一、研究的背景與問(wèn)題
隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保需求和國(guó)內(nèi)廢鋼量的不斷增加，同時(shí)受?chē)?guó)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(lái)新的歷史性發(fā)展機(jī)遇。短流程電弧爐煉鋼過(guò)程的能源消耗和碳排放均只有高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程的1/3，是鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)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(chǎn)效率偏低、能量消耗高、生產(chǎn)成本高、電網(wǎng)沖擊大、質(zhì)量不穩(wěn)定、電極消耗高、二噁英污染等重大關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)長(zhǎng)期困擾短流程煉鋼的這些問(wèn)題，中冶賽迪進(jìn)行了逐項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，并取得了一系列重大技術(shù)突破，并實(shí)現(xiàn)了首臺(tái)套裝備的落地實(shí)施。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
圍繞著如何解決國(guó)內(nèi)外全廢鋼電弧爐生產(chǎn)效率偏低、能量消耗高、生產(chǎn)成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定、二噁英污染等企業(yè)痛點(diǎn)問(wèn)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(shè)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(shù)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(yù)熱型電弧爐-綠色智能超級(jí)電弧爐（CISDI-SuperARC）是繼第2代廢鋼預(yù)熱型電弧爐-階梯連續(xù)加料型電弧爐（CISDI-AutoARC）后，應(yīng)用了新型IGBT柔性直流供電技術(shù)、電極無(wú)級(jí)雙控智能調(diào)節(jié)技術(shù)、廢鋼連續(xù)預(yù)熱技術(shù)、廢鋼階梯連續(xù)加料技術(shù)、風(fēng)冷觸針底電極技術(shù)、二噁英治理和余熱回收技術(shù)、智能煉鋼技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，可快速響應(yīng)電弧爐內(nèi)的冶煉供能需求和應(yīng)對(duì)短路過(guò)流沖擊工況，可縮短冶煉周期至30min以內(nèi)，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(chǎn)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(shì)。
中冶賽迪綠色智能超級(jí)電弧爐
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、全球首創(chuàng)的新型柔性（IGBT）直流供電技術(shù)
中冶賽迪自主研發(fā)了新型柔性（IGBT）直流供電技術(shù)，為全球首創(chuàng)，屬于賽迪自主創(chuàng)新的又一項(xiàng)新型低碳煉鋼新技術(shù)。該技術(shù)在高強(qiáng)度高效率電能輸入、增強(qiáng)鋼液攪拌均勻性、電極損耗小、對(duì)電網(wǎng)沖擊小等方面與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，在生產(chǎn)實(shí)踐中還體現(xiàn)出了金屬收得率高的優(yōu)勢(shì)，在生產(chǎn)工藝技術(shù)、裝備技術(shù)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(wèn)題，使熔煉期功率因素提高到0.95以上，并可實(shí)現(xiàn)電流和電壓的雙控?zé)o級(jí)智能調(diào)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(dòng)，使電弧燃燒更加平穩(wěn)，避免了斷弧和短路，同時(shí)直流電磁力攪拌鋼液，使熱量能迅速的傳導(dǎo)到鋼液中，大幅提高了電能轉(zhuǎn)換效率，有效降低電能消耗，冶煉過(guò)程中電源輸出響應(yīng)速度0.1ms，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)＞0.95，電壓、電流波動(dòng)＜3%，電源裝置整體損耗可控制在3%以內(nèi)，解決了現(xiàn)有交流電弧爐系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)沖擊大、輸出電壓電流調(diào)節(jié)能力低、抗沖擊能力弱、母線電容能量無(wú)法回收、電源裝置過(guò)壓過(guò)流保護(hù)能力弱的問(wèn)題。此種新技術(shù)將會(huì)為未來(lái)電弧爐低碳冶煉技術(shù)的發(fā)展提供新的路徑，具有國(guó)際領(lǐng)先水平。
2、全球首創(chuàng)的階梯進(jìn)料技術(shù)
自主研發(fā)的階梯進(jìn)料技術(shù)，形成了階梯擾動(dòng)預(yù)熱涵道，可實(shí)現(xiàn)廢鋼在預(yù)熱段翻滾，改善傳統(tǒng)連續(xù)加料只能表面預(yù)熱的不足，使廢鋼預(yù)熱更加均勻，廢鋼平均預(yù)熱溫度可提高70～100℃，有助于降低電耗15-20℃。
煙罩結(jié)構(gòu)特殊導(dǎo)向設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步增強(qiáng)煙氣與廢鋼之間換熱。通過(guò)閉環(huán)控制混風(fēng)量，使煙氣中的CO充分燃燒，進(jìn)一步提高廢鋼預(yù)熱效率。
此技術(shù)在廢鋼配料環(huán)節(jié)還可實(shí)現(xiàn)更高的配料和輸送效率，可以利用自卸卡車(chē)直接傾倒合格廢鋼進(jìn)入地下階梯分料槽，可實(shí)現(xiàn)大堆廢鋼的快速平鋪分料并連續(xù)上料，這樣就可實(shí)現(xiàn)50%的直接配料作業(yè)，可大幅降低電磁起重機(jī)配料和卸料工作量，從而提高配料間生產(chǎn)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(xué)能強(qiáng)化+煙氣分流預(yù)熱技術(shù)
連續(xù)加料，煙氣隨涵道延伸溫度下降，外部化學(xué)能使延伸涵道的煙氣保持高溫，延長(zhǎng)了預(yù)熱涵道，降低分流涵道高度+煙氣調(diào)節(jié)閥控制，實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)的換熱時(shí)間，并有效抑制了二噁英的生成，實(shí)現(xiàn)低成本可靠治理二噁英。
4、分布式激振器技術(shù)
充分調(diào)研和總結(jié)了水平加料型電弧爐現(xiàn)有激振器存在的問(wèn)題，為匹配超級(jí)電弧爐高效生產(chǎn)的需求，自主研發(fā)了分布式激振器技術(shù)，采用了模塊化設(shè)計(jì)，更便于設(shè)備的維護(hù)與更換備件，同時(shí)可使軸承壽命提高30-40%，使激振器的裝備可靠性得到本質(zhì)提升，同時(shí)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?？墒闺娀t生產(chǎn)效率提升到一個(gè)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(shè)計(jì)，將對(duì)系統(tǒng)不利但不可避免的橫向力轉(zhuǎn)變?yōu)槟K內(nèi)力，振動(dòng)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(jiǎn)潔、可靠
（3）采用功率分流式技術(shù)，關(guān)鍵部件載荷僅為傳統(tǒng)技術(shù)的50%，齒輪、軸承理論壽命可提高3~10倍，裝備的可靠性本質(zhì)提升
多年來(lái)，中冶賽迪潛心研究電弧爐技術(shù)，2015年，綠色潔凈電弧爐煉鋼技術(shù)獲得國(guó)家科技部的重點(diǎn)支撐項(xiàng)目支持。在研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生了大量知識(shí)產(chǎn)權(quán)，目前專(zhuān)利申請(qǐng)192件，授權(quán)117件，專(zhuān)利布局已基本完成，關(guān)鍵專(zhuān)利已獲美國(guó)、日本和歐盟授權(quán)，軟件著作權(quán)7項(xiàng)。2018年，“綠色潔凈電弧爐煉鋼關(guān)鍵技術(shù)及裝備” 獲得中冶集團(tuán)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)；2019年，“綠色高效電弧爐煉鋼技術(shù)與裝備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用”獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，同年第3代超級(jí)電弧爐獲得五礦科技專(zhuān)項(xiàng)支持。
相關(guān)專(zhuān)利 國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)
四、應(yīng)用情況與效果
1、全球首臺(tái)采用IGBT柔性直流電源技術(shù)的電弧爐在攀長(zhǎng)特投用
2021年12月，中冶賽迪對(duì)攀鋼集團(tuán)長(zhǎng)城特殊鋼有限公司現(xiàn)有二作業(yè)區(qū)煉鋼車(chē)間內(nèi)的一臺(tái)40t交流電弧爐升級(jí)改造為新型柔性IGBT直流電弧爐成功熱試車(chē)并投入應(yīng)用。這也是全球首臺(tái)采用IGBT柔性直流電源技術(shù)的電弧爐，為推動(dòng)鋼鐵工業(yè)短流程冶煉并實(shí)現(xiàn)綠色高效低成本生產(chǎn)樹(shù)立了標(biāo)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(yáng)極等新技術(shù)，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(shí)現(xiàn)了電流和電壓的無(wú)級(jí)雙控智能調(diào)節(jié)，驗(yàn)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(tuán)長(zhǎng)城特鋼成功熱試車(chē)并投入應(yīng)用
2、第2代廢鋼預(yù)熱型電弧爐-階梯連續(xù)加料型電弧爐（CISDI-AutoARC）在都鋼投產(chǎn)，性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平
由中冶賽迪設(shè)備成套供貨的全國(guó)產(chǎn)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(tuán)都鋼鋼鐵集團(tuán)股份有限公司建成投產(chǎn)，2022年9月通過(guò)功能考核，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到合同約定值，實(shí)現(xiàn)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(biāo)，助力四川冶控集團(tuán)實(shí)現(xiàn)綠色化、高效化生產(chǎn)。該套裝備采用了廢鋼預(yù)熱、水平階梯連續(xù)加料、平熔池冶煉、超低排放等新技術(shù)、新工藝，是新一代短流程綠色高效電弧爐。中冶賽迪針對(duì)國(guó)內(nèi)外全廢鋼電弧爐煉鋼能量消耗高、質(zhì)量不穩(wěn)定、二噁英污染等重大關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的自主集成創(chuàng)新，在工藝及裝備、產(chǎn)品質(zhì)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(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
階梯連續(xù)加料綠色電弧爐在四川都鋼鋼鐵集團(tuán)投用
3、第3代廢鋼預(yù)熱型電弧爐-綠色智能超級(jí)電弧爐（CISDI-SuperARC）在仙福鋼鐵開(kāi)工建設(shè)，各項(xiàng)性能指標(biāo)將達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平
2022年4月，中冶賽迪與云南玉溪仙福鋼鐵（集團(tuán)）有限公司在其產(chǎn)能置換技術(shù)升級(jí)改造項(xiàng)目中成功合作，簽署了采用中冶賽迪第3代廢鋼預(yù)熱型電弧爐-綠色智能超級(jí)電弧爐（CISDI-SuperARC）成套裝備技術(shù)的設(shè)計(jì)和供貨合同。該臺(tái)電弧爐將采用了全套的超級(jí)電弧爐技術(shù)，搭載了中冶賽迪自主研發(fā)設(shè)計(jì)的新型IGBT柔性直流電源裝置，同時(shí)采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)冷觸針底陽(yáng)極等電爐本體技術(shù)、階梯分料廢鋼預(yù)熱、二噁英治理和余熱回收、智能化煉鋼等裝備及控制技術(shù)，可快速響應(yīng)電弧爐內(nèi)的冶煉供能需求和應(yīng)對(duì)短路過(guò)流沖擊工況。目前該示范項(xiàng)目正在進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，預(yù)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(jī)，以“高效、低耗、綠色、智能”為目標(biāo)，全方位合作，聯(lián)手打造中國(guó)品牌綠色高效電弧爐裝備技術(shù)，共同建設(shè)新型低碳電弧爐煉鋼新技術(shù)工業(yè)化示范基地。
中冶賽迪綠色智能超級(jí)電弧爐短流程鋼廠智能控制中心
