侯紅杰

（中鋼石家莊工程設(shè)計研究院有限公司，河北 石家莊 050020）

金屬冶煉加熱爐是將金屬原料加熱到金屬軋制鍛造溫度的生產(chǎn)設(shè)備，又稱金屬冶煉工業(yè)爐，其已經(jīng)成為金屬冶煉工藝的核心設(shè)備之一，由于其具有操作簡單、維修方便、加熱效率快等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到化工、冶金、熱處理等諸多行業(yè)領(lǐng)域中。在冶金行業(yè)中，加熱爐分為連續(xù)加熱爐和室式加熱爐，從生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量角度來看，連續(xù)加熱爐更優(yōu)于室式加熱爐。金屬冶煉加熱爐加熱效率可以達(dá)到95%以上，100%負(fù)載持續(xù)率，可以連續(xù)48 小時處于加熱狀態(tài)，在加熱過程中沒有明火，操作安全。雖然金屬冶煉加熱爐具有多個優(yōu)點，但是在實際生產(chǎn)中其能量消耗也是比較大的，其中包括電能、熱能，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表示，金屬冶煉加熱爐能耗占冶煉整個過程能耗的50%以上，是金屬冶煉企業(yè)生產(chǎn)成本的主要源頭之一。因此節(jié)能降耗方法成為了控制金屬冶煉加熱爐能源浪費的必要手段，同時也是降低金屬冶煉企業(yè)生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。目前金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗所使用的方法，只是單方面從控制電極角度出發(fā)，利用電極控制系統(tǒng)降低加熱爐電極消耗，傳統(tǒng)方法雖然在一定程度上起到了節(jié)能降耗的作用，當(dāng)時節(jié)能降耗效果不夠明顯，加熱爐電耗量仍舊比較大，為此提出金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗方法研究。

1 金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗方法

1.1 優(yōu)化金屬冶煉加熱爐料結(jié)構(gòu)

金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)是加熱爐長期穩(wěn)定運行的重要保證，其不僅可以影響金屬冶煉質(zhì)量，而且還會影響到金屬冶煉加熱爐運行過程中電能消耗。通常情況下，金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)為75%自由碳、20%剩余碳、5%自由氧，該加熱爐爐料結(jié)構(gòu)的冶煉性能比較單一，在實際加熱冶煉過程中爐料的軟化開始溫度和熔化開始溫度都比較低，軟化和熔化溫度區(qū)間比較寬，最大壓差也比較大，不利于金屬冶煉加熱爐進(jìn)一步強(qiáng)化冶煉和降低能耗[1]。因此此次從金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)入手，通過對各個爐料成分分析，探索出新的加熱爐爐料結(jié)構(gòu)，從而改善金屬冶煉加熱爐加熱性能，促進(jìn)節(jié)能降耗。

金屬冶煉加熱爐運行過程共分為五個階段，包括四次熔清，一次出料，其主要是實現(xiàn)對爐料的冶煉，而碳作為金屬冶煉加熱爐爐料中的主要金屬元素，對于金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，首先要了解碳含量在加熱過程中的平均值和波動情況，具體如下表所示。

表1 碳含量的平均值和波動情況

結(jié)合上表，以碳氧平衡原理對金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)中的自由碳含量進(jìn)行計算，其計算公式如下：

公式（1）中，C 表示為自由碳在金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)含量；%DRI 表示為與自由碳發(fā)生反應(yīng)的自由氧量；%O表示為冶煉中金屬原料量；k 表示為自由碳波動標(biāo)準(zhǔn)差（參照表1）；n 表示為自由碳波動變異系數(shù)值（參照表1）[2]。利用上表計算出金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)中的自由碳含量，公式（1）中自由氧量為爐料結(jié)構(gòu)中的自由氧含量，其計算公式如下：

公式（2）中，%pig 表示為金屬原料中碳的百分含量；為出料量。利用上述公式計算出金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)中的自由碳和自由氧含量，單位為%，剩余碳的含量計算公式為：

公式（3）中，K 為剩余碳的含量。利用上述公式計算出金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)，根據(jù)金屬加熱爐容量以及實際生產(chǎn)情況，確定了爐料結(jié)構(gòu)為80%自由碳、10%剩余碳、10%自由氧，以此完成金屬冶煉加熱爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.2 控制金屬冶煉加熱爐冶煉焦比參數(shù)

冶煉焦比是高爐冶煉過后才能中的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，通過對冶煉焦比參數(shù)進(jìn)行合理控制可以有效降低金屬冶煉加熱爐能源消耗[3]。根據(jù)金屬冶煉加熱爐中碳的平衡特征，根據(jù)物料平衡以及熱量平衡算法，對冶煉焦比進(jìn)行計算，其計算公式如下所示：

公式（4）中，δ 表示為冶煉焦比；dc表示為每完成對一噸金屬材料冶煉直接還原消耗量；bc表示為燃燒前儲存碳量；jc表示為噴吹過程中燃料消耗碳量；kc表示為焦炭固定碳量；a'表示為生成甲烷比例。除此之外，影響冶煉焦比參數(shù)的因素還包括原始燃料的質(zhì)量、熱爐相關(guān)操作參數(shù)、冶煉條件以及噴煤量等。因此，實現(xiàn)對金屬冶煉加熱爐冶煉焦比參數(shù)的控制，應(yīng)當(dāng)在保證熱爐平穩(wěn)運行的條件下，對原始燃料的品質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格管控，選用各項指標(biāo)均符合要求的精料。嚴(yán)格根據(jù)冶煉過程中的客觀條件，依靠現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行降焦處理，結(jié)合熱爐裝料制度以及調(diào)劑制度，在標(biāo)準(zhǔn)化管理下完成操作，并將管理與技術(shù)相融合，達(dá)到降低冶煉焦比的目的。同時，控制冶煉焦比參數(shù)是一個系統(tǒng)工程，與冶煉高爐的各項參數(shù)之間存在著相互影響，選取的原料條件越高，則冶煉焦比更容易得到有效降低；冶煉高度用風(fēng)溫度越高，則冶煉焦比更容易得到有效降低。通常情況下，煤氣當(dāng)中含有的二氧化碳每增加1%，冶煉焦比則會下降14.5kg/t.Fe。以此，通過降低金屬冶煉加熱爐冶煉焦比參數(shù)，實現(xiàn)金屬冶煉降耗。

2 實驗

實驗以某金屬冶煉加熱爐為實驗對象，該金屬冶煉加熱爐型號為GKDS-230K，定額容量為150T，爐內(nèi)直徑為6500mm，熔池深度為1350mm，變壓器定額容量為100MVA，一次電壓和二次電壓分別為65kV、450V，二次額定電流為80kA，電極直徑為550mm，電極級心圓為1250mm，電極形成為5500mm。該加熱爐目前平均電耗為365.25kWh/t，在生產(chǎn)過程中最低電耗為324.45kWh/t，最大電耗可以達(dá)到386.42kWh/t。

除此之外，電極消耗近兩年來在1.45kg/t～1.85kg/t 之間，該金屬加熱爐電能消耗占生產(chǎn)總能耗53.4%，利用此次設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法對該金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗。實驗中加熱爐爐料配比為80%自由碳、10%剩余碳、10%自由氧，冶煉時間為16 小時，金屬原料為5t，記錄兩種方法加熱爐電耗量，將其作為實驗結(jié)果，對兩種節(jié)能降耗方法對比分析，實驗結(jié)果如下表所示。

表2 兩種方法金屬冶煉加熱爐電耗量對比（kWh/t）

從上表可以得出以下結(jié)論：此次設(shè)計節(jié)能降耗方法金屬冶煉加熱爐電耗量平均為259.45kWh/t，最大電耗僅為286.24kWh/t，最低電耗量可以達(dá)到246.82；而傳統(tǒng)方法金屬冶煉加熱爐電耗量雖然有所降低，但平均電耗量為356.45kWh/t，與設(shè)計方法相比較高，而且最大電耗量可以達(dá)到375.45kWh/t，與設(shè)計方法相比金屬冶煉加熱爐電耗量較高，因此證明了此次設(shè)計金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗方法具有良好的實用性，可以有效降低金屬冶煉加熱爐電耗量。

3 結(jié)語

本文結(jié)合目前金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗方法存在的弊端，在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上對其進(jìn)行優(yōu)化和完善，設(shè)計了一種新的金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗方法，該方法從爐料結(jié)構(gòu)、冶煉焦比參數(shù)等角度出發(fā)，控制金屬冶煉加熱爐電能消耗量，實現(xiàn)金屬冶煉加熱爐加熱過程的高效節(jié)能節(jié)電，對促進(jìn)金屬冶煉行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，降低金屬冶煉加熱爐加熱工序的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效率和競爭力具有重要現(xiàn)實意義，同時還為分析金屬冶煉加熱爐的節(jié)能降耗技術(shù)，制定節(jié)能降耗策略和措施提供借鑒。