碳達(dá)峰、碳中和是我國(guó)政府做出的重大戰(zhàn)略決策，也是對(duì)國(guó)際社會(huì)的鄭重承諾。為此我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)并落實(shí)了《鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級(jí)規(guī)劃（2016-2020年）》工信部規(guī)〔2016358號(hào)、《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》（工信部聯(lián)原〔2022號(hào)）、《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》（工信部聯(lián)節(jié)〔202288號(hào)）、《2024-2025年節(jié)能降碳行動(dòng)方案》（國(guó)發(fā)〔202412號(hào)）等系列政策文件。我國(guó)鋼鐵工業(yè)碳排放量占全國(guó)總量的16%左右，遠(yuǎn)高于世界平均水平（約7%）。這一問(wèn)題的根源在于，我國(guó)以廢鋼為主原料的電爐鋼產(chǎn)量低，占比不足10%，遠(yuǎn)低于世界平均水平，導(dǎo)致我國(guó)鋼鐵工業(yè)高度依賴(lài)煤基化石能源，碳排放居高不下。因此，鋼鐵工業(yè)作為實(shí)施雙碳戰(zhàn)略重要責(zé)任主體，積極穩(wěn)妥推進(jìn)綠色智能電弧爐煉鋼短流程有序發(fā)展，不僅是鋼鐵工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展社會(huì)的重要途徑。

然而，在本項(xiàng)目立項(xiàng)之初，我國(guó)電弧爐短流程煉鋼面臨電耗高、效率低、智能化控制系統(tǒng)缺失、二噁英污染重、成本高等難點(diǎn)，以及電爐鋼占比低、電弧爐爐容小、大型電弧爐裝備和工藝技術(shù)主要依賴(lài)進(jìn)口等痛點(diǎn)，導(dǎo)致我國(guó)電弧爐短流程煉鋼成本長(zhǎng)期高于長(zhǎng)流程煉鋼，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)滯后。在此背景下，由東北大學(xué)牽頭，徐州金虹鋼鐵集團(tuán)有限公司、長(zhǎng)春電爐成套設(shè)備有限責(zé)任公司、撫順特殊鋼股份有限公司、唐山市玉田金州實(shí)業(yè)有限公司組成的項(xiàng)目組，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研用的全產(chǎn)業(yè)鏈合作方式，利用基礎(chǔ)研究關(guān)鍵共性技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用示范行業(yè)推廣的全鏈路創(chuàng)新模式進(jìn)行系統(tǒng)深入研究與攻關(guān)（圖），取得了以下重要突破：

）基于水平連續(xù)加料廢鋼高效預(yù)熱與二噁英三段法超低排放技術(shù)的開(kāi)發(fā)與集成，實(shí)現(xiàn)了廢鋼綠色高效預(yù)熱。

針對(duì)廢鋼預(yù)熱過(guò)程中煙氣與廢鋼間物質(zhì)流動(dòng)及能量傳輸機(jī)理不明晰、原料結(jié)構(gòu)復(fù)雜、煙氣余熱預(yù)熱廢鋼效率低、加料速度慢和二噁英排放量超標(biāo)等難題，本項(xiàng)目構(gòu)建了工業(yè)級(jí)煙氣余熱預(yù)熱廢鋼模型，揭示了水平連續(xù)加料過(guò)程中連續(xù)加料余熱回收多相多物理場(chǎng)耦合的宏觀物理場(chǎng)分布特征、以及煙氣與廢鋼的傳熱機(jī)理，提出了水平連續(xù)加料電弧爐高效預(yù)熱廢鋼的策略，為智能配料、廢鋼高效預(yù)熱、快速連續(xù)加料奠定了理論基礎(chǔ)。基于此，研發(fā)了基于爐料布料方式、預(yù)熱通道結(jié)構(gòu)、燃燒嘴布置等優(yōu)化的廢鋼高效預(yù)熱關(guān)鍵技術(shù)，成功解決了廢鋼預(yù)熱溫度低和預(yù)熱通道爐料粘結(jié)阻礙加料難題，大幅提高廢鋼預(yù)熱溫度和加料速度，顯著提升電弧爐生產(chǎn)節(jié)奏。

在二噁英排放方面，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了源頭控制中端處理末端吸附的電弧爐煙氣二噁英三段法超低排放技術(shù)。具體而言，首先通過(guò)廢鋼加工、分選和處理，嚴(yán)格控制廢鋼品質(zhì)，防止油污、橡膠、以及塑料等雜質(zhì)的廢鋼入爐，從源頭有效降低二噁英的生成風(fēng)險(xiǎn)。其次，在中端處理環(huán)節(jié)，通過(guò)準(zhǔn)確控制預(yù)熱廢鋼后的煙氣溫度，并通過(guò)水冷煙道風(fēng)冷器技術(shù)，迅速降溫穿過(guò)二噁英再生成溫度區(qū)間。最后，在末端處理階段，采用噴吹活性炭技術(shù)，在煙氣進(jìn)入除塵器布袋之前，噴吹活性炭與煙氣充分混合，進(jìn)一步吸附殘余二噁英。三段法的推廣應(yīng)用成功實(shí)現(xiàn)了二噁英的超低排放，排放濃度僅為標(biāo)準(zhǔn)限值的1/59。這一突破性成果顯著提升了電爐煉鋼的環(huán)保水平，為鋼鐵行業(yè)二噁英的超低排放控制提供了重要示范。

）豐富和完善了電弧爐快速熔煉工藝?yán)碚?，提出了電弧高效供熱、廢鋼快速熔化以及復(fù)合吹煉等優(yōu)化策略，突破了全廢鋼低成本綠色低碳電弧爐快速熔煉關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)電弧爐爐內(nèi)多場(chǎng)耦合多相反應(yīng)機(jī)理、各相間動(dòng)量和能量傳輸機(jī)制以及宏觀物理場(chǎng)演變規(guī)律等機(jī)理不明晰、冶煉周期長(zhǎng)效率低、能量效率低電耗高、淺平熔池難混勻等難題，本項(xiàng)目基于電弧爐煉鋼過(guò)程中電弧加熱、供氧射流、底吹攪拌與廢鋼熔化等多工藝協(xié)同條件下多場(chǎng)耦合多相反應(yīng)機(jī)理以及宏觀物理場(chǎng)演變規(guī)律等基礎(chǔ)理論研究，構(gòu)建了工業(yè)級(jí)多工藝協(xié)同下多相多物理場(chǎng)耦合的電弧爐全過(guò)程冶煉等模型，首次解析了連續(xù)加料過(guò)程中廢鋼聚團(tuán)、沉積等運(yùn)動(dòng)行為及熔化機(jī)制，探究了多工藝協(xié)同下多相多物理場(chǎng)演變規(guī)律，破解了電弧爐廢鋼快速冶煉的限制性環(huán)節(jié)，通過(guò)工業(yè)級(jí)電弧爐多工藝下多相多物理場(chǎng)全耦合分析，結(jié)合電弧功率、復(fù)合吹煉因素、廢鋼預(yù)熱溫度、鋼液溫度、留鋼量、廢鋼尺寸、廢鋼孔隙度和廢鋼加料速度等工藝參數(shù)優(yōu)化匹配，提出了廢鋼熔化和熔池混勻時(shí)間預(yù)測(cè)模型和優(yōu)化策略，突破了全廢鋼連續(xù)加料電弧爐快速熔煉關(guān)鍵技術(shù)。

全廢鋼連續(xù)加料電弧爐快速冶煉關(guān)鍵技術(shù)的核心在于改善熔池溫度場(chǎng)分布均勻性，提升廢鋼與熔池間傳熱效率，主要涵蓋：）提升爐內(nèi)熱量輸入是實(shí)現(xiàn)快速熔化的前提；包括提高電弧功率、增加側(cè)吹化學(xué)能以及合理調(diào)整留鋼量等措施，但需與爐型結(jié)構(gòu)、電弧功率、攪拌強(qiáng)度及加料工藝等協(xié)同調(diào)整。）優(yōu)化復(fù)合吹煉工藝是關(guān)鍵；通過(guò)合理布置底吹元件，調(diào)整側(cè)吹氧槍偏轉(zhuǎn)角以及噴吹流量等措施，強(qiáng)化對(duì)流傳熱，加快廢鋼熔化和熔池均勻速率。）優(yōu)化加料工藝是提高效率的重要環(huán)節(jié)；選擇與鋼液供熱能力相匹配的加料制度，有效避免廢鋼大量聚團(tuán)與沉積。）提高廢鋼預(yù)熱效率并優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)是重要保障；最大程度提高廢鋼預(yù)熱溫度可避免廢鋼表面凝結(jié)層的形成，并防止廢鋼相互凝結(jié)形成鋼冰山效應(yīng)。

）基于全廢鋼連續(xù)加料電弧爐精煉連鑄直軋全流程智能制造技術(shù)開(kāi)發(fā)與全流程裝備國(guó)產(chǎn)化集成，建成全國(guó)產(chǎn)化世界首條低成本綠色智能電弧爐煉鋼直接軋制短流程示范線

針對(duì)電弧爐煉鋼短流程數(shù)字化與智能化水平較低、工序間信息流不暢、精準(zhǔn)控制能力不足以及產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)等問(wèn)題，本項(xiàng)目采用以機(jī)理模型為核心，深度耦合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能算法的建模思想，解決了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型難解釋的弊端，豐富并完善了全流程冶金智能化控制模型，建立了全廢鋼連續(xù)加料電弧爐精煉連鑄直軋短流程智能制造理論體系，通過(guò)貫通全流程信息流和工序間柔性銜接的協(xié)同控制，構(gòu)建了全流程冶金智能化控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全廢鋼連續(xù)加料電弧爐精煉連鑄直軋全流程智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)基本數(shù)據(jù)的共享與生產(chǎn)流程的監(jiān)控，全面提升全廢鋼連續(xù)加料電弧爐精煉連鑄直軋全流程控制精度和工序間銜接靈活度，從而形成了全廢鋼連續(xù)加料電弧爐精煉連鑄直軋全流程智能控制技術(shù)。并結(jié)合快速震動(dòng)進(jìn)料裝置、高效稱(chēng)重加料裝置、煙氣預(yù)熱通道設(shè)計(jì)、新型水平加料口、耐材煙罩與除塵罩、高性能除塵器、活性炭噴吹系統(tǒng)、鑄鋼式檔渣爐門(mén)、爐門(mén)爐壁氧槍優(yōu)化、復(fù)合噴吹系統(tǒng)設(shè)計(jì)、位移檢測(cè)電極升降裝置、高精度爐體稱(chēng)重裝置、出鋼自動(dòng)填砂裝置、自動(dòng)吊運(yùn)裝置、煙氣快速測(cè)溫裝置、事故氬槍裝置、連鑄拉矯裝置、液壓切割裝置、尺寸可調(diào)裁斷裝置、鑄坯轉(zhuǎn)運(yùn)和寶溫系統(tǒng)、鑄坯電磁補(bǔ)熱裝置等全流程裝備自主研發(fā)與集成，項(xiàng)目組在徐州金虹鋼鐵集團(tuán)有限公司建成了世界首條低成本綠色智能電弧爐煉鋼直接軋制短流程示范線（圖），并實(shí)現(xiàn)了全流程裝備、工藝和技術(shù)的全國(guó)產(chǎn)化。

本項(xiàng)目成果經(jīng)中國(guó)金屬學(xué)會(huì)專(zhuān)家組評(píng)價(jià)，一致認(rèn)為項(xiàng)目成果總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，同時(shí)被《世界金屬導(dǎo)報(bào)》評(píng)為世界鋼鐵工業(yè)十大技術(shù)要聞。示范線與傳統(tǒng)短流程相比，碳排放和能耗降幅大于20%，效率提升50%以上，運(yùn)行成本降幅大于30%，二噁英排放濃度約為歐盟標(biāo)準(zhǔn)限值的1/59，直軋率達(dá)到99%以上，徹底取消了約占軋制總能耗80%的加熱工藝；同時(shí)通過(guò)全流程裝備的自主研發(fā)與集成，打破了國(guó)外對(duì)百?lài)嵓?jí)大型電弧爐關(guān)鍵裝備與技術(shù)的長(zhǎng)期壟斷，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)大型電弧爐短流程煉鋼全流程裝備和工藝技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，關(guān)鍵技術(shù)和國(guó)產(chǎn)化裝備已在16家電爐鋼企業(yè)推廣應(yīng)用，推動(dòng)我國(guó)電弧爐煉鋼裝備大型化，流程低成本、綠色低碳、高效智能化發(fā)展，加速鋼鐵工業(yè)向綠色、智能、高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型，有力支撐了國(guó)家雙碳戰(zhàn)略。根據(jù)國(guó)家政策規(guī)劃和中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，碳中和我國(guó)電爐鋼占比將達(dá)到40%左右，約為當(dāng)前水平的倍；因此，本項(xiàng)目成果應(yīng)用推廣前景十分廣闊，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益非常顯著。

本項(xiàng)目總體研發(fā)思路

低成本綠色智能電弧爐煉鋼直接軋制短流程示范線與智能化控制系統(tǒng)

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