一、研究的背景与问题

发展新型绿色低碳、高效智能化电弧炉炼钢短流程技术，对于推动我国钢铁工业低碳转型具有重要意义。本项目立项之初，国外全废钢电弧炉电耗先进指标为350~400 kW·h/t，而我国总体在400~550 kW·h/t之间，差距明显。尽管我国已具备制造大型电弧炉设备的能力，但在废钢高效预热、绿色快速冶炼电弧炉设备和工艺技术方面仍依赖进口。同时国外已开发出高效节能智能电弧炉冶炼技术，而我国传统电弧炉炼钢仍面临能源效率低电耗高、冶炼周期长效率低、二噁英排放量超标、洁净度低冶金质量差、数字化与智能化不足等难题，导致我国电弧炉炼钢节能减碳、高质量冶炼能力弱，成本高，与长流程相比缺乏市场竞争力。《钢铁工业调整升级规划（2016-2020年）》等政策文件，明确指出“注重以废钢为原料的短流程电炉炼钢的发展机遇”和“在全行业推进智能制造新模式行动”，重点发展“高效绿色电炉冶炼技术”、“电炉二噁英防治技术”和“关键工艺装备智能控制专家系统”等。在国家高度重视和持续战略布局下，全面提升电弧炉炼钢短流程关键技术与装备水平势在必行。

在此背景下，项目组自2017年至今在“十三五”国家重点研发计划项目课题（2017YFB0304205）和合作企业的支持下，经过八年的“产学研用”，利用“基础研究-关键共性技术-应用示范-行业推广”的创新模式，取得了系列具有自主知识产权的创新性成果，推动了我国电弧炉炼钢短流程低成本、绿色低碳、高效智能化发展，加速钢铁行业向绿色、智能、高质量可持续发展转型。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目以基础理论研究为基石，以关键共性技术突破为导向，以解决传统电弧炉炼钢短流程能源效率低电耗高、冶炼周期长效率低、二噁英排放量超标、洁净度低冶金质量差、数字化与智能化不足等关键问题，实现绿色智能电弧炉炼钢短流程关键技术的开发与应用为目标，开展了系统深入的研发工作，总体研发思路与技术方案如下：

1、在基础理论方面，采用实验与模拟相结合的方法，揭示了全废钢连续预热-连续加料-连续熔化-余热回收利用的电弧炉炼钢系统内多工艺协同下多相多物理场耦合的宏观传输机理，破解了电弧炉废钢高效预热、快速熔化的限制性环节，提出了废钢熔化速率与电弧炉冶炼关键工艺参数、熔池混匀时间与复合吹炼工艺参数等定量化关系，同时以大数据和人工智能算法为手段，研究了基于机理和数据驱动相结合的电弧炉成分、温度预报与控制的多种策略，开发了电弧炉-精炼-连铸-直轧全流程冶金智能化控制模型，从而构建了电弧炉炼钢短流程绿色智能制造理论基础。

2、在关键共性技术方面，基于电弧炉炼钢短流程绿色智能制造理论，结合工艺参数优化匹配，突破了电弧炉炼钢系统内多工艺协同下物质流和能量流之间的优化匹配、二噁英超低排放、高效预热、快速冶炼等关键共性技术，并通过贯通全流程工序间信息流和制定各工序界面柔性衔接与协同策略，结合工业大数据与人工智能算法，开发了具有独立自主知识产权的低成本绿色智能电弧炉-精炼-连铸-直轧全流程成套关键技术与智能化控制系统，实现了全流程的智能化控制。

3、在应用推广方面，充分发挥徐州金虹钢铁集团有限公司和长春电炉成套设备有限责任公司分别在电弧炉炼钢短流程工艺技术和设备制造的优势，基于全废钢连续加料电弧炉的废钢绿色高效预热、快速冶炼等关键技术整合集成，结合全流程智能化控制系统，进行全流程设备-工艺-控制的优化升级，建成了世界首条低成本绿色智能电弧炉炼钢-直接轧制短流程示范线。在16家电弧炉炼钢和设备企业推广应用后，降本增效效果十分显著。

本项目通过构建“全废钢连续加料电弧炉-精炼-连铸-直轧”短流程智能制造的理论体系，形成了系列具有自主知识产权的关键共性技术，并结合全流程关键技术集成、示范线建设和应用推广（图1），从而成功解决了传统电弧炉炼钢短流程弊病，实现低成本、绿色低碳、高效智能化生产，推动我国钢铁工业绿色高质量可持续发展。本项目的研发工作是全面贯彻落实国家“双碳”战略的具体实践。

图1 项目总体研究思路

三、主要创新性成果

1、基于水平连续加料废钢高效预热与二噁英“三段法”超低排放技术的开发与集成，实现了废钢预热的绿色高效。

针对废钢预热过程中烟气与废钢间物质流动及能量传输机理不明晰、原料结构复杂、烟气余热预热废钢效率低、加料速度慢和二噁英排放量超标等难题，本项目基于连续加料-余热回收多相多物理场耦合的宏观物理场分布特征、以及高效预热的关键限制性因素等基础理论，研发了基于炉料、预热通道结构优化的水平连续加料电弧炉废钢高效预热关键技术，成功解决了废钢预热温度低和预热通道炉料粘结阻碍加料等难题，大幅提高废钢预热温度和加料速度，进一步提升电弧炉生产节奏。在二噁英排放方面，开发了“源头控制-中端处理-末端吸附”的电弧炉烟气二噁英“三段法”超低排放技术，即废钢预处理、烟气温度控制以及喷吹活性炭协同控制技术，实现了二噁英的超低排放，这一突破性成果显著提升了环保水平，为钢铁行业二噁英的超低排放控制提供了重要示范，如图2所示。

图2 水平连续加料过程中废钢绿色高效预热关键技术开发与应用

2、丰富和完善了电弧炉快速冶炼工艺理论，开发了全废钢低成本绿色低碳电弧炉快速冶炼关键技术。

针对电弧炉炉内“气-渣-金”多场耦合多相反应机理、各相间动量和能量传输机制以及宏观物理场演变规律等机理不明晰、冶炼周期长效率低、能量效率低电耗高、浅平熔池钢液流动性差等难题，本项目构建了多物理场耦合的电弧与熔池间的传热、多工艺协同的熔池搅拌、基于传质的多相流多物理场耦合废钢熔化、以及多工艺协同下多物理场全耦合的废钢熔化等模型，解析了废钢聚团、沉积等运动行为及熔化机制，探究了多工艺协同下多相多物理场演变规律，阐明了电弧传热、熔池流动和废钢熔化等特性对电弧炉冶炼效率的影响机理，提出了废钢熔化速率与电炉冶炼关键工艺参数、熔池混匀时间和复合吹炼工艺参数等定量关系，破解了电弧炉废钢快速冶炼的限制性环节，丰富和完善了电弧炉快速冶炼工艺理论；并结合电弧功率、复合吹炼参数、废钢预热温度、钢液温度、留钢量、废钢尺寸、废钢孔隙度和废钢加料速度等工艺参数优化匹配，开发了全废钢低成本绿色低碳电弧炉高效冶炼成套关键技术；各项指标显著提升，实现了电弧炉低成本、绿色低碳、节能高效冶炼，如图3所示。

图3 全废钢低成本绿色低碳电弧炉高效冶炼关键技术开发与应用

3、开发了全废钢连续加料电弧炉-精炼-连铸-直轧全流程智能制造技术，建成了世界首条低成本绿色智能电弧炉炼钢-直接轧制短流程示范线。

针对电弧炉炼钢短流程数字化与智能化水平较低、工序间信息流不畅、精准控制能力不足以及产品质量波动等问题，本项目开发了系列基于冶金机理和数据驱动相融合的全流程冶金智能化控制模型，建立了“全废钢连续加料电弧炉-精炼-连铸-直轧”短流程智能制造理论体系；通过贯通全流程信息流以及制定静态与动态调度模型相融合的各工序界面柔性衔接与协同策略，构建了全流程冶金智能化控制系统，实现生产基本数据的共享与生产流程的监控，有效提升各单元协同优化控制能力，从而形成了全废钢连续加料电弧炉-精炼-连铸-直轧全流程智能控制技术，如图4所示；并结合关键装备的升级改造，建成了世界首条总体指标达国际领先水平、且具有自主知识产权的低成本绿色智能电弧炉炼钢-直接轧制短流程示范线，实现了废钢连续高效预热、电弧炉的快速冶炼、余热高效利用、能源最佳分配以及电弧炉炼钢短流程智能优化控制和高效直接轧制。

图4 全废钢连续加料电弧炉-精炼-连铸-直轧全流程智能化控制系统开发与应用

四、应用情况与效果

本项目成果在徐州金虹等16家企业推广应用。近五年，项目组炼钢企业降低生产成本总金额达31.14亿元，吨钢成本降低超过200元，并打破了国外对大型电弧炉设备的垄断。本项目成果经济和社会效益十分显著，被《世界金属导报》评为世界钢铁工业十大技术要闻。中国金属学会组织以干勇院士为主任委员的评价委员会一致认为项目成果达到国际领先水平。具体应用情况和效果如下：

1、水平连续加料过程中废钢绿色高效预热关键技术

基于水平连续加料过程中废钢高效预热机理与关键技术的研发成果，徐州金虹钢铁集团有限公司和长春电炉成套设备有限责任公司等企业对连续加料预热通道等结构进行了优化改造，废钢预热温度可达400℃，趋近于水平预热温度的理论极限，废钢加料速度提高到6~7 m/min，最高可达10 m/min以上，实现了烟气余热的高效回收利用，并结合“源头控制-中端处理-末端吸附”的三段法处理工艺，实现了二噁英超低排放。经江苏省金属学会现场考察和江苏泰斯特专业检测有限公司现场多次检测，二噁英排放量降低至0.0017 ng-TEQ/Nm3，远低于中国《炼钢工业大气污染物排放标准》的排放限值0.5 ng-TEQ/Nm3和《生活垃圾焚烧污染控制标准》与欧盟规定的排放限值0.1 ng-TEQ/Nm3，约为标准限值的1/59。

2、全废钢低成本绿色低碳电弧炉快速冶炼关键技术

基于全废钢低成本绿色低碳电弧炉高效冶炼关键技术的研究，东北大学牵头，联合长春电炉成套设备有限责任公司对徐州金虹钢铁集团有限公司、唐山市玉田金州实业有限公司等传统电弧炉进行全面优化改造，实现了全废钢连续加料电弧炉绿色低碳、高效节能冶炼，电弧炉电耗和冶炼周期最低可达322 kW·h/t、27.9min，石灰和电极消耗量最低可达25 kg/t、0.63 kg/t，吨钢成本降幅可达317元/吨，电弧炉总体指标大幅提升，达到国际领先水平；通过对电弧炉改造升级，全面提升了我国水平连续加料电弧炉设备制造水平，累计销售电弧炉16套，最大电弧炉容量为130 t，打破了国外对大型电弧炉设备的垄断，经济和社会效益十分显著。

3、全废钢连续加料电弧炉-精炼-连铸-直轧全流程智能化控制技术

通过全废钢低成本绿色低碳电弧炉高效冶炼关键技术、全流程智能化调控等关键技术集成和智能化控制系统开发，在徐州金虹钢铁集团有限公司建成了世界首条低成本绿色智能电弧炉炼钢-直接轧制短流程示范线，如图5所示。示范线和智能化控制系统目前已稳定运行5年以上，被国内钢铁行业权威专业媒体《世界金属导报》组织行业知名专家组评为世界钢铁工业十大技术要闻，见图6。

图5 低成本绿色智能电弧炉炼钢-直接轧制短流程示范线

与传统电弧炉炼钢短流程相比，碳排放与能耗降低20%以上，效率提高50%以上，运行成本降低30%以上，直轧率提高至99%以上，彻底消除了占轧制总能耗80%左右的铸坯加热工艺，大幅度降低碳排放、污染排放和能耗，助推了我国钢铁工业智能绿色可持续发展。

图6 全流程智能化信息系统运行情况和世界钢铁工业十大技术要闻

信息来源：东北大学