陸 彪 趙義博 陳德敏 何子淮

(安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院)

鋼鐵工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是衡量國(guó)家綜合實(shí)力和工業(yè)化程度的重要標(biāo)志。2011-2020年，國(guó)內(nèi)制造業(yè)增加值與粗鋼產(chǎn)量的年均增速分別為7.9%和5.1%[1]。鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展以及“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)鋼鐵制造過(guò)程提出了更高的節(jié)能降耗要求。因此，對(duì)鋼鐵工業(yè)能源利用情況的發(fā)展與現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)研究很有必要。

目前，噸鋼綜合能耗[2-7]、工序單位產(chǎn)品能耗[8-10]以及設(shè)備能源利用效率[11-14]是鋼鐵企業(yè)評(píng)估能源利用效率的常用指標(biāo)，而對(duì)不同種類(lèi)產(chǎn)品能耗指標(biāo)研究較少。陸彪[15]等人基于加熱爐設(shè)備提出了一種鋼坯能源分?jǐn)偰Ｐ停⑼ㄟ^(guò)此模型計(jì)算出不同種類(lèi)鋼坯噸鋼能耗，確定了不同因素對(duì)鋼坯能耗的影響。經(jīng)過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本吻合，應(yīng)用效果良好。但是該模型僅能用于裝配二級(jí)模型的加熱爐，而對(duì)未裝配二級(jí)模型的加熱爐則不能進(jìn)行應(yīng)用。為了拓寬分?jǐn)偰Ｐ偷膽?yīng)用領(lǐng)域，文章在原模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并將兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 加熱爐鋼坯能源分?jǐn)偰Ｐ?/h2>

1.1 能耗累積時(shí)間段

如圖1所示，將加熱爐內(nèi)鋼坯數(shù)量恒定的每個(gè)時(shí)間段記為一個(gè)能耗累積時(shí)間段，每個(gè)鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時(shí)間劃分為k個(gè)能耗累積時(shí)間段。

圖1 第i個(gè)能耗累積時(shí)間段

在第i個(gè)能耗累積時(shí)間段內(nèi)，對(duì)燃?xì)馑矔r(shí)流量進(jìn)行采樣，再根據(jù)采樣周期計(jì)算出加熱爐消耗燃?xì)饬浚?/p>

(1)

式中：ESgas，j為第j個(gè)采樣周期內(nèi)的燃?xì)獾乃矔r(shí)流量計(jì)量，GJ/h；Δt為采樣周期時(shí)間，h；ni為第i個(gè)能耗累積時(shí)間段內(nèi)采樣次數(shù)；(Qgas)i為第i個(gè)能耗累積時(shí)間段內(nèi)加熱爐消耗燃?xì)饬?，GJ。

1.2 模型1

陸彪[15]等人基于能耗累積時(shí)間段的定義，建立了可計(jì)算各鋼坯燃?xì)庀牧康哪茉捶謹(jǐn)偰Ｐ汀Ｎ墨I(xiàn)的主題思路是：在能耗累積時(shí)間段內(nèi)，對(duì)加熱爐能耗進(jìn)行離散處理分為鋼坯吸熱量、爐體熱損失以及其它熱損失。并在對(duì)加熱爐能耗離散處理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用可計(jì)算各鋼坯燃?xì)庀牧康哪茉捶謹(jǐn)偰Ｐ?，?duì)每個(gè)鋼坯能源分?jǐn)傆?jì)算。

以第p塊鋼坯為例，該鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時(shí)間可以劃分k個(gè)能耗累積時(shí)間段，故該鋼坯能源分?jǐn)偭繛椋?/p>

(2)

式中：Qgas,p1為模型1計(jì)算獲得的第p塊鋼坯能源分?jǐn)偭?，GJ；(Qgas,1)i,p1為第i個(gè)能耗累積時(shí)間段內(nèi)，模型1計(jì)算獲得的第p塊鋼坯吸熱量，GJ；(Ggas,2)i,p1為第i個(gè)能耗累積時(shí)間段內(nèi)，模型1計(jì)算獲得的第p塊鋼坯的爐體熱損失分?jǐn)偭?，GJ；(Qgas,3)i,p1為第i個(gè)能耗累積時(shí)間段內(nèi)，模型1計(jì)算獲得的第p塊鋼坯其它熱損失分?jǐn)偭浚珿J。

(Qgas,1)i,p1=10-6·cp·mp·ΔTi,p

(3)

式中：cp為第p塊鋼坯的比熱，kJ/(kg·℃)；mp為第p塊鋼坯的重量，kg；ΔTi,p為第i個(gè)累積分段內(nèi)，第p塊鋼坯的溫升，℃。

(4)

式中：λ為加熱爐爐壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；An為加熱爐某段(預(yù)熱段、加熱段等)的爐壁面積，m2；Tn、T0分別為爐壁的爐內(nèi)側(cè)和爐外側(cè)溫度，℃；Δτ為時(shí)間累積分段的時(shí)間，s；B為加熱爐某段的鋼坯重量，kg。

(5)

鋼坯噸鋼能耗：

qgas,p1=Qgas,p1/mp

(6)

式中：qgas,p1為模型1計(jì)算得到的鋼坯噸鋼能耗，GJ/t。

1.3 模型2

模型1僅能用于裝配二級(jí)模型的加熱爐，而對(duì)未裝配二級(jí)模型的加熱爐，則不能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼坯能源分?jǐn)偭窟M(jìn)行計(jì)算。文章基于能耗累積時(shí)間段的定義，提出了一種新的可計(jì)算各鋼坯燃?xì)庀牧康哪茉捶謹(jǐn)偰Ｐ?。在能耗累積時(shí)間段中，利用爐內(nèi)鋼坯總質(zhì)量不變的特性，按照每個(gè)鋼坯重量占比對(duì)鋼坯能源分?jǐn)偭窟M(jìn)行計(jì)算。

依然以第p塊鋼坯為例說(shuō)明，該鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時(shí)間可以劃分k個(gè)能耗累積時(shí)間段(同模型1)，故該鋼坯能源分?jǐn)偭繛椋?/p>

(7)

式中：Qgas,p2為模型2計(jì)算獲得的第p塊鋼坯能源分?jǐn)偭浚珿J；(Qgas,0)i,p2為第i個(gè)能耗累積時(shí)間段內(nèi)，模型2計(jì)算獲得的第p塊鋼坯按重量分配的能耗分?jǐn)偭?，GJ；

(8)

鋼坯噸鋼能耗：

qgas,p2=Qgas,p2/mp

(9)

式中：qgas,p2為模型2計(jì)算得到的鋼坯噸鋼能耗，GJ/t。

2 案例分析

選取某軋鋼廠步進(jìn)式加熱爐作為研究對(duì)象，加熱爐尺寸見(jiàn)圖2。

圖2 案例加熱爐尺寸

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)2016年6-8月加熱爐二級(jí)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：

(1)刪除能源數(shù)據(jù)記錄時(shí)間與鋼坯爐內(nèi)停留時(shí)間不相互對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)；

(2)刪除錯(cuò)誤的能源數(shù)據(jù)記錄；

(3)刪除停產(chǎn)、保溫狀態(tài)下的加熱爐二級(jí)記錄數(shù)據(jù)。

2.2 鋼坯種類(lèi)劃分

從鋼種、鋼坯寬度、停留時(shí)間以及裝載溫度的角度對(duì)鋼坯種類(lèi)進(jìn)行了劃分。其中，對(duì)鋼坯寬度、停留時(shí)間以及裝載溫度進(jìn)行了預(yù)處理：

(1)鋼種：選取MBTRG00101和MBTRG00301型號(hào)鋼；

(2)鋼坯寬度：加熱爐的加熱對(duì)象主要是厚度為230 mm、長(zhǎng)度為10 000 mm的鋼坯。鋼坯尺寸的討論只限于鋼坯寬度，從1 400 mm到1 700 mm，以100 mm為步長(zhǎng)劃分歸類(lèi)；

(3)停留時(shí)間：由于鋼坯在爐內(nèi)時(shí)間各不相同，從3 h到5 h，以0.5 h為間隔劃分歸類(lèi)；

(4)裝載溫度：對(duì)裝載溫度進(jìn)行劃分歸類(lèi)，0～200 ℃為低溫、200～400 ℃為中溫、>400 ℃為高溫。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況，選取裝載溫度為低溫和中溫的鋼坯。

3 結(jié)果誤差分析

通過(guò)模型1和模型2計(jì)算相同屬性鋼坯噸鋼能耗，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行誤差分析。

3.1 MBTRG00101鋼種的噸鋼能耗計(jì)算及分析

分別利用模型1和模型2，在不同鋼坯寬度、裝載溫度以及停留時(shí)間的條件下，計(jì)算MBTRG00101鋼種噸鋼能耗。對(duì)于具有相同屬性的鋼坯分類(lèi)，模型1和模型2計(jì)算得出的鋼坯噸鋼能耗變化規(guī)律是一致的，如圖3和圖4所示，說(shuō)明模型2具有一定的準(zhǔn)確性。

圖3 1 400～1 500 mm寬度鋼坯噸鋼能耗

圖4 1 600～1 700 mm寬度鋼坯噸鋼能耗

為了進(jìn)一步分析模型2的適用性和準(zhǔn)確性，對(duì)模型1和模型2進(jìn)行誤差分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 利用模型1與模型2計(jì)算MBTRG00101鋼種噸鋼能耗的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差

對(duì)于MBTRG00101鋼種，模型1和模型2誤差分析結(jié)論如下：

(1)模型1與模型2的相對(duì)誤差均≤3.1%，絕對(duì)誤差均≤0.04 GJ/t，進(jìn)一步說(shuō)明模型1與模型2具有同樣的適用性和準(zhǔn)確性。但是由于模型1需要分別計(jì)算出(Qgas,1)i、(Qgas,2)i和(Qgas,3)i，引起了3次舍入誤差，而模型2則僅產(chǎn)生1次舍入誤差，所以模型2的計(jì)算結(jié)果均略大于模型1；

(2)相同裝載規(guī)格(寬度)和裝載溫度下，停留時(shí)間越長(zhǎng)，噸鋼能耗的相對(duì)誤差越小，而其絕對(duì)誤差變化基本都為0.03 GJ/t左右，說(shuō)明鋼種為MBTRG00101時(shí)，模型2也適用。但是若想在鋼坯較短的停留時(shí)間下獲取相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差都滿意的結(jié)果，需要對(duì)模型2略加修正；

(3)相同裝載規(guī)格(寬度)和停留時(shí)間下，裝載溫度對(duì)鋼坯噸鋼能耗的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差基本無(wú)影響；

(4)相同裝載溫度和停留時(shí)間下，裝載規(guī)格(寬度)對(duì)鋼坯噸鋼能耗的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差基本無(wú)影響。

以上結(jié)果表明：對(duì)于MBTRG00101鋼種噸鋼能耗分析，無(wú)論在何種情況下，模型1與模型2具有同樣的適用性和準(zhǔn)確性。

3.2 MBTRG00301鋼種的噸鋼能耗計(jì)算及分析

分別利用模型1和模型2，在不同鋼坯寬度、裝載溫度以及停留時(shí)間的條件下，計(jì)算MBTRG00301鋼種噸鋼能耗。對(duì)于具有相同屬性的鋼坯分類(lèi)，模型1和模型2計(jì)算得出的鋼坯噸鋼能耗變化規(guī)律也是一致的，如圖5和圖6所示，說(shuō)明模型2具有一定的準(zhǔn)確性。

圖5 1 400～1 500 mm寬度鋼坯噸鋼能耗

圖6 1 600～1 700 mm寬度鋼坯噸鋼能耗

為了進(jìn)一步說(shuō)明在MBTRG00301鋼種下，模型2的適用性和準(zhǔn)確性，對(duì)模型1和模型2進(jìn)行誤差分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 利用模型1與模型2計(jì)算MBTRG00301鋼種噸鋼能耗的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差

對(duì)于MBTRG00301鋼種，模型1和模型2誤差分析結(jié)論如下：

(1)模型1與模型2的相對(duì)誤差均≤3%，絕對(duì)誤差均≤0.04 GJ/t，進(jìn)一步說(shuō)明了模型1與模型2具有同樣的適用性和準(zhǔn)確性。與MBTRG00101鋼種分析結(jié)果相同，模型2的計(jì)算結(jié)果也均略大于模型1。

(2)相同裝載規(guī)格(寬度)和裝載溫度下，停留時(shí)間越長(zhǎng)，噸鋼能耗的相對(duì)誤差越小，而其絕對(duì)誤差變化基本都為0.03 GJ/t左右。說(shuō)明鋼種為MBTRG00301時(shí)，模型2也是適用的。同樣，若想在鋼坯較短的停留時(shí)間下，獲取相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差都滿意的結(jié)果，需要對(duì)模型2略加修正。

(3)相同裝載規(guī)格(寬度)和停留時(shí)間下，不同裝載溫度對(duì)MBTRG00301鋼種的鋼坯噸鋼能耗的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差基本無(wú)影響。

(4)相同裝載溫度和停留時(shí)間下，不同裝載規(guī)格(寬度)對(duì)MBTRG00301鋼種的鋼坯噸鋼能耗的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差基本無(wú)影響。

以上結(jié)果表明：對(duì)于MBTRG00301鋼種的噸鋼能耗分析，無(wú)論在何種情況下，模型1與模型2具有同樣的適用性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

文章基于模型1中能耗累積時(shí)間段的定義，建立了以重量為基礎(chǔ)的加熱爐鋼坯能源分?jǐn)偰Ｐ?模型2)。并將模型1和模型2應(yīng)用于案例加熱爐，分析結(jié)論如下：

(1)模型1和模型2計(jì)算得到的鋼坯噸鋼能耗的結(jié)果變化趨勢(shì)一致，相對(duì)誤差均≤3.1%，絕對(duì)誤差均≤0.04 GJ/t，說(shuō)明模型1和模型2具有同樣的適用性和準(zhǔn)確性，但是由于舍入誤差的存在，模型2的計(jì)算結(jié)果均略大于模型1。

(2)對(duì)于相同的鋼種來(lái)說(shuō)，裝載溫度、裝載規(guī)格(寬度)對(duì)模型2的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差均基本無(wú)影響，而停留時(shí)間對(duì)模型2的相對(duì)誤差略有影響且在工程允許的范圍內(nèi)，若想在鋼坯較短的停留時(shí)間下，獲取相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差都滿意的結(jié)果，需要對(duì)模型2略加修正。

(3)對(duì)于裝配二級(jí)的加熱爐建議使用模型1進(jìn)行鋼坯能源分?jǐn)傆?jì)算，而對(duì)于未裝配二級(jí)的加熱爐可應(yīng)用模型2進(jìn)行鋼坯能源分?jǐn)傆?jì)算。