軋鋼工序能耗影響因素分析及節(jié)能措施

閆振武

（太原鋼鐵（集團）公司能環(huán)部，山西太原 030003）

1 前言

鋼鐵工業(yè)是高能耗行業(yè)，在全國的能源消耗結構中鋼鐵工業(yè)占總能耗的11%左右，占工業(yè)部門能耗量的15%～25%[1]。當前，中國在加速現(xiàn)代化經(jīng)濟建設步伐的進程中，能源生產(chǎn)增長速度尚難于適應需求的增長，尤其在市場經(jīng)濟的條件下，能源價格仍將呈上升趨勢，這對于能源費用占企業(yè)生產(chǎn)總成本20%～30%的鋼鐵企業(yè)將是新的挑戰(zhàn)，同時能耗水平與環(huán)境保護亦有著直接影響。因此，節(jié)約能源、降低消耗、提高效益是鋼鐵工業(yè)的長期戰(zhàn)略任務。

近幾年來，我國鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展，2011年鋼產(chǎn)量已達到68326.5萬t，穩(wěn)居世界第一位，噸鋼綜合能耗連年下降，2010年比2005年下降20%，但與國際先進水平相比，仍有相當大的差距。軋鋼工序能耗約占冶金工業(yè)總能耗的12%[2-3]。因此，研究軋鋼工序的節(jié)能降耗技術對降低噸鋼能耗具有重要意義。

而從軋鋼工序節(jié)能環(huán)節(jié)來區(qū)分，可以分為軋鋼加熱爐，軋機及附屬設備，比如軋輥、機械構件等。從能耗結構中可以分為燃耗、電耗、蒸汽、回收能源和其他介質(zhì)能耗，其他介質(zhì)能耗包括水、壓縮空氣、氧氣和氮氣等消耗[4-5]。而我們要抓住關鍵環(huán)節(jié)，即加熱爐，它消耗了整個能耗的90%以上[6]。從加熱爐結構角度出發(fā)，可以從改用蓄熱式燃燒方式，可大幅度提高能源利用率，或者加裝余熱回收裝置減少排煙損失，還可以用新型耐火材料維護和修補爐體來降低加熱爐的散熱損失[7-8]。另外，還可以采用強制汽化冷卻技術，減少軋鋼加熱用水，生產(chǎn)蒸汽回收利用[9]。從工藝優(yōu)化的角度，可以通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析及建立數(shù)學模型來優(yōu)化加熱時間，盡可能在保證加熱質(zhì)量的前提下，降低加熱溫度及加熱時間[10]，另外還可以進行爐壓控制，變頻調(diào)速等技術減少加熱爐的能源損失[11]。

而本文重點關注加熱爐內(nèi)加熱溫度及加熱時間對單位能耗及綜合能耗的影響。首先通過檢測軋鋼廠生產(chǎn)線相關環(huán)節(jié)的參數(shù)，得到對應的能源消耗數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)分類整理，利用統(tǒng)計歸納的方法進行分析，找出影響軋鋼工序能耗的主要因素，提出降低軋鋼工序能耗的途徑，為軋鋼廠節(jié)能及能源管理提供了科學的依據(jù)[12]。

2 影響軋鋼工序能耗因素分析

那么軋鋼工序能耗指的是什么，我們這里所說的軋鋼工序能耗只包括燃耗、電耗和氧化燒損三個方面。雖然，影響軋鋼工序能耗的因素比較多[5]，但最重要的因素是加熱溫度[6-7]。以某軋鋼廠現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)為基礎，建立鋼坯加熱溫度與燃耗、電耗和氧化燒損之間的經(jīng)驗式，通過試驗得到如下實際試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 軋鋼廠現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

2.1 鋼坯的加熱溫度對單位熱耗的影響

以鋼坯加熱溫度（T）為橫坐標，單位熱耗為縱坐標作圖，則各試驗點在圖中的位置如圖1所示。

圖1 單位熱耗與鋼坯加熱溫度的關系

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，得到單位熱耗與鋼坯加熱溫度關系的方程為：

式中，E1——單位熱耗，106kJ/t；

T——鋼坯加熱溫度，℃。

由式（1）可看出，單位熱耗與鋼坯加熱溫度之間呈二次方變化。按式（1）計算，鋼坯加熱溫度在1150℃～1250℃的范圍內(nèi)（一般軋鋼加熱溫度范圍）單位熱耗的變化如圖1所示，由圖1看出加熱溫度每平均降低10 ℃，單位熱耗則平均降低0.0358×106kJ/t，燃料平均節(jié)約率為2.1%。如果按照加熱溫度平均降低50℃計算，加熱每噸鋼坯就可以節(jié)約0.1792×106kJ的熱量，折合6.11 kg標準煤。但加熱溫度不是越低越好，在保證最佳出鋼溫度范圍的前提下應該盡量降低鋼坯加熱溫度。

2.2 鋼坯加熱溫度對單位電耗的影響

按照上述同樣的方法，對鋼坯加熱溫度與單位電耗關系的試驗數(shù)據(jù)進行整理和回歸分析，可得如下關系方程：

式中，E2——單位電耗（折合成熱量），×106kJ/t。

由式（2）可知，單位電耗與鋼坯加熱溫度之間呈線性關系，且直線斜率很小，表明在測試生產(chǎn)工況下，鋼坯加熱溫度的變化對單位電耗影響較小，軋線單位電耗隨加熱溫度的變化關系見圖2。

圖2 鋼坯加熱溫度與單位電耗的關系

從圖2可以看出，鋼坯加熱溫度在1150℃～1250℃的范圍內(nèi)，溫度每降低10℃，單位電耗增加0.0025×106kJ/t，電能增長率為0.8%，如果加熱溫度同樣按降低50℃計算，軋制每噸鋼電耗的增量折合成熱量為0.0126×106kJ，折合成標準煤為0.43 kg。由此可見，降低鋼坯加熱溫度，不僅不能有效降低單位電耗，反而還會增加電耗。

2.3 鋼坯加熱溫度對單位燒損的影響

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)回歸，可得到單位燒損與鋼坯加熱溫度之間的關聯(lián)式：

式中，E3——單位燒損（折合成熱量），×106kJ/t。

按式（3）計算可得圖3。由圖3可以看出，單位燒損隨鋼坯加熱溫度的升高而增加，在溫度1150℃～1250℃的范圍內(nèi)，鋼坯加熱溫度每降低10℃，單位燒損（折合成熱量）平均降低0.0207×106kJ/t，氧化燒損率平均降低4.8%，如果加熱溫度仍按降低50℃計算，加熱每噸鋼可以減少燒損折合成熱量）為0.1038×106kJ，折合標準煤3.54 kg。 在保證合理出鋼溫度范圍的前提下，應該盡量降低鋼坯加熱溫度，減少燒損。

圖3 單位燒損與鋼坯加熱溫度的關系

2.4 鋼坯加熱溫度對各因素影響的對比

通過對比三大主要因素數(shù)據(jù),可以明顯看出鋼坯溫度升高時,各因素間變化趨勢的對比關系。由圖4所示，隨鋼坯加熱溫度的升高，單位熱耗所占比例最大，且變化最明顯。而單位電耗則小幅波動，變化不大。氧化燒損量隨溫度變化亦明顯。

圖4 不同鋼坯加熱溫度下各因素間對比情況

2.5 鋼坯加熱溫度對單位綜合能耗的影響

將單位熱耗與單位電耗相加得到單位綜合能耗，通過數(shù)據(jù)回歸可得到如下方程：

式中，E綜——單位綜合能耗，106kJ/t。

按式（4）計算，可得圖5。由圖5可見，在溫度1150℃～1250℃的范圍內(nèi)，鋼坯加熱溫度每降低10℃，單位綜合能耗平均降低0.03333×106kJ/t，平均下降率分別為1.65%和2.22%。如果鋼坯加熱溫度按降低50℃計算，則軋制每噸鋼就可以節(jié)約0.1666×106kJ熱量，折合標準煤分別為5.69 kg。由此可見，降低鋼坯加熱溫度可以顯著地降低軋鋼工序的綜合能耗。因此，在保證最佳出鋼溫度范圍的前提下，應該盡量降低鋼坯加熱溫度，以降低軋鋼工藝的綜合能耗，達到節(jié)能的目的。

圖5 單位綜合能耗與鋼坯加熱溫度的關系

3 對應節(jié)能措施

通過上述分析，得到鋼坯加熱溫度對各因素的影響規(guī)律，由此可以采取相應措施達到節(jié)能的目的，主要措施包括：

（1）盡量降低鋼坯加熱溫度

在保證合理出鋼溫度前提下，盡量降低加熱溫度。針對本文所測加熱爐，加熱溫度與熱耗呈二次方關系，因此存在最佳鋼坯加熱溫度范圍在1150～1190℃。

（2）合理匹配加熱爐爐溫與軋線操作制度

由本文數(shù)據(jù)，在鋼坯加熱溫度合理范圍內(nèi)，單位熱耗與軋線總電耗之間變化并不明顯。但實際生產(chǎn)中，加熱溫度較低時，要適當提高軋機能力，反之則需要降低，以節(jié)省電耗。

（3）采用熱裝熱送和低溫軋制技術

熱裝熱送技術是近年來冶金行業(yè)重點推廣的節(jié)能技術，該技術可以大幅度降低加熱爐燃耗，并縮短鋼坯在爐內(nèi)的加熱時間，降低氧化燒損率，提高成材率。 而低溫軋制技術有助于降低鋼坯出爐溫度，減少軋鋼系統(tǒng)散熱損失，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能，在近年軋鋼系統(tǒng)節(jié)能中不斷推廣。

4 結論

（1）本文通過現(xiàn)場檢測得到相關環(huán)節(jié)的能耗數(shù)據(jù)，經(jīng)過研究分析揭示了獲得了加熱溫度與燃料消耗、電耗和燒損之間的相互規(guī)律。

（2）通過數(shù)據(jù)整理及回歸方法分析可知，鋼坯加熱溫度的高低與軋鋼工序能耗是密切相關的，研究表明降低鋼坯加熱溫度不僅能降低單位熱耗，而且能顯著地降低軋鋼工序的單位綜合能耗。

（3）在軋制設備、產(chǎn)品質(zhì)量和電力供應允許情況下降低鋼坯加熱溫度可以減少氧化燒損。

（4）采用優(yōu)化加熱制度、優(yōu)化生產(chǎn)計劃可以收到良好的節(jié)能效果。

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