电弧炉炼钢绿色及智能化技术分析研究

李海波

（中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北 秦皇岛 066004）

随着电弧炉炼钢技术发展，生产目标必须坚持绿色、节能、高效，电弧炉炼钢行业的新型资源设备很多种。近几年，在环保节能领域上，电弧炉炼钢技术有一定的进展，在绿色及智能化方面取得了长足的发展，极大地推动了钢铁技术的高度发展，体现出我国能源发展的新趋势。

1 电弧炉炼钢绿色化技术分析

相较于传统的转炉炼钢技术在进行炼钢的时候具有较长的工作流程，电弧炉短流程炼钢技术在节省能源、环保等各个方面来讲具有强大的功能和不可忽视的优势。随着我国炼钢技术的不断更新换代，人类对于生态环境问题的重视程度日益提升，节能环保理念开始相继问世，朝向绿色化生产方向发展是未来电弧炉炼钢技术发展的必然趋势。

1.1 废钢破碎分选技术

作为再生能源的一种，废钢至关重要，在循环利用钢铁领域优势非常显著。废钢资源对该行业的技术升级、节能减排等方面的贡献非常大。随着国内工业行业、汽车、设备等报废的增多，废旧金属回收的成分也不断增加，涵盖有很多的元素，比如有色金属、黑金属、非金属等。高质量破碎废钢和分选是确保电弧炉炼钢原料的关键性要素，是电弧炉炼钢进行绿色冶炼的核心环节。自20世纪60年代开始，美国和德国开始研究破碎分选废钢铁技术，这两个国家开启的破碎钢片(Shred)入炉技术的研究历程，对于保持回收钢品质、提高经济效益等方面皆有卓越的贡献。德国在20世纪80年代末所研制而成的废钢破碎机(Shredder)技术在国际上已经遥遥领先，技术程度远远超越了其他先进国家。

废钢破碎机的类型主要有两种：其一是破碎机，其二是碎屑机。

碎屑机主要对钢屑进行破碎，破碎机主要是在大型废钢破碎，破碎机的类型主要有几种，比如轧辊式、锤击式和刀刃式。通过相应的破碎操作以后，我们就可以通过多种分选系统对废钢铁进行回收处理，回收处理的时候主要根据非金属、黑金属、有色金属、金属等操作。通过破碎分选以后，大大提升了废钢原料的纯洁度，极大地彰显了其环保价值，为电弧炉炼钢奠定坚实的基础。

1.2 废钢预热技术

在电弧炉炼钢废钢预热技术领域，设计出了质量较为卓越的双炉壳、竖式等等废钢预热型电弧炉。双炉壳电弧炉由于技术发展较为滞后，余热效率低、设备维护技术系数难度大等问题，在市场上已经淘汰；竖式预热电弧炉因为原料下落会对篦水冷结构造成冲击，致使其寿命受到影响，因此需要投入大量人类财力展开维护，加上装备的可靠性低下，因此该技术也在不断淘汰中。

废钢预热作为独具特色的一门技术，凭借着对一次能源的利用，以及充分利用炉内高温废气对废钢展开预热处理，在此基础上达到节约资源的目标。这种技术可以使高温废气在预热竖炉中停留的时间延长，极大地提升了热传输效率，废钢没有进行相应的预热后，实现生产质量的提升。但是这种系统需要对设备进行更高的维护，所以导致装备的稳定性造成影响，需要采用更加高超的科学技能提升装备的可靠性。

Tenova 所研发的Consteel 电弧炉是国际上首次研制出来的在投入使用的过程中可以充分对金属原料加以运用，实现预热型废钢电弧炉。Consteel 电弧炉具有众多的优势，例如生产环境良好、加料的可控性高、电网冲击小、烟气余热可以充分利用等功能。但是通常情况下要受制于二噁英的排放，这种技术应用于西方市场具有较多的限制因素，不仅如此还会有封闭漏风的情况，再者生产线流程较长。

2 电弧炉炼钢智能化技术进展

随着电弧炉炼钢智能化技术的高度发展，电弧炉炼钢在智能冶炼领域得到了较为显著的发展，检测技术不断进行更新换代，控制模型的设计也不断地走向完善，极大地提升了电弧炉炼钢的自动化程度，长足发展了炼钢工业。

2.1 智能配料

就智能配料来讲，对电弧炉炼钢生产成本的节省非常有利，实现产品生产质量的提升。迄今为止，先进的电弧炉炼钢自动化配料系统逐渐在国内外先进电弧炉炼钢企业系统所普及，这种配料技术主要是通过原料的化学配比、电弧炉设备参数、钢种生产技能、原料使用量的约束等元素，设计出一套行之有效的科学配料数学模型，通过数字化的规划模式对最优的成本予以计算而出，保障配料效果的智能化水平。原料编码（BrandCode）是该系统使用的管理原料的标准，原料属性一致于企业资源计划，我们还可以单独维护原料属性和价值，实现原料管理的高效性、准确性，具有可控性。

2.2 电弧炉炼钢终点控制技术

电弧炉炼钢钢液终点参数的科学、预报稳定及其控制是冶炼效率提升、生产成本降低的主要指标。传统研究者研制和设计出来反应机理模型主要依托于电弧炉物料平衡和热平衡建立，但是我们应该了解到，电弧炉炼钢需要较高的温度，反映历程比较快速，在生产的历程中诸多参数无法被准确地获取，机理模型具有极其低下的标准性。在信息技术不断提升的当下，通过遗传算法、神经算法等多种智能算法的模型开始在该领域内使用，开始出现多种计算模型，但是在计算“黑箱计算模型”的时候，对数据的生成比较依赖，指导生产工艺的模式缺失，导致选择样本比较困难、计算程序繁琐。

北京科技大学在研究的过程中凭借着检测分析炉气手段、钢液温度测量模式等措施，就电弧炉炉气温度、构成结构、流量等元素展开了连续性的跟踪性监测，在这个基础上构建起了基于物质衡算的脱碳指数-积分混合模型、分析炉气成分指数、钢液终点温度智能神经网络预报模型，这些数据和模型可以对于脱碳放热、电弧炉脱磷等质量几种因素是计算历程实时性开展的关键，也就意味着通过此维度能够对电弧炉内钢液的成分、比例、温度等要素予以测算；采用分段电弧炉能量的措施进行深入的输入控制方法，协同开展供电、供氧、喷粉，以便于协同进行钢水脱碳和升温，从而实现90%（±0.020%）的终点碳含量命中率，终点88%（±10℃）温度的命中率。在此过程中我们应该清醒的认识到，对转炉炼钢来讲，电弧炉炼钢冶炼具有更加恶劣的场地，在终点控制方面远远不能达到标准化的指标；针对机理模型的测量，迄今为止的诸多参数都不达标，“黑箱模型”建立在智能算法基础之下，其对数据过度依赖，但是生产工艺上指导比较缺失，可以实现数据测技术可靠性的提升，因此该领域今后研发智能模型及两者的相互结合将成为主要技术模式。

2.3 熔池温度连续测量技术

所谓的电弧炉炼钢指的是在相应的时间内控制适宜的温度，控制温度不仅仅需要控制熔池表面温度，还应该具有控制熔池内部温度。由于我们需要在高温下开展电弧炉炼钢，且具有恶劣的环境状况，难以准确到位的进行连续性的测试。所以Simetal RCB Temp 测温系统由SIEMENS VAI研制的过程中，即使在关闭电弧炉通电和炉门的时候，也可以不进行接触的进行钢液测温。在钢液温度存在于出钢温度后，电弧炉可以准时展开断电、出钢处理。但是这种测温技术的不足之处在于测温系统的稳定性不足，使用寿命短暂。

USTB非接触式钢液测温系统由北京科技大学自主研发，也是非接触钢液测温设备的一种，此测温主要通过钢液温度特征信号的获取，然后加以处理后完成相应温度预报、测量工作，具有非常高的钢液温度准确性。

3 结语

综上所述，绿色化及智能化技术在电弧炉炼钢行业具有非常重要的意义，科学的绿色生产技术及精准度高的智能化检测与控制技术是今后电弧炉炼钢技术主要的发展方向。在对现存的智能化关键技术、电弧炉炼钢绿色化技术进行不断改进的同时，我们还应该积极探索先进的全流程的电弧炉炼钢，在实现高效工作的同时，还能实现更好的节能减排效果，对环境的保护力度进一步提升，这都是今后重要的发展方向。