圖為中冶賽迪自主研發(fā)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(chǎng)升級改造施工現場(chǎng)，工程師正在對一座剛剛安裝完成的煉鋼電弧爐進(jìn)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(dòng)涵道廢鋼預熱、多元介質(zhì)耦合爐底攪拌等多項自主新技術(shù)的最新一代綠色高效電弧爐，其投產(chǎn)將推動(dòng)鋼鐵行業(yè)短流程煉鋼技術(shù)和裝備進(jìn)步邁上新臺階。
針對國內外全廢鋼電弧爐在煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中能量消耗高、質(zhì)量不穩定、二噁英污染等重大關(guān)鍵問(wèn)題，中冶賽迪歷經(jīng)10余年協(xié)同創(chuàng )新，研發(fā)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(xié)同控制集成等綠色高效電弧爐煉鋼技術(shù)，技術(shù)指標達到國際先進(jìn)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(lǐng)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(shù)與裝備的開(kāi)發(fā)應用”項目獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎。
錨定綠色節能、高效潔凈，
創(chuàng )新研發(fā)廢鋼熔煉技術(shù)路線(xiàn)
電弧爐煉鋼具有流程短、綠色節能等特點(diǎn)，是鋼鐵工業(yè)可循環(huán)、綠色化發(fā)展的重要方向。但是，長(cháng)期以來(lái)受工藝技術(shù)及裝備水平等影響，全廢鋼電弧爐冶煉能量消耗、鋼質(zhì)潔凈、環(huán)境友好等關(guān)鍵指標難以改善。其集中表現在：成套引進(jìn)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(chǎn)供電裝備設計制造技術(shù)也未能突破；傳統連續加料及預熱方式，對廢鋼質(zhì)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(chǎn)高品質(zhì)鋼高效去除鋼中P、N、O等雜質(zhì)的技術(shù)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(shù)問(wèn)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(chǎn)“廢鋼輸料-預熱升溫-供能熔化-雜質(zhì)脫除”的物質(zhì)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(chǎn)品潔凈升級的工藝技術(shù)路線(xiàn)，確立了“三個(gè)單元、一項集成”的創(chuàng )新研發(fā)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(shù)為核心，開(kāi)發(fā)了滿(mǎn)足復雜爐料結構的超高功率電弧爐智能供電技術(shù)及裝備，形成了我國超高功率電弧爐供電技術(shù)標準體系，打破了國外長(cháng)期技術(shù)壟斷；
獨創(chuàng )了綠色輸送廢鋼預熱工藝，發(fā)明了“階梯擾動(dòng)”連續加料預熱、“煙氣分流-自控溫”二噁英協(xié)同治理和低阻尼高效除塵技術(shù)，大幅提升了電弧爐煉鋼余能利用水平，實(shí)現超低排放；
提出并運用電弧爐煉鋼跨尺度物質(zhì)能量集成方法，創(chuàng )建了電弧爐煉鋼多層級信息在線(xiàn)檢測和控制系統，實(shí)現了綠色高效電弧爐煉鋼系統集成聯(lián)動(dòng)與高效運行，電弧爐煉鋼跨尺度高效協(xié)同控制技術(shù)集成并實(shí)現工業(yè)化應用。
攻克傳統電爐供電效率低下難關(guān)，
開(kāi)發(fā)智能電極調節系統節電成效顯著(zhù)
在復雜爐料結構下穩定保持熔煉過(guò)程高電壓、長(cháng)弧供電操作，是電弧爐煉鋼提高電能利用率、實(shí)現綠色高效節能的關(guān)鍵。長(cháng)期以來(lái)，成套引進(jìn)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(cháng)時(shí)間、低功率因數供電，難以發(fā)揮最佳供電效能，造成冶煉效率低、無(wú)功損耗大和熱量散失嚴重。
針對上述問(wèn)題，中冶賽迪研發(fā)團隊開(kāi)展了對最佳供電效能的研究和突破，重點(diǎn)對電極調節器性能提升進(jìn)行研究，多方位調研各個(gè)電爐用戶(hù)的現有電極調節器使用情況。通過(guò)研究，該研發(fā)團隊發(fā)現電爐供電系統對提高電爐冶煉效果至關(guān)重要，而這部分的研究牽扯到電磁及供電發(fā)熱等專(zhuān)業(yè)方面的研究。為此，該研發(fā)團隊與西安交通大學(xué)、重慶大學(xué)等高校聯(lián)合對于短網(wǎng)系統的電磁場(chǎng)及短網(wǎng)阻抗計算進(jìn)行了研究。
經(jīng)過(guò)10余年的不懈努力，中冶賽迪成功研發(fā)了智能型電極穩弧調節控制系統DMI-AC，開(kāi)發(fā)了信號分布化采集-集中處理-網(wǎng)絡(luò )數字化傳輸系統和多策略、多約束優(yōu)化智能控制技術(shù)，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(yè)自主知識產(chǎn)權的電極導電橫臂立柱位置自動(dòng)檢測技術(shù)和短網(wǎng)優(yōu)化設計軟件，實(shí)現了短網(wǎng)系統結構優(yōu)化與在線(xiàn)監控，三相阻抗不平衡度明顯改善（≤2.5%）；開(kāi)發(fā)了特大型電弧爐電氣運行最佳工作點(diǎn)智能校正專(zhuān)家系統，基于自主研發(fā)的電弧爐變壓器指數型非線(xiàn)性工作電抗模型，通過(guò)多傳感器動(dòng)態(tài)跟蹤與大數據深度挖掘，實(shí)現工作點(diǎn)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(zhù)。
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(shù)對廢鋼質(zhì)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(cháng)期停滯在二噁英合成區范圍，二噁英等污染問(wèn)題難以避免；實(shí)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(guān)重要。
中冶賽迪研發(fā)團隊對國內多家電爐生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)地調研和考察，展開(kāi)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(yè)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(guò)此研發(fā)和驗證，該項目建立了全尺寸廢鋼料堆空間內煙氣流動(dòng)及交互傳熱耦合計算模型，探明了高溫煙氣環(huán)境下廢鋼翻轉預熱和料層升溫特征規律；發(fā)明了電弧爐“階梯擾動(dòng)”連續加料廢鋼預熱系統，提出并運用階梯擾動(dòng)涵道、廢鋼翻轉預熱、氣流動(dòng)態(tài)密封等創(chuàng )新方法，強化了高溫煙氣-廢鋼間熱能交換，實(shí)現了廢鋼高寬容性全自動(dòng)、全密閉連續穩定加料；電弧爐全冷料加料時(shí)間縮短至28分鐘以?xún)?，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(fā)出了電弧爐煉鋼“煙氣分流-自控溫”和二噁英-粉塵協(xié)同凈化技術(shù)，預熱后煙氣溫度保持在850℃~900℃（維持時(shí)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(shù)，實(shí)現了二噁英高效低成本抑制及脫除。經(jīng)工業(yè)試驗測試，該技術(shù)的二噁英排放<0.1ng-TEQ/Nm3。
廣泛開(kāi)展工程實(shí)踐，
助力綠色制造
中冶賽迪研發(fā)出國際領(lǐng)先的超高功率電弧爐變壓器和電極自動(dòng)調節技術(shù)，首次形成了超高功率電弧爐供電技術(shù)標準，打破了國外長(cháng)期技術(shù)壟斷，強力支撐“中國制造”；開(kāi)發(fā)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(dòng)涵道廢鋼預熱等新技術(shù)，系統解決了連續加料、廢鋼預熱、余熱利用及廢氣治理等關(guān)鍵問(wèn)題；提出了以質(zhì)量為核心的煉鋼潔凈生產(chǎn)與綠色制造協(xié)同運行新思路；開(kāi)發(fā)了非接觸鋼液連續測溫、爐氣成分在線(xiàn)分析、終點(diǎn)預報和成本質(zhì)量控制軟件等，實(shí)現了電弧爐煉鋼技術(shù)集成，進(jìn)一步提升了電弧爐煉鋼運行效率和產(chǎn)品質(zhì)量，顯著(zhù)降低了生產(chǎn)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(yáng)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(yè)，累計交付項目整體或單元技術(shù)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(lái)西亞等20余個(gè)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(chǎn)約9個(gè)小時(shí)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(guān)電弧爐煉鋼關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟指標已達到了國際先進(jìn)水平。該項目還采用中冶賽迪具有完全自主知識產(chǎn)權的電爐煙氣余熱發(fā)電技術(shù)，電爐噸鋼產(chǎn)汽量約130kg，年發(fā)電量約2556×104kWh，年供電收益約1151萬(wàn)元，年發(fā)電凈利潤約1000萬(wàn)元，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。
《中國冶金報》（2023年05月09日 05版五版）
