近年来，我国电弧炉炼钢虽已开发多种降低电耗、氧耗的方法，但在电弧炉流程能量输入转换、节能技术集成优化、电炉输入能量利用率提高、烟气余热在线回收利用等方面还有很多关键技术有待突破。
莱钢电炉工艺流程配置为：1座UHP(EBT)电炉→1座LF炉→1座VD炉→1台合金钢连铸机，在进行系统能量优化利用研究前，其电炉流程各工位、环节的能量有效利用率较低，烟气余热未能回收利用，电炉工序能耗较高。莱钢与有关单位合作，在电弧炉主体设备不变的条件下，根据能量系统工程理论，进行了电弧炉流程能量优化利用技术研究，大幅度提高了电炉流程能量利用率，电炉流程工序能耗降低了36.8千克标煤/吨钢，多项工艺技术指标达到国内领先水平，年可创造直接经济效益6800余万元。
莱钢从优化电弧炉能量输入方式以及降低电弧炉、LF精炼炉、VD炉等工位能耗、提高冶炼过程余热回收率等几个方面入手，改进了电炉电气设备，研究开发了电弧炉能量输入节能技术、电炉能量分段控制技术、集束氧枪供氧技术、电炉烟气余热回收利用技术等节能技术。
能量分段控制提高利用效率
智能电极调节技术。莱钢引进了智能电极调节系统，包括数字电极调节器(AC)和基于神经元网络技术对AC进行实时优化的智能系统(NEC)两部分。经过对该技术的研究、消化、吸收，他们实现了电极AC和NEC自动控制，提高了输入能量利用率，节电效果显著。
电弧炉能量分段控制技术。为合理利用冶炼过程输入的能量，充分挖掘不同时段的工艺设备潜力，使炼钢过程电弧炉的各段输入功率最大化，在炼钢生产过程中，他们针对不同炉料的结构和操作模式，通过反复在线测量，获得了大量的工艺设备运行参数。经过分析处理，他们优化、制定了合理的供电模型、电弧炉冶炼智能化分段模型、电弧炉炼钢动态物料衡算预测模型、电弧炉炼钢动态能量衡算模型、电弧炉能量输入控制模型、电弧炉化学能输入模型，并通过可编程控制系统进行冶炼过程能量分段自动化控制，缩短了停电时间，提高了各时段的能量利用效率。
集束氧枪供氧保障高效生产
近年来，随着电炉热装铁水和强化冶炼工艺的推广应用，电炉输入能量中化学能所占比例逐步提高，已成为现代电弧炉炼钢工艺的重要特点之一。如何高效地将氧气输入到电弧炉钢液内，提高氧气和化学能利用率，对提高电弧炉炼钢冶炼节奏、降低生产成本至关重要。
炉壁集束氧枪技术。莱钢电炉原采用3支炉壁超音速氧枪、1支偏心炉底出钢(EBT)氧枪、1支炉门氧枪供氧，由于超音速射流受电弧炉炉内气流影响，衰减较快，且射流喷吹距离短。为解决常规炉壁超音速氧枪存在的问题，有关研究人员在氧气超音速射流外部增设伴随流(选择氧气)，通过设计氧气喷嘴的结构、调节氧气流量和压力获得了集束射流，为集束氧枪技术的开发奠定了基础。
集束氧枪射流特点。通过冷态、热态实验及软件模拟，集束射流与通常的超音速氧气射流相比具有喷射距离长、冲击力大、氧气利用率高等优点。集束射流在距喷嘴出口约1000mm以上的喷吹距离内，射流都可以保持其原有的速率、直径以及气体的浓度、喷吹冲击力；集束射流冲击液体熔池的深度比普通射流冲击深度深约80%。
冶炼过程集束氧枪操作规范。在助熔阶段，集束氧枪产生主氧气流股和伴随氧两种射流，射流具有合理的结构和良好的穿透力，对熔化废钢非常有利。根据废钢料型和铁水比的变化，通过软件设置和调节氧气流量，在不同料源结构和熔化期的不同阶段，始终保持最大、最有效的加热面积和助熔效果。另外，二次燃烧在这一阶段效果最好，系统通过控制程序对废钢区域的“软吹”及“硬吹”进行调节，实现二次燃烧。
在钢水脱碳及升温阶段，集束氧枪射流与普通射流相比能更好地搅拌熔池，可保证温度的均匀并促进渣、金属的物质传递。莱钢UHP电弧炉布置了4支集束炉壁氧枪，在氧化期相当于在炉内多个反应区域进行供氧脱碳，射流的角度偏心促进了钢水的循环流动。在这一阶段可利用集束射流较强的深吹能力和良好的动力学条件快速脱碳升温，其平均脱碳速度可达0.10%/min，在温度、渣况合适时最高可达0.15%/min以上。
集束氧枪供氧智能控制。为实现供氧的自动化、智能化，莱钢开发了电弧炉用氧模块化控制及电弧炉用氧分时段控制技术。电弧炉用氧模块化控制技术的核心是以物料及能量平衡为基础，根据电弧炉供电及吹氧特点，将不同供氧方式进行优化组合，形成不同功能的供氧模块，实现电弧炉炼钢供氧总量控制。分时段控制根据不同阶段供电曲线及炉料结构特点，将冶炼过程分为多个控制段，在不同时段采取不同的供氧工艺控制模式。集束供氧操作模式分为助熔模式、二次燃烧模式、脱碳模式、氧枪保护模式。
他们通过开发应用供氧模块化控制和分时段控制技术，使莱钢UHP电弧炉集束氧枪的控制和操作实现了自动化，在冶炼中可快速调整供氧强度，能适应多元化的炉料结构；同时提高了氧气利用率、终点温度、成分命中率，使冶炼电耗及氧气消耗大幅降低。
烟气余热回收实现清洁炼钢
高温烟气带走的热量约占电弧炉输入热量的7%～11%，随着兑入铁水比例的提高，高温烟气带走的热量也相应增加。实现电弧炉余热的回收利用，对节能降耗和清洁生产具有重要意义。电炉第4孔排出的烟气温度为1200℃～1400℃，烟气流量大、温度高，热量回收利用价值很高。
为有效回收利用烟气余热，莱钢新建了一套第4孔除尘及烟气余热回收系统，利用烟气余热和热管锅炉产生饱和蒸汽，供VD炉运行或作为热源外供，以最大限度回收电炉烟气余热能量。该系统投入使用后，通过不断的改进完善，实现了稳定、可靠运行，取得了显著的环保节能效果和经济效益。
烟气余热回收工艺流程。该装置通过第4孔将1200℃左右高温烟气从电弧炉吸出，经烟道进入燃烧沉降室，CO等可燃物质进行二次燃烧，大颗粒沉降后高温烟气进入热管余热锅炉，可充分发挥锅炉的降温作用，将除尘器入口温度控制在150℃～180℃；烟气经过除尘器净化，由风机排入大气。经过换热后，软水被加热到200℃左右，产生的饱和蒸汽进入变压式饱和蒸汽蓄热器，由蓄热器向VD炉供汽。在蓄热器外部供汽阀后安装有蒸汽波动缓冲器，可实现阀后压力自动调节，以保障蒸汽压力的稳定。
热管蒸发器技术。热管是一种具有高效传热性能的传热元件，通过密闭真空管壳内工作介质的相变潜热来传递热量。热管从高温烟气中吸收热量，传递给热管水套内的饱和水使其汽化，产生汽水混合物，经蒸发器上升管到达汽包，汽水分离后由蒸汽主阀输出蒸汽，低温水由下降管进入蒸发器重新进行吸热产汽。通过如此连续循环，达到将高温烟气降温、水汽转化的目的。
冲击波清灰技术。电弧炉烟气灰尘多、带有电荷、易吸附，容易造成热管堵塞，因此解决在线热管清灰问题是保障余热锅炉正常运行的关键。原设计采用声波吹灰器和蒸汽吹灰器，清灰效果都不理想。他们自主开发了燃气冲击波吹灰装置，将空气和可燃气混合后，经点火后形成燃爆，利用爆炸产生的冲击波清除换热面的积灰。该方法使用效果良好，保证了换热管的在线清洁和系统的正常稳定运行，解决了烟气余热回收系统的关键问题。
热量回收控制技术。他们在沉降室设计时增加了蓄热体，高温烟气经过时蓄热体吸收热量，烟气不足时蓄热体放出热量，可有效调节电弧炉在冶炼各阶段进入换热系统的热量平衡，稳定热交换起始温度，有利于蒸汽的稳定输出；采用变频技术将高压风机频率的变化与沉降室出口温度进行联锁，可适时调节冶炼各阶段混入的冷风量，实现温度自动控制，将进入余热换热系统（蒸发器）的温度控制在450℃～800℃，最大程度地回收热量。
电弧炉与余热回收系统的协调运行控制技术。为实现电弧炉与余热回收系统的协调运行，他们增设了电弧炉烟气分析系统，将电弧炉能量分段控制系统与余热回收系统连接，实现电弧炉冶炼和余热回收协调统一运行；将烟气分析系统的测量计算结果（烟气流量、温度、成分等）作为电弧炉能量输入依据，自动调整电弧炉能量转换速率，稳定烟气目标成分、温度、流量，减少混风量，实现均衡、高效回收余热。
烟气余热回收系统应用效果。莱钢UHP电炉烟气余热回收系统建成投入运行以来，经过不断完善改进，工艺设备运行稳定，系统产蒸汽15吨/时～20吨/时（折合10.39千克标煤/吨钢），蒸汽压力最高时可达1.6兆帕；并列运行的2台120立方米蓄热器，经压力平衡阀自动调节供汽压力和流量，满足了VD炉100%使用余热蒸汽的工艺要求。电炉烟气余热回收系统运行后，实测烟气排放浓度5.0毫克/标准立方米、岗位粉尘浓度0.7毫克/标准立方米，原柴油蒸汽锅炉只作为备用（基本不用），柴油消耗由9.77千克/吨钢降为零。
（来源：钢铁产业）
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