一、研究的背景與問題

隨著國內環(huán)保需求和國內廢鋼量的不斷增加，同時受國家“十四五”規(guī)劃電爐發(fā)展政策和雙碳政策的影響，電弧爐煉鋼將迎來新的歷史性發(fā)展機遇。短流程電弧爐煉鋼過程的能源消耗和碳排放均只有高爐-轉爐長流程的1/3，是鋼鐵工業(yè)實現可持續(xù)、綠色化發(fā)展的重要路徑。

目前短流程電弧爐存在生產效率偏低、能量消耗高、生產成本高、電網沖擊大、質量不穩(wěn)定、電極消耗高、二噁英污染等重大關鍵問題。針對長期困擾短流程煉鋼的這些問題，中冶賽迪進行了逐項技術攻關，并取得了一系列重大技術突破，并實現了首臺套裝備的落地實施。

二、解決問題的思路與技術方案

圍繞著如何解決國內外全廢鋼電弧爐生產效率偏低、能量消耗高、生產成本高、質量不穩(wěn)定、二噁英污染等企業(yè)痛點問題，中冶賽迪以高效化、綠色化、智能化作為電弧爐煉鋼冶金建設的發(fā)展方向，以節(jié)能環(huán)保為抓手，不斷尋求提供綠色制造和提升冶煉技術水平的整體解決方案。

中冶賽迪自主研發(fā)的第3代廢鋼預熱型電弧爐-綠色智能超級電弧爐（CISDI-SuperARC）是繼第2代廢鋼預熱型電弧爐-階梯連續(xù)加料型電弧爐（CISDI-AutoARC）后，應用了新型IGBT柔性直流供電技術、電極無級雙控智能調節(jié)技術、廢鋼連續(xù)預熱技術、廢鋼階梯連續(xù)加料技術、風冷觸針底電極技術、二噁英治理和余熱回收技術、智能煉鋼技術等先進技術，可快速響應電弧爐內的冶煉供能需求和應對短路過流沖擊工況，可縮短冶煉周期至30min以內，電耗可低至250-300kwh/t，電極消耗0.6-0.8kg/t，是新一代綠色、節(jié)能、環(huán)保、高效型電爐，在提高生產效率、降低電耗和電極消耗、提升金屬收得率等方面相比常規(guī)電爐有極大的優(yōu)勢。

中冶賽迪綠色智能超級電弧爐

三、主要創(chuàng)新性成果

1、全球首創(chuàng)的新型柔性（IGBT）直流供電技術

中冶賽迪自主研發(fā)了新型柔性（IGBT）直流供電技術，為全球首創(chuàng)，屬于賽迪自主創(chuàng)新的又一項新型低碳煉鋼新技術。該技術在高強度高效率電能輸入、增強鋼液攪拌均勻性、電極損耗小、對電網沖擊小等方面與傳統(tǒng)技術相比具有明顯優(yōu)勢，在生產實踐中還體現出了金屬收得率高的優(yōu)勢，在生產工藝技術、裝備技術和綠色環(huán)保等方面都做出了重大突破，解決了傳統(tǒng)晶閘管電源抗沖擊能力差、損耗高、故障率高等問題，使熔煉期功率因素提高到0.95以上，并可實現電流和電壓的雙控無級智能調節(jié)；可以有效快速的控制輸出電流的大小和抑制電流的波動，使電弧燃燒更加平穩(wěn)，避免了斷弧和短路，同時直流電磁力攪拌鋼液，使熱量能迅速的傳導到鋼液中，大幅提高了電能轉換效率，有效降低電能消耗，冶煉過程中電源輸出響應速度0.1ms，網側功率因數＞0.95，電壓、電流波動＜3%，電源裝置整體損耗可控制在3%以內，解決了現有交流電弧爐系統(tǒng)對電網沖擊大、輸出電壓電流調節(jié)能力低、抗沖擊能力弱、母線電容能量無法回收、電源裝置過壓過流保護能力弱的問題。此種新技術將會為未來電弧爐低碳冶煉技術的發(fā)展提供新的路徑，具有國際領先水平。

2、全球首創(chuàng)的階梯進料技術

自主研發(fā)的階梯進料技術，形成了階梯擾動預熱涵道，可實現廢鋼在預熱段翻滾，改善傳統(tǒng)連續(xù)加料只能表面預熱的不足，使廢鋼預熱更加均勻，廢鋼平均預熱溫度可提高70～100℃，有助于降低電耗15-20℃。

煙罩結構特殊導向設計，可進一步增強煙氣與廢鋼之間換熱。通過閉環(huán)控制混風量，使煙氣中的CO充分燃燒，進一步提高廢鋼預熱效率。

此技術在廢鋼配料環(huán)節(jié)還可實現更高的配料和輸送效率，可以利用自卸卡車直接傾倒合格廢鋼進入地下階梯分料槽，可實現大堆廢鋼的快速平鋪分料并連續(xù)上料，這樣就可實現50%的直接配料作業(yè)，可大幅降低電磁起重機配料和卸料工作量，從而提高配料間生產效率，為大型化電弧爐仍然維持較短的冶煉周期創(chuàng)造有利條件。

3、化學能強化+煙氣分流預熱技術

連續(xù)加料，煙氣隨涵道延伸溫度下降，外部化學能使延伸涵道的煙氣保持高溫，延長了預熱涵道，降低分流涵道高度+煙氣調節(jié)閥控制，實現分流涵道煙氣低流速，保證燒嘴火焰直接沖擊低溫廢鋼，提高換熱效率，廢鋼保持較長的換熱時間，并有效抑制了二噁英的生成，實現低成本可靠治理二噁英。

4、分布式激振器技術

充分調研和總結了水平加料型電弧爐現有激振器存在的問題，為匹配超級電弧爐高效生產的需求，自主研發(fā)了分布式激振器技術，采用了模塊化設計，更便于設備的維護與更換備件，同時可使軸承壽命提高30-40%，使激振器的裝備可靠性得到本質提升，同時大幅提升廢鋼輸送速度，為電弧爐超短周期冶煉提供硬支撐。可使電弧爐生產效率提升到一個新的高度。

（1）全新分布式激振器，采用水平軸而非豎直軸，改善軸承受力條件，避免軸承受軸向力，同等條件下軸承壽命提高30%~40%

（2）采用模塊化設計，將對系統(tǒng)不利但不可避免的橫向力轉變?yōu)槟K內力，振動系統(tǒng)僅受用于輸送廢鋼的激振力，激振器與輸送槽的連接更加簡潔、可靠

（3）采用功率分流式技術，關鍵部件載荷僅為傳統(tǒng)技術的50%，齒輪、軸承理論壽命可提高3~10倍，裝備的可靠性本質提升

多年來，中冶賽迪潛心研究電弧爐技術，2015年，綠色潔凈電弧爐煉鋼技術獲得國家科技部的重點支撐項目支持。在研究開發(fā)過程中產生了大量知識產權，目前專利申請192件，授權117件，專利布局已基本完成，關鍵專利已獲美國、日本和歐盟授權，軟件著作權7項。2018年，“綠色潔凈電弧爐煉鋼關鍵技術及裝備” 獲得中冶集團科技進步一等獎；2019年，“綠色高效電弧爐煉鋼技術與裝備的開發(fā)應用”獲得國家科技進步二等獎，同年第3代超級電弧爐獲得五礦科技專項支持。

相關專利                國家科技進步二等獎

四、應用情況與效果

1、全球首臺采用IGBT柔性直流電源技術的電弧爐在攀長特投用

2021年12月，中冶賽迪對攀鋼集團長城特殊鋼有限公司現有二作業(yè)區(qū)煉鋼車間內的一臺40t交流電弧爐升級改造為新型柔性IGBT直流電弧爐成功熱試車并投入應用。這也是全球首臺采用IGBT柔性直流電源技術的電弧爐，為推動鋼鐵工業(yè)短流程冶煉并實現綠色高效低成本生產樹立了標桿。此次改造采用了中冶賽迪自主研發(fā)的新型柔性（IGBT）直流電源、針式底陽極等新技術，在工藝及裝備和綠色環(huán)保等方面都做出了重大突破，使熔煉期功率因素提高到0.95以上，并實現了電流和電壓的無級雙控智能調節(jié)，驗證了新型柔性IGBT直流電源裝置的穩(wěn)定可靠。

新型柔性IGBT直流電弧爐攀鋼集團長城特鋼成功熱試車并投入應用

2、第2代廢鋼預熱型電弧爐-階梯連續(xù)加料型電弧爐（CISDI-AutoARC）在都鋼投產，性能指標達到國際先進水平

由中冶賽迪設備成套供貨的全國產化階梯連續(xù)加料型綠色高效電弧爐于2022年6月底在四川冶控集團都鋼鋼鐵集團股份有限公司建成投產，2022年9月通過功能考核，各項指標均達到合同約定值，實現了“冶煉周期平均35分鐘，噸鋼坯電耗335kwh/t坯，電極消耗小于1Kg/t坯”的指標，助力四川冶控集團實現綠色化、高效化生產。該套裝備采用了廢鋼預熱、水平階梯連續(xù)加料、平熔池冶煉、超低排放等新技術、新工藝，是新一代短流程綠色高效電弧爐。中冶賽迪針對國內外全廢鋼電弧爐煉鋼能量消耗高、質量不穩(wěn)定、二噁英污染等重大關鍵問題，進行了系統(tǒng)、全面的自主集成創(chuàng)新，在工藝及裝備、產品質量和綠色環(huán)保等方面都做出了重大創(chuàng)造性突破，使得各項指標均達到國際先進水平。

階梯連續(xù)加料綠色電弧爐在四川都鋼鋼鐵集團投用

3、第3代廢鋼預熱型電弧爐-綠色智能超級電弧爐（CISDI-SuperARC）在仙福鋼鐵開工建設，各項性能指標將達到國際領先水平

2022年4月，中冶賽迪與云南玉溪仙福鋼鐵（集團）有限公司在其產能置換技術升級改造項目中成功合作，簽署了采用中冶賽迪第3代廢鋼預熱型電弧爐-綠色智能超級電弧爐（CISDI-SuperARC）成套裝備技術的設計和供貨合同。該臺電弧爐將采用了全套的超級電弧爐技術，搭載了中冶賽迪自主研發(fā)設計的新型IGBT柔性直流電源裝置，同時采用了具有自主知識產權的風冷觸針底陽極等電爐本體技術、階梯分料廢鋼預熱、二噁英治理和余熱回收、智能化煉鋼等裝備及控制技術，可快速響應電弧爐內的冶煉供能需求和應對短路過流沖擊工況。目前該示范項目正在進行設計安裝，預期平均冶煉周期<30min，冶煉電耗<300kwh/t鋼水，電極消耗<0.9kg/t鋼水。

雙方將以“互利共贏，共同發(fā)展”為契機，以“高效、低耗、綠色、智能”為目標，全方位合作，聯手打造中國品牌綠色高效電弧爐裝備技術，共同建設新型低碳電弧爐煉鋼新技術工業(yè)化示范基地。

中冶賽迪綠色智能超級電弧爐短流程鋼廠智能控制中心