圖為中冶賽迪自主研發的階梯式連續加料電弧爐在四川冶控集團應用。 （中冶賽迪 供圖）
本報通訊員 石秋強
2023年4月26日，在云南仙福鋼鐵第二煉鋼廠升級改造施工現場，工程師正在對一座剛剛安裝完成的煉鋼電弧爐進行調試。這是由中冶賽迪設計，并應用柔性IGBT直流供電、多元爐料結構全余熱回收、階梯擾動涵道廢鋼預熱、多元介質耦合爐底攪拌等多項自主新技術的最新一代綠色高效電弧爐，其投產將推動鋼鐵行業短流程煉鋼技術和裝備進步邁上新臺階。
針對國內外全廢鋼電弧爐在煉鋼生產過程中能量消耗高、質量不穩定、二噁英污染等重大關鍵問題，中冶賽迪歷經10余年協同創新，研發了超高功率智能供電、高效深度潔凈冶煉、綠色輸送廢鋼預熱和高效協同控制集成等綠色高效電弧爐煉鋼技術，技術指標達到國際先進水平，在超高功率智能供電和高效深度潔凈冶煉方面國際領先，并在國內外廣泛推廣應用。2020年，中冶賽迪牽頭申報的“綠色高效電弧爐煉鋼技術與裝備的開發應用”項目獲得國家科學技術進步獎二等獎。
錨定綠色節能、高效潔凈，
創新研發廢鋼熔煉技術路線
電弧爐煉鋼具有流程短、綠色節能等特點，是鋼鐵工業可循環、綠色化發展的重要方向。但是，長期以來受工藝技術及裝備水平等影響，全廢鋼電弧爐冶煉能量消耗、鋼質潔凈、環境友好等關鍵指標難以改善。其集中表現在：成套引進的電弧爐供電系統運行操控模式單一，不能適應我國復雜金屬爐料結構，而國產供電裝備設計制造技術也未能突破；傳統連續加料及預熱方式，對廢鋼質量要求高、但預熱效果差，且一直受二噁英污染困擾；未能從根本上解決全廢鋼生產高品質鋼高效去除鋼中P、N、O等雜質的技術瓶頸。
中冶賽迪針對國內外全廢鋼電弧爐煉鋼存在的核心技術問題，以電弧爐煉鋼綠色節能、高效潔凈為目標，探明了全廢鋼電弧爐生產“廢鋼輸料-預熱升溫-供能熔化-雜質脫除”的物質能量跨尺度變化特性，提出了廢鋼綠色清潔使用、快速高效熔煉和產品潔凈升級的工藝技術路線，確立了“三個單元、一項集成”的創新研發思路——
以超高功率智能供電、高效深度潔凈冶煉和綠色輸送廢鋼預熱等新技術為核心，開發了滿足復雜爐料結構的超高功率電弧爐智能供電技術及裝備，形成了我國超高功率電弧爐供電技術標準體系，打破了國外長期技術壟斷；
獨創了綠色輸送廢鋼預熱工藝，發明了“階梯擾動”連續加料預熱、“煙氣分流-自控溫”二噁英協同治理和低阻尼高效除塵技術，大幅提升了電弧爐煉鋼余能利用水平，實現超低排放；
提出并運用電弧爐煉鋼跨尺度物質能量集成方法，創建了電弧爐煉鋼多層級信息在線檢測和控制系統，實現了綠色高效電弧爐煉鋼系統集成聯動與高效運行，電弧爐煉鋼跨尺度高效協同控制技術集成并實現工業化應用。
攻克傳統電爐供電效率低下難關，
開發智能電極調節系統節電成效顯著
在復雜爐料結構下穩定保持熔煉過程高電壓、長弧供電操作，是電弧爐煉鋼提高電能利用率、實現綠色高效節能的關鍵。長期以來，成套引進的供電系統運行操控模式單一，面對復雜廢鋼爐料只能采用長時間、低功率因數供電，難以發揮最佳供電效能，造成冶煉效率低、無功損耗大和熱量散失嚴重。
針對上述問題，中冶賽迪研發團隊開展了對最佳供電效能的研究和突破，重點對電極調節器性能提升進行研究，多方位調研各個電爐用戶的現有電極調節器使用情況。通過研究，該研發團隊發現電爐供電系統對提高電爐冶煉效果至關重要，而這部分的研究牽扯到電磁及供電發熱等專業方面的研究。為此，該研發團隊與西安交通大學、重慶大學等高校聯合對于短網系統的電磁場及短網阻抗計算進行了研究。
經過10余年的不懈努力，中冶賽迪成功研發了智能型電極穩弧調節控制系統DMI-AC，開發了信號分布化采集-集中處理-網絡數字化傳輸系統和多策略、多約束優化智能控制技術，有效改善了極限工況下的穩弧控制精度；全廢鋼冶煉前中期供電功率提高20%~30%，冶煉節奏明顯提升，整體熱損失降低10%以上，電極消耗減少0.15公斤/噸~0.3公斤/噸；形成了具有企業自主知識產權的電極導電橫臂立柱位置自動檢測技術和短網優化設計軟件，實現了短網系統結構優化與在線監控，三相阻抗不平衡度明顯改善（≤2.5%）；開發了特大型電弧爐電氣運行最佳工作點智能校正專家系統，基于自主研發的電弧爐變壓器指數型非線性工作電抗模型，通過多傳感器動態跟蹤與大數據深度挖掘，實現工作點校正周期小于60ms，超高功率供電功率因數cosφ由0.80~0.85提高至0.85~0.92，電能利用效率提高5%~10%，節電效果顯著。
大幅提高廢鋼預熱溫度，
高效低成本抑制及脫除二噁英等粉塵
傳統電弧爐連續加料及預熱技術對廢鋼質量要求高，預熱效果通常僅為200℃~400℃，制約了高溫煙氣的余能利用；廢鋼預熱溫度長期停滯在二噁英合成區范圍，二噁英等污染問題難以避免；實現快速高效的連續加料和廢鋼預熱對全廢鋼電弧爐煉鋼能耗和成本控制至關重要。
中冶賽迪研發團隊對國內多家電爐生產企業的實地調研和考察，展開廢鋼預熱性電爐的研制工作，在中冶賽迪裝備基地制作了試驗裝置，在中冶陜壓建設了工業化樣機，最終廢鋼階梯加料裝置和煙氣二噁英處理裝置測試數據合格，達到設計要求。
通過此研發和驗證，該項目建立了全尺寸廢鋼料堆空間內煙氣流動及交互傳熱耦合計算模型，探明了高溫煙氣環境下廢鋼翻轉預熱和料層升溫特征規律；發明了電弧爐“階梯擾動”連續加料廢鋼預熱系統，提出并運用階梯擾動涵道、廢鋼翻轉預熱、氣流動態密封等創新方法，強化了高溫煙氣-廢鋼間熱能交換，實現了廢鋼高寬容性全自動、全密閉連續穩定加料；電弧爐全冷料加料時間縮短至28分鐘以內，廢鋼預熱溫度提高到500℃~550℃，余能利用量增加25%~30%。
中冶賽迪項目團隊研發出了電弧爐煉鋼“煙氣分流-自控溫”和二噁英-粉塵協同凈化技術，預熱后煙氣溫度保持在850℃~900℃（維持時間>3秒），二噁英充分裂解后急冷，并結合低溫煙氣除塵吸附技術，實現了二噁英高效低成本抑制及脫除。經工業試驗測試，該技術的二噁英排放<0.1ng-TEQ/Nm3。
廣泛開展工程實踐，
助力綠色制造
中冶賽迪研發出國際領先的超高功率電弧爐變壓器和電極自動調節技術，首次形成了超高功率電弧爐供電技術標準，打破了國外長期技術壟斷，強力支撐“中國制造”；開發了適應多元爐料結構的全余熱回收、低阻尼除塵、高效急冷二噁英治理、階梯擾動涵道廢鋼預熱等新技術，系統解決了連續加料、廢鋼預熱、余熱利用及廢氣治理等關鍵問題；提出了以質量為核心的煉鋼潔凈生產與綠色制造協同運行新思路；開發了非接觸鋼液連續測溫、爐氣成分在線分析、終點預報和成本質量控制軟件等，實現了電弧爐煉鋼技術集成，進一步提升了電弧爐煉鋼運行效率和產品質量，顯著降低了生產成本。
中冶賽迪的該項目成果先后在成都冶金、中冶陜壓得到應用，并推廣至日本共英制鋼越南VKS公司（90噸電弧爐）、四川都鋼集團電弧爐項目、衡陽鋼管電爐項目、山鋼日照公司（210噸LF爐）、武鋼有限（300噸LF爐）等電弧爐和LF爐煉鋼企業，累計交付項目整體或單元技術及裝備達80余套，并已出口至土耳其、巴西、印度尼西亞、越南、馬來西亞等20余個國家。
其中，四川冶控集團綠色高效電弧爐于2022年6月投入運行，在每天只能生產約9個小時的情況下，噸鋼電耗<330kWh、氧氣消耗<27Nm3、天然氣消耗<1.6Nm3、冶煉周期<36分鐘，相關電弧爐煉鋼關鍵技術經濟指標已達到了國際先進水平。該項目還采用中冶賽迪具有完全自主知識產權的電爐煙氣余熱發電技術，電爐噸鋼產汽量約130kg，年發電量約2556×104kWh，年供電收益約1151萬元，年發電凈利潤約1000萬元，經濟效益顯著。
《中國冶金報》（2023年05月09日 05版五版）
