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朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

日期:2019-11-28 10:45 来源: 冶炼

  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、能耗低等特点。近年来,随着废钢资源的逐步释放及节能环保的需要,电弧炉炼钢迅速发展。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,按照绿色可循环理念,注重以废钢为原料的短流程电炉炼钢的发展。

  纵观电弧炉炼钢技术的发展历程,围绕“高效、低耗、绿色化和智能化”的生产目标,电弧炉炼钢领域开发出一系列新技术、新工艺、新装备,电弧炉炼钢技术及装备水平不断提高。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和智能化水平,推动了钢铁工业技术的进步。

  本文从电弧炉炼钢绿色化和智能化关键冶炼技术出发,介绍并分析了近年来电弧炉炼钢绿色及智能化技术的发展情况及本团队的最新研究成果。

  与转炉长流程炼钢相比,电弧炉短流程炼钢在节能环保方面具有显著技术优势。尽管如此,随着人们对环境问题的日益关切以及国家节能环保政策的相继实施,未来电弧炉炼钢必然朝着绿色化生产方向发展。

  废钢是钢铁循环利用的优势再生资源。废钢的资源化利用在钢铁工业节能减排、转型升级方面扮演重要角色。随着汽车、机电、家电等报废数量的不断增加,社会回收的废旧金属成分更加混杂,包含黑色金属、有色金属、非金属等。废钢的高效破碎与分选是保证电弧炉炼钢原料质量的前提与关键,对电弧炉炼钢实现洁净化冶炼至关重要。

  废钢铁破碎分选研究始于20 世纪60 年代,最具代表性的是美国的纽维尔公司和德国的林德曼公司、亨息尔公司和贝克公司,他们率先推行破碎钢片(Shred)入炉,在改善回收钢品质、提高经济效益方面都具有显著效果。德国在80 年代末推出的废钢破碎机(Shredder)在某些方面已超过了美国。

  废钢破碎机主要有两种:碎屑机和破碎机。碎屑机用于破碎钢屑,破碎机用于破碎大型废钢;破碎机有锤击式、轧辊式和刀刃式几种。经破碎处理后的废钢铁可很容易地利用干式、湿式或半湿式分选系统将金属、非金属,有色金属、黑色金属分选回收处理,废钢表面的油漆和镀层均可清除或部分清除。经破碎分选后的废钢可大大提高原料的洁净度,为电弧炉炼钢提供了清洁可靠的原料保障。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  在电弧炉炼钢废钢预热方面,先后开发并应用了双炉壳(图2)、竖式(图3)和Consteel 等废钢预热型电弧炉。双炉壳电弧炉由于余热效率低、设备维护量大以及二噁英等污染物排放等问题,已经退出市场;竖式预热电弧炉由于落料冲击影响指篦水冷结构寿命、维护量大、装备可靠性低等弊端,正逐步退出市场。依据竖式电弧炉(SHARC)理念,希腊Hellenic Halyvourgia 钢厂(HLV)和SMS 团队研发了废钢预热的独特工艺,见图4。通过使用少量一次能源和高效利用炉内高温废气对废钢进行预热,从而节约更多的自然资源。该技术使高温废气在预热竖炉中的停留时间更长,热传输效率更高,能保证使用低密度废钢且没有额外预热时,生产也能高效经济进行。但该系统的设备维护量大,装备的可靠性有待提高。

  Tenova 开发的Consteel 电弧炉是世界上第一座已证明可灵活使用金属原料的废钢预热型电弧炉。Consteel 电弧炉具有生产环境良好、电网冲击小、加料可靠可控、烟气余热利用效率高等特点,但受二噁英排放的影响,在欧洲市场受到限制,同时还存在动密封漏风、生产线 为具有不同类型连续加料系统的Consteel 电弧炉。相较于图5(a),图5(b)所示Consteel 电弧炉可稳定控制烟气温度,最大限度预热废钢的同时有效抑制二噁英产生,但其运行成本较高。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  由于废钢中一般含有油脂、油漆涂料、切削废油等杂质,电弧炉炼钢过程会产生含一定量二噁英的烟气,从而造成环境污染。电弧炉炼钢二噁英的削减途径,主要体现在二噁英形成源、形成过程及尾气净化三方面。相关研究的重点主要集中在源头抑制和合成抑制方面。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  源头抑制方面:通过在线检测和人工拣选,对废钢进行严格分拣,最大限度地减少甚至杜绝含氯源物质废钢入炉。合成抑制方面:利用炉内温度控制、快速冷却、催化/抑制剂添加抑制电弧炉烟气二噁英再生成,如ECOARC 技术,见图6。日本Plantech 研发的ECOARC 电弧炉,节能且自动化水平高,能有效解决废钢预热所产生的二噁英问题(0.1ng-TEQ/Nm3),但设备维护困难(炉体体积较大、竖井无法分离,耐材在线更换)、投资高。因此,如何高效率、低成本实现电弧炉炼钢过程二噁英治理仍是目前研究的热点。

  电弧炉冶炼过程中产生大量的高温含尘烟气,冶炼过程中产生废气所带走的热量约为电炉输入总能量的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Acciaieria Arvedi S.P.A 公司最早应用普瑞特冶金技术公司设计余热回收系统,该系统是基于组合式除尘系统设置,热气体管路和强制通风冷却器可通过余热回收系统实现热交换,回收热量可用于发电。

  Tenova iRecovery 可将电弧炉烟气废热转换为蒸汽(见图7),该系统加压水(150℃/5bar 至270℃/55bar)在废气管道中流过,接近沸点的水通过蒸发吸收废气中的余热,通过此系统能回收电弧炉炼钢烟气中35~70%的热量。

  近年来,天津钢管、等企业多座电弧炉在第四孔除尘系统应用了余热回收技术,见图8。在炉料中铁水占50%的情况下,热管式余热锅炉每小时产蒸汽量为20~22t,蒸汽用于VD 炉真空泵及炼钢生产区域采暖、浴室等。余热蒸汽锅炉代替原柴油蒸汽锅炉后,每吨电弧炉初炼钢水减少柴油蒸汽锅炉耗油约11kg,折合能耗16.5kg/t;余热锅炉回收烟气的余热约18.7kWh/t,烟气余热的回收效率达38%。

  此外,电弧炉炼钢具有周期性特点,只有将回收的非连续的烟气余热贮存在热能贮存系统,才能提供稳定而连续的热能供应或生产蒸汽保证稳定发电,由此诞生了电弧炉余能贮存利用新方式利用熔融盐热贮存系统或混凝土热能贮存系统作为电弧炉余热贮存系统,贮存过剩热量,并在电弧炉放热量低时起补充作用。因此,开发新的潜热贮存介质,如相变材料等,将是电弧炉余热回收技术的一个新的发展方向。

  近年来,电弧炉炼钢在智能冶炼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。

  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,电弧炉炼钢自动化配料系统逐步被国内外先进电弧炉炼钢企业采用,根据电弧炉设备参数、钢种生产工艺、原料使用量的约束及原料的化学成分,建立优化配料的数学模型,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。该系统采用原料编码(BrandCode)作为原料管理细度标准,原料属性与企业资源计划(ERP)系统保持一致,原料价格与属性可单独维护,原料管理准确高效。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  TDR(Tenova Digital Regulation)调节系统是TENOVA 开发的数字式电极升降自动控制系统,其运行可靠性高、电弧稳定性好、操作简单。TDR 数字式调节系统具有非常短的过渡时间,能在几个周波内消除扰动;可按不同冶炼时期设定,能在响应时间长短、三相不平衡控制、电抗器投入或切除等方面达到最佳;内控制环始终快速工作,外控制环动态修正,保证系统稳定运行。

  VATRON 公司开发的SIMETAL Arcos 系统(见图10)是一种基于Windows 的先进的电极控制系统,包括ArcosNT 系统和DynArcos 系统两部分。ArcosNT 系统是电极升降调节的核心环节,支持不同的控制算法如阻抗、电弧电阻和电弧电压的调节;DynArcos 系统根据水冷炉壁的温度进行能量输入设定点的优化,计算出最理想的阻抗或电阻的设定值。

  Simetal Simelt 是一种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。主要控制结构是3 个独立阻抗控制器之上叠加一个影响三相电极的过流控制器和一个短路控制器。该控制系统对电炉断路器、在线抽头切换器提供了保护功能,并能有效避免电极折断和炉体局部热点。提供了对HMI、神经网络单元和其它自动化系统(如炉体PLC)的接口,保证了电弧行为的优化和动态响应,对电极和炉况进行灵活控制。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  面对电弧炉炼钢区域环境恶劣、危险、繁重人工作业及冶炼精准化工艺控制需求[22],一系列自动化测温取样新技术逐渐开发并推广应用。

  德国Siemens VAI 公司设计的Simetal LiquiRob 自动测温取样机器人(图12)具有6 个自由度的运动、自动更换取样器和测温探头、检测无效测温探头等功能,可以通过人机界面全自动控制。

  美国PTI 公司开发的PTI TempBoxTM 自动测温取样系统(图13)穿过炉壁进入熔池测温取样,且不受系统供电的限制。冶炼过程炉门保持闭合,增加了炉膛内泡沫渣的停留时间和厚度,改善了炉内传热效率,降低了冶炼过程的能量消耗。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  德国BSE 公司开发的MultiROB 机器人不仅可以实现测温取样探头的自动在线更换,同时可以通过一键式操作,能够及时准确测出电弧炉炉内钢液温度和氧活度含量等,再通过数据传输到计算机并经过程序进行计算出碳含量等,也可在测量钢液温度的同时,完成钢液自动取样,为操作人员对接下来的供氧供电等优化提供依据,优化冶炼工艺。该技术已在LF 等精炼炉工位推广应用,如图14 所示,显著提高了电弧炉炼钢流程炉前无人化操作水平。

  意大利Danieli 研发的Q-Robert melt 测温取样系统(图15)能够在炉门区域进行液位自动检测,采样深度可保持恒定,提高了操作的可靠性。系统操作自动化程度高,可自动取样并分析,并且设备维护率低。该系统可应用于电炉和LF 炉上,能有效缩短冶炼周期。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运行的可靠性、稳定性和智能操控水平等方面有待进一步优化。从后续发展趋势看,开发电弧炉、精炼、连铸等环节具有测温、取样、实时投/取料等功能的机器人,构建电弧炉炼钢全流程、集群化机器人自动化作业系统将是电弧炉智能化炼钢发展的重点之一。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  电弧炉炼钢要求必须在任何规定的时间准确掌握温度不仅是熔池表面温度,而且包括熔池内部温度。但鉴于电弧炉炼钢高温恶劣的环境,对钢液温度的连续性准确测量较为困难。SIEMENS VAI 研发的Simetal RCB Temp 测温系统(图16)和TENOVA 研发的i-TEMP 测温系统(图17)能够在电弧炉通电和炉门关闭状态下实现钢液的非接触连续测温。当钢液达到出钢温度时,电弧炉毫无延迟的断电、出钢。但该测温系统的可靠性和使用寿命须进一步验证和完善。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  北京科技大学研发的USTB 非接触式钢液测温系统(图18)在炉壁安装非接触钢液测温装置,利用多元测温气体喷吹获取钢液温度特征信号,建立的钢液温度信号处理模型可实现熔池温度测量及预报,钢液温度命中率为84.0%(10℃)。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  电弧炉炼钢过程的泡沫渣操作能够将钢液同空气隔离,覆盖电弧,减少辐射到炉壁、炉盖的热损失,高效地将电能转换为热能向熔池输送,提高加热效率,缩短冶炼周期。冶炼过程中造泡沫渣并保持是低消耗和高生产率电弧炉炼钢的关键。近年来,泡沫渣操作的相关监测控制技术得到研究和应用,效果良好。

  Siemens 开发的Simelt SonArc FSM 泡沫渣监控系统(图19)保证了泡沫渣工艺的全自动进行。安装在炉体上的声音传感器为精确地检测和分析泡沫渣高度奠定了基础。分区检测同电极有关的泡沫渣高度,能够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,还能够缩短通电时间和提高产能。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  美国PTI 公司开发的电弧炉炉门清扫和泡沫渣控制系统PTI SwingDoorTM(图20)减少了外界空气的进入,提高了炼钢过程的密封性。炉门上安装有集成氧枪系统,可代替炉门清扫机械手或炉门氧枪自动清扫炉门区域。该系统通过控制炉门的关闭代替炉体倾斜装置控制流渣,也可以控制炉内泡沫渣水平和存在时间,从而保证冶炼过程中炉膛内渣层的厚度,减少能源消耗,提高电弧传热效率。

  现代电弧炉炉气分析系统能够准确地测量炉气的温度、流量以及炉气中CO、CO2、H2、O2、H2O 和CH4等成分,利用采集的信息和自身的控制模型对冶炼过程分析、判断并控制。就目前技术现状和发展趋势而言,国内外已有多家基于炉气分析的控制系统的应用实例。

  SIEMENS 开发的Simetal Lomas 炉气连续分析系统对气体采样探头进行了特殊设计,安装有水冷装置和自动清洁装置(图21)。该系统配备两个气体采样探头:两探头能够自动循环切换,保证了冶炼过程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TENOVA 公司开发的EFSOP 炉气分析系统(图22)包括耐高温的废气采样系统、带有专用仿真和控制软件及数据采样的控制计算机。基于实时检测的炉气成分和温度,该系统能够确定化学能源在炉内的利用率、碳氧间的不平衡程度、排气系统有无爆炸危险和通风系统是否过分抽气等状况,同时可以实现氧气和燃气的动态输入控制,以便保证气体的充分燃烧。该系统利用红外气体高温计、压力探测器、流量传感器分别测量电弧炉排除烟气的温度、管道中气体的静态压力和烟气流速,并且能够根据烟气的流速计算采样点的碳势平衡,实现了电弧炉排出烟气实时测量及其能源优化利用的电弧炉智能动态控制。

  德国Georgsmarienhtte 钢厂开发的GASCON 烟气分析系统,如图23 所示,包括耐高温的废气采样系统、FactoryTalk VantagePoint EMI 软件系统及各种制造数据连接控制计算机,实现了冶炼过程炉气实时测量及电弧炉炼钢智能动态控制。利用炉气分析和数据技术对电炉炼钢过程能进行更深入的观察与优化,吨钢电能消耗从2006 年的475.7 kWh 下降到2011 年的417.9 kWh。

  电弧炉炼钢钢液终点参数的精确预报和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物料平衡和热平衡建立反应机理模型,但电弧炉炼钢过程是高温、多相、快速的反应过程,许多参数在生产中很难获取,机理模型的准确性难以保证。随着计算机技术的发展,出现了基于神经网络、遗传算法等智能算法的“黑箱”模型,但“黑箱模型”过分依赖数据,缺乏生产工艺指导,样本选择困难、算法复杂、容易陷入局部极小点。

  北京科技大学依靠炉气分析检测和钢液温度测量手段,对电弧炉炉气成分、温度和流量进行连续监测,建立了基于炉气成分分析和物质衡算的脱碳指数-积分混合模型和钢液终点温度智能神经网络预报模型,实时计算电弧炉脱磷速度、脱碳放热速度、热损失速度,进而计算预测电弧炉内钢液的成分与温度;利用电弧炉能量分段输入控制方法,将供氧、供电、底吹、喷粉等单元进行协同控制,使钢水脱碳和升温协调进行,实现终点碳含量命中率90%(0.020%),终点温度命中率88%(10℃)。需指出的是,与转炉炼钢相比,电弧炉炼钢冶炼环境更加恶劣,在终点控制方面还存在一定差距;针对机理模型许多参数无法准确测量,基于智能算法“黑箱模型”过分依赖数据,缺乏生产工艺指导缺点,更有效的监测技术和高可靠性智能模型的研发及两者的有机结合将成为研究关键。

  SIEMENS 等公司基于经济目标的控制系统MPC(Model Predictive Control)将影响成本的因素分为两类,分别为原料入炉量对成本的影响和未实现控制目标(冶炼变量)对成本的影响。将电弧炉冶炼变量分为两类:操作变量和控制变量。操作变量包括第四孔除尘风扇功率、第四孔滑套移动距离、氧气输入速度、废钢(或DRI)加入速度、碳粉加入速度;控制变量包括炉压、CO 排放量、废气温度、钢液重量、钢液温度、钢液中碳含量、泡沫渣高度。各种控制变量不是实时检测的,采用MPC 系统预测,毎炉冶炼过程中不定期测量各控制变量,修正系统预测变量,实现冶炼过程成本优化控制。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  本团队研发的电弧炉冶炼成本优化系统(图24)通过对电弧炉冶炼工艺历史数据的记录,建立数据库;根据成本、能耗最低或冶炼时间最短原则,选择与当前冶炼炉次炉料结构、冶炼环境等相近的最优历史数据,然后根据最优炉次的冶炼工艺进行冶炼,以达到最优的冶炼效果[30,31]。目前,该系统已在国内外多座电弧炉上得到应用。近年来,本团队采用时空多尺度结构理论对电弧炉炼钢过程进行研究,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与电弧炉炼钢流程专家指导模型(见图25),构建了一套包括电弧炉、精炼与连铸,实现成本监控、过程优化指导于一体的在线电弧炉炼钢流程质量成本管理平台。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  随着监测手段和计算机技术的发展,电弧炉炼钢智能化控制不再仅仅局限于某一环节的监测与控制,应从整体过程出发,将冶炼过程采集的信息与过程基本机理结合进行分析、决策及控制,追求电弧炉炼钢过程的整体最优化。

  SIEMENS VAI 开发了电弧炉Simental EAF Heatopt 整体控制方案(图26),通过烟气检测分析系统(Simetal EAF Lomas&SAM)、温度监控系统(Simetal RCB Temp)、泡沫渣检测系统(Simetal FSD)的实时反馈,在线控制电弧炉炼钢过程的能源输入(Simetal CSM),实现对电弧炉炼钢过程整体智能控制,极大地改善了能源利用率、生产效率和生产过程的安全性。

朱荣:电弧炉炼钢绿色及智能化技巧进步

  达涅利Q-MELT 系统集成过程控制监视器和管理器,可自动识别电弧炉炼钢过程预期行为的偏差,并使其自动返回到预定的冶炼过程。其主要控制目标是功率输入变化、钢水化学成分以及炉渣和钢水冶炼。Q-MELT 集成炉渣检测(Q-SLAG)、连续温度检测(Q-TEMP)和废气分析(LINDARC)等各项分析技术于一体,并采用碳平衡法实现相关输入和输出数据的监视管理与分析。

  Tenova 开发的iEAF 智能控制系统(图27)是在实时、连续测试工艺和在线模拟工艺的基础上,为实现电弧炉动态控制和最优化而建立的一套自动化系统。它可以减少冶炼操作变数,增强电弧炉运行的稳定性从而提高生产效率、改善生产管理、节能降耗和减少CO2 排放。它依靠各种传感器反馈的工艺信息(如废气分析、电谐波、电流和电压)和可控参数(氧气和燃料流量、氧气喷吹、碳粉喷吹和电极管理)实现对电弧炉的全面控制。

  可以预见,绿色化及智能化技术在电弧炉炼钢领域的重要性将日益突出,更先进的绿色生产技术以及更可靠全面的流程智能化检测与控制将成为今后电弧炉炼钢技术的发展趋势。在完善现有电弧炉炼钢绿色化和智能化关键技术基础上,进一步构建电弧炉炼钢全流程集操作、工艺、质量、成本、环保为对象的大数据分析优化平台,实现全流程优化执行与数据反馈监控,实现生产效率、产品质量和节能环保水平的不断提升,将是未来电弧炉炼钢的重点发展方向。

  加快电弧炉炼钢技术创新,特别是绿色及智能化技术的完善与突破,将对我国钢铁工业朝绿色制造和智能制造方向转型升级起到重要推动作用。

冶炼

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