王建軍¹，李金枝²，安東東²，李普會(huì)²

（1.陜西龍門鋼鐵有限責(zé)任公司；2.西安盛世優(yōu)聯(lián)節(jié)能環(huán)保科技有限公司，陜西西安 710000）

【摘 要】 棒材冷床由于面積大、取熱困難，一直沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化余熱綜合利用。該余熱一直被認(rèn)為是冶金行業(yè)低品位、難回收的熱源之一。在介紹軋鋼冷床余熱高效智能綠色回收系統(tǒng)的技術(shù)原理、回收機(jī)理以及創(chuàng)新點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼材溫度、鋼材規(guī)格、軋線生產(chǎn)以及環(huán)境溫度對(duì)余熱回收的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：鋼材溫度越高、鋼材質(zhì)量越大、軋線生產(chǎn)越連續(xù)、環(huán)境溫度越高，熱回收效率越高。

【關(guān)鍵詞】 軋鋼；棒材；冷床余熱回收；飽和蒸汽

0 引言

鋼鐵行業(yè)是典型的高能耗、高排放行業(yè)，同時(shí)也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，鋼鐵企業(yè)碳排放量約占全國(guó)總排放量的 15%。當(dāng)前，我國(guó) 90% 的鋼鐵企業(yè)是焦化、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等全流程生產(chǎn)的長(zhǎng)流程企業(yè)，其中煉鐵工序的能耗占比最大，約占整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)流程總能耗的 59%，軋鋼工序約占8%^［1］。因此，我國(guó)未來能源發(fā)展的重點(diǎn)是高效利用鋼鐵行業(yè)能源。

1 冷床余熱回收利用技術(shù)現(xiàn)狀

鋼鐵生產(chǎn)全流程中各工序的余熱回收利用現(xiàn)狀不盡相同，其中焦化、煉鐵、煉鋼工序的煤氣潛熱利用技術(shù)已經(jīng)普及。燒結(jié)工序中，大部分鋼鐵企業(yè)通過直接熱利用或余熱發(fā)電的方式回收了燒結(jié)礦的顯熱，軋鋼工序中加熱爐煙氣的顯熱回收利用技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但冷床余熱目前仍沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化利用。

軋鋼冷床生產(chǎn)中，鋼坯被送入軋機(jī)后，在高溫、高壓的作用下被塑造成不同尺寸的棒材。軋制后的棒材要在冷床上從 900 ℃自然冷卻至 300 ℃，才能進(jìn)行捆扎包裝。這個(gè)過程中，棒材向周圍釋放大量熱能，如不加以合理利用，既造成了能源的浪費(fèi)，也加劇了車間工作環(huán)境的惡化。近年來，多家鋼鐵企業(yè)和科研院所圍繞冷床余熱回收利用的重要性以及可行性開展了大量的研究，相關(guān)技術(shù)介紹如下。

1.1 封閉式冷床余熱回收技術(shù)

1980 年，瑞典阿維斯特（AVESTA）鋼廠在板坯冷床上利用板坯熱量建立了封閉式冷床余熱回收系統(tǒng)。通過這種安裝在連鑄機(jī)上方的余熱回收系統(tǒng)可以獲得低溫蒸汽。阿維斯特鋼廠板坯余熱回收系統(tǒng)投資回收期為3~4年。但該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是如果冷床生產(chǎn)線發(fā)生跳鋼、亂鋼等現(xiàn)象，鋼材會(huì)破壞封閉式冷床上方的管道系統(tǒng)^［2］。

1.2 半封閉式換熱技術(shù)

在冷床下方設(shè)置換熱裝置，采用鼓風(fēng)設(shè)備將下方常溫空氣循環(huán)鼓入換熱裝置，常溫空氣在換熱裝置中吸收冷床上鋼材的熱量，經(jīng)熱交換后，空氣溫度可達(dá)800 ℃以上。設(shè)置在冷床上方的循環(huán)系統(tǒng)將高溫氣體送入余熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽既可以直接并入廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)，也可以用于發(fā)電^［3］。

1.3 半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)

半導(dǎo)體溫度差發(fā)電技術(shù)是一種綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，利用兩種不同類型的半導(dǎo)體兩端的溫度差產(chǎn)生電能。東北大學(xué)以陜西龍門鋼鐵棒材產(chǎn)線10 m²熱電裝置為例進(jìn)行了熱電轉(zhuǎn)換測(cè)試。經(jīng)測(cè)算，熱電裝置規(guī)?；惭b后總經(jīng)濟(jì)收益可達(dá) 20.9萬(wàn)元，減碳總量 337.4 t。但由于該裝置成本較高，且運(yùn)行穩(wěn)定性不足，未能推廣應(yīng)用。

2 輻射傳熱產(chǎn)蒸汽冷床余熱回收技術(shù)

輻射傳熱產(chǎn)蒸汽冷床余熱回收系統(tǒng)于2023年6月在龍鋼公司軋鋼廠冷床投產(chǎn)使用?；厥盏娘柡驼羝~定流量超過10 t/h、飽和蒸汽壓力達(dá)0.9 MPa，最高瞬時(shí)流量可達(dá) 14.965 t/h，日回收蒸汽量 202 t，均送入龍鋼發(fā)電用蒸汽管網(wǎng)。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，不影響冷床正常運(yùn)行、檢修。

2.1 工藝流程

軟水經(jīng)除氧器去除水中溶解氧后進(jìn)入蒸汽包，蒸汽包中的高溫高壓水經(jīng)強(qiáng)制循環(huán)后輸送至各取熱器。取熱器懸掛于冷床上方，吸收冷床上鋼材的輻射熱，使高溫高壓熱水轉(zhuǎn)化成高溫高壓汽水混合物，然后系統(tǒng)將汽水混合物匯集輸送至蒸汽包進(jìn)行汽水分離，分離出的蒸汽被輸送至蒸汽管網(wǎng)使用。

冷床余熱回收流程見圖1。

2.2 技術(shù)原理

輻射傳熱產(chǎn)蒸汽冷床余熱回收系統(tǒng)是將取熱器設(shè)置于冷床上方，以吸收棒材輻射熱。輻射的熱量將高溫高壓水轉(zhuǎn)化為高溫高壓蒸汽用于發(fā)電。該技術(shù)理論的依據(jù)來自基爾霍夫定律和斯蒂芬-玻爾茲曼定律。

研究表明，溫度高于600 ℃時(shí)，物質(zhì)間的傳熱以熱輻射為主，而任何單一物體的發(fā)射率均小于絕對(duì)黑體發(fā)射率，即均小于 1。基爾霍夫定律揭示了物質(zhì)吸熱率和發(fā)射率相等的關(guān)系，即當(dāng)物體表面的發(fā)射率上升時(shí)，吸熱能力也相應(yīng)提高。斯蒂芬-玻爾茲曼定律進(jìn)一步闡述了物質(zhì)發(fā)射率對(duì)于吸放熱能力的影響。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，提高物體的發(fā)射率，可強(qiáng)化輻射傳熱能力。如物體表面發(fā)射率為 0.7，采用高輻射覆層節(jié)能技術(shù)后，表面發(fā)射率可提高至0.9以上，理論上可提高傳熱量20%以上。

因此，提高取熱器表面接收率，可提高傳熱量，最終實(shí)現(xiàn)蒸汽回收率的提高，這也將是該技術(shù)后期重點(diǎn)改進(jìn)的方向。

2.3 冷床余熱回收機(jī)理研究

2.3.1 鋼材溫度對(duì)余熱回收系統(tǒng)的影響

斯蒂芬-玻爾茲曼定律為：

E = σεT⁴     （1）

式中：E為物體的輻射力，W/m²；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.670 32×10^-8 W/（m² ⋅K4 ）；ε 為物體的輻射系數(shù)；T為物體的絕對(duì)溫度，K。

由式（1）可知，棒材的輻射力和絕對(duì)溫度的四次方成正比。棒材絕對(duì)溫度每增加 1 倍，棒材的輻射力將增加16倍?？梢姡瑴囟仁怯绊戄椛鋫鳠岬闹匾蛩刂?。

2023年 10月 10日―11月 10日，該單位棒二冷床余熱回收項(xiàng)目因工藝調(diào)整，鋼材上冷床溫度由驗(yàn)收前的（900±20） ℃調(diào)整為（850±30） ℃。鋼材溫度變化對(duì)蒸汽產(chǎn)量影響對(duì)比見表1。

由表 1 可知，工藝調(diào)整后噸鋼蒸汽回收效率較調(diào)整之前降低了18.9%。

2.3.2 不同規(guī)格鋼材對(duì)余熱回收系統(tǒng)的影響

棒二冷床軋制的棒材有三種規(guī)格，分別是?18 mm、?20 mm、?22 mm，每支棒材長(zhǎng)度為91 m。三種規(guī)格棒材布滿冷床時(shí)，?18 mm 規(guī)格棒材總質(zhì)量為 42 375 kg、?20 mm 規(guī)格棒材總質(zhì)量為52 596 kg、?22 mm 規(guī)格棒材總質(zhì)量為 42 304 kg。

棒材上冷床溫度為900 ℃，下冷床溫度為300 ℃。

比熱容原理：

式中：Q 為棒材在冷床上釋放出的熱量，kW⋅h；c 為棒材的比熱容，J/（kg⋅℃）；m為棒材質(zhì)量，kg；t 進(jìn)為棒材上冷床溫度，℃；t 出為棒材下冷床溫度，℃。

由式（2）可以計(jì)算出不同規(guī)格棒材的放熱量：?18 mm規(guī)格棒材放熱量Q1為3 249 kW⋅h，?20 mm規(guī)格棒材放熱量 Q2為 4 032 kW⋅h，?22 mm 規(guī)格棒材放熱量Q3為3 243 kW⋅h。

綜上可知，該三種不同規(guī)格棒材放熱量的關(guān)系為：Q₁> Q₂≈ Q₃，因此，相應(yīng)的取熱器所吸收的熱量也不相同。

實(shí)際運(yùn)行中，由于?18 mm規(guī)格棒材質(zhì)量較小，軋制時(shí)極易發(fā)生“翹頭”堆鋼事故（鋼頭碰到換熱器下表面）。為確保不影響正常生產(chǎn)，在軋制?18 mm規(guī)格棒材時(shí)，會(huì)提升取熱器距冷床動(dòng)齒面的高度，以減少對(duì)生產(chǎn)的影響。但該項(xiàng)措施會(huì)影響取熱器對(duì)熱輻射的吸收，降低了系統(tǒng)回收性能。在軋制?22 mm規(guī)格棒材時(shí)，由于棒材質(zhì)量大，幾乎不出現(xiàn)“翹頭”現(xiàn)象，可適當(dāng)降低取熱器高度，提升系統(tǒng)的回收性能。

由此可知，余熱回收系統(tǒng)效率與棒材質(zhì)量關(guān)系密切，棒材質(zhì)量越大，散發(fā)出的熱量越多，取熱器的熱回收效率越高。同時(shí)取熱器高度也會(huì)對(duì)余熱回收效率產(chǎn)生一定的影響，取熱器高度越低，熱量越大，蒸汽產(chǎn)量越高。

2.3.3 軋線生產(chǎn)連續(xù)性對(duì)余熱回收系統(tǒng)的影響

余熱回收利用系統(tǒng)的固有特性是：當(dāng)冷床暫停過鋼時(shí)，熱源缺失，余熱回收系統(tǒng)開始降溫降壓；當(dāng)冷床恢復(fù)過鋼時(shí)，余熱回收系統(tǒng)開始升溫升壓，恢復(fù)到暫停過鋼前的狀態(tài)。余熱回收系統(tǒng)汽包壓力隨軋線生產(chǎn)變化趨勢(shì)圖見圖 2。10：20 軋線暫停過鋼，蒸汽壓力開始下降，10：30 壓力降至 0.23 MPa，隨后軋線開始恢復(fù)過鋼，蒸汽壓力逐步上升，10：50壓力恢復(fù)至?xí)和＿^鋼前的水平。由圖 2 可知，軋線暫停生產(chǎn) 10 min后再恢復(fù)生產(chǎn)，余熱回收系統(tǒng)恢復(fù)到暫停過鋼前的壓力需要耗時(shí)25 min。

對(duì)于熱力系統(tǒng)來說，頻繁啟停設(shè)備不僅會(huì)增加能耗，更重要的是熱脹冷縮之后容易造成系統(tǒng)故障。同樣，余熱回收系統(tǒng)作為被動(dòng)回收設(shè)備，頻繁啟停不僅影響回收的蒸汽量，還會(huì)降低系統(tǒng)壽命。

因此，實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡量降低停機(jī)頻率，確保系統(tǒng)盡可能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3.4 環(huán)境溫度對(duì)余熱回收系統(tǒng)的影響

2023 年 7―11 月，余熱回收系統(tǒng)蒸汽平均流量隨平均溫度變化趨勢(shì)見圖 3。7―11 月平均氣溫從28.5 ℃降低至 8 ℃，蒸汽平均流量從 9.57 t/h 降低至7.15 t/h，由變化趨勢(shì)可知，環(huán)境溫度的變化會(huì)直接影響余熱回收效率。夏季環(huán)境溫度高時(shí)，余熱回收系統(tǒng)回收蒸汽流量大；冬季環(huán)境溫度低時(shí)，冷床棒材釋放的熱量一部分被冷空氣帶走，降低了取熱器吸收的熱量，系統(tǒng)回收蒸汽流量隨之減小。

環(huán)境溫度對(duì)余熱回收系統(tǒng)的性能有著十分重大的影響，想要讓余熱回收系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行，就必須將環(huán)境溫度作為控制變量。實(shí)際生產(chǎn)中，在低溫天氣可采取關(guān)門、關(guān)窗等降低冷床熱氣流散失的措施，同時(shí)，在不影響生產(chǎn)的前提下盡量降低取熱器高度，以降低低溫對(duì)余熱回收系統(tǒng)的影響。

2.3.5 余熱回收系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

輻射傳熱產(chǎn)蒸汽余熱回收系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)主要是扁平式快速吸收棒材冷床熱量的取熱器以及自主研發(fā)的懸臂吊設(shè)備。

該取熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是耐高溫、吸熱快。當(dāng)水通過取熱器時(shí)，可快速吸收冷床上棒材的輻射熱，經(jīng)系統(tǒng)強(qiáng)制循環(huán)后產(chǎn)生穩(wěn)定連續(xù)的飽和蒸汽。取熱器內(nèi)部管道為多層布置，可最大限度地增加換熱面積，熱回收率較高。

用于吊掛取熱器的懸臂吊設(shè)備既可以實(shí)現(xiàn)單動(dòng)、也可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，切換方便。靈活穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)在冷床出現(xiàn)飛鋼等突發(fā)情況時(shí)，可快速移動(dòng)取熱器，方便冷床檢修。此外，還增設(shè)了取熱器工作狀態(tài)下防跌落裝置，大大提高了安全性。

輻射傳熱產(chǎn)蒸汽余熱回收系統(tǒng)采用了先進(jìn)的智能控制技術(shù)，無須人員值守，不增加工作崗位。

3 結(jié)語(yǔ)

軋鋼冷床余熱回收技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的研究，其發(fā)展緩慢的主要原因在于冷床面積大、取熱困難、影響因素多。但不可否認(rèn)作為一種低效能源的高效利用技術(shù)，軋鋼冷床余熱回收推廣應(yīng)用前景巨大。通過對(duì)棒材溫度、棒材質(zhì)量、軋線生產(chǎn)情況以及環(huán)境溫度對(duì)蒸汽產(chǎn)量影響的研究可知，軋鋼輻射傳熱產(chǎn)蒸汽冷床余熱高效回收技術(shù)是一種綠色低碳新技術(shù)，有助于鋼鐵企業(yè)節(jié)能、減排、降碳。

參考文獻(xiàn)

[1] 柯菲，高雅萱，張倩，等.鋼鐵企業(yè)余熱資源回收利用技術(shù)現(xiàn)狀綜述［J］.機(jī)電信息，2021（19）：62-65.

[2] TAYLOR P B，Wadkin J W.Industrial heat recovery projects sup? ported through the energy efficiency demonstration scheme［J］.Jour? nal of Heat Recovery Systems，1986，6（1）：83-92.

[3] 余蔚茗 . 鋼鐵工業(yè)冷床余熱利用潛力分析［J］. 綠色科技，2013（7）：300-302.