金屬冶煉加熱爐節能降耗方法研究

侯紅杰

（中鋼石家莊工程設計研究院有限公司，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設備，又稱金屬冶煉工業爐，其已經成為金屬冶煉工藝的核心設備之一，由于其具有操作簡單、維修方便、加熱效率快等優點，已經被廣泛應用到化工、冶金、熱處理等諸多行業領域中。在冶金行業中，加熱爐分為連續加熱爐和室式加熱爐，從生產效率和生產質量角度來看，連續加熱爐更優于室式加熱爐。金屬冶煉加熱爐加熱效率可以達到95%以上，100%負載持續率，可以連續48 小時處于加熱狀態，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點，但是在實際生產中其能量消耗也是比較大的，其中包括電能、熱能，據有關統計數據表示，金屬冶煉加熱爐能耗占冶煉整個過程能耗的50%以上，是金屬冶煉企業生產成本的主要源頭之一。因此節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生產成本的關鍵。目前金屬冶煉加熱爐節能降耗所使用的方法，只是單方面從控制電極角度出發，利用電極控制系統降低加熱爐電極消耗，傳統方法雖然在一定程度上起到了節能降耗的作用，當時節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能降耗方法研究。

1 金屬冶煉加熱爐節能降耗方法

1.1 優化金屬冶煉加熱爐料結構

金屬冶煉加熱爐爐料結構是加熱爐長期穩定運行的重要保證，其不僅可以影響金屬冶煉質量，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構為75%自由碳、20%剩余碳、5%自由氧，該加熱爐爐料結構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，軟化和熔化溫度區間比較寬，最大壓差也比較大，不利于金屬冶煉加熱爐進一步強化冶煉和降低能耗[1]。因此此次從金屬冶煉加熱爐爐料結構入手，通過對各個爐料成分分析，探索出新的加熱爐爐料結構，從而改善金屬冶煉加熱爐加熱性能，促進節能降耗。

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構的優化，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

結合上表，以碳氧平衡原理對金屬冶煉加熱爐爐料結構中的自由碳含量進行計算，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構含量；%DRI 表示為與自由碳發生反應的自由氧量；%O表示為冶煉中金屬原料量；k 表示為自由碳波動標準差（參照表1）；n 表示為自由碳波動變異系數值（參照表1）[2]。利用上表計算出金屬冶煉加熱爐爐料結構中的自由碳含量，公式（1）中自由氧量為爐料結構中的自由氧含量，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構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構，根據金屬加熱爐容量以及實際生產情況，確定了爐料結構為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構優化。

1.2 控制金屬冶煉加熱爐冶煉焦比參數

冶煉焦比是高爐冶煉過后才能中的主要技術經濟指標，通過對冶煉焦比參數進行合理控制可以有效降低金屬冶煉加熱爐能源消耗[3]。根據金屬冶煉加熱爐中碳的平衡特征，根據物料平衡以及熱量平衡算法，對冶煉焦比進行計算，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，影響冶煉焦比參數的因素還包括原始燃料的質量、熱爐相關操作參數、冶煉條件以及噴煤量等。因此，實現對金屬冶煉加熱爐冶煉焦比參數的控制，應當在保證熱爐平穩運行的條件下，對原始燃料的品質進行嚴格管控，選用各項指標均符合要求的精料。嚴格根據冶煉過程中的客觀條件，依靠現代技術進行降焦處理，結合熱爐裝料制度以及調劑制度，在標準化管理下完成操作，并將管理與技術相融合，達到降低冶煉焦比的目的。同時，控制冶煉焦比參數是一個系統工程，與冶煉高爐的各項參數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，實現金屬冶煉降耗。

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，在生產過程中最低電耗為324.45kWh/t，最大電耗可以達到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總能耗53.4%，利用此次設計方法與傳統方法對該金屬冶煉加熱爐節能降耗。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，將其作為實驗結果，對兩種節能降耗方法對比分析，實驗結果如下表所示。

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論：此次設計節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，最低電耗量可以達到246.82；而傳統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，與設計方法相比較高，而且最大電耗量可以達到375.45kWh/t，與設計方法相比金屬冶煉加熱爐電耗量較高，因此證明了此次設計金屬冶煉加熱爐節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 結語

本文結合目前金屬冶煉加熱爐節能降耗方法存在的弊端，在傳統方法基礎上對其進行優化和完善，設計了一種新的金屬冶煉加熱爐節能降耗方法，該方法從爐料結構、冶煉焦比參數等角度出發，控制金屬冶煉加熱爐電能消耗量，實現金屬冶煉加熱爐加熱過程的高效節能節電，對促進金屬冶煉行業可持續發展，降低金屬冶煉加熱爐加熱工序的生產成本，提高企業經濟效率和競爭力具有重要現實意義，同時還為分析金屬冶煉加熱爐的節能降耗技術，制定節能降耗策略和措施提供借鑒。