朱荣：国内电炉炼钢节能减排技术的最新进展
“现今，绿色节能减排已成为钢铁工业发展最重要的科技创新任务之一。相较长流程炼钢工艺，以电炉炼钢为核心的短流程炼钢工艺在吨钢资源消耗、工程投资、占地面积，氮氧化物、硫氧化物等污染物及二氧化碳排放方面均大幅降低，电炉炼钢已成为主要低碳炼钢路径。”12月9日，在钢铁行业能效标杆三年行动方案现场启动会上，中国金属学会电冶金分会主任、北京科技大学二氧化碳科学研究中心主任朱荣这样说道。
会上，朱荣介绍了目前国内电炉炼钢节能减排技术的最新进展，并分享了电炉炼钢能效评价方法。
电炉炼钢节能减排技术进展
“与国外相比，我国目前在电炉炼钢技术及装备整体研发上还有很大差距。这与目前国内研究人员、资金投入、设计能力、装备制造等有一定关系，此外国内电炉废钢用量、环保政策等也对此有一定影响。”朱荣介绍，我国目前对电炉炼钢的相关单元技术都有所涉及，包括原料结构优化、快速洁净冶炼(大型化)、余能高效利用、流程智能管控。
具体来看，在原料结构优化方面，全废钢冶炼高级别钢种受到废钢质量(残余元素)的限制，目前解决方法主要靠废钢分选处理、加入直接还原铁等。在快速洁净冶炼(大型化)方面，主要包括能源结构及合理利用、能效评价、高品质钢冶炼技术。朱荣介绍，国内电炉目前主要吨位集中在100吨左右，最大的是230吨。他认为电炉大型化可以降低消耗，同时满足高端板材生产的需要。在余能高效利用方面，主要是烟气热量利用，目前多采用竖式、水平方式。他介绍竖式效果相对较好，但手指系统问题还没有完全解决，二噁英问题目前主要依靠废钢炉外清理。在流程智能管控方面，目前电炉的智能化冶炼与转炉有较大的差距。他解释道，这是因为电炉炼钢终点判定命中较低，尤其受废钢原料变化影响。此外，在线检测、控制模型等也是须攻克的难点。
同时，朱荣介绍了国内外新型电炉炼钢目前的指标情况。一是量子电炉。“量子电炉在长江以南一些民营企业得到了应用，目前大概有10余台量子电炉存在，但投产的还没有这么多。”他介绍，从使用的情况来看，指标比较理想。二是常规电炉。他说道，比较典型的是德国巴顿的常规电炉，由于在废钢处理上做的不错，该电炉在电耗、冶炼周期等方面的指标均表现优异，且其余热可用来发电。三是水平加料电炉。“水平加料电炉是国内应用最多的一种电炉，目前已经实现了国产化。”他介绍，这种电炉具有原料宽容性高、设备复杂程度不高等优点。四是SHARC电炉(双竖井废钢预热直流电弧炉)。“这个电炉目前在石钢应用了两台，目前看使用效果也不错。”他说道。
电炉炼钢能效评价方法
“电炉冶炼过程的主要能量来源是电能和化学能。”朱荣指出，要降低电炉冶炼过程的能耗，则需要提高电炉的电能能效和化学能能效。
从电能能效影响因素分析来看。“电能能效指标范围界定包括电线路效率（从系统电源至电极末端线路电能输送效率）、电弧的热效率（从电极末端至钢液、钢渣电能输送效率）、电能热效率（电能对钢液、钢渣实际提供电能的热效率）。”朱荣介绍，电能供给到电炉中，要经过设备、操作、冶炼3个层次。通过分析这3个层次的能效状况，可以得知当前电炉的电能利用状况，查找供电方面存在的问题。
从化学能能效影响因素分析来看。朱荣介绍，化学能供给到电炉中，同样也经历设备、操作与冶炼3个层次，分别反映了从设备到操作，再到冶炼效果的情况。通过对化学能能效进行分析可以得知当前电炉的化学能利用状况，查找与分析化学能供给上存在的问题。
“对此，我们针对性地开发了电炉炼钢能效碳排评价系统。该系统具有能效评价、碳排核算、电氧匹配分阶段优化等功能。”朱荣介绍，该系统可针对电炉运行过程中的几大关键单元操作进行综合评价，并提出改进优化方案，具有3大特点。一是从关键单元操作角度出发，对电炉进行综合能效评价，反映电炉的真实设备与操作水平。二是针对不同冶炼阶段的电氧匹配状况进行分析优化，有效提升能效水平。三是针对多元炉料结构可进行不同配料方案的能效和碳排放对比分析，为工艺调整提供参考。
同时，朱荣介绍了该系统的运行原理。
一是基础数据调研和统计。通过对目标电炉进行设备等系统调研工作，全面了解电炉供能手段和冶炼潜力。
二是供电系统测评。在电炉变压器一侧架设高精度测量仪器，对电炉冶炼过程的用电情况进行在线实时监测与记录，并进行大数据海量分析。将电炉的供电设备参数结合供电监测分析结果，对该电炉供电运行系统进行仿真建模，绘制功率圆图，以此对电炉的供电设备运行情况、用电能效状况进行评估。
三是分阶段能效评价。根据实际生产的海量数据(供电、供氧、喷粉、加料等)，结合冶炼任务进行冶炼时段划分。利用该系统对各阶段电能和化学能效率进行计算评价，分析冶炼操作与能效之间的关系，并分析各阶段电氧匹配与供需关系情况，查找冶炼过程中影响能效提升的薄弱环节。
四是电—氧匹配优化。将供电和供氧集成考虑、配合使用，有效提高生产效率和能量利用率。针对不同炉料结构，该系统通过能量需求确定化学能与电能各阶段供给任务，再根据能效状况指导该阶段操作，达到最佳匹配效果。
五是操作规划与效果评估。该系统可将匹配优化后的操作绘制成新操作曲线。通过建立电炉冶炼碳含量和钢液温度预测模型，对新规划的操作曲线的效果进行初步预测。通过工业化实验验证曲线效果，再根据实际情况进行调整，最终获得切实有效的电氧操作曲线，提高冶炼能效。
“目前，该系统已经在国内几个钢厂正式运行。”朱荣说道。
作者 | 记者 赵萍
来源 | 中国冶金报
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