礦熱爐可視化技術及其經(jīng)濟性分析

牛書寧 NIU Shu-ning；李國芳 LI Guo-fang；尹帥 YIN Shuai

（①寧夏回族自治區(qū)工業(yè)和信息化融合促進中心，銀川 750000；②衡陽鐳目科技有限責任公司,衡陽 421000）

0 引言

鐵合金作為基本原料，主要被應用于鋼鐵冶煉，同時也被廣泛應用于金屬熱加工及化學化工等。以脫氧劑或元素添加劑的形式被加入鋼鐵冶煉過程中，從而使鋼材具備某一特性。因此，鐵合金行業(yè)與鋼鐵行業(yè)休戚與共，各自互相影響。鐵合金產(chǎn)品種類繁多，按照主含元素可分為：硅系、錳系、鉻系、釩系、鈦系、鎢系、鉬系等鐵合金；含有兩種及以上元素稱為多元鐵合金，主要包含：硅鈣、硅鋁、硅錳、硅鈣鋁、硅鋇鈣等。鐵合金行業(yè)屬于能源和資源密集型產(chǎn)業(yè)，電力消耗成本在生產(chǎn)總成本中占比約60%，主要耗能設備為礦熱爐，礦熱爐的耗電量與爐況密切相關。由于技術差距，企業(yè)間的能耗差別也非常大，高電耗成本使得許多礦熱爐冶煉廠缺少了市場競爭力。因此,降低電能消耗是礦熱爐企業(yè)特別關注的問題之一，在礦熱爐的節(jié)能技術方向進行深入探索，對降低企業(yè)生產(chǎn)成本、節(jié)能減排以及環(huán)境保護等方面具有十分重要的意義。

1 國內(nèi)鐵合金行業(yè)現(xiàn)狀介紹

中國作為鐵合金生產(chǎn)大國，產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的40%，由于多種綜合因素決定，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鐵合金行業(yè)也形成了一定規(guī)模的聚集效應。我國鐵合金產(chǎn)業(yè)集群八成以上集中分布在西南、西北、華北、中南區(qū)域，其中內(nèi)蒙古、廣西、寧夏、貴州、湖南、青海和四川等省（區(qū)）產(chǎn)業(yè)集中度最高。從產(chǎn)業(yè)布局方面看，貴州、廣西、寧夏、內(nèi)蒙古坐擁豐富的錳礦資源，逐步發(fā)展出錳系鐵合金生產(chǎn)集群；甘肅、寧夏、青海、內(nèi)蒙古擁有豐富硅石資源和火電資源，逐漸形成硅系鐵合金生產(chǎn)集群，2015年以來，國家清退散亂產(chǎn)能，上述4省區(qū)集群效益更為突出[1]；四川、貴州由于水電能源優(yōu)勢，內(nèi)蒙古由于資源優(yōu)勢，山西作為全國最大不銹鋼生產(chǎn)地具有消費優(yōu)勢，形成了鉻系鐵合金生產(chǎn)集群；山東、江蘇擁有港口城市，依托鎳礦資源進口優(yōu)勢形成了鎳鐵生產(chǎn)集群；而在各個省份之中，內(nèi)蒙古由于無法替代的資源能源優(yōu)勢在大部分鐵合金種類生產(chǎn)中都占據(jù)了主導地位[2]。寧夏經(jīng)過多年發(fā)展，已形成鐵合金產(chǎn)能450萬噸，規(guī)模以上企業(yè)50余家產(chǎn)量占全國的10%，是全國重要的冶金爐料生產(chǎn)基地。鐵合金行業(yè)建成國內(nèi)單臺容量最大的63000kVA礦熱爐，25000kVA及以上礦熱爐占全部爐型的70%，鐵合金余熱發(fā)電覆蓋率達到85%以上，裝備大型化、密閉化、節(jié)能化、自動化成為行業(yè)發(fā)展主流，一批先進成熟的節(jié)能技術得到普及推廣，自動搗料控制及自動加料系統(tǒng)得到普遍應用，余熱余壓綜合利用、低壓無功補償、余熱發(fā)電等節(jié)能技術全面推廣。

從鐵合金產(chǎn)量分析，2007－2021年我國鐵合金產(chǎn)量情況如圖1所示，總體呈現(xiàn)出有增有減的不穩(wěn)定的態(tài)勢；2007－2014年的八年間，我國鐵合金處于產(chǎn)量逐年遞增的強勢期，2014年度年產(chǎn)量高達3786萬t；2015－2018年產(chǎn)量連續(xù)4年下降，進入弱勢期；2019年鐵合金產(chǎn)量又大幅回升至3657.7萬t；2020-2021年兩年產(chǎn)量相較2019年有少許下降。從同比增速變化上看，2007-2021年我國鐵合金產(chǎn)量同比增速變化如圖1所示，2007-2011年總產(chǎn)量穩(wěn)定地逐年上升，但同比增速呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的“W”型波動態(tài)勢，且波動幅度很大，其中2009年同比增速為20.4%，2011年同比增速為22.7%；2012-2019年，同比增速呈現(xiàn)出“U”型，2012、2013以及2019年同比增速為15%、14.7%和16.4%，2015和2016兩年負增長，同比增速分別為-2.6%和-2.8%（數(shù)據(jù)來源國家統(tǒng)計局，由于數(shù)據(jù)修正的原因，產(chǎn)量增減與同比增速有差異）。通過15年產(chǎn)量數(shù)據(jù)的分析，可以看到鐵合金產(chǎn)量及其同比增速總體是上下波動的。主要是由于鐵合金行業(yè)作為鋼鐵行業(yè)的上游，對于鋼鐵行業(yè)依附性很大，其產(chǎn)量也基本由鋼鐵行業(yè)需求決定，所以鐵合金產(chǎn)量的波動主要來源于鋼鐵產(chǎn)量的波動，且作為依附從屬行業(yè)其波動程度更容易被放大。

圖1 我國2007-2021年鐵合金產(chǎn)量及同比增速

鐵合金行業(yè)大多是中小型企業(yè)，產(chǎn)能集中度不夠，對外議價能力不足，導致行業(yè)對外依附和從屬性質明顯。近些年來，政府對行業(yè)宏觀調(diào)控干預，集中清退及整合了鐵合金行業(yè)的落后產(chǎn)能，問題得到了明顯的改善。鐵合金行業(yè)在自動化和智能化方面也有一定進展，目前礦熱爐控制系統(tǒng)普遍采用PLC控制，一些大型電爐上已經(jīng)配備了自動化加料系統(tǒng)、煙塵處理系統(tǒng)、余熱發(fā)電系統(tǒng)等[3]。

2 礦熱爐目前存在的問題分析

鐵合金行業(yè)是我國冶金工業(yè)的重要組成部分，該行業(yè)屬于能源和礦產(chǎn)資源密集型行業(yè)，在生產(chǎn)中平均電力消耗成本占總成本比例約60%，除塵設施、通風設施、變壓器等都是能耗較大的設備，但最主要的耗電設備還是礦熱爐[4]。鐵合金行業(yè)被列入“兩高一資”受到限制后，沒有緊跟國家產(chǎn)業(yè)升級轉型的步伐，導致內(nèi)部過度競爭，企業(yè)經(jīng)營狀態(tài)糟糕，行業(yè)技術研發(fā)和科技創(chuàng)新腳步緩慢，不同企業(yè)間能效水平差距較大。在國家“雙碳”政策的大趨勢下，鐵合金行業(yè)將加速產(chǎn)業(yè)向“節(jié)能降碳”方向的轉型，為滿足環(huán)境保護和產(chǎn)業(yè)轉型的需求，各省市自治區(qū)根據(jù)國家相關行業(yè)政策對冶煉電耗高、容量小的礦熱爐進行淘汰，建設大型密閉礦熱爐，進而促進產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整轉型。近期，工信部等四部門發(fā)布《鐵合金行業(yè)節(jié)能降碳改造升級實施指南》提出，到2025年，鐵合金行業(yè)產(chǎn)能在能效標桿水平之上的企業(yè)比例要達到30%，硅鐵、錳硅合金能效在基準水平之下的落后產(chǎn)能將基本清退，行業(yè)節(jié)能降碳要取得顯著效果，綠色低碳發(fā)展能力要大幅提高。

鐵合金行業(yè)最大的成本是礦熱爐的電能消耗，同時能量利用率低也是鐵合金行業(yè)最棘手的問題之一。礦熱爐的電能消耗由礦熱爐操作電阻以及爐內(nèi)熱分配有關，主要由電極插深以及熔池位置所決定。在礦熱爐系統(tǒng)中，由于二次側電數(shù)據(jù)難以采集，無法明確電極插深位置，許多礦熱爐功率因數(shù)低（＜0.6），有效功率與額定功率相差甚遠，額外地浪費了大量電能。除此之外，由于電極插深不明還會產(chǎn)生爐內(nèi)熱量流失、爐底上漲、料面刺火、料面溫度過高等問題。鐵合金企業(yè)生產(chǎn)崗位作業(yè)環(huán)境差，在冶煉過程中，粉塵、有毒氣體、熱輻射、噪音以及振動等問題，都影響著職工的安全和健康。鐵合金行業(yè)自動化程度低，工人需要在惡劣環(huán)境下保持高強度勞動，導致行業(yè)對年輕勞動力吸引力不足，出現(xiàn)年齡斷層以及用工荒。

3 問題原因分析

在礦熱爐中，電極插入爐料的深度決定了系統(tǒng)的操作電阻、熔池與爐料的熱量分配以及三相功率平衡等重要冶煉參數(shù)。在實際生產(chǎn)中，由于電弧放電電極會一直燒蝕損耗，電極末端位置不斷變化，導致冶煉參數(shù)一直處于動態(tài)變化過程中，礦熱爐無法穩(wěn)定在最佳工作狀態(tài)。為了達到最佳冶煉效果，實時將礦熱爐各項參數(shù)控制在最佳工作點，需要不斷上抬或下放電極來改變電極插深。礦熱爐電極一般入料1.8m-2m[5]，電極插入過深可能會與熔池短接，導致跳閘事故；電極插入過淺，會導致熔池溫度過低、爐底上漲、塌料、刺火等問題。在實際生產(chǎn)中，操作員通過變壓器一二次側三相電流、電壓、功率等電數(shù)據(jù)以及料面溫度、煙塵大小、吃料速度等經(jīng)驗值判斷和調(diào)節(jié)電極位置。礦熱爐的參數(shù)控制主要根據(jù)人工經(jīng)驗，操作員的水平參差不齊就會導致爐況不穩(wěn)定[6]。為了時刻將爐礦維持在最佳工作狀態(tài)，需要非常高頻率地調(diào)節(jié)電極位置，完全依靠人工經(jīng)驗調(diào)節(jié)電極極易發(fā)生疲勞，導致操作頻次過低或操作失誤，影響冶煉能耗和礦耗等關鍵技術和經(jīng)濟指標。為了改善現(xiàn)狀，鐵合金企業(yè)亟需電極插深測量、爐況判斷以及自動化智能化爐況調(diào)節(jié)系統(tǒng)來輔助生產(chǎn)。礦熱爐冶煉利用電弧放電產(chǎn)生熱量冶煉礦石，爐變將一次側的高電壓低電流轉換為二次側的高電流低電壓，使得電極電流高達100kA，由于電極電流非常大，對于二次側電流數(shù)據(jù)的采集就變得非常困難，電極插深的調(diào)節(jié)想要實現(xiàn)自動化控制也就無從談起。電極插深的控制是礦熱爐控制的核心，礦熱爐的電極插深無法實現(xiàn)自動化控制，鐵合金企業(yè)就無法實現(xiàn)真正意義上的自動化生產(chǎn)和智能化工廠。

4 礦熱爐可視化技術

通過礦熱爐可視化技術，可以實現(xiàn)電極插深的精準檢測，并對礦熱爐內(nèi)部進行3D建模，使得企業(yè)能夠實時監(jiān)控爐內(nèi)工況，在此基礎上可以實現(xiàn)對工廠的整體自動化改造和智能化工廠搭建。該技術能很好的指導企業(yè)生產(chǎn)，顯著降低電單耗、提高企業(yè)生產(chǎn)效率、達成節(jié)能減排目標、優(yōu)化現(xiàn)場惡劣環(huán)境以及解決用工難等相關問題。

礦熱爐工作時，爐側變壓器將一次側的高電壓低電流轉換為二次側的高電流低電壓，通常能使電極電流達到數(shù)十上百kA。強電流會在礦熱爐外會形成強磁場，由比奧-薩法爾定律知（見式（1）），該磁場分布情況由電極位置以及電流大小所決定見（見式（2））。

電極上抬或者下放時，會顯著引起爐外磁場分布的改變，通過監(jiān)測爐外磁場分布的變化，能準確反映爐內(nèi)電極位置的變化情況。電極變化時，爐外磁場分布變化如圖2所示。不同顏色的線代表電極末端處于不同位置時（離爐底800mm-1000mm）磁感應強度隨傳感器離地面高度的變化關系。

圖2 磁感應強度隨傳感器離地面高度z變化關系

礦熱爐可視化技術采用爐外磁場法測量電極入料深度，電極工作時的大電流會在爐體外產(chǎn)生磁場，電極下插深度的不同，磁場強度會產(chǎn)生變化。在爐外豎直方向布置對應3套檢測3個電極的陣列電磁傳感器（兩兩夾角呈120°），陣列電磁傳感器測得3個電極產(chǎn)生的磁場信號，將此磁場信號處理轉化成數(shù)字信號上傳至系統(tǒng)，通過可視化軟件分析處理數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)電極插入深度的實時3D可視化，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)方案示意圖

礦熱爐外殼覆蓋導電金屬材料，會對磁場檢測傳感器產(chǎn)生影響，特別是包括爐蓋、爐壁在內(nèi)的鐵磁性材料，通過抗電磁干擾技術，使干擾對傳感器的影響程度降低。在陣列傳感器中，將每個線圈的角度控制在合適的范圍，可以極大地提高信號強度，反之角度控制在不合適的范圍內(nèi)，則會降低信號強度，所以線圈角度的計算和控制技術也是關鍵之一。礦熱爐可視化最終目的是將礦熱爐內(nèi)看不到的東西顯示出來，通過三維顯示的方式向用戶展示礦熱爐內(nèi)電極末端高度和關鍵數(shù)據(jù)。

礦熱爐電極測量可視化系統(tǒng)分為磁場檢測傳感器、儀表、機械裝置、電氣設備、工控機、軟件幾個部分。其中磁場檢測傳感器位于礦熱爐爐壁外，實現(xiàn)將電極插入深度轉換為電信號；電子單元即模數(shù)轉換設備，位于礦熱爐現(xiàn)場附近，實現(xiàn)對電信號進行處理，并將其轉換為數(shù)字信號，發(fā)送到工控機進行電極磁場分析和計算；工控機用于接收數(shù)字信號，并承載礦熱爐軟件；軟件運行于工控機上，使系統(tǒng)具備電極末端位置測量、3D可視化、信號曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲的功能。系統(tǒng)主界面顯示分為：功能按鈕欄、電極相關狀態(tài)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、電極末端位置趨勢圖、狀態(tài)欄、電極3維動態(tài)模型與原始曲線7個部分，如圖4所示。

圖4 礦熱爐電極測量可視化系統(tǒng)3D顯示界面

5 經(jīng)濟效益分析

以寧夏某生產(chǎn)硅鈣鐵合金企業(yè)為例，該企業(yè)2021年8-12月份硅鈣產(chǎn)量以及月電單耗如表1所示，8月份月平均單耗為11657kWh/t，9月份平均單耗為10636kWh/t，10月份平均單耗為11247kWh/t，11月份電單耗為10693kWh/t，12月份電單耗為10961kWh/t。以8月份電單耗為基準，9月份電單耗降低8.76%，10月份電單耗下降3.52%，11月份電單耗下降8.27%，12月份電單耗下降5.97%，9-12月份平均電單耗降低6.63%。由該例子可知，礦熱爐可視化技術準確測量電極位置后，企業(yè)生產(chǎn)中將電極末端調(diào)整至合理位置，平均可將企業(yè)生產(chǎn)能耗降低6.63%。該企業(yè)年產(chǎn)量10353t，總耗電1.14×108kWh，該企業(yè)年電耗降低6.63%可節(jié)約7.56×106kWh，電費0.45元/kWh可為企業(yè)單個爐子節(jié)省340萬元/年；每305.5g發(fā)電標準煤炭可發(fā)電1kWh（2020年國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)標準），相當于每個爐子可節(jié)省2310t標準煤炭/年；根據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)，工業(yè)鍋爐每燃燒1噸標準煤產(chǎn)生硫氮氧化物為：CO22620kg、SO28.5kg、氮氧化物7.4kg。所以每個爐子可減少CO2排放量6052.2t/年，SO2排放量19.6t/年，氮氧化物17.1t/年。

表1 2021年8-12月份硅鈣產(chǎn)量以及月電單耗

以寧夏某生產(chǎn)硅鐵合金企業(yè)為例，該企業(yè)2022年1月電單耗為8557kWh/t，2月份電單耗為8658kWh/t，根據(jù)GB 21341-2017鐵合金單位產(chǎn)品能源消耗限額規(guī)定硅鐵2級能耗單位產(chǎn)品冶煉單耗≤8300kWh/t，該標準規(guī)定新建或擴建鐵合金生產(chǎn)企業(yè)的單位產(chǎn)品能耗準入值指標包括，單位產(chǎn)品冶煉電耗限定值應不大于2級能耗指標。若該企業(yè)也采用礦熱爐可視化技術，預計平均電單耗可降低3.57%。

6 結束語

鐵合金行業(yè)普遍存在能耗大，能量利用率低等問題。隨著人類經(jīng)濟社會持續(xù)高速發(fā)展，環(huán)境資源有限對社會經(jīng)濟發(fā)展的掣肘效應越來越嚴重，為實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的艱巨任務，要不斷探索節(jié)能降碳新技術和新模式。鐵合金作為“兩高一資”傳統(tǒng)行業(yè)，是探索節(jié)能降碳及生態(tài)環(huán)境保護與技術創(chuàng)新經(jīng)濟發(fā)展相契合的新技術、新模式的排頭兵。鐵合金生產(chǎn)企業(yè)積極響應國家號召，達成產(chǎn)能置換、產(chǎn)業(yè)升級、節(jié)能降碳的目標，一是要走差異化道路，保持鐵合金行業(yè)優(yōu)勢，穩(wěn)定總量，以循環(huán)化、綠色化、智能化、多元化發(fā)展為方向，支持骨干企業(yè)通過兼并、收購聯(lián)合重組等方式，組建大型鐵合金集團，推動產(chǎn)業(yè)走集中化、大型化、基地化發(fā)展路子，提高行業(yè)競爭力；二是積極推進產(chǎn)品多元化發(fā)展，在鞏固硅鐵、硅錳普通合金產(chǎn)品基礎上，鼓勵發(fā)展高純硅鐵、高硅硅錳、硅鈣鋇鋁、稀土合金等特種合金爐料等高附加值產(chǎn)品，提高產(chǎn)業(yè)鏈延伸力；三是走技術創(chuàng)新可視化的路子，鼓勵企業(yè)、院所開展技術研發(fā)和自主創(chuàng)新，提升裝備水平和冶煉技術，全面實施礦熱爐可視化、礦熱爐尾氣余熱余壓再利用、固廢綜合利用，提高尾氣制備乙醇、天燃氣、合成氨等化工產(chǎn)品的比例，開辟節(jié)能降碳新路徑。