2025冶金科学技术奖简介 | 绿色智能电弧炉炼钢短流程关键技术开发与应用

碳达峰、碳中和是我国政府做出的重大战略决策，也是对国际社会的郑重承诺。为此我国陆续出台并落实了《钢铁工业调整升级规划（2016-2020年）》工信部规〔2016358号、《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》（工信部联原〔2022号）、《工业领域碳达峰实施方案》（工信部联节〔202288号）、《2024-2025年节能降碳行动方案》（国发〔202412号）等系列政策文件。我国钢铁工业碳排放量占全国总量的16%左右，远高于世界平均水平（约7%）。这一问题的根源在于，我国以废钢为主原料的电炉钢产量低，占比不足10%，远低于世界平均水平，导致我国钢铁工业高度依赖煤基化石能源，碳排放居高不下。因此，钢铁工业作为实施双碳战略重要责任主体，积极稳妥推进绿色智能电弧炉炼钢短流程有序发展，不仅是钢铁工业绿色转型的关键，也是实现双碳目标、推动经济高质量发展和构建可持续发展社会的重要途径。

然而，在本项目立项之初，我国电弧炉短流程炼钢面临电耗高、效率低、智能化控制系统缺失、二噁英污染重、成本高等难点，以及电炉钢占比低、电弧炉炉容小、大型电弧炉装备和工艺技术主要依赖进口等痛点，导致我国电弧炉短流程炼钢成本长期高于长流程炼钢，缺乏市场竞争力，关键技术与装备研发滞后。在此背景下，由东北大学牵头，徐州金虹钢铁集团有限公司、长春电炉成套设备有限责任公司、抚顺特殊钢股份有限公司、唐山市玉田金州实业有限公司组成的项目组，通过产学研用的全产业链合作方式，利用基础研究关键共性技术开发应用示范行业推广的全链路创新模式进行系统深入研究与攻关（图），取得了以下重要突破：

）基于水平连续加料废钢高效预热与二噁英三段法超低排放技术的开发与集成，实现了废钢绿色高效预热。

针对废钢预热过程中烟气与废钢间物质流动及能量传输机理不明晰、原料结构复杂、烟气余热预热废钢效率低、加料速度慢和二噁英排放量超标等难题，本项目构建了工业级烟气余热预热废钢模型，揭示了水平连续加料过程中连续加料余热回收多相多物理场耦合的宏观物理场分布特征、以及烟气与废钢的传热机理，提出了水平连续加料电弧炉高效预热废钢的策略，为智能配料、废钢高效预热、快速连续加料奠定了理论基础。基于此，研发了基于炉料布料方式、预热通道结构、燃烧嘴布置等优化的废钢高效预热关键技术，成功解决了废钢预热温度低和预热通道炉料粘结阻碍加料难题，大幅提高废钢预热温度和加料速度，显著提升电弧炉生产节奏。

在二噁英排放方面，本项目开发了源头控制中端处理末端吸附的电弧炉烟气二噁英三段法超低排放技术。具体而言，首先通过废钢加工、分选和处理，严格控制废钢品质，防止油污、橡胶、以及塑料等杂质的废钢入炉，从源头有效降低二噁英的生成风险。其次，在中端处理环节，通过准确控制预热废钢后的烟气温度，并通过水冷烟道风冷器技术，迅速降温穿过二噁英再生成温度区间。最后，在末端处理阶段，采用喷吹活性炭技术，在烟气进入除尘器布袋之前，喷吹活性炭与烟气充分混合，进一步吸附残余二噁英。三段法的推广应用成功实现了二噁英的超低排放，排放浓度仅为标准限值的1/59。这一突破性成果显著提升了电炉炼钢的环保水平，为钢铁行业二噁英的超低排放控制提供了重要示范。

）丰富和完善了电弧炉快速熔炼工艺理论，提出了电弧高效供热、废钢快速熔化以及复合吹炼等优化策略，突破了全废钢低成本绿色低碳电弧炉快速熔炼关键技术

针对电弧炉炉内多场耦合多相反应机理、各相间动量和能量传输机制以及宏观物理场演变规律等机理不明晰、冶炼周期长效率低、能量效率低电耗高、浅平熔池难混匀等难题，本项目基于电弧炉炼钢过程中电弧加热、供氧射流、底吹搅拌与废钢熔化等多工艺协同条件下多场耦合多相反应机理以及宏观物理场演变规律等基础理论研究，构建了工业级多工艺协同下多相多物理场耦合的电弧炉全过程冶炼等模型，首次解析了连续加料过程中废钢聚团、沉积等运动行为及熔化机制，探究了多工艺协同下多相多物理场演变规律，破解了电弧炉废钢快速冶炼的限制性环节，通过工业级电弧炉多工艺下多相多物理场全耦合分析，结合电弧功率、复合吹炼因素、废钢预热温度、钢液温度、留钢量、废钢尺寸、废钢孔隙度和废钢加料速度等工艺参数优化匹配，提出了废钢熔化和熔池混匀时间预测模型和优化策略，突破了全废钢连续加料电弧炉快速熔炼关键技术。

全废钢连续加料电弧炉快速冶炼关键技术的核心在于改善熔池温度场分布均匀性，提升废钢与熔池间传热效率，主要涵盖：）提升炉内热量输入是实现快速熔化的前提；包括提高电弧功率、增加侧吹化学能以及合理调整留钢量等措施，但需与炉型结构、电弧功率、搅拌强度及加料工艺等协同调整。）优化复合吹炼工艺是关键；通过合理布置底吹元件，调整侧吹氧枪偏转角以及喷吹流量等措施，强化对流传热，加快废钢熔化和熔池均匀速率。）优化加料工艺是提高效率的重要环节；选择与钢液供热能力相匹配的加料制度，有效避免废钢大量聚团与沉积。）提高废钢预热效率并优化炉料结构是重要保障；最大程度提高废钢预热温度可避免废钢表面凝结层的形成，并防止废钢相互凝结形成钢冰山效应。

）基于全废钢连续加料电弧炉精炼连铸直轧全流程智能制造技术开发与全流程装备国产化集成，建成全国产化世界首条低成本绿色智能电弧炉炼钢直接轧制短流程示范线

针对电弧炉炼钢短流程数字化与智能化水平较低、工序间信息流不畅、精准控制能力不足以及产品质量波动等问题，本项目采用以机理模型为核心，深度耦合数据驱动智能算法的建模思想，解决了数据驱动模型难解释的弊端，丰富并完善了全流程冶金智能化控制模型，建立了全废钢连续加料电弧炉精炼连铸直轧短流程智能制造理论体系，通过贯通全流程信息流和工序间柔性衔接的协同控制，构建了全流程冶金智能化控制系统，开发了具有自主知识产权的全废钢连续加料电弧炉精炼连铸直轧全流程智能化控制系统，实现生产基本数据的共享与生产流程的监控，全面提升全废钢连续加料电弧炉精炼连铸直轧全流程控制精度和工序间衔接灵活度，从而形成了全废钢连续加料电弧炉精炼连铸直轧全流程智能控制技术。并结合快速震动进料装置、高效称重加料装置、烟气预热通道设计、新型水平加料口、耐材烟罩与除尘罩、高性能除尘器、活性炭喷吹系统、铸钢式档渣炉门、炉门炉壁氧枪优化、复合喷吹系统设计、位移检测电极升降装置、高精度炉体称重装置、出钢自动填砂装置、自动吊运装置、烟气快速测温装置、事故氩枪装置、连铸拉矫装置、液压切割装置、尺寸可调裁断装置、铸坯转运和宝温系统、铸坯电磁补热装置等全流程装备自主研发与集成，项目组在徐州金虹钢铁集团有限公司建成了世界首条低成本绿色智能电弧炉炼钢直接轧制短流程示范线（图），并实现了全流程装备、工艺和技术的全国产化。

本项目成果经中国金属学会专家组评价，一致认为项目成果总体达到国际领先水平，同时被《世界金属导报》评为世界钢铁工业十大技术要闻。示范线与传统短流程相比，碳排放和能耗降幅大于20%，效率提升50%以上，运行成本降幅大于30%，二噁英排放浓度约为欧盟标准限值的1/59，直轧率达到99%以上，彻底取消了约占轧制总能耗80%的加热工艺；同时通过全流程装备的自主研发与集成，打破了国外对百吨级大型电弧炉关键装备与技术的长期垄断，实现了我国大型电弧炉短流程炼钢全流程装备和工艺技术的国产化，关键技术和国产化装备已在16家电炉钢企业推广应用，推动我国电弧炉炼钢装备大型化，流程低成本、绿色低碳、高效智能化发展，加速钢铁工业向绿色、智能、高质量可持续发展转型，有力支撑了国家双碳战略。根据国家政策规划和中国钢铁工业协会预测，碳中和我国电炉钢占比将达到40%左右，约为当前水平的倍；因此，本项目成果应用推广前景十分广阔，经济和社会效益非常显著。

本项目总体研发思路

低成本绿色智能电弧炉炼钢直接轧制短流程示范线与智能化控制系统

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