1 简介

电弧炉炼钢是世界主要炼钢方法之一，以废钢为主要原料，具有流程短、能耗低的特点。近年来，随着废钢资源的逐渐释放和节能环保的需要，电弧炉炼钢得到了迅速发展。我国“十三五”《钢铁工业调整升级规划（2016-2020年）》指出：加快发展循环经济，遵循绿色、可循环理念，重点发展以废钢为原料的短流程电炉炼钢。

纵观电弧炉炼钢技术的发展历史，围绕“高效、低耗、绿色、智能”的生产目标，电弧炉炼钢领域开发了一系列新技术、新工艺、新装备，技术装备水平不断提高。近年来，电弧炉炼钢在原有高效节能冶炼技术的基础上，在绿色清洁生产、智能检测与控制等方面取得了长足进步，大大提高了电弧炉炼钢过程的绿色化、信息化、智能化水平，推动了钢铁工业技术的进步。

本文从电弧炉炼钢绿色智能化关键冶金技术出发，介绍和分析了近年来电弧炉炼钢绿色智能化技术的发展和本团队的最新研究成果。

2 绿色电弧炉炼钢技术进展

相对于转炉长流程炼钢，电弧炉短流程炼钢在节能环保方面具有显著的技术优势，但随着人们对环境问题的日益关注以及国家节能环保政策的落实，未来电弧炉炼钢将越来越受到人们的青睐，势必向绿色生产方向发展。

2.1废钢破碎分选技术

废钢是钢铁回收利用的优势再生资源，废钢资源化利用对钢铁行业节能减排、转型升级具有重要作用，随着报废汽车、机电设备、家电等的不断增加，社会回收的废金属比例不断增加，废钢种类繁多，包括黑色金属、有色金属、非金属等。废钢高效破碎分选是保证电弧炉炼钢原料质量的前提和关键，对实现电弧炉炼钢清洁冶炼至关重要。

废钢破碎分选的研究始于20世纪60年代废钢破碎机视频，最具代表性的公司有天元旧货公司、亨舍尔公司和贝克公司，它们率先推广将破碎后的钢片（碎钢）进炉使用，对提高再生钢质量、增加经济效益有显著效果。德国于20世纪80年代末推出的废钢破碎机（碎钢）在某些方面已超过美国。

废钢破碎机主要有碎屑破碎机和粉碎机两种类型，碎屑破碎机用于破碎钢屑，粉碎机用于破碎大块废钢。破碎机类型有锤式、滚筒式、刀片式。废钢可以通过干式、湿式或半湿式分选系统轻松回收，将金属、非金属、有色金属和黑色金属分离开来。废钢表面的油漆和涂层可以去除或部分去除。分选后的废钢可以大大提高原料的洁净度，为电弧炉炼钢提供清洁可靠的原料保障。

图1 废钢破碎分选系统图

2.2废钢预热技术

在电弧炉预热废钢方面，双壳式（图2）、立式（图3）等废钢预热电弧炉已得到开发和应用，由于数量大、排放二恶英等污染物等问题，已退出市场；立式预热电弧炉由于落料冲击影响炉排水冷结构寿命、维护量大、设备可靠性低等缺点，正逐步退出市场。希腊钢厂（HLV）和SMS团队基于SHARC理念，开发了独特的废钢预热工艺，如图4所示。通过利用少量的一次能源，高效利用炉内高温废气对废钢进行预热，该技术可使高温废气在预热竖炉内停留更长时间，从而获得更高的传热效率，确保在使用低密度废钢时，无需额外预热，即可高效经济地进行生产。 但该系统需要大量的设备维护，设备的可靠性有待提高。

图2 立式电弧炉

图3 双壳电弧炉

图4 SHARC炉结构

所研制的电弧炉是世界上第一台被证明可灵活使用金属原料的废钢预热电弧炉。该电弧炉具有生产环境好、电网冲击小、装料可靠可控、烟气余热利用效率高的特点。由于二恶英排放的影响，在欧洲市场受到限制。同时也存在动密封泄漏、生产线过长等不利因素。图5示出了具有不同类型连续供料系统的电弧炉。与图5（a）相比，图5（b）所示的电弧炉可以稳定地控制烟气温度，最大限度预热废钢并有效抑制二恶英的产生，但其运行成本相对较高。

图5 电弧炉（a上图，b下图）

2.3 二恶英控制技术

由于废钢中普遍含有油脂、油漆、废切削油等杂质，电弧炉炼钢过程会产生含有一定量二恶英的烟气，从而造成环境污染。体现在二恶英形成来源、形成过程和尾气净化三个方面。相关研究的重点主要在源头抑制和合成抑制方面。

图6 示意图

源头抑制：通过在线检测、人工分选等方式对废钢进行严格分选，尽量减少甚至杜绝含有氯源物质的废钢进入炉内。合成抑制：采用炉温控制、快速冷却、添加催化剂/抑制剂等技术抑制电弧炉烟气中二恶英的再生，见图6。日本研制的电弧炉节能、自动化水平高，能有效解决废钢预热产生的二恶英问题（≤0.1ng-TEQ/Nm3），但设备维护困难（炉体较大、炉身不能分离、需在线更换耐火材料），投资较高。因此，如何高效、低成本地实现电弧炉炼钢过程中的二恶英控制，仍是研究热点。

2.4 余热回收技术

电弧炉冶炼过程中会产生大量的高温含尘烟气，冶炼过程中废气带走的热量约占电炉总能量输入的11%，有的甚至高达20%，因此，电弧炉炼钢余热回收将产生巨大的经济效益。意大利SPA公司首先应用天元二手材料设计了一套余热回收系统，该系统以组合式除尘系统为基础，热气管道与强制通风冷却器通过余热回收系统实现热交换，回收热量，余热可用于发电。

电弧炉烟气的废热可转化为蒸汽（见图7）。在这个系统中，加压水（150℃/5bar至270℃/55bar）流过排气管。接近沸点的水通过蒸发吸收排气中的废热。该系统可回收电弧炉炼钢烟气中35~70%的热量。

图7 余热回收系统图

图8 电弧炉余热回收系统

近年来，天津钢管、莱芜特钢等企业的许多电弧炉在四孔除尘系统中应用了余热回收技术，如图8所示，当铁水占炉料50%时废钢破碎机视频，热管余热锅炉每小时产蒸汽量为20～22t，蒸汽供VD炉真空泵及炼钢区、浴室等加热使用。余热蒸汽锅炉替代原柴油蒸汽锅炉后，电弧炉每炼钢1t水减少柴油蒸汽锅炉油耗约11kg，相当于能耗为16.5kg/t；余热锅炉回收烟气余热约18.7kW·h/t，烟气余热回收效率达38%。

另外，电弧炉炼钢具有周期性特点，只有将不连续的烟气余热储存在储热系统中，才能提供稳定、连续的热量供应或产生蒸汽，保证稳定发电。新的储存利用方法——采用熔盐储热系统或混凝土储热系统作为电弧炉余热储热系统，储存多余的热量，在电弧炉放热量较低时发挥补充作用。因此，开发新型潜热储热介质，如变质材料等，将是电弧炉余热回收技术新的发展方向。

3.电弧炉炼钢智能化技术进展

近年来，电弧炉炼钢在智能冶金领域取得了长足的进步，开发了一系列先进的检测技术和控制模型，大大提高了电弧炉炼钢过程的自动化水平，促进了炼钢工业的发展。

3.1 智能配料

配料是决定电弧炉炼钢生产成本和产品质量的关键环节。如图9所示，电弧炉炼钢自动配料系统已逐步被国内外先进的电弧炉炼钢企业采用。基于工艺、原料使用量、原料化学成分等约束，建立优化配料数学模型，采用数学规划方法计算成本最优的标准炉料结构，实现智能化配料。系统以原料编码（）作为原料管理精细化标准，原料属性与企业资源计划（ERP）系统一致，原料价格与属性可分开维护，原料管理精准高效。

3.2 智能电极调节

TDR（）调节系统是本公司研制开发的数字式电极升降自动控制系统，运行可靠性高，电弧稳定性好，操作简单，TDR数字调节系统过渡时间极短，几个周期内就能消除扰动；可根据不同的冶炼周期进行设定，并能实现最佳响应时间、三相不平衡控制、电抗器投入或切除等；内控制环始终快速工作，外控制环动态校正，保证系统稳定运行。

该公司研发的Arcos系统（见图10）是基于Arcos的先进电极控制系统，包括Arcos系统和Arcos系统两部分。Arcos系统是电极升降调节的核心环节，支持阻抗、电弧电阻、电弧电压等不同的控制算法。系统根据水冷炉壁温度优化能量输入设定点，计算出最理想的阻抗或电阻设定值。

它是用于三相交流电弧炉或钢包精炼炉的数字电极控制系统，见图11，主控制结构为3个独立的阻抗控制器叠加影响三相电极的过流控制器和短路控制器。控制系统为炉内断路器和在线分接开关提供保护，能有效避免电极断裂和炉内局部热点，提供HMI、神经网络单元和其他自动化系统（如炉内PLC）的接口，确保电弧行为的优化和动态响应以及电极和炉况的灵活控制。

3.3 多功能炉门机器人

鉴于电弧炉炼钢区域恶劣危险的环境、繁重的体力劳动和精确的过程控制的需要[22]，一系列新的自动化测温、采样技术逐渐得到开发和推广。

天元二手材料设计的自动测温采样机器人（图12）具有6自由度运动、自动更换采样器和测温探头、检测无效测温探头等功能，可通过人机界面实现全自动控制。

美国PTI公司研制的PTI自动测温取样系统（图13）通过炉壁深入熔池进行测温取样，不受系统电源限制，冶炼过程中炉门保持关闭状态，增加了泡沫渣在炉内的停留时间和厚度，提高了炉内传热效率，降低了冶炼过程的能耗。

德国BSE公司研制的机器人不仅能实现测温取样探头的自动在线更换，还能通过一键操作，及时准确地测量电弧炉内钢水温度和氧活度含量，然后将数据传输到计算机，通过程序计算出碳含量，还能在测量钢水温度的同时自动对钢水进行取样，为操作人员后续优化供氧、供电、优化冶炼工艺提供依据。精炼炉站的推广应用，如图14所示，明显提高了电弧炉炼钢工序的无人化操作水平。

意大利研制的Q-melt测温取样系统（图15）可自动检测炉门区域液位，取样深度可保持恒定，提高了操作的可靠性。系统自动化程度高，可自动取样分析，设备维护率低。系统可应用于电炉、LF炉，可有效缩短冶炼周期。从实际应用效果看，电弧炉炼钢炉门机器人在高温恶劣环境下的可靠性、稳定性、智能化、控制水平等方面还有待进一步优化。从后续发展趋势看，需在电弧炉、精炼、连铸等工序研制具有测温、取样、实时进料/取料等功能的机器人，构建全流程、集群化的电弧炉炼钢系统。机器人自动化操作系统将是电弧炉智能炼钢发展的重点领域之一。

3.4熔池温度连续测量技术

电弧炉炼钢要求随时精确控温——不仅要控制熔池表面温度，还要控制熔池内部温度。但电弧炉炼钢温度高、环境恶劣，连续精确测量钢水温度相对困难。奥钢联研制的RCB Temp测温系统（图16）和i-TEMP测温系统（图17）可实现电弧炉通电、炉门关闭状态下对钢水进行非接触连续测温，当钢水达到出钢温度时，立即断电，出钢。但测温系统的可靠性和使用寿命还有待进一步验证和完善。

北京科技大学研制的USTB非接触式钢水测温系统（图18）在炉壁安装非接触式钢水测温装置，采用多元件测温气体喷射，获取钢水温度特征信号，经处理模型可实现熔池温度的测量与预报，钢水温度命中率为84.0%（±10℃）。

3.5泡沫渣检测与控制技术

电弧炉炼钢过程中的泡沫渣操作，可以隔绝钢水与空气，覆盖电弧，减少辐射到炉壁和炉盖的热损失，高效地将电能转化为热能并输送到熔池，提高加热效率，缩短冶炼时间。电弧炉炼钢低耗高产的关键是在冶炼过程中产生和维持泡沫渣。近年来，对泡沫渣操作的相关监测和控制技术进行了研究和应用，并取得了良好的效果。

研制的FSM泡沫渣监测系统（图19）确保泡沫渣工艺的全自动运行，安装在炉体上的声音传感器为泡沫渣高度的精确检测和分析奠定了基础，通过检测不同区域与电极相关的泡沫渣高度，可以为自动喷碳操作提供指导，从而最大限度降低消耗指标。除了降低电耗和碳耗，降低生产成本外，还可以缩短开机时间，提高产能。

美国PTI公司研制的电弧炉门清理及泡沫渣控制系统PTI(图20)减少了外界空气的进入，提高了炼钢过程的密封性。在炉门上安装一体化氧枪系统，代替炉门，由清理机械手或炉门氧枪自动清理炉门区域。该系统通过控制炉门的关闭来代替炉体倾动装置，从而控制炉渣流量。还可以控制炉内泡沫渣的液位和存在时间，从而保证冶炼过程中炉内渣层厚度，降低能耗，提高电弧传热效率。

3.6 炉气在线分析技术

现代电弧炉炉气分析系统可以精确测量炉气的温度、流量以及炉气中CO、CO2、H2、O2、H2O、CH4等组分，并利用所采集的信息及其自身的控制模型对冶炼过程进行分析判断。从目前的技术现状和发展趋势来看，国内外已有许多基于炉气分析的控制系统的应用实例。

该公司研制的Lomas炉气连续分析系统对气体取样探头进行了特殊设计，配有水冷装置和自动清洗装置（图21），系统配有两个气体取样探头：两个探头可周期性自动切换，保证冶炼过程中炉气分析系统的稳定运行和炉气成分的连续测量分析。

意大利公司研制的EFSOP炉气分析系统（图22）包括耐高温尾气取样系统、带有专用模拟控制软件的控制计算机以及数据采样等，该​​系统通过对炉气成分和温度的实时检测，可以确定化学炉内能量的利用率、碳氧不平衡情况、排气系统是否存在爆炸隐患以及通风系统是否过度排气等，同时可以实现氧气和燃料气的动态输入控制，保证气体充分燃烧。该系统采用红外气体高温计、压力检测器和流量传感器等测量电弧炉尾气的温度、管道内气体的静压以及烟气的流量，并可根据烟气的流量计算出取样点的碳势平衡，通过对电弧炉尾气的实时测量和其能量的最佳利用，实现了电弧炉的智能动态控制。

天元二手材料公司研制的烟气分析系统如图23所示，包括耐高温废气取样系统、EMI软件系统以及各类制造数据连接控制计算机，实现了冶炼过程中炉气的实时测量和电弧炉炼钢的智能动态控制。利用炉气分析和数据技术可以对电炉炼钢过程进行更深入的观察和优化，吨钢用电量由2006年的475.7千瓦时下降到2011年的417.9千瓦时。

图22 EFSOP系统流程图

图23 天元二手物资系统图

3.7电弧炉炼钢终点控制技术

电弧炉钢液终点参数的准确预报与控制是降低生产成本、加快冶炼节奏的关键。早期学者通过电弧炉的物质衡算、热量衡算建立反应机理模型，但电弧炉炼钢过程是一个高温、多相、快速反应过程，生产中很多参数难以获取，机理模型的准确性难以保证。随着计算机技术的发展，基于神经网络、遗传算法等智能算法的“黑箱”模型应运而生，但“黑箱”模型过度依赖数据，缺乏对生产过程的指导，样本选取困难，算法复杂，容易陷入局部极小值。

北京科技大学通过气体分析和钢水测温等手段连续监测电弧炉气体成分、温度和流量，建立脱碳指标-积分混合模型和钢液终点温度智能神经网络预测模型，实时计算电弧炉脱磷速度、脱碳放热速度、热损失速度，进而计算和预报电弧炉钢水成分和温度；采用电弧炉能量分段投入控制方式，对供氧、电源、底吹、喷粉等单元进行协调控制，协调钢水脱碳与加热，实现了90%（±0.020%）终点碳含量命中率和88%（±10℃）终点温度命中率。需要指出的是，与转炉炼钢相比，电弧炉炼钢环境更加恶劣，终点控制还存在一定差距； 机理模型中的很多参数无法精确测量，而基于智能算法的“黑箱模型”存在过度依赖数据，缺乏对生产过程指导的缺点，开发更有效的监控技术和高可靠性的智能模型并将二者有机结合将成为研究的关键。

3.8冶炼过程成本优化与控制

基于企业经济目标的MPC（模型）控制系统把影响成本的因素分为两类：原料投入对成本的影响和达不到控制目标（冶炼变量）对成本的影响。变量又分为操作变量和控制变量两大类。操作变量包括四孔除尘风机功率、四孔套筒移动距离、氧气输入速度、废钢（或DRI）加入速度、碳粉加入速度等；控制变量包括炉压、CO排放量、烟气温度、钢水重量、钢水温度、钢水含碳量、泡沫渣高度等。各种控制变量并不是实时检测的，而是由MPC系统进行预测，并在每炉冶炼过程中不定期测量，各控制变量对系统预测变量进行修正，实现冶炼过程的成本优化控制。

图24 电弧炉炼钢成本优化控制系统软件

本团队开发的电弧炉冶炼成本优化系统（图24）通过记录电弧炉冶炼过程的历史数据，建立数据库；以成本、能耗或冶炼时间最短为原则，优选当前冶炼炉料结构，冶炼系统可用于获取最佳炉温、最佳冶炼工艺、最佳冶炼效果等相似条件下的最佳历史数据[30,31]。目前该系统已应用于国内外多座电弧炉。近年来，本团队利用时空多尺度结构理论对电弧炉炼钢过程进行了研究。 在充分吸收国内外钢铁企业现有过程控制模型的基础上，结合电弧炉成本控制模型和电弧炉炼钢工序专家指导模型（见图25），构建了包括电弧炉、精炼、连铸等在内的电弧炉炼钢工序在线质量成本管理平台，实现成本监控和工艺优化指导。

3.9电弧炉炼钢过程全面智能控制

随着监视方法和计算机技术的开发，电弧熔炉制造的智能控制不再限于对某个链接的监视和控制。

VAI通过烟气检测和分析系统（EAF Lomas＆Sam），温度监测系统（RCB温度）和泡沫炉灶检测系统（FSD）的实时反馈开发了一个整体控制解决方案。 ，生产效率和生产过程的安全性。

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4 结论与展望

可以预见的是，绿色和智能技术在电弧熔炉制造领域的重要性将变得越来越突出，并且更可靠，更全面的过程智能检测和控制趋势将成为电动熔炉钢的开发趋势，以改善现有的电动技术。炉钢制造，整合操作，过程，质量，成本和环境保护，以实现完整的流程优化执行和数据反馈监控，以持续提高生产效率，产品质量，节能和环境保护，将是电动弧炉在未来制造钢的关键开发方向。

加速电动弧炉钢制技术的创新，尤其是绿色和智能技术的改进和突破，将在促进我所在国家的钢铁行业转换和升级绿色制造业和智能制造方面发挥重要作用。

结尾