考虑不同炉子结构对重点目标的贡献。在这种考虑中始终宜遵循以下标准：

◆确保炼钢工艺最大灵活性。

◆不但增产，而且能提高能源利用效率。

◆能提高最终产品质量。

◆能以最低投入符合环境标准。

根据以上标准得出以下准则：

1）正确的炉型选择应是采用符合个体设备具体要求的方案。这种选择的各种因素可能含以下各点：原料可用性，能源可用性及成本，所要求的产品种类，炼后处理/精加工可达水准，基建费及熟练劳动力可用性。

2）能平衡各种能量输入，保证炼钢工艺具备最大灵活性。从长远看，这有助于将能源损失减至最低能作到按情况多用电，少用氧，或多用氧，少用电，对不同能源的使用进行调整。

3）为将能量总需求降至最低，需仔细分配炉子的输入能量。熔池的充分混拦有助于达此目的。为将废气温度及成分波动降至最小，应均衡整个冶炼周期中的吹氧操作。这可优化二次燃烧及将废气系统规模压缩至最小。此外，烟气的发生会减至最少，渣与熔池更接近平衡。

4）为使造泡沫渣作业达到最高效果，应能使喷入熔池及渣层中的固体颗粒物均布在整个熔池表面上。这样作还能使渣及熔池更为平衡，同时也有助于将熔剂的需求降低至最少及提高钢质量。

5）为将渗入空气减至最低应尽可能将炉体封闭起来。这样可将炉子废气排量减至最低，从而可采用规格较小的排烟系统。

6）废钢预热很可能是回收利用废气热量最可行的方案。对于大量使用化学能的炉子这种选择尤有意义，这是因为这时炼钢废气所含能量会更多。为回收废气所含化学能，必须进行充分的二次燃烧。但在全炉次中很难达到完全的二次燃烧，应设法达到高水平的二次燃烧。在废钢预热中分阶段进行二次燃烧可进一步优化废气热回收。

7）欲用最小代价获得最大工艺灵活性，需以炉子结构杂化为前提。这样的结构首先应考虑原料供给的灵活性，同时要在高产的同时保持最高的能源利用效率。例如，大量喷吹固体颗粒物、用碳化铁或直接还原铁粉作原料的操作模式可选用能延长平坦熔池时限的炉子结构，以便延伸颗粒物喷吹周期。也可采取另一种作法，即加大熔池深度，使之能加大喷吹速率而避免喷吹过大的风险。

8）炼钢技术会继续改进，不但会设法再优化电炉能源利用效率，还会力求总体整个炼钢系统。总的来说最重要的一点是优化整个系统的生产成本，而不是优全生产链上的某个作业环节。提高工艺灵活性的同时，操作技术将变得更为复杂。这就需要对操作技术有深刻的了解。只有这样才能更好地控制炼钢技术，进而对电炉结构的选择作出更周密的思考。预计，今后几年会产生更多的新型炉子结构。只要有电炉炼钢存在，这种努力就不会止步。

各种废钢预热技术只要按最新环境标准设计，就都会有助于降低能耗，提高产量并会因电耗则减少温室气体排放。已获得专利的EPC炉子系统可为用户提供领先技术既能增产降低成本，也能明显减少温室气体排放。