康斯迪电炉与废钢预热
上世纪末至今，我国引进了多台套高端、先进的电弧炉炼钢设备，其中引进最多的炉型是康斯迪电炉。康斯迪电炉有自己独特的冶炼工艺，它采用大留钢量，依靠熔池熔化废钢，电能利用率较高。普通电弧炉的电能利用率一般在75%-80%，而康斯迪电炉的电能利用率却能达到90%左右。将预热过的废钢水平连续加入到电炉内是康斯迪电炉的一大特点，它满足了钢水熔化废钢的冶炼工艺要求。由于采用钢水熔化废钢，所以电炉大部分时间处于熔化/精炼状态，因此康斯迪电炉降低了对电网的要求，减少了对电网的影响。引进国外先进的电炉设备无疑给我国电炉钢行业带来了生机，使我国的电炉钢行业的电炉炉容实现了大型化，目前国内60-150t的大电炉36台，大电炉的钢产量约占电炉钢总量的61%。即使近些年，在废钢及电力资源紧缺、价格高、成本比转炉钢高等很多不利条件下，我国电炉钢产量大幅增长，电炉钢的比例也有所回升。
经过谈判、引进和生产实践，我们不但掌握了国外这些设备和这些设备的操作技术，而且还有所创新。例如康斯迪电炉热装铁水的比例已超过50%，突破了冶炼过程中供应商对钢水含碳量的限制，快速脱碳和稳定的泡沫渣技术已成为具有“中国特色”的电弧炉炼钢技术。然而，我们在称赞这些电炉的同时也应该看到这些电炉设备存在的问题，弄清存在问题，找出解决办法，不断改造创新，这对提高我国电弧炼钢炉装备水平有着非常重要的意义。
一、康斯迪电炉存在的主要问题
1、废钢预热温度低
多年来，电炉炼钢的专家们致力于废钢预热装置的研究，于是就产生了预热废钢炉料的多种方式和方法。从回收能量的多少（即废钢预热温度高低）来排队，从差到优的顺序应该是：水平通道预热（Consteel）、竖炉预热（Fuchs）及带燃烧器的竖炉废钢预热技术。康斯迪电炉的高温烟气单纯地从废钢炉料的上方通过，没有采用其它辅助措施，主要靠辐射将热量传给废钢并将废钢预热，较其它烟气穿过废钢料柱直接进行热交换的废钢预热方式如竖炉式电炉的废钢预热效果差得多。虽然其发明者美国英特尔制钢公司认为该公司开发的康斯迪工艺可将废钢预热至500℃左右，设备供应商也宣传可将废钢预热到400-600℃，而Kyoei Steel（即日本共英制钢）公司的生产实践表明，经预热后的废钢温度上下不均（上高下低），距表面600-700mm处的废钢温度<100℃，其节能效果仅为25kWh/t钢，基本与理论计算值相符。我国引进的康斯迪电炉虽然多数厂家没有实地测试过废钢预热的实际温度到底能达到多少度，但却普遍反映废钢预热效果不好，根本达不到供应商所宣传诉指标。
2、预热通道漏风量大
康斯迪废钢预热装置的主要漏风点有：电炉与康斯迪废钢预热通道的衔接处（此外是必不可少的）；预热通道水冷料槽与小车水冷料槽的叠加处；上料废钢运输机与预热通道之间的所谓动态密封装置处。动态密封装置设备思路是好的，但要准确控制则比较难，较多单位的动态密封起不到应起的作用而成为最大的野风进入点。对于出钢量65t-70t的康斯迪电炉，供应商给出的烟气量：西宁特钢7.8万Nm3/h；石横特钢、雪丰10万Nm3/h；嘉兴和恒力为12万Nm3/h。按说10万Nm3/h烟气量是没问题的，但却有不少厂家反映除尘抽风量偏小，除尘效果不好。产生过多抽风量的主要原因是系统漏风量大造成的，这不仅造成除尘效果不好，而且经常堵塞烟道，烟气余热的再次回收也会遇到困难。如某钢厂65t康斯迪电炉，原设计烟气量为10万Nm3/h，再次用于余热回收的余热锅炉实际平均蒸发量为17t/h（设计蒸发量为30t/h），因动态密封装置长期没有起到应有的作用，漏风量非常大，烟道堵塞，除尘效果差，因此进行了了改造，将抽风量定为20-23万Nm3/h，风机电机也由800KW更换为1400KW。这样改造后，仅抽风电机一项年增加运行费用也降到3t/h左右，投资近700万元的设备形同虚设，企业的年经济损失超过500万元。
3、平面占地面积大
众所周知，康斯迪电炉的废钢预热通道加上废钢上料运输机的长度一般达到50-60m，使宝贵的上料跨车间平面资源被白白占用，车间平面利用率降低。
4、料跨吊车作业率非常高
双吸盘电磁吊车给康斯迪废钢运输机上料，吊车作业率相当高，有的单位吊车作业率达到90%以上，这不但要求吊车司机要有熟练的操作技能，而且经常会因上料问题影响电炉生产。
二、废钢预热装置开发的必要性
追求高产、优质、低耗是我们的必然目标。虽然我国电炉钢有了长足进步，但就能耗与国外同行业相比，我国电炉炼钢的综合能耗偏高，尚未达到国际先进水平。虽然我国目前电炉炼钢各方面的经济技术指标已经与国际先进水平相当，但如果按照全部采用冷装炉料的标准进行衡量，我国电炉炼钢的技术经济指标并不乐观。表1为近几年我国重点钢铁企业电炉工序能耗情况。可以看出，即使拿我国2004年的平均工序能耗与国际1999年的先进指标相比，仍有11.29Kgce/t的差距，说明我国电炉钢还有较大的节能降耗的空间。
表1 我国重点钢铁企业电炉钢工序能耗情况
kgce/t
| 年度 | 工序能耗 | 最高工序能耗 | 最低工序能耗 | 国际先进水平 |
| 1999 | 198.60 | |||
| 2002 | 230.20 | 404.09 | 154.36 | |
| 2003 | 210.49 | |||
| 2004 | 209.89 | 325.44 | 146.31 | |
| 3年差值 | -20.31 |
“十一五”期间，国家要求降低能耗20%，可见降低能耗不仅是企业自身的要求，而且也是社会的要求。炼钢电弧炉的节能措施有多种，其中烟气余热回收、能耗综合利用，成为近年来电弧炉炼钢界最为关注的内容之一。
电弧炉炼钢工艺产生的高温烟气中含有大量的显热和化学能，随电弧炉用氧不断强化，产生大量高温烟气使热损失增加，吨钢废气带走热量超过150kWh/t。这是电弧炉冶炼过程中最大的一部分能量损失，充分回收这部分能量来预热废钢铁料可以大幅度地降低电能消耗。理论上废钢预热温度每增加100℃，可节约电能20 kWh/mt。若考虑到能量的有效利用率，一般来讲，废钢预热温度每增加100℃可节约电能15 kWh/mt左右。因此，利用烟气所携带的热量来预热废钢原料是电炉炼钢节能降耗的重要措施之一。
除了节约能源、降低消耗外，废钢预热带来的益处是众所周知的。由于经过预热的废钢进一步熔化的时间会大大缩短，相应可缩短冶炼周期，提高生产率；在预热废钢的过程中，烟气流速很低，烟气中的大量粉尘沉降（过滤）下来，重新进入炉内进行冶炼，从而提高了约1%~2%的废钢铁料回收率。因此，采用废钢预热技术是电炉炼钢“一本万利”的技术措施。
三、新型废钢预热装置
针对康斯迪电炉废钢预热温度低、通道漏风量大、余热回收量少、占地面积大、废钢上料紧张等问题，我们开发了一种新型的废钢预热装置，它不仅可与新建电弧炼钢炉配套，而且也可以在投资很少的情况下对现有康斯迪电炉的废钢预热装置进行改造。我们把它命名为HC II型电弧炼钢炉水平连续加料废钢预热装置。“H”（Horizontal）代表水平，“C”（Concatenate）代表连续，同时“H”也是“弧”字的汉语拼音字头，代表电弧炉。
电弧炉新型废钢预热装置由小车式振动给料装置、烟气罩、废钢预热通道、烟气（抽风）管线和烟气流量调节装置、驱动系统、助燃烧嘴与二次风系统、冷却水系统、控制系统等组成。驱动系统采用四轴非谐激振器使预热通道内安装在桁架上的双侧壁水冷料槽产生水平方向振动，废钢在料槽内靠惯性前进。虽然它在外形上与康斯迪电炉的废钢预热装置的预热段有些相似，但却与康斯迪电炉的废钢预热装置有着本质的不同。
HC II型电炉炼钢炉水平连续加料废钢预热装置与康斯迪电炉的废钢预热装置根本区别在于：
1、烟气流动方向和热交换方式不同
康斯迪工艺的高温烟气主要从废钢预热通道内废钢料层的上部通过，靠辐射将热量传递给废钢，从而将废钢预热，其传热效率很低，废钢预热效果不好。如前述，预热后的废钢温度上下不均（上高下低），距表面600-700mm处的废钢温度<100℃，其节能效果仅为25kWh/t钢。而HC II型废钢预热装置的高温烟气是自上而下穿过废钢料层，与废钢直接进行热交换，所以废钢预热温度高，且上下较均匀，底层废钢预热温度大于400℃，上层废钢预热温度会超过600℃。可节约电能65-100kWh/mt。
2、预热通道内水冷料槽的结构不同
康斯迪工艺的水冷料槽是单一结构，烟气是从尾部烟气罩侧出烟出口流。HC II型废钢预热装置的水冷料槽是双侧壁结构。内层侧壁接触废钢，下有排烟口；外层侧壁中下部安装有抽风烟道，在抽风烟道的中间安装有烟气流量调节装置。靠此特殊结构来实现烟气流动方向和烟气余热与废钢的热交换。
3、通道内废钢料层高度不同
康斯迪工艺预热通道内废钢料层高度约0.7m左右，HC II型废钢预热装置通道内废钢料层高度可在1.2-1.5m左右，较康斯迪工艺料层高度高，通道内存储的废钢量大，从而延长了废钢在预热通道内停留的时间，有助于废钢预热温度的提高。
据有关专家计算和日本大同特钢公司试验结果，轻型废钢（轻薄料、通料）在电炉出口烟气温度条件下，至少要经过20min才可预热到400℃以上。对于切头、生铁块、重型废钢还需要更长的预热时间。尽管国内废钢品种复杂，各类规格的废钢混杂，但HC II型废钢预热装置内的废钢预热时间大大超过20min，达到废钢预热的预期温度应没有任何问题。
4、废钢上料方式不同
HC II型废钢预热装置去掉了康斯迪工艺大约30m长的废钢运输机，采用的是箱式液压废钢加料机加料，从而缩短了设备长度，减少了占地面积，使车间废钢跨平面得以充分利用。HC II型采用废钢料斗（料筐）向箱式液压废钢加料机加料，相对加料次数较少，避免了电磁吊频繁操作和多次长提升行程操作，节省了时间和操作费用，避免了因废钢上料而影响炉前生产的现象。
5、废钢预热通道密封方式不同
众所周知，康斯迪工艺的动态密封是最大的野风进入点，HC II新型废钢预热装置去掉了康斯迪工艺的动态密封装置改为直接密封。箱式液压废钢加料机与通道水冷槽上方采用密封罩直接封闭，箱式液压废钢加料机侧后方与通道料槽尾部之间采用非常简单的软密封，从而大大降低了漏风量。
6、因HC II型废钢预热装置漏风量少，烟气出口温度高，烟气量适当，为二次余热回收（如加余热锅炉）提供了可能。正常情况下余热锅炉蒸发量可达到了23t/h左右。
HC II型废钢预热装置可以在工作量很少的情况下对现有康斯迪电炉的废钢预热装置进行改造，提高超过1倍的废钢预热效果。日本新日铁采用了类似的方法对康斯迪工艺设备改造，使烟气自上而下预热废钢，从而使距表面600-700mm处的废钢温度由原来<100℃提高至400℃以上，其节能效果达到65kWh/t钢。同时，降低吊车作业率，因装料而影响电炉生产的问题也可以得到彻底解决。
四、废钢预热是“一本万利”
按照国家对环境保护的要求，电弧炼钢炉的烟尘治理是强制措施，不管是否有无废钢预热装置，电弧炉的消烟除尘是必须上马的配套设备，没有讨价还价的余地，否则环保部门会责令工厂停产整顿。电弧炉配套烟气治理设备后，达到环境保护的要求，有了较好的社会效益，但却没有企业的效益，反而吨钢会增加10-20元的生产成本。不难算出，对于1座年产电炉钢50万-70万t或更多产量的电炉钢企业，意味着每年丢掉多少利润。
目前国内关于电弧炉废钢预热问题基本上存在两种情况：一种是有了烟气治理设备而没有废钢预热装置；一种是虽然有废钢预热装置，但废钢预热效果不好。
第一种情况，既然花巨资配套了电弧炉的烟气治理设备，为什么不配套废钢预热装置呢？笔者认为可能有以下几个原因：一是人们对废钢预热带来的好处还缺少足够的认识；二是对废钢预热方式和废钢预热装置的选择还存在彷徨；三是相信只有国外的废钢预热技术才能达到自己的要求，殊不知，国外的竖式、水平横式废钢预热技术无论是现场布置，还是工程造价上并不适应我国大多数现有电弧炉的改造；四是烟气治理是环保部门的指令，不上不行，筹措资金再难也得上马，而废钢预热的投资可以暂缓。
第二种情况是对国外引进的设备比较迷信，一是觉得现在使用上还可以，改造的迫切性不大，有些满足现状；二是虽然觉得废钢预热效果不好，但要进行改造没有较好的改造方案；三是还存在疑虑。
但投资废钢预热装置或改造现有废钢预热装置，只要对废钢预热方式和装置选择适当，是可以达到投资少、上马快、效果好的目的的。投资可以在很短的时间内收回，而带来的却是长期优良效益，因此，可以用“白捡”的效益或“一本万利”来形容。这从下面的效益简要分析中可以得出结论。
五、投资效益简要分析
任何企业投资都要考虑投资回收期和投资效益，下面我们对投资HC II型废钢预热装置的投资效益作一简要分析。
以1座出钢量为70t，冶炼周期50min，年作业时间7200h/a的电弧炼钢炉为例，该炉每年产钢约60万t。这里我们以对康斯迪电炉废钢预热装置的改造为例，对于新建或新增加的废钢预热装置可以以此进行推算。对康斯迪电炉废钢预热装置的改造费用初步估算约400万元。
改造前，原废钢预热装置可节电25kWh/mt；改造后可节电65kWh/mt，即吨钢可增加节约电能40kWh/t。这里只计算废钢预热后的节电效益，不计因废钢预热温度提高带来的如缩短冶炼周期，提高生产率等好处，仅电费一项可节约（电费按0.5元/kWh计）1200万元，不到1季度即可收回改造投资。
如果在HC II型废钢预热装置后再加装一台蒸发量为25-30t/h余热锅炉，一次性投资约700万元。若按产蒸汽量平均为20t/h计，相当于回收30kWh/mt左右的电能，蒸汽按80元/t计算（锅炉蒸汽价格），年可收回900-1150万元。余热锅炉可在年内即可收回投资。增加余热锅炉（当然也可以采用其它换能装置收回余热）后，烟气温度可降到200℃以下，符合袋式除尘装置的进风温度要求。
废气带走热量超过150kWh/t，经HC II型废钢预热装置预热废钢回收65kWh/mt，余热锅炉再次回收30kWh/mt，共回收105kWh/mt，余热能量回收率达到70%，处于国内较好水平，年经济效益也可达到2000万元左右。
采用HC II型废钢预热装置后，70t电炉仍可采用原有除尘系统，除尘风机仍为800kW，而不必增加风机功率。
六、结论
国内外的钢铁企业都对余热回收利用非常重视，认为这是降低能源消耗，进而降低生产成本的重要措施。日本余热回收率已达92%以上，其企业能耗占产品成本的14%。2002年我国钢铁企业余热回收比较先进的企业如宝钢余热回收率为68%，能耗占成本的21.3%；邯钢占成本的26.55%。而大多数的企业余热回收不到50%，能源费用占成本的30%以上，说明我国钢铁工业节能降耗的潜力还是很大的。
采用HC II型废钢预热装置投资废钢预热或改造原有废钢预热装置，不到半年的时间即可收回全部投资，以后的维护费用很少，但却长年发挥着效益，故说它是一个“一本万利”的投资项目，一点也不为过。尤其是在我国电力资源匮乏，电价高居不下，而且短期内没有改观的情况下，节约电能、降低生产成本，对电炉钢企业的生产组织和获取较好的经济效益，更具有重要意义。
