吳索團(tuán)，王銀軍，黃全新

(1.上海梅山鋼鐵公司，江蘇 南京 210039；2.廣西安全工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530100)

1 前 言

溫室氣體排放引起的全球變暖、氣候變化越來(lái)越引起人們的關(guān)注。中國(guó)政府提出在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)，十四五規(guī)劃也將推動(dòng)綠色低碳發(fā)展列入其中。碳達(dá)峰是指化石能源利用、工業(yè)生產(chǎn)、生物活動(dòng)等產(chǎn)生的以CO2為主的溫室氣體總排放量達(dá)到峰值；碳中和是指通過(guò)節(jié)能、減排、綠化、綠色環(huán)保人居等方式抵消溫室氣體的排放量。鋼鐵行業(yè)作為能源消耗高密集型行業(yè)，在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的行動(dòng)中肩負(fù)重要使命。中國(guó)鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰目標(biāo)初步定為：2025年前，實(shí)現(xiàn)碳排放量達(dá)到峰值；到2030年，碳排放量較峰值降低30%，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)碳減排量4.2億t，主要通過(guò)廢鋼資源回收利用、燃料使用優(yōu)化、智能管控、產(chǎn)業(yè)工序協(xié)同、綠色環(huán)保物流、碳監(jiān)管強(qiáng)化等途徑實(shí)現(xiàn)。

隨著各種冶金、軋制新技術(shù)的研究應(yīng)用，鋼鐵行業(yè)不再是傳統(tǒng)“老大粗”行業(yè)，現(xiàn)有鋼鐵行業(yè)節(jié)能技術(shù)有40多項(xiàng)[1-4]。當(dāng)前鋼鐵企業(yè)熱軋工序節(jié)能、低碳、減排技術(shù)主要包括：連鑄坯熱裝熱送、低溫軋制、超快冷軋制、熱卷箱技術(shù)、節(jié)能加熱爐自動(dòng)控制、余熱極致回收利用等。本文分析了鋼鐵企業(yè)帶鋼熱軋工序節(jié)能、低碳、減排技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了直接軋制、加熱爐風(fēng)機(jī)節(jié)能、加熱爐富氧燃燒、加熱爐摻燒天然氣、加熱爐余熱回收的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及成效，為鋼鐵行業(yè)熱軋工序?qū)崿F(xiàn)節(jié)能、低碳、減排提供綜合借鑒。

2 熱軋工序節(jié)能及碳排放數(shù)據(jù)分析

如圖1所示，對(duì)比鋼鐵生產(chǎn)全流程各工序產(chǎn)生的溫室氣體CO2噸鋼排放總量[2]，高爐CO2噸鋼排放量最高，其次依次分別為燒結(jié)、焦化、軋制，軋制工序每生產(chǎn)1 t熱軋成品鋼材，可產(chǎn)生溫室氣體CO2排放總量約為243 kg(燃燒1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤=29.3×10-3GJ能耗=2.37～2.62 kg的CO2排放)。對(duì)比軋制鋼材生產(chǎn)流程中的熱軋工序各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，連軋?jiān)诰€熱處理技術(shù)采用感應(yīng)加熱、密集火焰加熱，節(jié)能潛力最大，其次是無(wú)頭、半無(wú)頭軋制技術(shù)[3]。

圖1 鋼鐵生產(chǎn)各工序CO2噸鋼排放對(duì)比

如圖2所示，對(duì)比軋制鋼材的熱軋工序節(jié)能減排技術(shù)特征數(shù)據(jù)[5]，熱軋成品鋼材各工序溫室氣體CO2減排放總量依次為：連鑄坯熱裝熱送技術(shù)26.78 kg·t-1、熱軋廠過(guò)程控制技術(shù)20.49 kg·t-1、加熱爐蓄熱式燃燒技術(shù)18.6 kg·t-1、帶鋼集成連鑄連軋技術(shù)6.99 kg·t-1、冷卻水余熱回收技術(shù)0.59 kg·t-1。因此，連鑄坯熱裝熱送技術(shù)、熱軋過(guò)程控制技術(shù)、加熱爐蓄熱式燃燒技術(shù)是熱軋工序中最有效的節(jié)能、減碳技術(shù)。

圖2 熱軋工序CO2噸鋼減排對(duì)比

3 熱軋工序主要低碳減排技術(shù)

3.1 直接軋制技術(shù)

直接軋制(continuous casting direct rolling，簡(jiǎn)稱CCDR)是指連鑄坯出連鑄機(jī)經(jīng)切斷后不經(jīng)加熱爐加熱或只經(jīng)在線補(bǔ)償加熱，即直接送入軋機(jī)進(jìn)行軋制板帶鋼材的工藝過(guò)程。該熱軋節(jié)能技術(shù)是20世紀(jì)70年代石油危機(jī)后形成的，隨著連鑄技術(shù)的廣泛應(yīng)用而得到迅速開(kāi)發(fā)，目前趨向普及推廣，并在工藝與理論上進(jìn)一步深入開(kāi)發(fā)。

直接軋制工藝按照工藝途徑可分為連鑄坯直接軋制成材、直接開(kāi)坯、近距離直接軋制和遠(yuǎn)距離直接軋制等。按照加熱方式，直接軋制又可分為以下兩種類型：①連鑄坯在1 100 ℃條件下不經(jīng)加熱爐，在輸送過(guò)程中通過(guò)邊角補(bǔ)熱裝置直接送入軋機(jī)軋制。連鑄坯軋前未經(jīng)過(guò)相變?cè)俳Y(jié)晶過(guò)程，仍保留鑄態(tài)粗大的奧氏體晶粒，Nb、V等微量合金無(wú)常規(guī)冷裝爐工藝條件下的析出、再溶解過(guò)程，因而需開(kāi)發(fā)新的軋制工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，這對(duì)微合金鋼來(lái)說(shuō)，更能充分發(fā)揮Nb、V等微合金化元素的作用；②連鑄坯溫度在1 100 ℃以下，A3奧氏體熔化溫度以上，連鑄坯不經(jīng)加熱爐，在輸送過(guò)程中通過(guò)補(bǔ)熱和均熱，使鋼坯達(dá)到可軋溫度，直接送入軋機(jī)軋制。

直接軋制的主要優(yōu)點(diǎn)如下：①應(yīng)用CCDR工藝后，鋼廠噸鋼節(jié)能可達(dá)85%以上；②由于取消了表面缺陷火焰清理，大幅降低氧化燒損；③區(qū)別于高溫連鑄坯直接熱裝軋制(簡(jiǎn)稱DHCR或HDR)，CCDR直接軋制的連鑄坯溫度更高，也不經(jīng)過(guò)加熱爐，與傳統(tǒng)冷裝生產(chǎn)方式從煉鋼、連鑄到軋制成卷需72 h，熱裝軋制需要約48 h，而直接軋制僅需約2 h，節(jié)能、低碳、減排效果顯著；④實(shí)現(xiàn)連鑄坯直接軋制的前提條件就是高質(zhì)量無(wú)缺陷連鑄坯的生產(chǎn)，必然帶來(lái)產(chǎn)品表面和內(nèi)部質(zhì)量的提高，同時(shí)，鑄坯不經(jīng)加熱爐加熱，可減少氧化鐵皮表面缺陷，沒(méi)有加熱爐加熱時(shí)出現(xiàn)的固定梁黑印，厚度精度也會(huì)相應(yīng)提高，可改善產(chǎn)品表面質(zhì)量與尺寸精度。

某熱連軋產(chǎn)線采用連鑄坯熱裝直接軋制工藝試制SPHC帶鋼，連鑄坯裝爐溫度800～900 ℃，在爐時(shí)間70～120 min，比常規(guī)冷裝軋制在爐時(shí)間縮短50%以上，試制的SPHC帶鋼質(zhì)量與常規(guī)冷裝軋制產(chǎn)品差別不大，但節(jié)能減排效果顯著，據(jù)測(cè)算，按照連鑄坯裝爐溫度提高150 ℃，可減少能耗2.5 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/噸鋼，減少CO2排放6.5 kg/噸鋼左右。

直接軋制工藝的優(yōu)點(diǎn)非常突出，正日益得到推廣應(yīng)用[6]。由于直接軋制工藝流程短，對(duì)各工序綜合協(xié)同技術(shù)要求極高，未來(lái)持續(xù)改進(jìn)、關(guān)注的重點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)煉鋼、連鑄、熱軋、生產(chǎn)計(jì)劃、物流一體化智能管理。

3.2 加熱爐風(fēng)機(jī)節(jié)能減排技術(shù)

熱軋工序加熱爐通過(guò)風(fēng)機(jī)鼓入空氣、調(diào)節(jié)煤氣和空氣的用量來(lái)保證正常生產(chǎn)。一般情況下，1條軋鋼機(jī)組配備多個(gè)加熱爐，每個(gè)加熱爐配備2臺(tái)風(fēng)機(jī)。多個(gè)加熱爐之間的風(fēng)機(jī)可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以并網(wǎng)運(yùn)行。某熱軋產(chǎn)線有3座加熱爐，采用6臺(tái)離心式助燃風(fēng)機(jī)(如圖3所示)[7]，其中，2號(hào)、4號(hào)風(fēng)機(jī)為變頻風(fēng)機(jī)，其余為常規(guī)風(fēng)機(jī)，變頻風(fēng)機(jī)通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)出口風(fēng)壓，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制運(yùn)行使用時(shí)，省電、節(jié)能效果非常明顯。加熱爐滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)風(fēng)機(jī)變頻器處于50 Hz運(yùn)行，無(wú)法降低到低頻，影響了風(fēng)機(jī)節(jié)能效果。進(jìn)一步提高節(jié)能減排效果還需要對(duì)加熱爐風(fēng)機(jī)節(jié)能新技術(shù)深入研究。

圖3 加熱爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

軸承技術(shù)是節(jié)能風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，近年來(lái)，以空氣懸浮、電磁懸浮軸承技術(shù)在風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用具有顯著節(jié)能、低碳、減排效果，引起了行業(yè)內(nèi)的高度重視和廣泛關(guān)注[8-17]。磁懸浮軸承相比傳統(tǒng)軸承，具有無(wú)接觸、無(wú)潤(rùn)滑、節(jié)能高效及適用于極端環(huán)境等多重優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)極致節(jié)能。瑞士MECOS、瑞典SKF(已兼并法國(guó)S2M)、法國(guó)IBAG、美國(guó)NASA、美國(guó)WAUKESHA、加拿大RE-VOLVE、德國(guó)LEVITEC、芬蘭ABS、俄羅斯OKBM、日本精工等國(guó)外企業(yè)較早開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的磁懸浮軸承技術(shù)。中國(guó)磁懸浮軸承技術(shù)起步比國(guó)外晚至少20年，清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西安交大等高校在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先開(kāi)展了磁懸浮軸承技術(shù)研究。從羅茨鼓風(fēng)機(jī)、氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)再到如今的磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)，這些產(chǎn)品的創(chuàng)新發(fā)展歷程說(shuō)明了市場(chǎng)上對(duì)節(jié)能減排產(chǎn)品的急迫需求。

熱軋工序加熱爐風(fēng)機(jī)節(jié)能、低碳、減排潛力巨大，以目前年耗電約1 000萬(wàn)kW·h某熱軋產(chǎn)線加熱爐風(fēng)機(jī)為例，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)電約20%～30%，節(jié)電約200～300萬(wàn)kW·h/年，以1 kW·h電平均產(chǎn)生0.758 kg的CO2排放計(jì)算，減少溫室氣體CO2排放總量約1 510～2 270 t/年。

3.3 加熱爐富氧燃燒技術(shù)

富氧燃燒是指提高空氣中的氧氣濃度形成富氧空氣并與燃料進(jìn)行混合燃燒的節(jié)能技術(shù)。20世紀(jì)60年代國(guó)外開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)加熱爐富氧燃燒技術(shù)。富氧燃燒的優(yōu)點(diǎn)包括提高燃料燃燒效率、提高火焰溫度、增強(qiáng)熱輻射、加強(qiáng)熱傳遞燒鋼、降低燃料消耗量、減少排煙熱量損失等。但富氧燃燒因溫度過(guò)高容易損壞燃燒器燒嘴、增加鋼坯的燒損，生成更多的NOx污染物[18-27]。目前國(guó)內(nèi)外許多公司已研制并開(kāi)發(fā)或正在開(kāi)發(fā)多種先進(jìn)的富氧燃燒技術(shù)(如無(wú)焰純氧燃燒、氫氣富氧燃燒等)、爐內(nèi)燃燒高精度控制技術(shù)(如全自動(dòng)燒鋼技術(shù)、爐內(nèi)燃燒PID動(dòng)態(tài)控制技術(shù)、爐群智能調(diào)度控制等)以及相關(guān)富氧燃燒配套裝備等。

帶鋼熱軋工序加熱爐富氧燃燒技術(shù)研究關(guān)注重點(diǎn)主要包括氣體燃料富氧燃燒特性、鋼坯的氧化燒損特性兩方面。Delabroy、Karimi、M. Si等人對(duì)加熱爐富氧燃燒特性、能效分析研究[26-32]，研究表明，富氧燃燒能夠增加鋼坯表面熱流密度，減小燃料消耗和煙氣中NOx生成量，減小鋼坯表面與內(nèi)部溫差，降低鋼坯燒損量，顯著提高軋鋼加熱爐產(chǎn)能。蔣受寶對(duì)某鋼坯加熱爐進(jìn)行富氧燃燒研究，結(jié)果表明，當(dāng)助燃空氣中O2濃度比常規(guī)值增加1.6倍，提高助燃空氣預(yù)熱溫度700 K時(shí)，鋼坯加熱時(shí)間可縮短38%，鋼坯表面氧化燒損量降低約40%[18]。張義貴、童莉葛、王乃帥等人對(duì)鋼坯加熱爐富氧燃燒特性研究[33-36]，結(jié)果表明，采用富氧燃燒，爐內(nèi)輻射換熱量增加，排煙熱量損失、能耗降低，隨著O2濃度的增加，輻射系數(shù)先增大后減小，當(dāng)助燃空氣的O2濃度提高至50%時(shí)，能耗降低8%，鋼坯產(chǎn)量提高13%，但鋼坯表面燒損量有所增加。雷杰、伍成波等人以天然氣、高焦混合煤氣、高爐煤氣為研究對(duì)象，研究軋鋼加熱爐富氧燃燒技術(shù)的特性及加熱過(guò)程中鋼坯高溫氧化特性，研究表明，隨著O2濃度的增加，鋼坯在加熱段的燒損量逐漸降低，均熱段的燒損量逐漸增加，鋼坯的總燒損量則呈先降后升的變化趨勢(shì)，爐內(nèi)氧濃度為28%～35%左右時(shí)鋼坯表面氧化燒損量有所降低[37]。

國(guó)內(nèi)外鋼鐵行業(yè)富氧燃燒技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用至今已有近60年[38-46]。我國(guó)對(duì)富氧燃燒技術(shù)的研究與應(yīng)用比較晚，隨著節(jié)能減排、“雙碳”目標(biāo)工作的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)許多大型鋼鐵公司也開(kāi)始對(duì)加熱爐進(jìn)行富氧燃燒改造與應(yīng)用，這對(duì)節(jié)約能源、減碳、減少污染排放、推動(dòng)環(huán)境改善具有積極意義。鋼企今后應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)需關(guān)注燃耗降低與氧耗增加的經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)，科學(xué)評(píng)估帶鋼熱軋工序加熱爐采用富氧燃燒技術(shù)帶來(lái)的綜合效益。

3.4 加熱爐摻燒天然氣技術(shù)

“雙碳”形勢(shì)下，鋼鐵企業(yè)迫切需要更環(huán)保的清潔燃料、燃?xì)馓娲簹?。某公司?duì)天然氣置換焦?fàn)t煤氣的互換性問(wèn)題進(jìn)行了初步研究和工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐[47]。燒嘴是燃?xì)饧訜釥t的關(guān)鍵性設(shè)備，由于各種燃?xì)獾娜紵匦圆町?，燒嘴的燃?xì)馀c空氣流量特性也不同，加熱爐摻燒天然氣后，燒嘴煤氣流量、空氣流量特性發(fā)生變化，對(duì)不同燃?xì)饣Q性、不同比例摻燒后的燃燒特性、燒嘴的流量特性等方面開(kāi)展研究[48]，研究結(jié)果表明：①在穩(wěn)定燃燒條件下，隨著摻混天然氣比例逐漸增大時(shí)，混合煤氣密度增加；②與高爐、焦?fàn)t混合煤氣相比，摻混天然氣后理論空氣量增加，相同煤氣流量條件下，燒嘴前空氣壓力也會(huì)隨之增加；③燒嘴穩(wěn)定燃燒條件下，天然氣最大摻燒比例為22%。采用高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、天然氣三種介質(zhì)混合在國(guó)內(nèi)鋼企已有成功的應(yīng)用案例，可有效緩解煤氣短缺的局面，實(shí)現(xiàn)清潔能源利用、低碳減排、保護(hù)環(huán)境[49]。

天然氣作為一種低排放、高燃值優(yōu)質(zhì)能源，目前對(duì)鋼廠加熱爐只能將天然氣作為燃?xì)庋a(bǔ)充互換，受天然氣價(jià)格、供氣合同及外部管網(wǎng)供氣狀況的影響較大，天然氣不可能隨時(shí)都滿足生產(chǎn)的需求，如何進(jìn)行燃?xì)馄胶忸A(yù)測(cè)、穩(wěn)定互換，是今后鋼廠加熱爐摻燒天然氣應(yīng)用的關(guān)注重點(diǎn)。

3.5 加熱爐余熱回收利用技術(shù)

加熱爐能耗占軋鋼工序綜合能耗的60%～70%[50]。工業(yè)余熱是指在生產(chǎn)過(guò)程中供給設(shè)備運(yùn)行所需的熱能未被完全利用的能量。目前。國(guó)外先進(jìn)鋼鐵企業(yè)的余熱資源的回收率一般在90%以上，我國(guó)鋼鐵企業(yè)對(duì)余熱回收率卻只有約35%[51]。軋鋼廠采用步進(jìn)梁式加熱爐加熱鋼坯，產(chǎn)生的煙氣余熱帶走了大量的熱量，煙氣余熱的回收利用具有較大的節(jié)能、減排、減碳潛力。目前國(guó)內(nèi)加熱爐余熱回收利用較為成熟的技術(shù)有汽化冷卻技術(shù)、空氣(或煤氣)預(yù)熱技術(shù)、余熱鍋爐技術(shù)等[51]。以寶山鋼鐵公司軋鋼區(qū)域主要加熱爐為例，平均排煙溫度383 ℃，其中200 ℃以上余熱資源具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，該區(qū)域可回收此類余熱資源潛力達(dá)3.5萬(wàn) t標(biāo)準(zhǔn)煤。軋鋼區(qū)域采用熱水、蒸汽余壓發(fā)電技術(shù)將富裕熱水、蒸汽轉(zhuǎn)化成電力能源，熱水發(fā)電主要有兩種技術(shù)路徑，一種是有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)(ORC)熱水加熱低沸點(diǎn)工作介質(zhì)將低溫余熱轉(zhuǎn)換為電能，另一種是熱水閃蒸產(chǎn)生飽和蒸汽發(fā)電。如何充分利用低于300 ℃煙氣余熱資源，結(jié)合高效磁懸浮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)ORC低溫極限余熱回收，這是今后關(guān)注的重要發(fā)展方向。

4 結(jié)論與展望

碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)形勢(shì)下，鋼鐵行業(yè)熱軋工序應(yīng)用直接軋制、風(fēng)機(jī)節(jié)能、富氧燃燒、摻燒天然氣、余熱回收等節(jié)能、低碳、減排技術(shù)仍有潛力挖掘，特別是帶鋼直接軋制技術(shù)衍生的無(wú)缺陷高速連鑄坯、高溫連鑄坯生產(chǎn)及保溫、長(zhǎng)壽命軋鋼設(shè)備、氫氣代替天然氣加熱綜合技術(shù)、軋制產(chǎn)線鋼坯電磁感應(yīng)加熱、生產(chǎn)計(jì)劃協(xié)同智能管理系統(tǒng)等都極具挑戰(zhàn)性。直接軋制、直接熱裝軋制對(duì)熱軋帶鋼組織、性能、表面質(zhì)量的影響規(guī)律還需要深入研究。開(kāi)發(fā)高強(qiáng)輕量化、耐蝕長(zhǎng)壽命以及面向清潔能源領(lǐng)域的綠色鋼鐵產(chǎn)品的熱軋制造技術(shù)，助力低碳減排技術(shù)的延伸，也是當(dāng)前帶鋼熱軋工序的低碳技術(shù)研究方向之一。