1轉爐煉鋼工序能耗實現負值——負能煉鋼
     在轉爐內,把鐵水煉成鋼的過程,主要是降碳、升溫、脫磷、脫硫以及脫氧和合金化等高溫物理化學反應過程,其工藝操作是控制供氧、造渣、溫度及加入合金料等,以獲得所要求的鋼液并澆鑄成鋼錠或連鑄坯。氧氣頂吹轉爐煉鋼法的特點之一是不需要外來熱源,根據物料和熱平衡計算:以鐵水的物理熱和化學熱為主要熱收入,抵消金屬和爐渣的含熱量以及各項熱損失外,還有剩余熱量。因此常將廢鋼、鐵礦石和石灰石等作為冷卻劑加入爐內以平衡熱量防止爐溫過高。
     1.1煉鋼過程的能量消耗
     煉鋼過程需要有足夠的能量輸入才能完成,通常要消耗電力、氧氣、燃氣、惰性氣體、虛縮空氣以及水、蒸汽等。以寶鋼一期工程為例,詳見表1。
     1.2煉鋼過程能量的釋放
     在吹煉過程中,碳氧反應是冶煉過程始終存在的一個重要反應,反應的生成物主要是C0氣體(濃度約為85%~90%),但也有少量碳與氧直接作用生成CO2,其化學反應式為
     2C+O2→2CO↑
     2C+2O2→2CO2↑
     2CO+O2→2CO2↑
     在冶煉過程中爐內處于高溫,碳氧反應形成的CO氣體也稱轉爐煤氣,溫度約在1600℃。此時高溫轉爐煤氣的能量約為1GJ/t,其中煤氣顯熱能約占1/5,其余4/5為潛能(燃燒時轉化為熱能,不燃燒時為化學能),這就是轉爐冶煉過程中釋放出的主要能量。因此,轉爐煤氣回收利用是煉鋼節能降耗的重要途徑。氧氣頂吹轉爐煉鋼過程自臺量平衡見圖1。
     1.3煉鋼工序能耗實現負值分析
     煉鋼工序能耗是按生產出每噸合格產品(鋼錠或連鑄坯)所用的各種能量之和扣除相應回收的能量(標煤)進行計算的。
     消耗能量>回收能量時,耗能為正值
     消耗能量-回收能量=0時(稱“零”能煉鋼)
     消耗能量<回收能量時,耗能為負值(稱“負”能煉鋼)
     1.4實現負能煉鋼是可能的
     轉爐煉鋼過程中釋放出的能量是以高溫煤氣為載體,若以熱能加以度量分析,具體表現為潛熱占83.6%,顯熱占16.4%,詳見圖3。顯然,煤氣所擁有的能量占總熱量中的絕大部分。從圖2中也可看出回收煤氣對降低煉鋼工序能耗所起的作用。因此,要做到負能煉鋼必須回收煤氣,而且應盡可能提高回收煤氣的數量和質量。
     寶鋼一期工程工序能耗計算的回收部分見表2。寶鋼一期設計年產鋼水318萬t,鑄成錠為312萬t,鐵鋼比為1,結合表1、表2,寶鋼一期工序能耗設計值為
     (8.790-6.822)÷312=6kg/t
     1988年寶鋼煉鋼實際工序能耗為3.26kg/t,其能源消耗和回收部分各項所占比例如圖2。
     寶鋼于1989年科學地應用了目標管理以及勞動技能提高等措施,噸鋼能耗下降4.31kg,使轉爐工序能耗達到-1.05kg/t,見表3,實現了負能煉鋼,跨入了世界先進煉鋼技術行列。
     1.5實現轉爐負能煉鋼必須回收煤氣
     1.6實現負能煉鋼的主要技術途徑
     (1)采用新技術系統集成,提高煤氣回收的質量與數量;
     (2)采用交流變頻調速新技術,降低煉鋼工序大功率電機的電力消耗;
     (3)改進煉鋼(包括連鑄等)操作水平,降低物料、燃料消耗;
     (4)提高管理水平及人員素質,保證安全、正常、穩定生產。
     2國內轉爐煤氣回收技術現狀及其節能巨大潛力
     2.1轉爐煤氣凈化回收主要代表流程
     我國于1966年在上鋼一廠30t轉爐上首先實現了煤氣回收,是濕法流程,簡稱OG法,主要采用兩級文丘里型煤氣除塵器,貯氣為濕式煤氣柜,至今我國已回收煤氣的企業均為濕法流程(圖4)。此流程基建技資較低,操作運行簡單、安全,但運行費用相對較高,要附設除塵污水處理設施。
     另一種干法流程,簡稱LT法(圖5),為寶鋼三期250t轉爐引進奧鋼聯技術建設的煤氣回收裝置。轉爐煤氣凈化采用干式靜電除塵器,貯氣為干式煤氣柜。此流程基本建設投資較高,運行費用較低,操作較為復雜,沒有污水處理設施,將與寶鋼250t轉爐同時投產。
     2.2我國轉爐煤氣回收技術水平與國外先進水平的比較(見表5~6)
     1986年上鋼三廠三座30t轉爐采用較為完善的國產成套煤氣回收技術設備,主要包括:①線性矩形可調喉口文丘里除塵器;②可調喉口液壓伺服裝置;③爐口微差壓自動調節系統;④快速三通切換閥;⑤大管徑文丘里型煤氣流量計;⑥煤氣回收自動控制裝置；⑦煤氣成分自動分析裝置。
     2.3回收煤氣的節能潛力巨大
     自1966年我國開始回收轉爐煤氣以來,經歷了30年,到1996年已有20個企業回收了煤氣(表4),占應回收煤氣企業的51%。全行業轉爐煤氣回收利用率平均為51%,重點鋼鐵企業為70%,中小骨干企業僅為6%。如果目前還沒有回收煤氣的19個企業盡快增添回收設施,采用新技術裝備,初期回收先按中等水平要求,即每噸鋼回收65m3,煤氣熱值為1800×4.18kJ/m3,每年回收的煤氣折合標煤可達34萬t。已做到低水平回收的17個企業,用新技術進行技術改造,把回收水平提高到較高水平,即每噸鋼回收70m3,煤氣熱值為1950×4.18kJ/m3,則每年多回收的煤氣折合標煤可達16萬t。上述二者之和,將達到每年回收能量約40萬t,上述36個企業轉爐煉鋼工序能耗(標煤)將平均下降9.2kg/t,節能潛力是巨大的。
     轉爐負能煉鋼是先進煉鋼技術的重要標志之一,是煉鋼工藝、裝備、操作以及管理諸方面先進水平的綜合體現,也是節能降耗、降低生產成本、提高企業競爭力的主要技術措施。實現負能煉鋼也是一項艱難的科技攻關系統工程,需要將許多先進技術集成、配套,尤其離不開企業現代化的科學管理和生產,必須千方百計提高轉爐煤氣回收的數量與質量。