摘要：文章针对传统棕刚玉冶炼工艺存在的高能耗、低效率等问题，从原料配比、电弧炉工艺参数、热能利用率等方面进行优化研究。通过对原料进行合理搭配，优化电弧炉功率、电压等工艺参数，提高热能利用效率，在保证产品质量的同时实现冶炼过程的节能减排。文章通过能效诊断与节能改造，评估优化措施的节能效果。研究表明，优化后的棕刚玉冶炼新工艺可有效降低能耗20%以上，对推动棕刚玉行业的绿色可持续发展具有重要意义。

       关键词：棕刚玉；冶炼工艺；能耗优化；节能减排

　　棕刚玉是一种重要的耐火材料和磨料，在冶金、机械制造、建材等领域有广泛应用。传统棕刚玉冶炼工艺能耗高、效率低、污染重，亟须优化升级。文章针对影响冶炼能耗的关键因素，从原料配比、电弧炉工艺参数优化、热能利用效率提升等方面开展研究，旨在探索一条兼顾产品质量与节能减排的棕刚玉绿色冶炼新工艺，为行业的可持续发展提供参考。

　　1棕刚玉冶炼工艺现状分析

　　1.1传统棕刚玉冶炼工艺流程

　　棕刚玉的化学组成为Al2O3，主要原料包括铝土矿、焦炭和铁屑等。传统冶炼工艺主要采用电弧炉，在2000~2200℃高温下，原料经破碎、干燥处理后，按照特定比例进行精确配料，确保化学反应的平衡性和产品质量的稳定性［1］。配料完成后，物料被送入电弧炉内进行高温冶炼。在电极产生的强大电弧作用下，炉内温度迅速升至2000~2200℃,此高温环境下，铝土矿中的杂质与焦炭、铁屑反应，来去除杂质，同时伴随物相转变和结晶过程，最终形成棕色Al2O3晶体。

　　冶炼完成后，熔融态棕刚玉需经冷却结晶、出炉和自然冷却，形成坚硬的冶炼块。随后通过机械破碎、筛分和磁选等工序，将不同粒度的棕刚玉分离并去除杂质，最终按照粒度规格进行分类包装，制成不同等级的棕刚玉磨料产品，广泛应用于研磨、喷砂和耐火材料等领域。具体流程为：原料准备→配料→电弧炉冶炼→出炉→破碎筛分→成品包装。

　　1.2传统冶炼工艺存在的问题

　　传统棕刚玉冶炼工艺普遍存在能耗高、物料和能量利用率低、污染排放较大等问题，已难以满足节能减排的要求：①能耗高，电弧炉冶炼过程消耗大量电能，致使产品成本居高不下，市场竞争力减弱；②热能利用率低，冶炼和出炉过程会损失大量高温废气，传统工艺热能利用率仅为20%~30%，大量余热被浪费；③原料利用率低，传统冶炼工艺对原料品位要求高，选矿尾矿等难以利用；④环境污染，冶炼过程产生大量含尘烟气、SO2、NOX等，对大气环境造成污染。烟气处理设施不完善或运行不稳定时，污染物超标排放现象时有发生，严重影响周边生态环境和居民健康。

　　1.3影响冶炼过程能耗的关键因素

　　首先，原料质量在电耗控制中扮演着决定性角色，铝土矿品位每下降1%，电耗可能增加100~150kW·h/t。实践表明，通过加强进厂原料质量检测和分级存放，对不同品位矿料进行合理配比，可有效降低电耗波动。其次，工艺参数调整是电耗控制的核心环节，电弧炉在不同冶炼阶段应采用差异化电参数策略。熔化期宜采用高电压模式，加速熔化过程；而精炼期则应转为低电压模式，避免电极过度消耗。实际操作中，通过安装动态功率调节系统，实现电压、电流与炉况的实时匹配，能使整体电耗降低5%~8%。

　　热能利用方面，现代电弧炉厂已普遍采用烟气余热回收系统，将600～800℃的高温烟气转化为蒸汽或热水，实现能量的梯级利用。部分先进企业还将炉渣余热用于预热进炉料，每吨刚玉可节省20~30kW·h电能。操作管理层面，智能化控制已成为电耗优化的有力工具，通过建立基于机器学习的冶炼模型，对热力学参数进行实时计算和预测，可智能调整加料时机，避免因操作不当造成的能源浪费。特别是采用电极调节自适应控制系统，能根据电弧状态自动优化电极位置，保持稳定的电弧长度，有效减少电能损失。

　　2棕刚玉冶炼工艺优化策略

　　2.1原料组成优化

　　原料组成优化是棕刚玉冶炼节能减排的重要切入点，通过对铝土矿、焦炭等原料的品位、比例进行科学优化配比，可在保证冶炼品质的同时有效降低能耗。

　　首先，要优选Al2O3含量在75%的优质铝土矿。铝土矿品位的提升能够显著提高铝的投入产出比，减少矿石杂质带来的能耗损失。在实际生产中，可通过矿源优选、配矿平衡、预选粗选等方式，确保入炉铝土矿的高品位和稳定性。

　　其次，焦炭作为冶炼的还原剂，其品质对能耗影响显著，应优先选用固定碳含量大于等于85%，灰分低于12%，挥发分不超过1%的优质焦炭。高固定碳有助于提升还原效率，低灰分、低挥发分则可减少焦炭单耗，从而降低单位产品的碳耗。在焦炭采购时，要对供应商进行严格评估考核，建立稳定的优质焦炭供应渠道［2］。

　　2.2电弧炉工作参数优化

　　电弧炉工艺参数优化是提升棕刚玉冶炼效率、降低能耗的关键所在。电弧炉容量、功率、电压等参数的合理设定和动态调节，对于实现熔炼过程的精准控制和节能增效至关重要。

　　第一，采用先进的可控硅整流装置，对电弧炉实现精准无级调压。传统调压方式跳跃性大，不连续，难以使功率与炉内温度动态匹配。可控硅整流技术响应速度快，在0%~100%范围内连续平滑调节，实现炉压炉流的实时优化控制，使电能输入与熔池的热需求精准匹配，减少能量损耗。在投运初期，可采用专家系统和智能算法，对各工况下的最佳功率电压曲线进行训练学习，形成调控知识库，再由控制系统实时匹配执行。

　　电极的数量、布置和导电机构也是影响炉况稳定和能耗的重要因素。炉内电极应匀布错开，避免相间短路，确保熔池受热均匀。采用良好的电极升降和回转装置，保证电极处于最佳工作位置，减少电弧长度波动，提高电能利用率。应用高温摄像、红外测温等技术手段，建立炉内电弧和坩埚温度场的可视化监控系统，为电极智能调节提供依据。

　　第二，应用基于工业互联网的分散控制系统，对电弧炉冶炼全流程进行实时在线监测优化控制，通过网络互联互通，采集炉内的各工艺参数，结合生产调度指令，利用物联网、大数据、人工智能技术，对熔炼全周期进行智能调控，消除人为误差，减少能耗过程损耗。同时，积累形成工艺诊断大数据，为成本核算、工艺改进、标准编制等提供数字化支撑。

　　电弧炉工艺参数优化需要从炉型容量选型、装备技术升级、工艺过程优化、智能管控平台建设等多维度系统开展，通过对电能转换、传输、调控环节的精细把控，最大限度提升电热转化效率，实现能耗精准控制，最终达成节能、提质、增效的目标。这需要企业加大科技投入，强化产学研用协同创新，打造一支既懂冶金工艺，又懂自动化信息技术的复合型技术团队，推动电弧炉装备和控制水平的智能化、数字化转型升级［3］。

       2.3冶炼过程热能利用效率提升

　　在高温冶炼过程中，炉内产生大量高温烟气和炉体余热，这些富含热量的二次能源如果得不到有效利用，将是巨大的能源浪费。因此，应重点针对高温烟气以及炉体热损失等环节制定综合回收利用方案，最大限度提高能源转换效率。对于600℃以上的高温烟气，宜采用管壳式或板翅式换热器等高效换热设备进行余热回收。将回收的烟气热量用于原料预热、循环水加热、发电等，可显著降低炉内能耗。如在铝土矿焙烧工序采用烟气余热干燥，可使矿石水分降低3%~5%，每吨矿可节约30~50kW·h电能。在实际工程设计中，应做好换热器的防尘防腐蚀处理，定期清灰保养，确保传热效率和运行稳定性。

　　3能耗降低措施与效果评估

　　3.1关键节点能耗降低措施设计

　　原料预处理是冶炼的源头工序，对后续能耗有重要影响，传统原料干燥多采用电加热或高品位蒸汽，能耗高，可改造干燥工艺，充分利用工序间的富余低品位热量，如净化烟气、冷却水等，替代电热，可使单位产品能耗下降30kW·h以上。同时，宜对原料粒度进行优化，既要保证粒径均匀利于炉料反应，又要避免过度粉碎增加电耗，可采用钢棒磨等节能粉磨设备，提高原料破碎效率。烟气除尘也是棕刚玉冶炼的耗能大户，传统电除尘因运行阻力大，耗电高，除尘效率也难以满足日益严格的超低排放要求。可改造为脉冲喷吹布袋除尘器，通过脉冲阀周期性喷吹，使粉尘自动剥离，降低过滤阻力30~50Pa，除尘效率可提高5%，每吨产品可节电约20kW·h。同时，除尘风机可采用永磁同步电机，较传统三相异步电机效率高3%~5%，显著降低电耗。

　　此外，冶炼烟气和工业蒸汽中蕴含大量可再利用的余热资源。应最大限度回收利用，用于原料和燃料的预热，从源头降低炉料加热能耗。综合采用对流式换热器和辐射式换热器，将600~800℃废气热量梯级回收后，可将常温原料预热至250℃以上，每吨节约150kW·h左右。通过对蒸汽管道的高效保温，减少管路漏热损失，并优化余热利用的总体布局，缩短换热管线长度，也可有效提升余热利用率［4］。

　　3.2典型生产线能效诊断与节能改造方案

　　首先要做好生产线能效测试工作。采用能源审计、在线监测、热工试验等手段，对各工序的物料平衡和能量平衡开展全面系统的测试诊断。重点摸清炉料组成、热装率、燃料消耗、电能输入、烟气废热等数据，客观评价能源加工转换和利用效率，查找能源流失和浪费的薄弱环节，为节能改造奠定基础。在诊断的基础上，应构建生产线能耗统计模型。采用能流图、桑基图等方式，直观展现能源在生产各环节的流向分布，计算分析出各工序能耗占比、能源加工转换效率、二次能源利用率等关键指标，找出能耗异常点，确定节能重点和方向。如诊断发现电弧炉工序的电耗和热损失占整个生产线能耗的70%以上，且电能利用率偏低，则应将电弧炉节能作为首要任务。

　　在此基础上，研究制定电弧炉优化、废热高效回收利用等一揽子节能改造方案。从电弧炉容量优选、功率谐波治理、自动控制系统升级等方面，提出10项以上切实可行的节电措施。针对高温烟气，设计高效换热器，用于原燃料干燥和预热，年节约标煤上千吨。方案应包含节能措施原理、技术参数、工程投资、节能量、成本效益等论证内容。改造完成后，通过连续运行一段时期的能耗统计和对标分析，节能幅度在20%以上。同时蒸汽等二次能源得到充分利用，万元产值综合能耗力争下降10%以上，单位产品碳排放量减少15%以上。

　　3.3节能减排效果

　　对节能改造生产线进行连续一年的能耗检测，获得了大量翔实可靠的第一手数据，无论是电耗、标煤耗，还是污染物排放，都得到大幅度削减，与预期目标基本相符，充分证明了节能改造方案的可行性和先进性。检测数据显示，较改造前降低了400~500kW·h/t，节电率达18%~22%，与前期预测高度吻合。电能利用效率的提升得益于源头优质原料使用比例加大、炉型结构优化、智能化用电控制等一系列措施的综合作用。电耗指标的持续走低，从侧面印证了能源管控体系的有效运行。

　　原燃料干燥预热广泛采用富余烟气和低品位蒸汽，大幅减少了燃料分解热损失，进一步提高了能源转化率，对炉体保温和密闭性能的强化，也有效降低了炉况波动造成的燃损。在污染物排放控制方面，电除尘改造为高效布袋除尘后，除尘效率从95%提升至99.6%，粉尘排放浓度下降了90%以上，通过源头优化配煤、余热锅炉脱硫等措施，使二氧化硫和氮氧化物减排30%以上，大大降低了对周边大气环境的影响。

　　3.4其他措施

　　①采用电炉变压器水冷电缆的出线方式。通过进水冷却方式有效改善电炉变压器在大功率强化冶炼时的高温现象，大幅提高电炉自然功率因素，低压补偿前可达0.91，提高电炉产量。②采用卡箍式电极抱紧装置。改变了传统电极卡头的卡紧方式，由压紧式改为卡箍式，增大了电极与卡头的接触面积（电流通过截面积），使大功率强化冶炼时的高温、打火现象都得到有效改善。③采用一种冶炼高接包。通过提高高径比，增大20%容积，便于棕刚玉与硅铁分层，减少散热，提高刚玉致密度，从而提高产品质量。④采用全自动化设备全面提高备配料和上料工艺的装备水平。实施精料入炉，对冶炼过程前、中、后期的入炉矾土粒度进行精细控制，从而降低单位产品冶炼电耗，单炉平均冶炼时间可控制在6h左右，提高生产效率。

　　4结束语

　　文章通过对棕刚玉冶炼全流程的能耗分析，从原料配比、工艺参数、热能利用等方面提出节能减排优化策略。研究表明，通过原料组成优化、电弧炉工艺改进、余热高效回收利用等措施，在保证产品质量的同时，可使棕刚玉综合电耗降低20%以上，标煤单耗减少21.4%，污染物排放大幅减少。这为棕刚玉行业实现绿色转型提供了可资借鉴的新思路和新方法。在“碳达峰、碳中和”目标的引领下，棕刚玉企业应加快淘汰落后产能，推广先进节能工艺，通过技术进步和管理创新，不断提升能源利用效率，实现清洁低碳、高质量发展。

参考文献

　　［1］岳志奇，司恭.棕刚玉生产企业安全问题与对策［J］.现代职业安全，2022（12）：41-43.

　　［2］孙洋.添加TiO2和MgO的铝-棕刚玉耐火材料应用性能研究［D］.北京：北京科技大学，2021.

　　［3］韦凯.我国铝矾土品位下降对棕刚玉冶炼影响的研究［J］.中国金属通报，2020（10）：16-17.

　　［4］龙乾.棕刚玉用低品位铝土矿的脱硅及灰渣利用［D］.贵阳：贵州大学，2020.