一、研究的背景与问题
随着国内环保需求和国内废钢量的不断增加，同时受国家“十四五”规划电炉发展政策和双碳政策的影响，电弧炉炼钢将迎来新的历史性发展机遇。短流程电弧炉炼钢过程的能源消耗和碳排放均只有高炉-转炉长流程的1/3，是钢铁工业实现可持续、绿色化发展的重要路径。
目前短流程电弧炉存在生产效率偏低、能量消耗高、生产成本高、电网冲击大、质量不稳定、电极消耗高、二噁英污染等重大关键问题。针对长期困扰短流程炼钢的这些问题，中冶赛迪进行了逐项技术攻关，并取得了一系列重大技术突破，并实现了首台套装备的落地实施。
二、解决问题的思路与技术方案
围绕着如何解决国内外全废钢电弧炉生产效率偏低、能量消耗高、生产成本高、质量不稳定、二噁英污染等企业痛点问题，中冶赛迪以高效化、绿色化、智能化作为电弧炉炼钢冶金建设的发展方向，以节能环保为抓手，不断寻求提供绿色制造和提升冶炼技术水平的整体解决方案。
中冶赛迪自主研发的第3代废钢预热型电弧炉-绿色智能超级电弧炉（CISDI-SuperARC）是继第2代废钢预热型电弧炉-阶梯连续加料型电弧炉（CISDI-AutoARC）后，应用了新型IGBT柔性直流供电技术、电极无级双控智能调节技术、废钢连续预热技术、废钢阶梯连续加料技术、风冷触针底电极技术、二噁英治理和余热回收技术、智能炼钢技术等先进技术，可快速响应电弧炉内的冶炼供能需求和应对短路过流冲击工况，可缩短冶炼周期至30min以内，电耗可低至250-300kwh/t，电极消耗0.6-0.8kg/t，是新一代绿色、节能、环保、高效型电炉，在提高生产效率、降低电耗和电极消耗、提升金属收得率等方面相比常规电炉有极大的优势。
中冶赛迪绿色智能超级电弧炉
三、主要创新性成果
1、全球首创的新型柔性（IGBT）直流供电技术
中冶赛迪自主研发了新型柔性（IGBT）直流供电技术，为全球首创，属于赛迪自主创新的又一项新型低碳炼钢新技术。该技术在高强度高效率电能输入、增强钢液搅拌均匀性、电极损耗小、对电网冲击小等方面与传统技术相比具有明显优势，在生产实践中还体现出了金属收得率高的优势，在生产工艺技术、装备技术和绿色环保等方面都做出了重大突破，解决了传统晶闸管电源抗冲击能力差、损耗高、故障率高等问题，使熔炼期功率因素提高到0.95以上，并可实现电流和电压的双控无级智能调节；可以有效快速的控制输出电流的大小和抑制电流的波动，使电弧燃烧更加平稳，避免了断弧和短路，同时直流电磁力搅拌钢液，使热量能迅速的传导到钢液中，大幅提高了电能转换效率，有效降低电能消耗，冶炼过程中电源输出响应速度0.1ms，网侧功率因数＞0.95，电压、电流波动＜3%，电源装置整体损耗可控制在3%以内，解决了现有交流电弧炉系统对电网冲击大、输出电压电流调节能力低、抗冲击能力弱、母线电容能量无法回收、电源装置过压过流保护能力弱的问题。此种新技术将会为未来电弧炉低碳冶炼技术的发展提供新的路径，具有国际领先水平。
2、全球首创的阶梯进料技术
自主研发的阶梯进料技术，形成了阶梯扰动预热涵道，可实现废钢在预热段翻滚，改善传统连续加料只能表面预热的不足，使废钢预热更加均匀，废钢平均预热温度可提高70～100℃，有助于降低电耗15-20℃。
烟罩结构特殊导向设计，可进一步增强烟气与废钢之间换热。通过闭环控制混风量，使烟气中的CO充分燃烧，进一步提高废钢预热效率。
此技术在废钢配料环节还可实现更高的配料和输送效率，可以利用自卸卡车直接倾倒合格废钢进入地下阶梯分料槽，可实现大堆废钢的快速平铺分料并连续上料，这样就可实现50%的直接配料作业，可大幅降低电磁起重机配料和卸料工作量，从而提高配料间生产效率，为大型化电弧炉仍然维持较短的冶炼周期创造有利条件。
3、化学能强化+烟气分流预热技术
连续加料，烟气随涵道延伸温度下降，外部化学能使延伸涵道的烟气保持高温，延长了预热涵道，降低分流涵道高度+烟气调节阀控制，实现分流涵道烟气低流速，保证烧嘴火焰直接冲击低温废钢，提高换热效率，废钢保持较长的换热时间，并有效抑制了二噁英的生成，实现低成本可靠治理二噁英。
4、分布式激振器技术
充分调研和总结了水平加料型电弧炉现有激振器存在的问题，为匹配超级电弧炉高效生产的需求，自主研发了分布式激振器技术，采用了模块化设计，更便于设备的维护与更换备件，同时可使轴承寿命提高30-40%，使激振器的装备可靠性得到本质提升，同时大幅提升废钢输送速度，为电弧炉超短周期冶炼提供硬支撑。可使电弧炉生产效率提升到一个新的高度。
（1）全新分布式激振器，采用水平轴而非竖直轴，改善轴承受力条件，避免轴承受轴向力，同等条件下轴承寿命提高30%~40%
（2）采用模块化设计，将对系统不利但不可避免的横向力转变为模块内力，振动系统仅受用于输送废钢的激振力，激振器与输送槽的连接更加简洁、可靠
（3）采用功率分流式技术，关键部件载荷仅为传统技术的50%，齿轮、轴承理论寿命可提高3~10倍，装备的可靠性本质提升
多年来，中冶赛迪潜心研究电弧炉技术，2015年，绿色洁净电弧炉炼钢技术获得国家科技部的重点支撑项目支持。在研究开发过程中产生了大量知识产权，目前专利申请192件，授权117件，专利布局已基本完成，关键专利已获美国、日本和欧盟授权，软件著作权7项。2018年，“绿色洁净电弧炉炼钢关键技术及装备” 获得中冶集团科技进步一等奖；2019年，“绿色高效电弧炉炼钢技术与装备的开发应用”获得国家科技进步二等奖，同年第3代超级电弧炉获得五矿科技专项支持。
相关专利 国家科技进步二等奖
四、应用情况与效果
1、全球首台采用IGBT柔性直流电源技术的电弧炉在攀长特投用
2021年12月，中冶赛迪对攀钢集团长城特殊钢有限公司现有二作业区炼钢车间内的一台40t交流电弧炉升级改造为新型柔性IGBT直流电弧炉成功热试车并投入应用。这也是全球首台采用IGBT柔性直流电源技术的电弧炉，为推动钢铁工业短流程冶炼并实现绿色高效低成本生产树立了标杆。此次改造采用了中冶赛迪自主研发的新型柔性（IGBT）直流电源、针式底阳极等新技术，在工艺及装备和绿色环保等方面都做出了重大突破，使熔炼期功率因素提高到0.95以上，并实现了电流和电压的无级双控智能调节，验证了新型柔性IGBT直流电源装置的稳定可靠。
新型柔性IGBT直流电弧炉攀钢集团长城特钢成功热试车并投入应用
2、第2代废钢预热型电弧炉-阶梯连续加料型电弧炉（CISDI-AutoARC）在都钢投产，性能指标达到国际先进水平
由中冶赛迪设备成套供货的全国产化阶梯连续加料型绿色高效电弧炉于2022年6月底在四川冶控集团都钢钢铁集团股份有限公司建成投产，2022年9月通过功能考核，各项指标均达到合同约定值，实现了“冶炼周期平均35分钟，吨钢坯电耗335kwh/t坯，电极消耗小于1Kg/t坯”的指标，助力四川冶控集团实现绿色化、高效化生产。该套装备采用了废钢预热、水平阶梯连续加料、平熔池冶炼、超低排放等新技术、新工艺，是新一代短流程绿色高效电弧炉。中冶赛迪针对国内外全废钢电弧炉炼钢能量消耗高、质量不稳定、二噁英污染等重大关键问题，进行了系统、全面的自主集成创新，在工艺及装备、产品质量和绿色环保等方面都做出了重大创造性突破，使得各项指标均达到国际先进水平。
阶梯连续加料绿色电弧炉在四川都钢钢铁集团投用
3、第3代废钢预热型电弧炉-绿色智能超级电弧炉（CISDI-SuperARC）在仙福钢铁开工建设，各项性能指标将达到国际领先水平
2022年4月，中冶赛迪与云南玉溪仙福钢铁（集团）有限公司在其产能置换技术升级改造项目中成功合作，签署了采用中冶赛迪第3代废钢预热型电弧炉-绿色智能超级电弧炉（CISDI-SuperARC）成套装备技术的设计和供货合同。该台电弧炉将采用了全套的超级电弧炉技术，搭载了中冶赛迪自主研发设计的新型IGBT柔性直流电源装置，同时采用了具有自主知识产权的风冷触针底阳极等电炉本体技术、阶梯分料废钢预热、二噁英治理和余热回收、智能化炼钢等装备及控制技术，可快速响应电弧炉内的冶炼供能需求和应对短路过流冲击工况。目前该示范项目正在进行设计安装，预期平均冶炼周期<30min，冶炼电耗<300kwh/t钢水，电极消耗<0.9kg/t钢水。
双方将以“互利共赢，共同发展”为契机，以“高效、低耗、绿色、智能”为目标，全方位合作，联手打造中国品牌绿色高效电弧炉装备技术，共同建设新型低碳电弧炉炼钢新技术工业化示范基地。
中冶赛迪绿色智能超级电弧炉短流程钢厂智能控制中心
