帶鋼熱軋工序低碳減排技術應用進展

吳索團，王銀軍，黃全新

(1.上海梅山鋼鐵公司，江蘇 南京 210039；2.廣西安全工程職業技術學院，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注。中國政府提出在2030年前實現碳達峰、爭取2060年前實現碳中和的“雙碳”目標，十四五規劃也將推動綠色低碳發展列入其中。碳達峰是指化石能源利用、工業生產、生物活動等產生的以CO2為主的溫室氣體總排放量達到峰值；碳中和是指通過節能、減排、綠化、綠色環保人居等方式抵消溫室氣體的排放量。鋼鐵行業作為能源消耗高密集型行業，在實現碳達峰、碳中和的行動中肩負重要使命。中國鋼鐵行業碳達峰目標初步定為：2025年前，實現碳排放量達到峰值；到2030年，碳排放量較峰值降低30%，預計實現碳減排量4.2億t，主要通過廢鋼資源回收利用、燃料使用優化、智能管控、產業工序協同、綠色環保物流、碳監管強化等途徑實現。

隨著各種冶金、軋制新技術的研究應用，鋼鐵行業不再是傳統“老大粗”行業，現有鋼鐵行業節能技術有40多項[1-4]。當前鋼鐵企業熱軋工序節能、低碳、減排技術主要包括：連鑄坯熱裝熱送、低溫軋制、超快冷軋制、熱卷箱技術、節能加熱爐自動控制、余熱極致回收利用等。本文分析了鋼鐵企業帶鋼熱軋工序節能、低碳、減排技術特點，重點介紹了直接軋制、加熱爐風機節能、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用現狀及成效，為鋼鐵行業熱軋工序實現節能、低碳、減排提供綜合借鑒。

2 熱軋工序節能及碳排放數據分析

如圖1所示，對比鋼鐵生產全流程各工序產生的溫室氣體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、焦化、軋制，軋制工序每生產1 t熱軋成品鋼材，可產生溫室氣體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)。對比軋制鋼材生產流程中的熱軋工序各項節能技術，連軋在線熱處理技術采用感應加熱、密集火焰加熱，節能潛力最大，其次是無頭、半無頭軋制技術[3]。

圖1 鋼鐵生產各工序CO2噸鋼排放對比

如圖2所示，對比軋制鋼材的熱軋工序節能減排技術特征數據[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26.78 kg·t-1、熱軋廠過程控制技術20.49 kg·t-1、加熱爐蓄熱式燃燒技術18.6 kg·t-1、帶鋼集成連鑄連軋技術6.99 kg·t-1、冷卻水余熱回收技術0.59 kg·t-1。因此，連鑄坯熱裝熱送技術、熱軋過程控制技術、加熱爐蓄熱式燃燒技術是熱軋工序中最有效的節能、減碳技術。

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

3.1 直接軋制技術

直接軋制(continuous casting direct rolling，簡稱CCDR)是指連鑄坯出連鑄機經切斷后不經加熱爐加熱或只經在線補償加熱，即直接送入軋機進行軋制板帶鋼材的工藝過程。該熱軋節能技術是20世紀70年代石油危機后形成的，隨著連鑄技術的廣泛應用而得到迅速開發，目前趨向普及推廣，并在工藝與理論上進一步深入開發。

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。連鑄坯軋前未經過相變再結晶過程，仍保留鑄態粗大的奧氏體晶粒，Nb、V等微量合金無常規冷裝爐工藝條件下的析出、再溶解過程，因而需開發新的軋制工藝來實現晶粒細化，這對微合金鋼來說，更能充分發揮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。

直接軋制的主要優點如下：①應用CCDR工藝后，鋼廠噸鋼節能可達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，也不經過加熱爐，與傳統冷裝生產方式從煉鋼、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，節能、低碳、減排效果顯著；④實現連鑄坯直接軋制的前提條件就是高質量無缺陷連鑄坯的生產，必然帶來產品表面和內部質量的提高，同時，鑄坯不經加熱爐加熱，可減少氧化鐵皮表面缺陷，沒有加熱爐加熱時出現的固定梁黑印，厚度精度也會相應提高，可改善產品表面質量與尺寸精度。

某熱連軋產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，比常規冷裝軋制在爐時間縮短50%以上，試制的SPHC帶鋼質量與常規冷裝軋制產品差別不大，但節能減排效果顯著，據測算，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。

直接軋制工藝的優點非常突出，正日益得到推廣應用[6]。由于直接軋制工藝流程短，對各工序綜合協同技術要求極高，未來持續改進、關注的重點需要實現煉鋼、連鑄、熱軋、生產計劃、物流一體化智能管理。

3.2 加熱爐風機節能減排技術

熱軋工序加熱爐通過風機鼓入空氣、調節煤氣和空氣的用量來保證正常生產。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，也可以并網運行。某熱軋產線有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，其余為常規風機，變頻風機通過變頻器調節出口風壓，風機并網控制運行使用時，省電、節能效果非常明顯。加熱爐滿負荷生產時風機變頻器處于50 Hz運行，無法降低到低頻，影響了風機節能效果。進一步提高節能減排效果還需要對加熱爐風機節能新技術深入研究。

圖3 加熱爐風機系統

軸承技術是節能風機的關鍵核心技術之一，近年來，以空氣懸浮、電磁懸浮軸承技術在風機上的應用具有顯著節能、低碳、減排效果，引起了行業內的高度重視和廣泛關注[8-17]。磁懸浮軸承相比傳統軸承，具有無接觸、無潤滑、節能高效及適用于極端環境等多重優勢，能夠實現極致節能。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較早開發了先進的磁懸浮軸承技術。中國磁懸浮軸承技術起步比國外晚至少20年，清華大學、南京航空航天大學、西安交大等高校在國內領先開展了磁懸浮軸承技術研究。從羅茨鼓風機、氣懸浮鼓風機再到如今的磁懸浮鼓風機，這些產品的創新發展歷程說明了市場上對節能減排產品的急迫需求。

熱軋工序加熱爐風機節能、低碳、減排潛力巨大，以目前年耗電約1 000萬kW·h某熱軋產線加熱爐風機為例，通過技術改進，可實現節電約20%～30%，節電約200～300萬kW·h/年，以1 kW·h電平均產生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

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能技術。20世紀60年代國外開始研究開發加熱爐富氧燃燒技術。富氧燃燒的優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]。目前國內外許多公司已研制并開發或正在開發多種先進的富氧燃燒技術(如無焰純氧燃燒、氫氣富氧燃燒等)、爐內燃燒高精度控制技術(如全自動燒鋼技術、爐內燃燒PID動態控制技術、爐群智能調度控制等)以及相關富氧燃燒配套裝備等。

帶鋼熱軋工序加熱爐富氧燃燒技術研究關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，減小鋼坯表面與內部溫差，降低鋼坯燒損量，顯著提高軋鋼加熱爐產能。蔣受寶對某鋼坯加熱爐進行富氧燃燒研究，結果表明，當助燃空氣中O2濃度比常規值增加1.6倍，提高助燃空氣預熱溫度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]，結果表明，采用富氧燃燒，爐內輻射換熱量增加，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]。

國內外鋼鐵行業富氧燃燒技術的工業應用至今已有近60年[38-46]。我國對富氧燃燒技術的研究與應用比較晚，隨著節能減排、“雙碳”目標工作的推進，國內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用，這對節約能源、減碳、減少污染排放、推動環境改善具有積極意義。鋼企今后應用富氧燃燒技術需關注燃耗降低與氧耗增加的經濟平衡點，科學評估帶鋼熱軋工序加熱爐采用富氧燃燒技術帶來的綜合效益。

3.4 加熱爐摻燒天然氣技術

“雙碳”形勢下，鋼鐵企業迫切需要更環保的清潔燃料、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應用實踐[47]。燒嘴是燃氣加熱爐的關鍵性設備，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]，研究結果表明：①在穩定燃燒條件下，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、天然氣三種介質混合在國內鋼企已有成功的應用案例，可有效緩解煤氣短缺的局面，實現清潔能源利用、低碳減排、保護環境[49]。

天然氣作為一種低排放、高燃值優質能源，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供氣狀況的影響較大，天然氣不可能隨時都滿足生產的需求，如何進行燃氣平衡預測、穩定互換，是今后鋼廠加熱爐摻燒天然氣應用的關注重點。

3.5 加熱爐余熱回收利用技術

加熱爐能耗占軋鋼工序綜合能耗的60%～70%[50]。工業余熱是指在生產過程中供給設備運行所需的熱能未被完全利用的能量。目前。國外先進鋼鐵企業的余熱資源的回收率一般在90%以上，我國鋼鐵企業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能、減排、減碳潛力。目前國內加熱爐余熱回收利用較為成熟的技術有汽化冷卻技術、空氣(或煤氣)預熱技術、余熱鍋爐技術等[51]。以寶山鋼鐵公司軋鋼區域主要加熱爐為例，平均排煙溫度383 ℃，其中200 ℃以上余熱資源具有較好的技術經濟可行性，該區域可回收此類余熱資源潛力達3.5萬 t標準煤。軋鋼區域采用熱水、蒸汽余壓發電技術將富裕熱水、蒸汽轉化成電力能源，熱水發電主要有兩種技術路徑，一種是有機工質朗肯循環(ORC)熱水加熱低沸點工作介質將低溫余熱轉換為電能，另一種是熱水閃蒸產生飽和蒸汽發電。如何充分利用低于300 ℃煙氣余熱資源，結合高效磁懸浮技術，實現ORC低溫極限余熱回收，這是今后關注的重要發展方向。

4 結論與展望

碳達峰、碳中和目標形勢下，鋼鐵行業熱軋工序應用直接軋制、風機節能、富氧燃燒、摻燒天然氣、余熱回收等節能、低碳、減排技術仍有潛力挖掘，特別是帶鋼直接軋制技術衍生的無缺陷高速連鑄坯、高溫連鑄坯生產及保溫、長壽命軋鋼設備、氫氣代替天然氣加熱綜合技術、軋制產線鋼坯電磁感應加熱、生產計劃協同智能管理系統等都極具挑戰性。直接軋制、直接熱裝軋制對熱軋帶鋼組織、性能、表面質量的影響規律還需要深入研究。開發高強輕量化、耐蝕長壽命以及面向清潔能源領域的綠色鋼鐵產品的熱軋制造技術，助力低碳減排技術的延伸，也是當前帶鋼熱軋工序的低碳技術研究方向之一。