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Sustainable Steel Production by Integration of
Induction Furnaces 组合感应炉熔化废钢可持续钢铁生产 二十国集团(G20)的目标是在本世纪中叶实现二氧化碳中和。与此同时，也面临着立即采取减排措施以实现总体气候目标的压力。其中一个关键方面是能源密集型产业向低二氧化碳排放和长期气候中性化过程的转变。在钢铁厂技术中，废钢和铁合金的感应熔炼具有显著的生态和经济潜力，可提高金属合金料回收效率和增加产能。[1] 将ABP感应炉技术添加到Primetals Technologies的产品组合中，为该主题提供了一个新的、能够胜任环境评估的方案。钢铁工业是第二大二氧化碳排放工业，占全球排放量近10%的钢铁行业正面临着采取行动的压力，[2]许多政府和企业都制定了到2050年将二氧化碳排放量减少80-95%的目标。与此同时，行业专家预计全球钢铁需求将持续上升。因此，每吨钢铁生产的二氧化碳排放量必须不成比例地下降。“如此大规模的减产将产生巨大的影响，并将永远改变钢铁生产模式。[3]目前二氧化碳证书价格的大幅上涨加剧了经济压力，一个主要的例子是欧盟排放交易系统(ETS)，其每吨二氧化碳的价格呈指数级增长(图1)。除此之外，如今的证书交易也损害了在该领域运营的公司的形象。根据麦肯锡的报告，投资者、消费者和员工已经开始期待采取切实的措施来减少二氧化碳排放，因为人们对绿色钢铁的兴趣正在增长，[4]但这种改变的代价很高，安赛乐米塔尔估计，实现欧盟气候目标的成本约为400亿欧元。[5]德国最大的钢铁生产商蒂森克虏伯(thyssenkrupp)已经为其钢铁生产在2050之前实现气候中性转换编制了100亿欧元的预算。[6]中长期来看，基于铁矿石和绿氢的绿色钢铁生产似乎是一个选择，尽管目前它的成本仍是传统钢铁的四倍。[7]然而，技术发展正在改变这种计算方式，有利于绿色钢铁，例如Donawitz的HYFOR项目——奥钢联、Primetals Technologies和其他项目合作伙伴目前正在示范性的规模上成功地实现直接还原铁矿石粉矿——以及绿氢的价格日益处在下降之中。
图1 欧盟排放权交易体系(ETS)证书的股票定价(欧元/吨CO2)(来源:tradingeconomics.com)然而，除了这些技术上的革命性变化之外，政治压力还要求采取进一步的短期行动，以实现更环保的钢铁生产。一种选择是集成高性能感应炉，作为最为生态和最经济有效的技术，用于钢厂的废钢回收利用。感应炉在钢铁生产中的特点工业用感应炉主要有两种类型——通道式感应炉和坩埚式感应炉。大型坩埚炉作为一种高性能的黑色金属材料熔炼设备，是熔炼废钢的首选。主要组成部分为电源单元(含变压器、变频器和电容器组)、炉体的机械部分、加料系统、电源和炉体的一次和二次冷却系统、排烟系统、过程控制系统(图2)。[8]坩埚炉是一种熔化装置，由耐火坩埚、围绕坩埚的线圈和支撑钢框架组成，交流电流经的线圈产生电磁场，电磁场直接在金属物料中产生涡流，根据焦耳定律，导致电荷材料加热并最终熔化。中等电压等级的整体效率约为75%，即530千瓦时/吨钢。[9]
感应炉的能量输入单纯是电力，热量直接在熔化的金属料中产生，并通过电磁运动在熔池内均匀分布，不会出现局部过热现象。过程控制不需要任何化学能或化石能源，如氧气、碳或天然气。[10]无过热能量传递的其他益处是，从大气中吸收的气体大大减少，并且炉渣和金属料气化和合金材料损失到最低限度。[11]由于炉渣碱度低，氧活度有限，这是钢厂使用感应炉吃废钢不能除磷主要的缺点。然而，与联合钢铁企业的长流程整合，使得除磷不再需要在感应炉内完成，可以在转炉的熔炼过程中进行脱磷作业。由于感应熔化废钢的原理，因此产生非常低的CO2排放，完全是一种无碳的传热过程，它提供了最大的直接避免碳的 (CDA)潜力。测量结果表明，由于基本清洁的原料，每熔化一吨钢液的非常干净的废钢排放量在0.8千克CO2，而由于商业上可用的破碎剪切料中有机残留物的燃烧，每吨钢的CO2排放量为11千克 (图3)。在优化的除尘系统中的感应炉产生的氮氧化物(NOx)污染也同样最小，[13]同样的是垃圾填埋或处理炉渣和粉尘的成本也低于电弧炉类似的熔炼系统，这是由于SOx和CO等有害气体的产生较少，这种方法熔炼废钢所使用的冶金辅料也很少。
图3 利用粉碎剪切料测量感应炉CO/NOx排放(来源:ABP)因此，通过使用清洁废钢和感应炉技术，可以在生产钢铁的同时完全避免范围1的排放(图4)。因此，根据范围2，每吨钢铁的二氧化碳排放量完全基于电力生产和配电产生的排放。为了整合感应炉，需要调整生产工艺路线，即减少高炉路线生铁的份额，增加废钢的加入量。
图4 感应炉使用清洁废钢时CO/NOx排放的测量(来源:ABP)使用感应炉的原因除了生态的角度，还有一个经济的角度：使用感应炉技术被认为是目前最具成本效益的固体金属料转化为钢液的方法。因此，感应炉非常适合作为现有钢厂基础设施对产能的补充，可持续地提高吃废钢率。要实现这一点，除了钢厂优化感应炉技术外，将现有工艺设备和工艺路线的智能集成起来，和现有的工艺实现无缝连接至关重要。感应炉所需的基础设施要求相对较低。由于具有很高的功率因数，cos(φ)在0.90和0.95之间，感应炉其实就是一个纯粹的欧姆负载。此外，该负载在时间上是恒定的，没有短期波动，即没有闪烁，24脉波整流变压器显著降低了谐波对电网的影响。因此，不需要多大工作量就可以实现电气的快速连接。感应炉的短期负荷变化可以控制，由于所需功率输入的良好可控性，未来集成到动荡的能源配电网也很容易实现。为此，年产能不大的感应炉由于其模块化和紧凑化的设计，需要较少的安装空间和较低的基础负荷。循环冷却系统是作为一个集成单元单独提供的，将密闭循环的线圈冷却水连接到一个空气-水冷却器中。因此，感应炉不需要定期补充水或水处理设备。没有任何气体要求(氧气、氩气、天然气等)，感应炉也不需要扩建或更新空分装置或压缩空气站。最后，现代感应炉排气除尘系统相应来说需要的流量最小，排放的温度很低。在最好的情况下甚至可以集成到现有的除尘系统中。这些因素都有助于降低资本支出和得到快速回报。其影响今天已经显而易见：近年来感应粗钢的市场份额翻了一番，但主要是在发展中国家和新兴国家,[14] 原因是使用的是陈旧过时自动化设备，感应炉尺寸和容量不大，受到还原冶金方面的限制。[15]基于现有的运行经验，包括中国太钢最大的180吨/小时感应熔炼操作，[16] ABP感应进一步优化IFM-S炉系统，以满足现代高性能钢铁厂的高效钢铁生产要求。ABP的IFM-S炉经过优化，可实现可靠、安全和高度自动化的操作，年生产时间超过7,200小时。ABP首席执行官Till Schreiter证实：“感应炉正变得越来越强大，因此现在越来越多地成为生产气候中和钢的首选方法。”采用目前的技术，出钢到出钢时间能够在35分钟以内，当采用两个高性能感应炉布置的钢厂，其生产能力能够稳妥地达到90万吨/年。98-100%的高冶金收率是感应炉回收废钢的核心经济优势，廉价的废钢金属料，如大量机械加工切削料，就可以得到最高的金属料收得率。工厂或集团内部的闭环材料循环确保最小的场外运输和物流成本。由于炉渣和粉尘含量极低，没有额外的成本回收或填埋这些废料。还有一个优点是几乎完全保留了钢中的硅和锰的含量，例如，从低合金高性能钢到结构钢里面的硅锰和合金元素都能得到回收。由于锰资源日益稀缺，以及由于硅在半导体行业的重要性日益增加，对硅的需求强劲增长，这将变得越来越重要。在综合路线中提高钢铁生产中的废钢率是一个很有前途的解决方案，易于实施，并且在短期内已经可以初步减少二氧化碳排放。将无芯感应炉集成到现有的综合钢铁厂中，提高使用废钢率的方法有很多(图5)。
图5 钢铁生产综合路线示意图(来源:Primetals Technologies)前面提到的氢还原得到的直接还原铁(DRI)可以在电弧炉中熔化，这需要具有高品位铁矿的条件。然而，使用品位较低的铁矿石也是采用高炉工艺大规模将其还原技术必不可少的。这需要一个所谓的“两步工艺”，即铁矿石首先在熔炉中熔化，然后将铁水在碱性氧炉(BOF)转炉中进一步脱碳处理(图6)。由于DRI的低碳含量较低，熔炼中必要的还原气氛造成的排放量少，所以这一工艺的排放也非常低。需要一个针对相应熔化量和成分进行优化的单独熔化装置，以熔化相应比例的同样排放低的废钢或铁合金。（译注：估计这里说的是对废钢和铁合金使用单独的感应炉来进行然后，然后兑入到钢水中去。）
图6 通过直接还原铁生产钢铁的方法(来源：Primetals Technologies)在无芯感应炉中，任何类型等级的废钢都可以很好地使用物理方法进行熔化，因为电磁场引起的搅拌现象导致传热有很大比例是在废钢内部传热的。智能的ABP感应炉方案智能给进大块废钢物料，而且能够萃取废钢料中可能燃烧的残余材料。特别是在下游冶炼过程中，例如在转炉中(图6)，使用低成本的冶金辅料来去除钢液中的非金属残余元素，而且肯定是经济上节约成本的。具体来说，在感应炉中不需要脱磷和脱碳，因为它脱磷和脱碳将在转炉工艺中进行。然而，在最好的条件下，物料在进入冶炼之前应该经过了充分的制备、分类和分选。这个简单的原料操作准备原理既适用于感应炉，也适用于所有其他冶金工业炉的物料准备，这对于感应炉来说原材料的分选因为其有限的冶金作用而变得更加重要，因此，感应炉可以实现最小的合金材料的添加，能够将废钢中所需合金元素达到最佳回收效果，具有的冶金设备的建设和改造的成本最低。在这种情况下，将感应炉熔化的废钢等金属物料形成的钢液添加到转炉出钢后的钢水中，这样就减少转炉出钢后所需添加的合金元素量。通过相应的配套措施，这种回收废钢中的铁合金元素在支持钢厂转型中起着关键作用。这个问题的技术解决方案已经存在，其经济可行性也随着避免二氧化碳排放的重要性日益增加而增加。Primetals Technologies正积极应对这些挑战，结合SICON技术的高质量的设备，来加强各种物料堆场的数字化。[18]炼钢厂需要大容量、高比功率的熔炼装置。ABP已经开发、生产和安装了可靠的大功率感应炉，该公司已成功实现了一个功率高达42兆瓦的功率单元，设计为全天候运行(图7)。该系统基于独特的同步电力电子和ABP内部设计能力。
图7 不同熔炼感应炉单炉和双炉的年产量(来源:ABP)ABP感应炉提供完全自动化的过程控制和工艺优化。基于1级熔化处理器PRODAPT®-Enterprise和2级系统myABP，简化了钢厂基础设施的深度学习逻辑关系和数字集成，应用程序存储操作参数，并向员工发送基于经验和人工智能(AI)的优化过程控制建议。随着工艺操作参数的不断记录完善，该软件建立了一个稳定增长的数据库。获得专利的ABP OptiCharge系统通过数字逆变器控制(DICU 3)记录炉体技术参数，实现能量优化供给。与手动操作相比，该控制系统和相应的充电设备可以节省能源并提高产量。所有应用程序都可以安全地在钢厂内使用。一个实际的例子一家采用传统高炉-转炉工艺的大型联合钢铁企业正在考虑改用直接还原技术，以减少其生态足迹。目前该企业的年产量约为300万吨最终产品，其中15%是基于废钢(内部自产废钢和外部采购废钢)。240吨转炉出钢到出钢时间大约是38分钟，每年生产超过12000炉钢，精炼炉为240吨熔炼。主要投入金属料为低品位铁矿石，平均含铁量为60%，预计未来中长期其矿石的品位还将下降。基于该公司雄心勃勃的客户的严格质量要求，该公司正在考虑采用直接还原的路线，然后使用冶炼厂和现有的转炉。由于使用直接还原技术冶炼产品的含碳量有限，就不可能向转炉中添加低碳废钢。钢铁厂有多种下游业务，与主要客户有着长期的合作关系。从这两个来源，它可以收到高质量和分类良好的废钢，这些金属料主要成分由与钢厂生产的最终等级产品具有相似的化学成分，对钢铁厂来说，保持这种原材料的供应和各自的使用是很重要的，感应熔化后的钢水直接兑入转炉处理后的钢水中。根据上述信息，一个合适的选择可能是安装和使用感应炉。在许多情况下，该钢厂将能够直接从感应炉熔化的钢水倒进转炉出钢后的钢水中，然后进入LF炉精炼。由于分选废钢的化学成分在感应熔炼过程中始终保持稳定不变，因此可能不需要或只需要进行最小的合金添加来达到最终成分要求。这些可以在冶炼工艺的最后阶段的钢包精炼炉中处理。但是，除了使用圆形废钢物料之外，还可以在感应炉中加入其他的合金废钢或铁合金，这样可以使钢包精炼炉的添加合金化工作量降到最低。通过从感应炉熔化废钢等金属料可以获得的额外增加冶炼的炉数，而且向钢包精炼炉添加的最少固体合金材料，可以实现最低的成本和最佳的操作条件。由于工厂管理层看到了进一步增加废钢量的机会，感应炉熔化的钢水既可以将钢水兑入转炉，也可以将后感应炉得到的钢水兑入转炉出钢后的钢包中。随后，将购买额外的报废设备废钢，并将其兑入转炉中(表1)，将用冶炼厂的热铁水进行脱磷和脱碳。这些操作可以根据最终的钢种等级，与可用的输入材料对应交替进行。现有的连铸机的容量和优化的转炉操作允许略微增加其产能。因此，该钢铁厂不仅能够通过感应炉在无二氧化碳的加工路线中使用更多的废钢物料材料，而且还能够将其年产量增加约25万吨。
根据表1和图7的数据，这种运行规模的合适选择是一套带有两台active IFM s60的感应炉，对应70万吨的年产量。每个感应炉出钢到出钢时间是75分钟，这可以通过现代中频电源和控制单元来实现。自2015年以来，中国太原一家大型高品质钢铁厂的一套6台相同的IFM S60炉已投入日常运行，变频器出口供电功率为42兆瓦。通过感应炉系统的模块化结构，可根据具体要求获得其他的功率输出。同样重要和具有挑战性的是为这种灵活的钢厂操作建立物料流和布局配置。结论钢铁行业的转型正在如火如荼地进行，政府、投资者和客户正在加速这一进程，因为在短期、中期和长期，更环保的解决方案的压力越来越大。优化的高性能感应炉可以在短期内迅速减少钢铁生产对环境的影响。最小的生态影响提供了一个快速的政府审批程序。此外，工艺设备、集成和调试的总体投资显著低于可比设备，因此该解决方案提供了相当短的投资回报。从长远来看，感应炉与创新型直接还原装置(如HYFOR工艺)的互补使用，提供了利用废钢固有价值的生态优化解决方案。最佳的冶金和物流规划对这项投资的盈利能力和生态价值具有决定性作用。结合专业知识，通过适当的模拟和规划软件，Primetals Technologies和ABP Induction现在可以全面提供通过感应熔炼工厂增强的传统解决方案。参考文献1. https:///wp-content/uploads/Climate-change-and-the
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January 2022.作者Markus Hagedorn：Sales Manager Systems, ABP Induction Systems GmbH, Dortmund, Germany
markus. hagedorn @abpinduction.comMarco Rische：Senior Director System Business, ABP Induction Systems GmbH, Dortmund,
Germany marco. rische@abpinduction.comGerald Wimmer：Vice President Converter Steelmaking, Primetals Technologies Austria GmbH,
Linz, Austria gerald.wimmer@Christopher Carstens：Regional Sales Manager, ABP Induction LLC, North Brunswick, N.J., USA
christopher. carstens @abpinduction.comThomas Steinparzer：Head of Technology and Innovation ECO Solutions, Primetals Technologies
Austria GmbH, Linz, Austria thomas.steinparzer@唐杰民2023年元旦期间翻译自某国《钢铁技术》2023年第一期。水平有限，翻译不准不妥之处请各位看官老师和专家们给与指正。中频炉并非洪水猛兽，具有金属收得率高，仅仅使用电，不需要氧、碳粉、电极、石灰等冶金辅料，相应的设备少电耗低。是最为有利熔化废钢的方式，排放二氧化碳和氮化物非常少。缺点是不能去磷降低钢水中的磷含量，如果能够解决这个问题完善环保措施则就具有强大的优势了，这也是给冶金工作者一大难题。这篇文章阐述在长流程中吃废钢，使用直接还原铁由于碳氧反应不足，没有足够的热量来直接吃废钢，所以使用中频炉熔化废钢，然后进入后面的工序，作为一种补充冶金料的方式，从而解决长流程吃废钢问题。
中国大陆目前长流程非常强大，转炉吃废钢比在25~30%，能够很好解决很大比例废钢问题，但是今后的烧结、高炉和转炉工序要解决降碳任务，直接还原铁含碳量少，转炉吃废钢就难了，所以在联合钢铁企业这篇文章具有一定的参考意义的。
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