電弧爐煉鋼綠色及智能化技術分析研究

李海波

（中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司，河北 秦皇島 066004）

隨著電弧爐煉鋼技術發展，生產目標必須堅持綠色、節能、高效，電弧爐煉鋼行業的新型資源設備很多種。近幾年，在環保節能領域上，電弧爐煉鋼技術有一定的進展，在綠色及智能化方面取得了長足的發展，極大地推動了鋼鐵技術的高度發展，體現出我國能源發展的新趨勢。

1 電弧爐煉鋼綠色化技術分析

相較于傳統的轉爐煉鋼技術在進行煉鋼的時候具有較長的工作流程，電弧爐短流程煉鋼技術在節省能源、環保等各個方面來講具有強大的功能和不可忽視的優勢。隨著我國煉鋼技術的不斷更新換代，人類對于生態環境問題的重視程度日益提升，節能環保理念開始相繼問世，朝向綠色化生產方向發展是未來電弧爐煉鋼技術發展的必然趨勢。

1.1 廢鋼破碎分選技術

作為再生能源的一種，廢鋼至關重要，在循環利用鋼鐵領域優勢非常顯著。廢鋼資源對該行業的技術升級、節能減排等方面的貢獻非常大。隨著國內工業行業、汽車、設備等報廢的增多，廢舊金屬回收的成分也不斷增加，涵蓋有很多的元素，比如有色金屬、黑金屬、非金屬等。高質量破碎廢鋼和分選是確保電弧爐煉鋼原料的關鍵性要素，是電弧爐煉鋼進行綠色冶煉的核心環節。自20世紀60年代開始，美國和德國開始研究破碎分選廢鋼鐵技術，這兩個國家開啟的破碎鋼片(Shred)入爐技術的研究歷程，對于保持回收鋼品質、提高經濟效益等方面皆有卓越的貢獻。德國在20世紀80年代末所研制而成的廢鋼破碎機(Shredder)技術在國際上已經遙遙領先，技術程度遠遠超越了其他先進國家。

廢鋼破碎機的類型主要有兩種：其一是破碎機，其二是碎屑機。

碎屑機主要對鋼屑進行破碎，破碎機主要是在大型廢鋼破碎，破碎機的類型主要有幾種，比如軋輥式、錘擊式和刀刃式。通過相應的破碎操作以后，我們就可以通過多種分選系統對廢鋼鐵進行回收處理，回收處理的時候主要根據非金屬、黑金屬、有色金屬、金屬等操作。通過破碎分選以后，大大提升了廢鋼原料的純潔度，極大地彰顯了其環保價值，為電弧爐煉鋼奠定堅實的基礎。

1.2 廢鋼預熱技術

在電弧爐煉鋼廢鋼預熱技術領域，設計出了質量較為卓越的雙爐殼、豎式等等廢鋼預熱型電弧爐。雙爐殼電弧爐由于技術發展較為滯后，余熱效率低、設備維護技術系數難度大等問題，在市場上已經淘汰；豎式預熱電弧爐因為原料下落會對篦水冷結構造成沖擊，致使其壽命受到影響，因此需要投入大量人類財力展開維護，加上裝備的可靠性低下，因此該技術也在不斷淘汰中。

廢鋼預熱作為獨具特色的一門技術，憑借著對一次能源的利用，以及充分利用爐內高溫廢氣對廢鋼展開預熱處理，在此基礎上達到節約資源的目標。這種技術可以使高溫廢氣在預熱豎爐中停留的時間延長，極大地提升了熱傳輸效率，廢鋼沒有進行相應的預熱后，實現生產質量的提升。但是這種系統需要對設備進行更高的維護，所以導致裝備的穩定性造成影響，需要采用更加高超的科學技能提升裝備的可靠性。

Tenova 所研發的Consteel 電弧爐是國際上首次研制出來的在投入使用的過程中可以充分對金屬原料加以運用，實現預熱型廢鋼電弧爐。Consteel 電弧爐具有眾多的優勢，例如生產環境良好、加料的可控性高、電網沖擊小、煙氣余熱可以充分利用等功能。但是通常情況下要受制于二噁英的排放，這種技術應用于西方市場具有較多的限制因素，不僅如此還會有封閉漏風的情況，再者生產線流程較長。

2 電弧爐煉鋼智能化技術進展

隨著電弧爐煉鋼智能化技術的高度發展，電弧爐煉鋼在智能冶煉領域得到了較為顯著的發展，檢測技術不斷進行更新換代，控制模型的設計也不斷地走向完善，極大地提升了電弧爐煉鋼的自動化程度，長足發展了煉鋼工業。

2.1 智能配料

就智能配料來講，對電弧爐煉鋼生產成本的節省非常有利，實現產品生產質量的提升。迄今為止，先進的電弧爐煉鋼自動化配料系統逐漸在國內外先進電弧爐煉鋼企業系統所普及，這種配料技術主要是通過原料的化學配比、電弧爐設備參數、鋼種生產技能、原料使用量的約束等元素，設計出一套行之有效的科學配料數學模型，通過數字化的規劃模式對最優的成本予以計算而出，保障配料效果的智能化水平。原料編碼（BrandCode）是該系統使用的管理原料的標準，原料屬性一致于企業資源計劃，我們還可以單獨維護原料屬性和價值，實現原料管理的高效性、準確性，具有可控性。

2.2 電弧爐煉鋼終點控制技術

電弧爐煉鋼鋼液終點參數的科學、預報穩定及其控制是冶煉效率提升、生產成本降低的主要指標。傳統研究者研制和設計出來反應機理模型主要依托于電弧爐物料平衡和熱平衡建立，但是我們應該了解到，電弧爐煉鋼需要較高的溫度，反映歷程比較快速，在生產的歷程中諸多參數無法被準確地獲取，機理模型具有極其低下的標準性。在信息技術不斷提升的當下，通過遺傳算法、神經算法等多種智能算法的模型開始在該領域內使用，開始出現多種計算模型，但是在計算“黑箱計算模型”的時候，對數據的生成比較依賴，指導生產工藝的模式缺失，導致選擇樣本比較困難、計算程序繁瑣。

北京科技大學在研究的過程中憑借著檢測分析爐氣手段、鋼液溫度測量模式等措施，就電弧爐爐氣溫度、構成結構、流量等元素展開了連續性的跟蹤性監測，在這個基礎上構建起了基于物質衡算的脫碳指數-積分混合模型、分析爐氣成分指數、鋼液終點溫度智能神經網絡預報模型，這些數據和模型可以對于脫碳放熱、電弧爐脫磷等質量幾種因素是計算歷程實時性開展的關鍵，也就意味著通過此維度能夠對電弧爐內鋼液的成分、比例、溫度等要素予以測算；采用分段電弧爐能量的措施進行深入的輸入控制方法，協同開展供電、供氧、噴粉，以便于協同進行鋼水脫碳和升溫，從而實現90%（±0.020%）的終點碳含量命中率，終點88%（±10℃）溫度的命中率。在此過程中我們應該清醒的認識到，對轉爐煉鋼來講，電弧爐煉鋼冶煉具有更加惡劣的場地，在終點控制方面遠遠不能達到標準化的指標；針對機理模型的測量，迄今為止的諸多參數都不達標，“黑箱模型”建立在智能算法基礎之下，其對數據過度依賴，但是生產工藝上指導比較缺失，可以實現數據測技術可靠性的提升，因此該領域今后研發智能模型及兩者的相互結合將成為主要技術模式。

2.3 熔池溫度連續測量技術

所謂的電弧爐煉鋼指的是在相應的時間內控制適宜的溫度，控制溫度不僅僅需要控制熔池表面溫度，還應該具有控制熔池內部溫度。由于我們需要在高溫下開展電弧爐煉鋼，且具有惡劣的環境狀況，難以準確到位的進行連續性的測試。所以Simetal RCB Temp 測溫系統由SIEMENS VAI研制的過程中，即使在關閉電弧爐通電和爐門的時候，也可以不進行接觸的進行鋼液測溫。在鋼液溫度存在于出鋼溫度后，電弧爐可以準時展開斷電、出鋼處理。但是這種測溫技術的不足之處在于測溫系統的穩定性不足，使用壽命短暫。

USTB非接觸式鋼液測溫系統由北京科技大學自主研發，也是非接觸鋼液測溫設備的一種，此測溫主要通過鋼液溫度特征信號的獲取，然后加以處理后完成相應溫度預報、測量工作，具有非常高的鋼液溫度準確性。

3 結語

綜上所述，綠色化及智能化技術在電弧爐煉鋼行業具有非常重要的意義，科學的綠色生產技術及精準度高的智能化檢測與控制技術是今后電弧爐煉鋼技術主要的發展方向。在對現存的智能化關鍵技術、電弧爐煉鋼綠色化技術進行不斷改進的同時，我們還應該積極探索先進的全流程的電弧爐煉鋼，在實現高效工作的同時，還能實現更好的節能減排效果，對環境的保護力度進一步提升，這都是今后重要的發展方向。