礦熱爐可視化技術及其經濟性分析

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

（①寧夏回族自治區工業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，鐵合金行業與鋼鐵行業休戚與共，各自互相影響。鐵合金產品種類繁多，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。鐵合金行業屬于能源和資源密集型產業，電力消耗成本在生產總成本中占比約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特別關注的問題之一，在礦熱爐的節能技術方向進行深入探索，對降低企業生產成本、節能減排以及環境保護等方面具有十分重要的意義。

1 國內鐵合金行業現狀介紹

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

從鐵合金產量分析，2007－2021年我國鐵合金產量情況如圖1所示，總體呈現出有增有減的不穩定的態勢；2007－2014年的八年間，我國鐵合金處于產量逐年遞增的強勢期，2014年度年產量高達3786萬t；2015－2018年產量連續4年下降，進入弱勢期；2019年鐵合金產量又大幅回升至3657.7萬t；2020-2021年兩年產量相較2019年有少許下降。從同比增速變化上看，2007-2021年我國鐵合金產量同比增速變化如圖1所示，2007-2011年總產量穩定地逐年上升，但同比增速呈現出不穩定的“W”型波動態勢，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%（數據來源國家統計局，由于數據修正的原因，產量增減與同比增速有差異）。通過15年產量數據的分析，可以看到鐵合金產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作為鋼鐵行業的上游，對于鋼鐵行業依附性很大，其產量也基本由鋼鐵行業需求決定，所以鐵合金產量的波動主要來源于鋼鐵產量的波動，且作為依附從屬行業其波動程度更容易被放大。

圖1 我國2007-2021年鐵合金產量及同比增速

鐵合金行業大多是中小型企業，產能集中度不夠，對外議價能力不足，導致行業對外依附和從屬性質明顯。近些年來，政府對行業宏觀調控干預，集中清退及整合了鐵合金行業的落后產能，問題得到了明顯的改善。鐵合金行業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普遍采用PLC控制，一些大型電爐上已經配備了自動化加料系統、煙塵處理系統、余熱發電系統等[3]。

2 礦熱爐目前存在的問題分析

鐵合金行業是我國冶金工業的重要組成部分，該行業屬于能源和礦產資源密集型行業，在生產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]。鐵合金行業被列入“兩高一資”受到限制后，沒有緊跟國家產業升級轉型的步伐，導致內部過度競爭，企業經營狀態糟糕，行業技術研發和科技創新腳步緩慢，不同企業間能效水平差距較大。在國家“雙碳”政策的大趨勢下，鐵合金行業將加速產業向“節能降碳”方向的轉型，為滿足環境保護和產業轉型的需求，各省市自治區根據國家相關行業政策對冶煉電耗高、容量小的礦熱爐進行淘汰，建設大型密閉礦熱爐，進而促進產業結構調整轉型。近期，工信部等四部門發布《鐵合金行業節能降碳改造升級實施指南》提出，到2025年，鐵合金行業產能在能效標桿水平之上的企業比例要達到30%，硅鐵、錳硅合金能效在基準水平之下的落后產能將基本清退，行業節能降碳要取得顯著效果，綠色低碳發展能力要大幅提高。

鐵合金行業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。在礦熱爐系統中，由于二次側電數據難以采集，無法明確電極插深位置，許多礦熱爐功率因數低（＜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生爐內熱量流失、爐底上漲、料面刺火、料面溫度過高等問題。鐵合金企業生產崗位作業環境差，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。鐵合金行業自動化程度低，工人需要在惡劣環境下保持高強度勞動，導致行業對年輕勞動力吸引力不足，出現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。在實際生產中，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，導致冶煉參數一直處于動態變化過程中，礦熱爐無法穩定在最佳工作狀態。為了達到最佳冶煉效果，實時將礦熱爐各項參數控制在最佳工作點，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。在實際生產中，操作員通過變壓器一二次側三相電流、電壓、功率等電數據以及料面溫度、煙塵大小、吃料速度等經驗值判斷和調節電極位置。礦熱爐的參數控制主要根據人工經驗，操作員的水平參差不齊就會導致爐況不穩定[6]。為了時刻將爐礦維持在最佳工作狀態，需要非常高頻率地調節電極位置，完全依靠人工經驗調節電極極易發生疲勞，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濟指標。為了改善現狀，鐵合金企業亟需電極插深測量、爐況判斷以及自動化智能化爐況調節系統來輔助生產。礦熱爐冶煉利用電弧放電產生熱量冶煉礦石，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，對于二次側電流數據的采集就變得非常困難，電極插深的調節想要實現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自動化控制，鐵合金企業就無法實現真正意義上的自動化生產和智能化工廠。

4 礦熱爐可視化技術

通過礦熱爐可視化技術，可以實現電極插深的精準檢測，并對礦熱爐內部進行3D建模，使得企業能夠實時監控爐內工況，在此基礎上可以實現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生產，顯著降低電單耗、提高企業生產效率、達成節能減排目標、優化現場惡劣環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，通過監測爐外磁場分布的變化，能準確反映爐內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生磁場，電極下插深度的不同，磁場強度會產生變化。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個電極產生的磁場信號，將此磁場信號處理轉化成數字信號上傳至系統，通過可視化軟件分析處理數據，最終實現電極插入深度的實時3D可視化，如圖3所示。

圖3 系統方案示意圖

礦熱爐外殼覆蓋導電金屬材料，會對磁場檢測傳感器產生影響，特別是包括爐蓋、爐壁在內的鐵磁性材料，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，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電極末端高度和關鍵數據。

礦熱爐電極測量可視化系統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，實現將電極插入深度轉換為電信號；電子單元即模數轉換設備，位于礦熱爐現場附近，實現對電信號進行處理，并將其轉換為數字信號，發送到工控機進行電極磁場分析和計算；工控機用于接收數字信號，并承載礦熱爐軟件；軟件運行于工控機上，使系統具備電極末端位置測量、3D可視化、信號曲線顯示、數據存儲的功能。系統主界面顯示分為：功能按鈕欄、電極相關狀態數據、系統狀態監控、電極末端位置趨勢圖、狀態欄、電極3維動態模型與原始曲線7個部分，如圖4所示。

圖4 礦熱爐電極測量可視化系統3D顯示界面

5 經濟效益分析

以寧夏某生產硅鈣鐵合金企業為例，該企業2021年8-12月份硅鈣產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，企業生產中將電極末端調整至合理位置，平均可將企業生產能耗降低6.63%。該企業年產量10353t，總耗電1.14×108kWh，該企業年電耗降低6.63%可節約7.56×106kWh，電費0.45元/kWh可為企業單個爐子節省340萬元/年；每305.5g發電標準煤炭可發電1kWh（2020年國家能源局發布的數據標準），相當于每個爐子可節省2310t標準煤炭/年；根據國家能源局發布的數據，工業鍋爐每燃燒1噸標準煤產生硫氮氧化物為：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月份硅鈣產量以及月電單耗

以寧夏某生產硅鐵合金企業為例，該企業2022年1月電單耗為8557kWh/t，2月份電單耗為8658kWh/t，根據GB 21341-2017鐵合金單位產品能源消耗限額規定硅鐵2級能耗單位產品冶煉單耗≤8300kWh/t，該標準規定新建或擴建鐵合金生產企業的單位產品能耗準入值指標包括，單位產品冶煉電耗限定值應不大于2級能耗指標。若該企業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

鐵合金行業普遍存在能耗大，能量利用率低等問題。隨著人類經濟社會持續高速發展，環境資源有限對社會經濟發展的掣肘效應越來越嚴重，為實現綠色可持續發展的艱巨任務，要不斷探索節能降碳新技術和新模式。鐵合金作為“兩高一資”傳統行業，是探索節能降碳及生態環境保護與技術創新經濟發展相契合的新技術、新模式的排頭兵。鐵合金生產企業積極響應國家號召，達成產能置換、產業升級、節能降碳的目標，一是要走差異化道路，保持鐵合金行業優勢，穩定總量，以循環化、綠色化、智能化、多元化發展為方向，支持骨干企業通過兼并、收購聯合重組等方式，組建大型鐵合金集團，推動產業走集中化、大型化、基地化發展路子，提高行業競爭力；二是積極推進產品多元化發展，在鞏固硅鐵、硅錳普通合金產品基礎上，鼓勵發展高純硅鐵、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品，提高產業鏈延伸力；三是走技術創新可視化的路子，鼓勵企業、院所開展技術研發和自主創新，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、合成氨等化工產品的比例，開辟節能降碳新路徑。