一、研究的背景与问题
“九五”至“十五”期间，石钢依托高炉-转炉流程，通过普转优和优转特的“边缘-精进”战略，成功走出200万吨规模的优特钢转型之路，产品在优特钢型棒材细分市场得到普遍认可。但受限于地处省会二环内城市中心地带，自“十一五”始，石钢饱受环境负荷重、退城搬迁的巨大压力，特别是“十三五”期间国家倡导超低排放和双碳政策，石钢转型发展迫在眉睫。
针对高端特钢的多品种、小批量特点，石钢经过充分调研论证后采用竖井式电弧炉替代转炉，并结合立式连铸机的冶金优势打造高端特钢生产线。石钢超低排放搬迁与产品升级，是完全由全废钢电炉短流程替代高-转长流程，国内无可借鉴经验。
石钢退城搬迁是全面贯彻落实总书记关于“坚决去、主动调、加快转”指示精神和河北省钢铁产业转型升级的具体实践，石钢新区流程结构由全废钢电炉流程替代高-转流程，经历了技术转型、人才维稳、市场接纳的十年磨砺，实现企业转型新范式，引领行业技术进步。
二、解决问题的思路与技术方案
针对石钢老区高炉-转炉长流程碳排放高、流程匹配不紧密、产品结构竞争力弱、智能化程度低等问题，广泛调研论证国内外钢企搬迁与新设、短流程设备配置、产品升级的新思维新路径，按照冶金流程工程学理论设计石钢新区产线，通过极致紧凑布局、高端产品定位及智能化与绿色化的深度融合，将核心流程由“焦化/烧结（球团）→高炉→转炉→精炼→连铸→轧制→精整”整体转型为“废钢→电炉→精炼→连铸→轧制→精整”，从源头大幅减少污染和碳排放，并提升流程智能化水平。
从绿色高效、高端制造、智能协同三个维度，开展全废钢竖井式电弧炉高效绿色冶炼集成工艺技术与装备、基于全废钢电炉钢水高洁净冶炼与高均质凝固技术、多品种小批量高端特钢制备流程多层级智能协同技术与机器人集群应用等工艺攻关，形成一系列具有自主知识产权的关键核心技术，建立高端特钢全废钢电炉短流程工程示范。
三、主要创新性成果
1、全废钢竖井式电弧炉高效绿色冶炼集成工艺技术与装备
1.1首创Sharc电弧炉一体成型高效冷却的长寿命废钢预热手指装置及高效预热技术。研究了Sharc电弧炉手指温度与应力分布规律，首创了一体成型工艺的高强度、高效冷却废钢预热支撑装置，换热面积激增64%，外壁温度骤降至初始值的46%以下，彻底解决钢材超温服役问题；优化最底层水路通流面积，底层进水通流面积增加2.15倍，冷却水用量降低了8.24m3/t钢，实现了冷却效率的最优化。优化后，废钢预热比由70%提至98%以上，手指服役寿命由985炉提至6021炉。
图1 手指改进前后结构对比
1.2 Sharc电弧炉强供氧节电高效冶炼技术。为实现电炉节电降本与高效生产，通过水模拟、数值模拟等方法研究流场特征，建立了不同冶炼模式的供氧模型，冶炼周期降至50min以内，电耗降低到280kWh/t钢，炉龄达到1906炉，电极消耗0.78kg/t钢，二氧化碳排放≤197.9kg/t钢。
图2 熔池水模拟试验 图3 电炉炉壁氧枪模拟
1.3 电炉短流程超低排放综合技术。废钢原料杂质多（含塑料、油脂等）、成分复杂，导致二噁英前驱体生成风险高。研究“燃烧+急冷+碳吸附+高效除尘”精准治理技术，形成了850℃烟气温度自动调节、偏心气流+气水同向高效急冷的专有技术，采用碳吸附+高效除尘对二噁英深度吸附和截留，实现二噁英排放浓度达到0.028ng-TEQ/m3。
针对钢铁生产用水量大的问题，将城市中水和钢铁废水作为生产水源，再生水利用率100%，吨钢耗新水量近零。首创了钢铁高盐废水分质结晶技术，固液双相提纯实现结晶盐产品化。降低能耗30%，总盐回收率≥95%，提取的外售副产品Na2SO4、NaCl纯度≥99%，实现高盐废水由“近零”排放到真正的“零”排放。
图4 废水资源化高效处理
2、基于全废钢的电炉钢水高洁净冶炼与高均质凝固技术
2.1基于全废钢冶炼的高端特钢残余元素控制技术。针对废钢来源复杂，尺寸、密度、成分、清洁度差异巨大而影响钢材性能的问题，建立“2+12X”废钢配料模型，实现钢中残余元素As≤0.0060%、Sn≤0.0050%、Cu≤0.06%，解决了全废钢电炉冶炼因残余元素控制不稳定导致的齿轮钢末端淬透性波动大等行业难题。
图5 残余元素含量
2.2 三车五位RH炉高真空大循环流量洁净度高效控制技术。针对不同钢类面临各自工艺问题，通过三车五位RH横移式氧枪化冷钢，化冷钢更换真空室时间从135min缩短至15min，避免吸气和冷钢对钢水洁净度的影响；开发了RH提升气体控制模型、大循环流量（周期≤90s）洁净钢真空技术，钢液循环速率提高10~20%，脱气效率提高20%，实现稳定控制钢液[N]≤50ppm，[O]≤6ppm，[H]≤1ppm。
图6 RH炉流场模拟 图7 RH新工艺脱氢效果
2.3大断面矩形立式连铸洁净度综合控制技术。为缓解大断面立式连铸机的中心偏析和疏松，利用数值模拟和水模拟对中间包、结晶器、连铸及凝固过程进行研究，揭示了夹杂物上浮的去除规律；自研调制波电磁搅拌技术，改善钢液在无规律电磁波作用下的流动状态，抑制夹杂物偏聚；首创“射源+涡流”双液位检测与旋流水口控制系统，实现液面±2mm高精度控制。
图8 弧型和立式机夹杂物运动规律对比 图9 普通电搅与调制波电搅流场模拟对比
2.4 世界最大460×610mm截面立式连铸高均质凝固动态控制技术。建立立式连铸压下全过程多参数热/力学耦合计算模型，进行连铸全过程裂纹风险实时分析，开发凝固末端40mm动态压下工艺，铸坯中心等轴晶达234.3mm，比优化前提升≥40%，典型钢种碳偏析指数≤1.04，优于美国铁姆肯公司指标（≤1.06）。
图10 铸流三个位置的坯壳沿宽向鼓肚变形分布与凝固末端压下模拟
图11 立式连铸坯中心等轴晶区改善效果和低倍改善效果
2.5 单道次130mm变形渗透轧制框型偏析控制技术。针对矩形坯框型偏析长宽比大的特性问题，借助道次压下量数值模拟，研发了“道次大压下量（单道次130mm）+温度控制”与框形偏析控制技术，精准控制道次温度±10℃以内，实现系列钢种框型偏析长宽比从1.5~1.6降到1.05以下，提高了棒材各向同性。
图12 轧制道次压下量模拟
图13 棒材框型偏析及淬火组织改善情况
3、多品种小批量高端特钢制备流程多层级智能协同技术与机器人集群应用。
3.1全废钢电炉-炉外精炼核心工序装备智能冶炼技术。针对废钢原料来源复杂、特钢品种多、人工操作差异大等问题，研发了废钢智能验质、分拣与装料可视化技术，支撑开发核心冶炼装备智能冶炼模型。基于“2+12X”废钢配料模型，解析“物料—能源”关系，生成预热一次料、预热二次料结构下的供电模型，匹配自动喷碳、供氧、渣料加入等模型，完成熔化期和氧化期自执行，实现全废钢电炉智能冶炼比例达98.2%。
图14 电炉智能冶炼系统构成
3.2非稳态连续浇铸数字孪生技术。构建大断面矩坯连续浇铸数字孪生系统，在线计算连铸坯三维温度场与应力分布、诊断铸机设备状态、铸坯质量判定，实现工艺设计和铸坯质量缺陷回溯分析，完成连铸压下过程应力应变分布特征、压力-压下量关系准确预测。模拟53个代表钢种的凝固曲线，反馈判定/预警/质量回溯大数据分析，形成轻压下模型35个，提高连铸质量控制能力。
图15 连铸数字孪生系统
3.3特钢棒材高效柔性智能精整作业的机器人系统与集群化。特钢棒材精整因作业环境复杂、工序多切换频、规格跨度大，仍以人工作业为主，存在质量一致性差、效率低、劳动强度大、安全风险高等问题。研发非结构化环境全息感知、多工序智能适配、重载机器人构型优化与控制技术，研制系列具身智能工业机器人，实现目标识别定位精度＜0.5mm、重复精度＜0.05mm，工艺功能契合度 100%，单线机器人配置率 100%。
图16 智能感知技术开发
发明了基于数字孪生的特钢棒材精整机器人与作业产线以及多机器人间的自适应动态重构和集群协同技术，率先实现精整作业智能化水平和作业效能跃升，产线稳定运行率99.98%，模型准确率≥99%
图17 基于数字孪生的精整机器人集群协同作业模式构建
在3条精整产线率先部署11种智能机器人，构建“机器人作业+数字孪生+全流程智能协同”的精整作业新范式，并在36条精整产线全面推广，建成了国际首个特钢棒材柔性高效精整示范基地，精整产品一次合格率98.84%。
图18 机器人集群棒材精整线布局
3.4创新研发“五位一体”动态排程技术。针对生产计划需同时协调混浇判定、组炉组浇、轧制节奏及精整等多工序、多约束条件，传统规则驱动和静态排程方式难以实现全局最优的问题，构建了基于“大模型+求解器+多智能体协同”的“废钢加工-炼钢-连铸-轧钢-精整五位一体”动态排程系统，实现效率提升75%，三准交付率提升至98.9%。
图19 基于大模型的动态排程混合整形约束模型
3.5实时数据驱动的特钢全流程过程质量智能管控技术。为提升全流程质量监控能力，研发了“炼钢-轧制-精整”多源多模数据集成与特征对齐技术，开发全流程过程质量智能管控系统，实现全流程质量实时监测、异常自动封锁和质量追溯与预测；依托MES与质量大数据平台，构建AI特钢质量知识库，指导准确率≥95%。
图20 质量在线监控与诊断追溯
3.6全流程定额成本管控技术。为支撑精益成本管控，以客户为起点，工艺路线、合金BOM为主线，开发32个成本收集模型，形成了定额成本管控技术，突出“点”归集，注重“线”延伸，强化“面”融合，明确“体”管控，实现了效能、质量等隐性成本的显性化。
图21 成本定额化的系统构成
四、应用情况与效果
石钢解决了竖井式电弧炉废钢粘手指的世界难题，2020年绿色低碳短流程产线投产运行，实现废钢预热温度≥850℃，寿命提至6021炉，电炉冶炼电耗280kWh/t，电炉炉龄1906炉。应用项目实现钢铁行业高盐废水由近零排放到真正零排放。
图22 区域产业集群效应
构建了高端特殊钢规模化生产与研发平台，建成了国内首个由高-转长流程成功转型绿色低碳全废钢电炉短流程高端特钢生产基地，形成了246项专有创新技术，实现了304个新品特钢规模化生产，新技术拓展高创效产品比例65.5%，较转型前提升36.9%。
项目应用多层级智能化产线模型技术，建成了特钢短流程智能制造示范工厂，实现了短流程动态高效有序运行。首批“智能制造示范工厂”、首批“数字领航”企业、首批“全流程超低排放” 企业“绿色工厂”等荣誉，中央广播电视总台、人民日报等多家媒体对本项目进行了多方面报道。
项目技术的研发和应用，支撑石钢公司创建了双碳背景下钢铁行业由长流程向短流程绿色、智能、高端转型的典范，同时为短流程钢铁生产积累良好的借鉴经验。该技术在钢铁行业领域推广，对行业技术进步，具有重大的经济效益和社会效益。
信息来源：河钢集团石钢公司
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