導衛(wèi)裝置在軋線除塵中的創(chuàng)新應用

張 戈，邢士建，段元民，李雪濤

（1 山東鋼鐵股份有限公司研究院，山東 濟南 250101；2 山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟南 271104）

1 前 言

軋機導衛(wèi)是軋鋼生產(chǎn)中的重要組成部件，導衛(wèi)安裝在軋機的出入口處，輔助軋件順利進出軋機孔型，對軋件起到導向、穩(wěn)定軋制的作用，是軋機上不可缺少的重要裝置。在軋件軋制過程中，軋件表面會形成一層氧化膜，當軋件經(jīng)由導衛(wèi)進入軋機后，軋件表面的氧化層在軋制力的作用下形成粉塵狀的顆粒逸散在車間廠房內(nèi)，這些含有超細氧化鐵粉塵的大量蒸氣，不但嚴重污染車間內(nèi)的工作環(huán)境，影響工人身體健康，而且對車間內(nèi)的生產(chǎn)設備如變壓器、傳感器、高精度液壓閥組等電氣元件也造成大范圍的粉塵污染和水汽腐蝕，因此必須嚴格控制，達標處理。

2 軋線除塵的重點及難點

軋線粉塵主要來源于軋制過程中軋件表面氧化鐵皮在軋制力作用下顆粒化，這種顆粒會附著在軋輥表面加速并混合冷卻水在軋機四周形成具有逸散速度的粉塵煙霧（尤其是在軋機導衛(wèi)附近煙霧濃度最高）。導衛(wèi)端部形成的粉塵煙霧隨著粉塵顆粒速度降低，其體積增大，散落的面積增大，最終產(chǎn)生粉塵污染，這是軋鋼生產(chǎn)線粉塵污染的主要來源。為減少粉塵污染，提高除塵效率，最有效的方法是在粉塵形成初期進行治理。

2.1 軋鋼區(qū)顆粒物物性分析

軋鋼工藝中，紅熱的鋼坯軋制期間產(chǎn)生大量水蒸氣、脫落氧化鐵粉。冷卻水蒸氣，雖然部分氧化鐵粉塵被高壓水帶走，但仍有大量超細的氧化鐵粉塵隨水蒸氣向上擴散，形成黃白色蒸氣污染物，主要成分為Fe2O3、FeO、水蒸氣等。。

取樣顆粒物進行電鏡掃描與能譜分析，得到微觀形貌與主要元素組成，如圖1、表1所示。從形貌來看，取樣的固態(tài)污染物呈塊狀與球狀兩種。根據(jù)多組顆粒物的能譜分析，占比最多的元素為O，其次為Fe、Si、Al、Ca等，另外包含少量F、Na、S、Cr、Cl、K、Ti、Mg、Zn。初步判斷取樣顆粒物中含有較多的金屬氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等。

表1 多組能譜檢測元素總含量（累加值） %

圖1 顆粒物微觀形貌

2.2 軋線除塵應用

軋線具有污染源頭多、生產(chǎn)線長、陣發(fā)性強、分布散、水蒸氣大、含油霧、對環(huán)境影響大、操作維護要求高等特點，因此，軋線除塵是鋼企無組織排放治理的一大難題。目前普遍流行的除塵方式為布袋式吸風除塵、水霧除塵、水霧抑塵等方式，這些方式在軋線上的應用效果普遍未達到其預期。主要原因是軋線設備設計較為緊湊，尤其是型鋼類、板材類軋線，其產(chǎn)線結構緊湊、設備動作復雜，產(chǎn)線可利用空間較小，普通的除塵捕集裝置無法在粉塵煙霧形成之初對其進行有效捕集，影響除塵效果。

軋機導衛(wèi)作為軋機設備上的重要裝置，其設計形式及尺寸根據(jù)所軋制規(guī)格型號不同而不同，因此在軋機導衛(wèi)上設計統(tǒng)一的粉塵捕集裝置難度較大。

3 導衛(wèi)在除塵方面的擴展應用

3.1 設計思路

根據(jù)軋鋼生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝和設備狀況，對換輥、操作、點檢、檢修、故障處理的現(xiàn)場要求，利用模擬計算和專業(yè)繪圖對軋線區(qū)域煙塵狀態(tài)及除塵部件進行了前期計算和設計。利用實驗室進行初步實驗，積累前期數(shù)據(jù)。同時結合新修訂的DB 37990—2019《鋼鐵工業(yè)大氣污染物排放標準》《軋鋼工藝通風凈化除塵技術規(guī)范》等標準，總結出軋線除塵要封閉、除塵、除油霧、除蒸氣協(xié)同治理才符合標準要求。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗以及對軋線粉塵產(chǎn)生、逃逸、散落等多方面的分析研究，總結出導衛(wèi)所處位置正是煙塵產(chǎn)生的位置；利用導衛(wèi)的這一特點，根據(jù)導衛(wèi)的結構添加集塵罩，結合熱濕交換、慣性碰撞、靜電捕獲等原理，把慣性力、電場力、重力、濃度梯度力等相耦合，結合異質(zhì)成核凝結相變、外部空間流場組織、內(nèi)部結構流場優(yōu)化等方式，實現(xiàn)對蒸氣及粉塵顆粒的高效脫除。

研發(fā)采用理論分析、數(shù)值模擬、試驗研究、示范裝置應用的方式進行。研究過程中首先從軋線粗軋區(qū)域污染物的排放特征入手展開研究，利用煙塵分析儀、溫濕度計、風速計等對型鋼粗軋區(qū)域污染物排放的總氣量、污染物中粉塵濃度、濕度等基礎參數(shù)進行檢測；同時收集顆粒物以獲得粒徑分布規(guī)律，利用掃描電鏡、能譜儀等對顆粒物的表觀形貌、元素組成進行分析。理論分析主要針對多場協(xié)同脫除污染物過程中顆粒所受的流體曳力、重力、電場力、濃度梯度力等不同力的大小及作用方向進行計算與分析，以更好地實現(xiàn)各力協(xié)同作用；模擬研究主要采用Fluent 流體軟件，對污染物的自然流動、污染物收集單元與脫除單元裝置內(nèi)的流場進行模擬優(yōu)化，尋求最優(yōu)的結構參數(shù)，實現(xiàn)對污染物的精準收集與高效控制；試驗研究側重于影響污染物收集單元與脫除單元裝置性能的因素研究，尋求最優(yōu)的運行控制參數(shù)，如圖2所示的集氣罩通過內(nèi)部結構設計，達到遠近端等量收集效果；結合中試試驗對參數(shù)進行驗證與優(yōu)化，形成適用于鋼鐵軋線區(qū)域污染物高效控制裝備。

圖2 集氣罩ZX截面速度分布

3.2 設計方案說明

軋線粉塵主要產(chǎn)生在粗軋機與串聯(lián)軋機區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場粉塵濃度檢測，粗軋機區(qū)域粉塵含量占軋線粉塵量的60%以上，因此本設計主要針對軋線粗軋機區(qū)域。粗軋機在工藝上屬于開坯機，沿軋輥輥身長度方向上設計有不同孔型，鋼坯在粗軋機區(qū)域按照工藝要求需要經(jīng)過不同的孔型才能完成開坯軋制，因此該設計的粉塵捕集裝置是設計上的難點。因此，將該除塵裝置的粉塵捕集裝置與粗軋機前后推拉床相結合，設計出粉塵捕集裝置可移動的除塵設施，如圖3所示。

圖3 除塵裝置設計

（1）在粗軋機出入口導衛(wèi)上設計擋塵板，阻擋軋制時產(chǎn)生的煙塵無規(guī)律逸散；在前后推拉床上安裝吸塵罩，吸塵罩一側貼近軋機牌坊并與軋機牌坊上的擋塵板項組合（吸塵罩始終在軋機導衛(wèi)擋塵板上方），吸塵罩寬度可覆蓋推拉床最大寬度的區(qū)域，長度為推拉床長度的一半（現(xiàn)場實際檢測，粉塵主要產(chǎn)生區(qū)域為牌坊至推拉床長度一半的區(qū)域），吸塵罩對粗軋機在入口側產(chǎn)生的粉塵、煙霧進行遮擋，使其不能逸散。

（2）吸塵罩內(nèi)罩內(nèi)側，靠近牌坊位置安裝吹風管和噴水管，用于形成風幕和水幕，將軋鋼時產(chǎn)生的煙塵阻止在吸塵罩的前端。

（3）粗軋機前的吸風管將吸風罩內(nèi)的粉塵、煙霧吸收進入除塵裝置。

（4）采用靜電除塵技術，該技術適用多污染物多場耦合脫除領域，其基于熱濕交換、慣性碰撞、靜電捕獲、多場協(xié)同脫除等原理，通過把曳力、電場力、重力、梯度擴散力等相耦合，結合異質(zhì)成核凝結相變、外部空間流場組織、內(nèi)部結構流場優(yōu)化等方式，實現(xiàn)對油霧、煙塵的高效脫除。煙氣在除塵裝置內(nèi)處理后，氣體直接由靜電裝置排風口排出，粉塵等處理物等定期集中處理。

（5）采用水霧除塵技術，煙氣在除塵裝置內(nèi)處理后，氣體直接由除塵裝置排風口排出，粉塵等處理物由排污口排入粗軋機地溝內(nèi)進入，隨濁環(huán)水進行二次處理。

4 結 語

采用煙塵捕集裝置與軋機導衛(wèi)相結合的方式，可以在粉塵形成的最初階段對其進行有效的捕集吸收，從而大大提高除塵系統(tǒng)的工作效率，降低能源消耗，滿足環(huán)保需求。