吳索團，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、氣候變化越來越引起人們的關(guān)注。中國政府提出在2030年前實現(xiàn)碳達峰、爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標，十四五規(guī)劃也將推動綠色低碳發(fā)展列入其中。碳達峰是指化石能源利用、工業(yè)生產(chǎn)、生物活動等產(chǎn)生的以CO2為主的溫室氣體總排放量達到峰值；碳中和是指通過節(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)，在實現(xiàn)碳達峰、碳中和的行動中肩負重要使命。中國鋼鐵行業(yè)碳達峰目標初步定為：2025年前，實現(xiàn)碳排放量達到峰值；到2030年，碳排放量較峰值降低30%，預(yù)計實現(xiàn)碳減排量4.2億t，主要通過廢鋼資源回收利用、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)管強化等途徑實現(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[1-4]。當前鋼鐵企業(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，重點介紹了直接軋制、加熱爐風機節(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標準煤=29.3×10-3GJ能耗=2.37～2.62 kg的CO2排放)。對比軋制鋼材生產(chǎn)流程中的熱軋工序各項節(jié)能技術(shù)，連軋在線熱處理技術(shù)采用感應(yīng)加熱、密集火焰加熱，節(jié)能潛力最大，其次是無頭、半無頭軋制技術(shù)[3]。

圖1 鋼鐵生產(chǎn)各工序CO2噸鋼排放對比

如圖2所示，對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，簡稱CCDR)是指連鑄坯出連鑄機經(jīng)切斷后不經(jīng)加熱爐加熱或只經(jīng)在線補償加熱，即直接送入軋機進行軋制板帶鋼材的工藝過程。該熱軋節(jié)能技術(shù)是20世紀70年代石油危機后形成的，隨著連鑄技術(shù)的廣泛應(yīng)用而得到迅速開發(fā)，目前趨向普及推廣，并在工藝與理論上進一步深入開發(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、直接開坯、近距離直接軋制和遠距離直接軋制等。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，在輸送過程中通過邊角補熱裝置直接送入軋機軋制。連鑄坯軋前未經(jīng)過相變再結(jié)晶過程，仍保留鑄態(tài)粗大的奧氏體晶粒，Nb、V等微量合金無常規(guī)冷裝爐工藝條件下的析出、再溶解過程，因而需開發(fā)新的軋制工藝來實現(xiàn)晶粒細化，這對微合金鋼來說，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，在輸送過程中通過補熱和均熱，使鋼坯達到可軋溫度，直接送入軋機軋制。

直接軋制的主要優(yōu)點如下：①應(yīng)用CCDR工藝后，鋼廠噸鋼節(jié)能可達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(簡稱DHCR或HDR)，CCDR直接軋制的連鑄坯溫度更高，也不經(jīng)過加熱爐，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實現(xiàn)連鑄坯直接軋制的前提條件就是高質(zhì)量無缺陷連鑄坯的生產(chǎn)，必然帶來產(chǎn)品表面和內(nèi)部質(zhì)量的提高，同時，鑄坯不經(jīng)加熱爐加熱，可減少氧化鐵皮表面缺陷，沒有加熱爐加熱時出現(xiàn)的固定梁黑印，厚度精度也會相應(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 ℃，在爐時間70～120 min，比常規(guī)冷裝軋制在爐時間縮短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)測算，按照連鑄坯裝爐溫度提高150 ℃，可減少能耗2.5 kg標準煤/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，對各工序綜合協(xié)同技術(shù)要求極高，未來持續(xù)改進、關(guān)注的重點需要實現(xiàn)煉鋼、連鑄、熱軋、生產(chǎn)計劃、物流一體化智能管理。

3.2 加熱爐風機節(jié)能減排技術(shù)

熱軋工序加熱爐通過風機鼓入空氣、調(diào)節(jié)煤氣和空氣的用量來保證正常生產(chǎn)。一般情況下，1條軋鋼機組配備多個加熱爐，每個加熱爐配備2臺風機。多個加熱爐之間的風機可以單獨運行，也可以并網(wǎng)運行。某熱軋產(chǎn)線有3座加熱爐，采用6臺離心式助燃風機(如圖3所示)[7]，其中，2號、4號風機為變頻風機，其余為常規(guī)風機，變頻風機通過變頻器調(diào)節(jié)出口風壓，風機并網(wǎng)控制運行使用時，省電、節(jié)能效果非常明顯。加熱爐滿負荷生產(chǎn)時風機變頻器處于50 Hz運行，無法降低到低頻，影響了風機節(jié)能效果。進一步提高節(jié)能減排效果還需要對加熱爐風機節(jié)能新技術(shù)深入研究。

圖3 加熱爐風機系統(tǒng)

軸承技術(shù)是節(jié)能風機的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，近年來，以空氣懸浮、電磁懸浮軸承技術(shù)在風機上的應(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，具有無接觸、無潤滑、節(jié)能高效及適用于極端環(huán)境等多重優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)極致節(jié)能。瑞士MECOS、瑞典SKF(已兼并法國S2M)、法國IBAG、美國NASA、美國WAUKESHA、加拿大RE-VOLVE、德國LEVITEC、芬蘭ABS、俄羅斯OKBM、日本精工等國外企業(yè)較早開發(fā)了先進的磁懸浮軸承技術(shù)。中國磁懸浮軸承技術(shù)起步比國外晚至少20年，清華大學、南京航空航天大學、西安交大等高校在國內(nèi)領(lǐng)先開展了磁懸浮軸承技術(shù)研究。從羅茨鼓風機、氣懸浮鼓風機再到如今的磁懸浮鼓風機，這些產(chǎn)品的創(chuàng)新發(fā)展歷程說明了市場上對節(jié)能減排產(chǎn)品的急迫需求。

熱軋工序加熱爐風機節(jié)能、低碳、減排潛力巨大，以目前年耗電約1 000萬kW·h某熱軋產(chǎn)線加熱爐風機為例，通過技術(shù)改進，可實現(xiàn)節(jié)電約20%～30%，節(jié)電約200～300萬kW·h/年，以1 kW·h電平均產(chǎn)生0.758 kg的CO2排放計算，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行混合燃燒的節(jié)能技術(shù)。20世紀60年代國外開始研究開發(fā)加熱爐富氧燃燒技術(shù)。富氧燃燒的優(yōu)點包括提高燃料燃燒效率、提高火焰溫度、增強熱輻射、加強熱傳遞燒鋼、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]。目前國內(nèi)外許多公司已研制并開發(fā)或正在開發(fā)多種先進的富氧燃燒技術(shù)(如無焰純氧燃燒、氫氣富氧燃燒等)、爐內(nèi)燃燒高精度控制技術(shù)(如全自動燒鋼技術(shù)、爐內(nèi)燃燒PID動態(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。蔣受寶對某鋼坯加熱爐進行富氧燃燒研究，結(jié)果表明，當助燃空氣中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，鋼坯加熱時間可縮短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，當助燃空氣的O2濃度提高至50%時，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、高爐煤氣為研究對象，研究軋鋼加熱爐富氧燃燒技術(shù)的特性及加熱過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，爐內(nèi)氧濃度為28%～35%左右時鋼坯表面氧化燒損量有所降低[37]。

國內(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]。我國對富氧燃燒技術(shù)的研究與應(yīng)用比較晚，隨著節(jié)能減排、“雙碳”目標工作的推進，國內(nèi)許多大型鋼鐵公司也開始對加熱爐進行富氧燃燒改造與應(yīng)用，這對節(jié)約能源、減碳、減少污染排放、推動環(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)濟平衡點，科學評估帶鋼熱軋工序加熱爐采用富氧燃燒技術(shù)帶來的綜合效益。

3.4 加熱爐摻燒天然氣技術(shù)

“雙碳”形勢下，鋼鐵企業(yè)迫切需要更環(huán)保的清潔燃料、燃氣替代煤氣。某公司對天然氣置換焦爐煤氣的互換性問題進行了初步研究和工業(yè)應(yīng)用實踐[47]。燒嘴是燃氣加熱爐的關(guān)鍵性設(shè)備，由于各種燃氣的燃燒特性差異，燒嘴的燃氣與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，對不同燃氣互換性、不同比例摻燒后的燃燒特性、燒嘴的流量特性等方面開展研究[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，混合煤氣密度增加；②與高爐、焦爐混合煤氣相比，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、焦爐煤氣、天然氣三種介質(zhì)混合在國內(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，實現(xiàn)清潔能源利用、低碳減排、保護環(huán)境[49]。

天然氣作為一種低排放、高燃值優(yōu)質(zhì)能源，目前對鋼廠加熱爐只能將天然氣作為燃氣補充互換，受天然氣價格、供氣合同及外部管網(wǎng)供氣狀況的影響較大，天然氣不可能隨時都滿足生產(chǎn)的需求，如何進行燃氣平衡預(yù)測、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。

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)過程中供給設(shè)備運行所需的熱能未被完全利用的能量。目前。國外先進鋼鐵企業(yè)的余熱資源的回收率一般在90%以上，我國鋼鐵企業(yè)對余熱回收率卻只有約35%[51]。軋鋼廠采用步進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)濟可行性，該區(qū)域可回收此類余熱資源潛力達3.5萬 t標準煤。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，一種是有機工質(zhì)朗肯循環(huán)(ORC)熱水加熱低沸點工作介質(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

碳達峰、碳中和目標形勢下，鋼鐵行業(yè)熱軋工序應(yīng)用直接軋制、風機節(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)衍生的無缺陷高速連鑄坯、高溫連鑄坯生產(chǎn)及保溫、長壽命軋鋼設(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。開發(fā)高強輕量化、耐蝕長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，也是當前帶鋼熱軋工序的低碳技術(shù)研究方向之一。