電弧爐煉鋼能量優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

胡 航，楊凌志，易 娟，張 盟，宋景凌，郭宇峰

(1.中南大學(xué)，資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410083； 2.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124；3.冶金工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100013； 4.衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421000)

鋼鐵生產(chǎn)是典型的流程工業(yè)，是實(shí)現(xiàn)由原料向產(chǎn)品物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程，并伴隨著化學(xué)能、物理熱、電能等的相互轉(zhuǎn)化。鋼鐵生產(chǎn)過程中的物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換量大，如何實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中能量的高效利用，一直是相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)。

電弧爐煉鋼是當(dāng)今世界主要的煉鋼方法之一，其能量消耗量低，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣，是高品質(zhì)特殊鋼冶煉的主要工藝流程[1-3]。電弧爐煉鋼的能量來源由電能、化學(xué)能及物理熱組成，是鋼鐵工業(yè)能量結(jié)構(gòu)最具特點(diǎn)的工藝過程。工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)[4]指出，圍繞高耗能行業(yè)企業(yè)，鼓勵先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的集成優(yōu)化運(yùn)用，推廣電爐鋼等短流程工藝，推動工業(yè)節(jié)能從局部、單體節(jié)能向全流程、系統(tǒng)節(jié)能轉(zhuǎn)變。隨著我國對過程工業(yè)節(jié)能減排的日趨重視，電弧爐煉鋼如何進(jìn)一步節(jié)能是煉鋼生產(chǎn)的主要任務(wù)。

本文針對這一問題，介紹了現(xiàn)階段電弧爐煉鋼過程的節(jié)能工藝改進(jìn)與電弧爐煉鋼過程的傳熱行為，在此基礎(chǔ)上對電弧爐煉鋼的能量優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 電弧爐煉鋼過程的節(jié)能工藝概況

以廢鋼為主要原料的短流程電弧爐煉鋼具有高效快速，過程易控等特點(diǎn)，在工序降耗和節(jié)能減排上優(yōu)勢明顯。隨著地條鋼的取締和廢鋼資源的逐步釋放，國家對重工業(yè)領(lǐng)域環(huán)保的嚴(yán)格要求，電弧爐煉鋼將會獲得飛速發(fā)展。近些年，電弧爐煉鋼在原有裝備和工序的基礎(chǔ)上，不斷通過設(shè)備改造和節(jié)能工藝的應(yīng)用，推動煉鋼工業(yè)朝綠色冶煉的方向高速發(fā)展。現(xiàn)階段電弧爐煉鋼的節(jié)能工藝主要涉及高效供電、噴吹優(yōu)化、余熱利用和集成控制四個方面。

1.1 高效供電

電弧爐煉鋼過程中，輸入到電弧爐的主要能量為電能、鐵水物理熱、元素氧化放熱和輔助燃料。Mapelli等[5]指出能源消耗的評估在煉鋼過程中具有根本的意義，對能量輸入和利用進(jìn)行正確的分析有助于更好地控制熔化和精煉時間。能量輸入是驅(qū)動電弧爐煉鋼全流程正常進(jìn)行，并得到溫度、化學(xué)成分合格鋼水的動力和決定性因素之一。隨著電力工業(yè)的發(fā)展、冶煉技術(shù)的進(jìn)步及電弧爐設(shè)備的改進(jìn)，電弧爐的冶煉成本不斷下降，效率不斷提高。電能通過供配電網(wǎng)和電極輸入到電弧爐爐內(nèi)，調(diào)控能量分配和冶煉進(jìn)程，同時電弧爐作為一種耗電量極大的工業(yè)用電設(shè)備，其供電的安全、穩(wěn)定和高效對冶煉能耗的降低具有舉足輕重的作用。

北京科技大學(xué)朱榮[6]提到超高功率電弧爐是未來電弧爐煉鋼裝備技術(shù)發(fā)展的方向之一，必須有高功率、高質(zhì)量供電系統(tǒng)與之配套發(fā)展。李令冬[7]強(qiáng)調(diào)降低配電網(wǎng)損耗、提高電能轉(zhuǎn)換效率和資源綜合利用率是鋼鐵企業(yè)節(jié)電的重點(diǎn)。Samet H[8]針對Mobarakeh steel company (MSC)工廠的電弧爐，其電弧爐單線圖如圖1所示，通過三種方法確定變壓器和串聯(lián)電抗器的最佳設(shè)定點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了EAF電力系統(tǒng)穩(wěn)定的電弧和較高的傳輸功率。Horton R[9]開發(fā)了交流電弧爐的時域模型，可以在PCC和系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程總線上準(zhǔn)確預(yù)測電弧爐產(chǎn)生的短期閃變。Bhonsle D C[10]在SIMULINK / MATLAB環(huán)境中通過仿真，提出了一種新穎的時域EAF模型來研究電能的質(zhì)量問題，通過將其性能與現(xiàn)有的Cassie-Mayr的EAF模型及實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所提模型的功能。廖延濤等人[11]建立以微分方程描述的新型交流電弧爐(EAF)時域模型和電氣系統(tǒng)仿真模型，研究熔化期電弧特性和電弧爐對電網(wǎng)的沖擊影響。電弧爐供配電力系統(tǒng)通過電極輸出電能，作用于電弧爐，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。電弧爐電極系統(tǒng)在傳遞電能，作用于爐料，強(qiáng)化電能作用效果和控制爐料熔化時間的過程中也有非常重要的作用。Meier T[12]通過電極的能量平衡分析，如圖2所示，提出了一種增強(qiáng)電極動態(tài)過程的方法，通過改進(jìn)描述了電弧爐的仿真模型。劉小河[13]等提出非線性系統(tǒng)模型參考自適應(yīng)控制的分段線性化方法，并設(shè)計(jì)了三相電弧爐的自適應(yīng)電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，建立了單相電弧爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以有效應(yīng)對系統(tǒng)的擾動。上述研究主要針對電弧爐供配電網(wǎng)和電極系統(tǒng)的特性進(jìn)行研究和預(yù)測，并通過建立一些電弧爐時域模型和電氣系統(tǒng)仿真模型，以得到最優(yōu)的電能質(zhì)量和高效的功率輸入。

圖1 MSC工廠的電弧爐單線圖

圖2 電弧爐中電極的能量平衡示意圖

1.2 噴吹優(yōu)化

電弧爐煉鋼過程輸入的能量除電能外，還會進(jìn)行噴吹碳粉、天然氣等輔助燃料，以強(qiáng)化對電弧爐的能量輸入和鋼液中元素的氧化放熱，加速熔化期的進(jìn)行，調(diào)節(jié)鋼液中的元素含量。因此，噴吹燃料的種類、數(shù)量和噴吹器件的特性對電弧爐的冶煉周期與節(jié)能運(yùn)行具有重要影響。

氧氣射流和底吹攪拌技術(shù)是轉(zhuǎn)爐和電弧爐在煉鋼過程中攪拌鋼液和熔池?cái)_動最有效的措施之一。通過從爐體頂部和側(cè)壁集束氧槍、底部底吹氣體管道噴吹氧氣和底吹氣體，通過與鋼液間動量、質(zhì)量和能量的交換，有效調(diào)節(jié)爐內(nèi)熔池區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)動力和熔池混勻效果，并在能耗控制和強(qiáng)化冶煉上效果明顯[14-18]。

噴碳和輔助燃料、原料的合理注入可以加快冶煉進(jìn)程和促進(jìn)有害元素的去除，降低設(shè)備電耗，具有良好的節(jié)能環(huán)保效果。郭征[19]從原理、功能、特點(diǎn)等方面對燒嘴、氧槍等技術(shù)在降低電耗方面的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)敘述。魏光升[20]等介紹了EAF爐煉鋼工藝中CO2注入技術(shù)的最新創(chuàng)新和改進(jìn)，如圖3所示，表明底吹CO2可以增強(qiáng)熔池?cái)嚢璨⒏纳频娜コ?，同時具有良好的節(jié)能環(huán)保效果。

圖3 電弧爐煉鋼用浸沒式碳和石灰粉末噴射系統(tǒng)

1.3 余熱利用

孔祥茂[21]對國內(nèi)多個鋼廠進(jìn)行了電弧爐的能量平衡測定，指出爐內(nèi)供氧量和燃料增大后，需要回收隨之增加的煙氣廢熱并預(yù)熱廢鋼，實(shí)現(xiàn)更加高效的節(jié)能。東北大學(xué)韓穎[22]以洛陽中信重工有限公司75 t電弧爐為研究對象，對電弧爐的能量輸入進(jìn)行分析，建立了電弧爐能量平衡模型，得出了電爐冶煉熔化期的能量輸入策略。龐永剛[23]對電弧爐煉鋼過程中輸入-輸出能量的構(gòu)成進(jìn)行了量化分析，發(fā)現(xiàn)電弧爐的熱損失占輸入能量的40%，電弧爐的節(jié)能舉措包括：減少熱損和縮短冶煉時間。西門子奧鋼聯(lián)金屬技術(shù)公司[24]進(jìn)行了電弧爐的能量平衡分析，如圖4所示，并且提出利用廢氣余熱發(fā)電，結(jié)果表明完全燃燒的廢氣中大約20%的敏感熱量可以被加工成電能，降低鋼廠的電能需求，減少溫室氣體排放。馬曉茜[25]從已有的電弧爐能量平衡關(guān)系出發(fā)，計(jì)算了利用廢氣余熱預(yù)熱廢鋼的節(jié)能率。王禮正[26]介紹了熱管式余熱鍋爐在電弧爐煙氣余熱回收中的應(yīng)用。Keplinger T[27]提出了水冷熱氣管線的動態(tài)模型，并通過對如圖5所示的新安裝的帶有廢熱回收系統(tǒng)的電弧爐(EAF)的測量進(jìn)行了驗(yàn)證，用以最大限度利用蒸汽回收廢熱。Lee B[28]討論了使用垂直和水平軸對廢料進(jìn)行預(yù)熱的方法,介紹了將電爐的CO/CO2廢氣熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的未來可能方案。

圖4 電弧爐的能量平衡圖

圖5 電弧爐新型熱回收方法的流程圖

以上研究都是針對電弧爐煉鋼過程中的不同類型的能量進(jìn)行討論，從能量平衡的角度分析了煙塵煙氣的廢熱問題，并從宏觀角度探討煙氣廢熱回收再利用的方式。目前鋼鐵產(chǎn)業(yè)普遍使用的余熱利用方法為：通過冷卻水作為熱能輸送介質(zhì)，將熱能傳遞到汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電或用來生產(chǎn)生活熱水，以減少向周圍環(huán)境中熱能的排放，是目前鋼鐵產(chǎn)業(yè)使用較多的余熱利用方法。

1.4 集成控制技術(shù)

集成控制等計(jì)算機(jī)科學(xué)的先進(jìn)技術(shù)被引入鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域后，促使鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，解決了傳統(tǒng)鋼鐵領(lǐng)域的諸多問題。電弧爐煉鋼過程在集成和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與輔助決策操作后，在節(jié)材降耗，工序優(yōu)化和過程控制等方面取得了諸多進(jìn)步，國內(nèi)外諸多煉鋼廠也在實(shí)際生產(chǎn)中有所應(yīng)用。

Yuasa[29]將具有運(yùn)行監(jiān)控和運(yùn)行數(shù)據(jù)分析功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)引入了澀谷大同鋼鐵廠，并對噴碳工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明：相關(guān)技術(shù)可以節(jié)省耐火材料和電極消耗，優(yōu)化能量布局和提高電弧爐運(yùn)行效率。Morris[30]討論了水冷電弧爐爐壁和爐頂?shù)呐鋫?，含鐵球團(tuán)礦的用量，電極驅(qū)動系統(tǒng)中固態(tài)設(shè)備的使用及數(shù)字控制的應(yīng)用，考慮將電弧爐冶煉進(jìn)程中單個方面的計(jì)算機(jī)控制集成為爐況的最優(yōu)直接數(shù)字控制策略，降低能源成本。Cantacuzene 和Grant[31]描述了優(yōu)化電爐化學(xué)能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在Vallourec和Mannesmann Saint-Saulve工廠中成功的應(yīng)用了氧的優(yōu)化利用策略，并使用新設(shè)計(jì)的Dragon面板調(diào)試了PyreJet和Alarc PC系統(tǒng)。Ezz Flat Steel[32]工廠實(shí)現(xiàn)了電弧爐模塊化化學(xué)能系統(tǒng)布局，達(dá)到電力消耗減少了64 kW·h，耐火材料消耗減少48%，熔爐生產(chǎn)率提高了30%的效果。

以上研究成果表明，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制策略的飛速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)在電弧爐煉鋼過程中成功應(yīng)用后，可以有效降低原料消耗，節(jié)約能源，提高生產(chǎn)率。

2 電弧爐煉鋼過程中的傳熱行為研究現(xiàn)狀

電弧爐煉鋼過程可通過強(qiáng)化爐內(nèi)能量輸入，優(yōu)化能量布局等途徑，優(yōu)化爐內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程，并回收部分廢熱，以達(dá)到提高冶煉效率、降低冶煉成本和能耗的目的。電弧爐爐內(nèi)為三維非穩(wěn)態(tài)相變換熱過程，從廢鋼到鐵水的相態(tài)轉(zhuǎn)化、成分變化和溫度提升，鋼液流態(tài)的轉(zhuǎn)變等過程都涉及熱量的傳遞和交換，且影響節(jié)能工藝的實(shí)用效果。國內(nèi)外諸多學(xué)者對電弧爐煉鋼過程中的微觀傳熱傳質(zhì)行為進(jìn)行了大量研究，下文主要從電弧爐煉鋼過程中的輻射換熱和對流傳熱方面來探討和解釋熱量傳輸現(xiàn)象。

2.1 輻射傳熱

電弧爐煉鋼工作在高溫環(huán)境，其溫度范圍大致為1 500～1 650 ℃，電弧爐冶煉過程中，電弧爐爐內(nèi)的電極、廢鋼、鋼液、內(nèi)壁之間及電弧爐爐外壁與周圍建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間因較大的溫差而以電磁波輻射的方式進(jìn)行熱量交換。

中國科學(xué)院鄧晶[33]和A Blais[34]等分別采用磁矢量勢方法和電矢量勢方法對等離子體電弧模擬方法進(jìn)行研究，尋找電弧爐內(nèi)流動和傳熱狀況的方法，來滿足等離子體技術(shù)在危險廢棄物處理工業(yè)中的應(yīng)用需要。Khodabandeh E 和 Ghaderi M[35]采用基于輻射熱傳遞的模型來估計(jì)爐內(nèi)的溫度分布，提供了對爐內(nèi)溫度的現(xiàn)實(shí)且合理的預(yù)測。Opitz F[36]介紹了一種EAF的系統(tǒng)模型，如圖6所示，并且給出了內(nèi)部介質(zhì)帶來影響的輻射換熱方程式，考慮了表面和參與介質(zhì)之間的輻射熱傳遞，使用加權(quán)的灰色氣體總和模型以及簡化的粉塵輻射，如圖7所示，同時也給出介質(zhì)影響的的輻射換熱計(jì)算式，如式(1)所示：

qout=εσT4+(1-ε)qin.k

(1)

式中:右邊第一項(xiàng)表示該表面發(fā)射的輻射熱量，第二項(xiàng)表示由其他表面發(fā)射到該表面而被反射的輻射熱量。

圖6 通過結(jié)構(gòu)分析方法得出的EAF基本子系統(tǒng)的框圖

圖7 定義光譜幾何平均傳輸因子幾何關(guān)系的輻射表面圖[36]

現(xiàn)階段進(jìn)行輻射換熱計(jì)算的基本方法還是依據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼定律，即式(2)所示：

(2)

式中：Φ為實(shí)際物體單位時間輻射出去的熱量，J；ε為實(shí)際物體的發(fā)射率，又稱為黑度，其值總小于1，與物體的種類和表面狀態(tài)有關(guān)，而與周圍環(huán)境無關(guān)；A為輻射表面的表面積，m2；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常量，也稱黑體輻射常數(shù)，其值為5.67×10-8W/(m2·K4)；T1和T2分別為輻射物體和接受輻射能的物體的表面溫度，K。

由式(2)可知在煉鋼高溫場合，輻射熱損失的大小與爐體表面溫度的四次方成正比，輻射熱損失熱量是十分大的，也是傳熱環(huán)節(jié)必須引起重視的一環(huán)。

2.2 對流換熱

電弧爐煉鋼過程中，在初步形成熔池階段，當(dāng)高溫鋼液遇到低溫廢鋼與其他固體爐料，及在完全形成熔池后，冷熱鋼液因存在溫差而相互摻混，這些過程中伴隨著大量熱量的傳遞。電弧爐爐體與周圍環(huán)境中的空氣直接接觸，溫度較低的空氣受到爐體表面的加熱作用而體積膨脹，向上運(yùn)動；同時流經(jīng)電弧爐爐體的上、下爐殼、電極等處用于降溫保護(hù)的冷卻水也會被加熱，從而帶走部分熱量。上述過程中流體與固體或流體之間熱量的傳遞方式稱為對流換熱。

Niloofar Arzpeyma等[37]采用數(shù)值模擬方法研究了電弧爐中電磁場對熔池?zé)醾鬟f和流體流動的影響。王開力等[38]建立了以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)的三維電磁場數(shù)學(xué)模型，研究了直流電弧爐爐內(nèi)熔體的流動、傳熱規(guī)律。劉永軍[39]建立了直流電弧爐熔池內(nèi)電磁場、流場和溫度場的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算直流電弧爐熔池內(nèi)鋼液的磁場強(qiáng)度、流速與溫度的分布。Logar[40]研究了固態(tài)和液態(tài)鋼的性能對電弧爐(EAF)中的傳熱系數(shù)(HTC)的影響，Wang[41]建立了基于質(zhì)量，動量和能量守恒方程以及麥克斯韋方程的數(shù)學(xué)模型，用PHOENICS軟件包求解控制方程，以同時計(jì)算直流電弧爐電弧區(qū)和熔池區(qū)的流動與傳熱過程，探究了電弧傳熱和熔池循環(huán)的影響因素。

現(xiàn)階段用于對流換熱計(jì)算的基本方法是根據(jù)牛頓冷卻公式，即如式(3)所示：

Q=hmA(Tw-T∞)

(3)

式中：hm為換熱表面的平均表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Am為換熱面的表面積，m2；Tw和T∞分別為換熱表面和主流空氣的溫度，K。

由于電弧爐的爐體形狀不規(guī)則，在近壁面空氣受熱上升的過程中，受到的阻礙和擾動較大，特別是在抽吸風(fēng)機(jī)的影響下，空氣與爐外壁間的對流換熱不可忽略。

3 現(xiàn)狀探討與展望

3.1 現(xiàn)狀探討

根據(jù)以上對電弧爐煉鋼能量優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)的相關(guān)研究，表1總結(jié)和對比了現(xiàn)階段的電弧爐煉鋼節(jié)能工藝和傳熱行為的研究現(xiàn)狀。

表1 電弧爐煉鋼過程節(jié)能工藝和傳熱行為研究總覽

在電弧爐煉鋼過程的節(jié)能工藝研究方面，從宏觀尺度分析了電弧爐煉鋼過程中各工藝操作與能耗的關(guān)系，初步闡明了能量優(yōu)化輸入和提高能量利用率的方法。但在微觀尺度上，傳熱行為對電弧爐煉鋼過程中的廢鋼熔化、化學(xué)反應(yīng)、終點(diǎn)控制、熱損失等方面的作用尚不清楚，需進(jìn)一步探索電弧爐煉鋼過程中熱量的傳輸機(jī)理和熱損失特征規(guī)律。

在電弧爐煉鋼過程的傳熱行為研究方面，闡述了電弧爐煉鋼過程中輻射換熱和對流傳熱，初步闡明了電弧爐爐體和外部環(huán)境間的傳熱行為，研究了電弧爐煉鋼過程能量利用與溫度分布。然而，電弧爐煉鋼傳熱行為尚未與熔池內(nèi)劇烈化學(xué)反應(yīng)的影響進(jìn)行關(guān)聯(lián)，難以在宏觀尺度進(jìn)行溫度的量化分析，需要進(jìn)一步探索多元能量的協(xié)同作用，明確電弧爐煉鋼過程中能量的變化規(guī)律。

電弧爐煉鋼是高溫、多相的復(fù)雜工藝過程,其原料結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量來源多樣、各區(qū)域化學(xué)反應(yīng)不均衡，成分溫度差異大、爐體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，因而難以對電弧爐煉鋼過程中物質(zhì)、能量的轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行定量描述，特別是涉及微觀與宏觀層面上的多種能量的協(xié)同作用缺少研究，導(dǎo)致電弧爐煉鋼過程的能量如何實(shí)現(xiàn)最優(yōu)利用的研究缺乏理論的支撐。

國內(nèi)外在電弧爐煉鋼過程中的能量優(yōu)化、節(jié)能等方面進(jìn)行了一些研究，取得部分成果，但由于電弧爐爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，多種能量輸入間的耦合影響，鋼液流動對熔池內(nèi)反應(yīng)的作用機(jī)理與能量變化尚不清晰，因而影響了對電弧爐能量變化特征的準(zhǔn)確判斷，未能從機(jī)理上解析電弧爐煉鋼能量優(yōu)化的本質(zhì)。因此，在研究電弧爐煉鋼能量輸入的基礎(chǔ)上，從機(jī)理上揭示爐內(nèi)反應(yīng)、電極供電、爐體傳熱與鋼液溫度間的關(guān)系，研究電弧爐煉鋼多能源輸入的協(xié)同作用是很有必要的。

3.2 展 望

為深度探索電弧爐煉鋼過程能量構(gòu)成與協(xié)同作用，優(yōu)化電弧爐煉鋼能量結(jié)構(gòu),本文提出構(gòu)建電弧爐煉鋼過程實(shí)時能量輸入與輸出的關(guān)系，將電弧爐劃分為“熔池區(qū)”與“爐體區(qū)”，如圖8所示，以整個電弧爐冶煉過程為研究對象，集成“熔池區(qū)”與“爐體區(qū)”的傳質(zhì)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)行為，探索多元能量的協(xié)同作用，提出最優(yōu)能量輸入模式。具體展望與建議如下：

圖8 電弧爐區(qū)域劃分與能量構(gòu)成研究示意圖

(1)研究電弧爐煉鋼過程中的元素氧化順序、計(jì)算不同熔池溫度和鋼液成分下的碳、硅、錳、磷、鉻、鎳、釩等元素的元素氧化反應(yīng)熱，分析熔池內(nèi)多種元素反應(yīng)熱的能量輸入特征；

(2)根據(jù)傳熱學(xué)邊界層理論和傳熱規(guī)律，基于斯蒂芬·玻爾茲曼定律、基爾霍夫定律和蘭貝特余弦定律等輻射傳熱計(jì)算理論，結(jié)合數(shù)值模擬軟件Fluent，確定電弧爐煉鋼過程中爐體區(qū)輻射換熱和對流傳熱方式與傳熱量，得出一種判斷電弧爐煉鋼過程爐體區(qū)熱損失的計(jì)算方法；

(3)通過電弧爐煉鋼過程熱平衡中輸入輸出能量的轉(zhuǎn)化與守恒關(guān)系，分析電弧爐煉鋼過程中以金屬噴濺、爐門流渣、煙塵排放等形式離開爐體的散熱量，綜合評價“金-渣-氣”熱損失；

(4)分析各單元能量輸入輸出等操作對電弧爐煉鋼溫度的影響,針對電弧爐區(qū)域劃分，在冶煉過程中實(shí)時進(jìn)行熔池區(qū)內(nèi)的劇烈氧化反應(yīng)分析，計(jì)算能量輸入、能量形式變化和鋼液流動的傳熱、爐體區(qū)傳熱計(jì)算，為電弧爐煉鋼過程實(shí)時能量優(yōu)化和節(jié)能技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

作為高品質(zhì)特殊鋼冶煉的主要工藝流程，電弧爐煉鋼在工業(yè)節(jié)能減排日趨重視的背景下，對過程節(jié)能與優(yōu)化提出了更高的要求。綜合國內(nèi)外關(guān)于電弧爐煉鋼過程節(jié)能工藝和傳熱行為發(fā)展的研究現(xiàn)狀，得出以下結(jié)論：

(1)針對電弧爐煉鋼過程中的節(jié)能工藝發(fā)展，從供電研究、噴吹優(yōu)化、操作控制智能化應(yīng)用和余熱回收利用四個方面綜述了現(xiàn)階段國內(nèi)、外在電弧爐煉鋼的節(jié)能工序流程和節(jié)能降耗效果，總結(jié)了電弧爐煉鋼過程中各工藝操作與能耗的關(guān)系，初步闡明了能量優(yōu)化輸入和能量利用率提高的方法。

(2)在電弧爐煉鋼過程中的傳熱行為研究方面，從輻射傳熱和對流換熱的角度介紹了電弧爐煉鋼過程中爐內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)過程及鋼液溫度、流速等理化特性的影響，初步闡明了電弧爐爐體與外部環(huán)境間的傳熱行為，優(yōu)化了電弧爐煉鋼過程能量利用與溫度分布。

(3)電弧爐爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，多種能量輸入相互影響、鋼液流動對熔池內(nèi)反應(yīng)與能量變化的作用機(jī)理尚不清晰，影響了對電弧爐能量變化特征的準(zhǔn)確判斷，未能從機(jī)理上揭示電弧爐煉鋼能量優(yōu)化的本質(zhì)。后續(xù)研究需要在研究電弧爐煉鋼能量輸入的基礎(chǔ)上，探索爐內(nèi)反應(yīng)、電極供電、爐體傳熱與鋼液溫度的微觀機(jī)理，研究電弧爐煉鋼多種能源輸入的協(xié)同作用。

(4)針對現(xiàn)階段電弧爐煉鋼過程中的宏觀節(jié)能技術(shù)與微觀傳熱行為、及多種能量的協(xié)同作用缺少關(guān)聯(lián)研究的問題，本文提出構(gòu)建電弧爐煉鋼過程實(shí)時能量輸入輸出轉(zhuǎn)化關(guān)系，將電弧爐劃分為“熔池區(qū)”與“爐體區(qū)”，以整個電弧爐冶煉過程為研究對象，集成“熔池區(qū)”與“爐體區(qū)”的傳質(zhì)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)行為，探索多元能量的協(xié)同作用，提出最優(yōu)能量輸入模式，為優(yōu)化工業(yè)節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)和鋼材料制造高品質(zhì)、潔凈化的升級提供理論基礎(chǔ)。