新能源车辆在冶金项目上的应用

关键词：新能源；车辆；冶金工程；节能；成本；碳排放

0 引言

在冶金工程项目中，由于传统的车辆需要轨道和在线供电设施等，因此在车辆拐弯、过跨、钢包和铁包的旋转等方面，需要配备其它设备（如起重机、旋转台等）来倒运钢包、铁包等，这就不可避免地造成了运输高温液体的包体（钢包、铁包、渣包等）在车间的停留时间延长，造成大量的热量散失（满包、空包等待）、生产耽误、耐材损失，金属损失、设备投资增加、运行成本升高。因此，采用一种无需轨道的、可行走自由的、可离线工作的新能源车，可以解决该问题，同时还可以减少高温液体的运输时间、减少散热和碳排放、节约能耗、无电缆烧损，降低了运行成本。

所谓新能源车辆就是采用磷酸铁锂电池组或超级电容电池组来供电、驱动的运输设备，其车载电源通常采用磷酸铁锂电池组。随着新能源技术的发展、成熟、完善，已经出现了大能量密度电池，这给新能源车辆在炼钢项目中的应用带来了发展机会，如2022年宝武集团宝山基地在80 t渣包车和吉安钢铁有限公司在100 t渣包车上应用新能源供电，2024年8月山东永锋钢铁有限公司载重量达520 t的新能源钢包车投入使用，用来运输2台150 t钢包。

1 新能源车辆在冶金项目的应用优势

与传统车辆相比，新能源车在冶金工程中的应用具有如下优势。

1）运行灵活，实现地面设备安全、人身安全。

由于没有轨道和在线供电设施限制，新能源车可以任意拐弯、过跨和旋转，运行灵活。采用新能源车运输高温液体，钢包在各冶炼工位转移只在地面行走，没有吊车吊运过程（钢水、铁水、液渣）经过设备，减少了高温液体泄漏造成的设备安全、人身安全问题。

2）降低起重机作业率，减少维护工作量。

采用新能源车运输高温液体，可以任意拐弯、过跨、旋转，无需车间起重机的帮助，起重机作业率显著下降，因此增加了起重机的安全性。同时，由于起重机的作业率显著下降，故障率显著降低，因此维护次数和工作量也显著下降，起重机的维护成本降低。

3）减少起重机数量，降低相互干扰。

由于起重机的作业率显著下降，车间起重机数量可以减少。同时降低了车间起重机的相互干扰，减少了无效运行，降低操作费用。

4）热周转的包体数量减少。

由于占用热包的时间减少，包体热周转数量可以相应地减少。同时，由于热包停留时间减少，包体散热减少，可以减少出钢温度或减少精炼加热时间，降低升温电耗和电极消耗，也缩短了加热时间，节约能耗。

5）错峰用电。

新能源车辆可以实现了错峰用电，利用夜间峰谷电充电，降低用电成本。根据各地的峰谷电价的差异，可节约用电成本30 %～40 %。

由于如上优点，新能源车已经在宝武集团宝山基地100 t渣罐车上应用，数量12台，2022年10月投产至今，十分安全可靠，如图1所示。吉安钢铁有限公司在80 t渣罐车上应用新能源车辆（如图2所示），数量2台，2022年8月投产至今，经历出钢、出渣、溢渣、喷溅的考验，运行安全，效果良好。另外山东永锋钢铁有限公司120 t转炉车间应用新能源车辆运输2台150 t钢包，投产时间2024年8月；宝武集团湛江基地在220 t电炉车间钢包车应用新能源车辆，投产时间2025年3月。

2 新能源车辆的炼钢项目应用

无论是新建还是改造的炼钢工程项目，均可以使用新能源车替代传统车辆。

2.1 新设计项目的应用

2.1.1 车间配置

车间设备配置：1座220 t电炉、1座220 t LF、1座220 t RH装置、1台2 150 mm连铸机，年新增炼钢产能180万t钢水。

2.1.2 工艺流程比较

传统方式运输流程：电炉冶炼→传统钢包车1→起重机1→传统钢包车2（或3）→LF精炼→传统钢包车2（或3）→起重机2→传统钢包车4（或5）→RH精炼→传统钢包车4 （或5）→起重机→连铸。

新能源车运输流程：电炉冶炼→新能源钢包车→新能源横移车→新能源钢包车→LF精炼→新能源横移车→新能源钢包车→RH精炼→起重机→连铸。

2.1.3 设备配置差别

新建220 t电炉炼钢车间工艺布置如图3所示，可以看出：1）取消了钢包车的供电设施（电缆、卷筒等），减少电缆的磨损和烧损；2）增加2台新能源横移车代替铸造起重机来摆渡钢包车；3）铸造起重机的重载时间下降到原来的1/3（少吊2钩）；4）EAF、LF、RH之间无缝连接，缩短了钢水的停留时间，减少了散热，节约了加热电耗、电极消耗、耐材，提高了钢包寿命。

新能源车与传统车辆运输在设备配置上的差别如表1所示，可见：1）采用新能源车，钢包车数量减少3台，降低了投资；2）铸造起重机减少1台，降低投资3 000余万元；3）增加2台新能源横移车摆渡钢包车和钢水，替代了铸造起重机吊运钢水2次；减少了钢水的停留时间（LF 6.2 min+RH 4.6 min），减少了散热，从而节约了加热电耗和电极消耗，缩短了精炼时间，减少了高温钢水在钢包耐材中停留时间，提高了耐材寿命等。

2.1.4 采用新能源车的安全措施

采用新能源车的安全措施：1）车载电源、控制系统安装于车上全封闭的电气室内；2）电气室四周均采用复合层结构，中间夹层设有隔热耐火材料，避免周边辐射热对电气室温度产生影响；3）电气室顶部设有多层防护层，避免钢水飞溅或穿包时损坏电气室，确保电池安全；4）电池模组内、控制柜内、电气室内均设置有温度传感器，实时监测车辆运行环境变化情况；5）车载电源配有电池热管理和液冷；6）电气室配有空调系统，确保电池在特殊情况下也不会超过许用温度，车辆仍能继续运行驶离危险区域。

此外，还研发了新能源车智慧运维云平台，对电池系统、控制系统等实时监测，用户多终端实时查看相关运行记录，电量、温度、PLC故障等报警信息实时传递。

生产实践证明，采用以上安全措施后，可以保证新能源车辆在使用过程的安全性，即不过热、不自燃、不会发生爆炸；即使在出现大量的喷溅的情况下，也能安全使用（参见图2）。

2.1.5 新能源车辆的结构

与传统车辆相比，新能源车具有如下特点：1）取消在线供电设施，如电缆、电缆卷筒等，减少了电缆磨损、烧损，降低了电缆消耗，降低了运行成本；2）传统车辆的速度控制需要交流-直流-交流转换，而新能源车采用直流电，减少了交流-直流转换，控制更加简单；3）新能源车的电源是蓄电池和超级电容，所以可以实现错峰充电，降低了运行成本。

新能源车的结构见图4，主要包含：车载控制系统、自动充电装置、车载电源（新能源电池组或超级电容，通常采用磷酸铁锂超级电容）、吹氩自动对接装置。

2.1.6 经济效益计算

1）EAF-LF工序

新能源车从电炉出钢结束到钢包炉接受工位时长为3.7 min， 而传统钢包车需要9.79 min， 新能源车行走时间缩短6.09 min； 采用钢包加盖，温降损失按约0.5 ℃/min计算；与传统钢包车相比，其成本分析见表2。可知：由于采用新能源车，EAF-LF工序每年可以降低运行成本353.21万元，吨钢成本降低1.96元。能耗方面，按当量值计算，每年可节约能耗485.17×104 kWh， 相当于节约标准煤596.28 t， 吨钢节约标准煤0.331 kg。碳排放计算，每年可减少碳排放3808.61 t， 吨钢碳排放减少2.116 kg。

2）LF-RH工序

新能源车从LF出钢结束到RH炉接受工位时长为4.033 min， 而传统包车需要8.625 min， 新能源车行走时间缩短4.592 min（空包返回，减少温降未计算）；采用钢包加盖，温降损失按约0.5 ℃/min计算；与传统钢包车相比，其成本分析见表3。可见：由于采用新能源车，LF-RH工序，每年可以降低运行成本264.74万元，吨钢成本降低1.47元/t。能耗方面，按当量值计算，每年可节约能耗363.66×104 kWh， 相当于节约标准煤446.94 t， 吨钢节约标准煤0.248 kg。碳排放计算，每年可减少碳排放2 854.73 t， 吨钢碳排放减少1.586 kg。

3）EAF+LF+RH定量分析

由于采用新能源车，从EAF+LF+RH工序，每年可以降低运行成本617.95万元，吨钢成本降低3.43元。能耗方面，按当量值计算，每年可节约能耗848.83×104 kWh， 相当于节约标准煤1 043.22 t， 吨钢节约标准煤0.579 kg。碳排放计算，每年可减少碳排放6 663.34 t， 吨钢碳排放减少3.702 kg。

2.1.7 综合效益

在新建炼钢项目中，新能源车辆运行灵活，实现了地面设备安全、人身安全；铸造起重机重载时间下降50 %，安全系数增加；起重机维护工作量减少50 %，成本下降；车间起重机作业率降低40 %～50 %，数量可以减少1台；相互干扰减少；热周转的钢包数量减少1个；精炼时间缩短约0.5 min， 精炼电耗降低约5 kWh/t； 钢包寿命提高7 %，耐材消耗降低；吨钢成本降低3.43元；年增效益617.95万元；年节约能耗848.83×104 kWh/a， 相当于节约标煤1043.22 t； 年减少碳排放6 663.34 t， 吨钢碳排放减少3.7 kg； 节约设备投资约3 000万元。

2.2 在现车间改造中的应用

2.2.1 车间设备配置

电炉车间现有1座120 t带废钢预热水平连续加料的超高功率交流电炉、1座120 t LF、1座120 t VOD真空精炼炉（预留）、1台6流小方连铸机（半径9 m）、铸坯热装热送。主要生产钢种为碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢，年产合格钢水123.7万t、合格铸坯120万t。

2.2.2 工艺流程比较

现有运输方式：电炉冶炼→钢包车1→起重机→钢包车2→过跨和吹氩→起重机→钢包车3→LF精炼→钢包车3→起重机→连铸。

新能源车运输方式：新能源车→转台→新能源车→转台→新能源车→LF→连铸。

2.2.3 设备配置差别

电炉车间布置是否合理，直接影响生产操作的顺行，同时也影响建设投资。改造前后120 t电炉炼钢车间的工艺布置图见图5，新能源车与传统车辆运输在设备配置上的差别见表4。

由图5、表4看出：1）采用新能源车，钢包车数量减少2台；2）电炉跨的铸造起重机重载时间减少50 %以上；3）取消了钢包车的供电设施（电缆、卷筒等），减少电缆的磨损和烧损；4）增加2台回转台摆渡钢包车和钢水，替代了铸造起重机吊运钢水2次；减少了钢水的停留时间9.52 min， 减少了散热，从而节约了加热电耗和电极消耗，缩短了精炼时间，减少了高温钢水在钢包耐材中停留时间，提高了耐材寿命等；5）电炉出钢车、钢包过跨车、LF钢包车的轨道均适当延长。

现有传统车辆改造成新能源车辆的方法：1）将电池或超级电容设置在车上作为车辆的供电方式，现有的电缆、滑触线等供电设施取消；2）在线或离线给电池充电，实现对车辆的持续供电；3）在不具备在线或离线充电的工况下，通过快速更换电池的方式实现持续供电；4）除了供电方式改变外，车辆的原有功能全部保持；5）增加2套钢包车回转台。

2.2.4 综合效益

新能源车从电炉出钢结束到钢包炉接受工位时长为5.73 min， 而传统包车需要15.24 min， 可见新能源车行走时间缩短9.52 min； 因钢包未加盖，温降损失按约1 ℃/min计算。与传统钢包车相比，其成本分析见表5。可见：由于采用新能源车，该120 t电炉车间每年可以降低运行成本822.73万元，吨钢成本降低6.65元。能耗方面，按当量值计算，每年可节约能耗1130.12×104 kWh， 相当于节约标准煤1 388.92 t， 吨钢节约标准煤1.123 kg。碳排放计算，每年可减少碳排放8 871.47 t， 吨钢碳排放减少7.172 kg， 效果显著。

在现炼钢车间的改造项目中，采用新能源车辆替代传统车辆在取得良好经济效益、降低能耗和碳排放的同时，还取得了较好的综合效益，新能源车辆运行灵活，实现了地面设备安全、人身安全；电炉跨铸造起重机重载时间下降50 %，安全系数增加；起重机维护工作量减少50 %，成本下降；车间起重机作业率降低40 %～50 %，数量可以减少1台，相互干扰减少；精炼电耗降低约9 kWh/t， 精炼时间缩短约2 min； 热周转的钢包数量减少1个，钢包寿命提高20 %，耐材消耗降低。

3 结论

1）冶金项目采用新能源车辆具有运行灵活的优势，实现了设备安全和人身安全。

2）采用新能源车辆替代传统车辆，炼钢车间铸造起重机重载时间下降约50 %，维护工作量减少约50 %，运行成本下降；同时起重机运行时，相互干扰减少，运行效率提高；钢包寿命可提高7 %～20 %，耐材消耗降低；LF精炼时间缩短0.5～2 min； 精炼电耗降低5～9 kWh/t， 节约了能耗。

3）采用新能源车辆具有较大的经济效益，可节约设备投资；无电缆烧损，运行费用低；通过错峰用电，降低用电成本30 %～40 %；生产成本可降低3.43～6.65元/t； 吨钢碳排放可降低3.7～7.2 kg， 实现良好的综合效益。

4）通过将传统车辆改造成新能源车辆也很方便，由于新能源车辆的显著优势，炼钢厂采用新能源车将会越来越多，它将为炼钢厂带来显著的经济效益的同时，也为碳中和、碳达标作出应有的贡献。

本文摘自《炼钢》2024年第6期