带钢热轧工序低碳减排技术应用进展

吴索团，王银军，黄全新

(1.上海梅山钢铁公司，江苏 南京 210039；2.广西安全工程职业技术学院，广西 南宁 530100)

1 前 言

温室气体排放引起的全球变暖、气候变化越来越引起人们的关注。中国政府提出在2030年前实现碳达峰、争取2060年前实现碳中和的“双碳”目标，十四五规划也将推动绿色低碳发展列入其中。碳达峰是指化石能源利用、工业生产、生物活动等产生的以CO2为主的温室气体总排放量达到峰值；碳中和是指通过节能、减排、绿化、绿色环保人居等方式抵消温室气体的排放量。钢铁行业作为能源消耗高密集型行业，在实现碳达峰、碳中和的行动中肩负重要使命。中国钢铁行业碳达峰目标初步定为：2025年前，实现碳排放量达到峰值；到2030年，碳排放量较峰值降低30%，预计实现碳减排量4.2亿t，主要通过废钢资源回收利用、燃料使用优化、智能管控、产业工序协同、绿色环保物流、碳监管强化等途径实现。

随着各种冶金、轧制新技术的研究应用，钢铁行业不再是传统“老大粗”行业，现有钢铁行业节能技术有40多项[1-4]。当前钢铁企业热轧工序节能、低碳、减排技术主要包括：连铸坯热装热送、低温轧制、超快冷轧制、热卷箱技术、节能加热炉自动控制、余热极致回收利用等。本文分析了钢铁企业带钢热轧工序节能、低碳、减排技术特点，重点介绍了直接轧制、加热炉风机节能、加热炉富氧燃烧、加热炉掺烧天然气、加热炉余热回收的研究应用现状及成效，为钢铁行业热轧工序实现节能、低碳、减排提供综合借鉴。

2 热轧工序节能及碳排放数据分析

如图1所示，对比钢铁生产全流程各工序产生的温室气体CO2吨钢排放总量[2]，高炉CO2吨钢排放量最高，其次依次分别为烧结、焦化、轧制，轧制工序每生产1 t热轧成品钢材，可产生温室气体CO2排放总量约为243 kg(燃烧1 kg标准煤=29.3×10-3GJ能耗=2.37～2.62 kg的CO2排放)。对比轧制钢材生产流程中的热轧工序各项节能技术，连轧在线热处理技术采用感应加热、密集火焰加热，节能潜力最大，其次是无头、半无头轧制技术[3]。

图1 钢铁生产各工序CO2吨钢排放对比

如图2所示，对比轧制钢材的热轧工序节能减排技术特征数据[5]，热轧成品钢材各工序温室气体CO2减排放总量依次为：连铸坯热装热送技术26.78 kg·t-1、热轧厂过程控制技术20.49 kg·t-1、加热炉蓄热式燃烧技术18.6 kg·t-1、带钢集成连铸连轧技术6.99 kg·t-1、冷却水余热回收技术0.59 kg·t-1。因此，连铸坯热装热送技术、热轧过程控制技术、加热炉蓄热式燃烧技术是热轧工序中最有效的节能、减碳技术。

图2 热轧工序CO2吨钢减排对比

3 热轧工序主要低碳减排技术

3.1 直接轧制技术

直接轧制(continuous casting direct rolling，简称CCDR)是指连铸坯出连铸机经切断后不经加热炉加热或只经在线补偿加热，即直接送入轧机进行轧制板带钢材的工艺过程。该热轧节能技术是20世纪70年代石油危机后形成的，随着连铸技术的广泛应用而得到迅速开发，目前趋向普及推广，并在工艺与理论上进一步深入开发。

直接轧制工艺按照工艺途径可分为连铸坯直接轧制成材、直接开坯、近距离直接轧制和远距离直接轧制等。按照加热方式，直接轧制又可分为以下两种类型：①连铸坯在1 100 ℃条件下不经加热炉，在输送过程中通过边角补热装置直接送入轧机轧制。连铸坯轧前未经过相变再结晶过程，仍保留铸态粗大的奥氏体晶粒，Nb、V等微量合金无常规冷装炉工艺条件下的析出、再溶解过程，因而需开发新的轧制工艺来实现晶粒细化，这对微合金钢来说，更能充分发挥Nb、V等微合金化元素的作用；②连铸坯温度在1 100 ℃以下，A3奥氏体熔化温度以上，连铸坯不经加热炉，在输送过程中通过补热和均热，使钢坯达到可轧温度，直接送入轧机轧制。

直接轧制的主要优点如下：①应用CCDR工艺后，钢厂吨钢节能可达85%以上；②由于取消了表面缺陷火焰清理，大幅降低氧化烧损；③区别于高温连铸坯直接热装轧制(简称DHCR或HDR)，CCDR直接轧制的连铸坯温度更高，也不经过加热炉，与传统冷装生产方式从炼钢、连铸到轧制成卷需72 h，热装轧制需要约48 h，而直接轧制仅需约2 h，节能、低碳、减排效果显著；④实现连铸坯直接轧制的前提条件就是高质量无缺陷连铸坯的生产，必然带来产品表面和内部质量的提高，同时，铸坯不经加热炉加热，可减少氧化铁皮表面缺陷，没有加热炉加热时出现的固定梁黑印，厚度精度也会相应提高，可改善产品表面质量与尺寸精度。

某热连轧产线采用连铸坯热装直接轧制工艺试制SPHC带钢，连铸坯装炉温度800～900 ℃，在炉时间70～120 min，比常规冷装轧制在炉时间缩短50%以上，试制的SPHC带钢质量与常规冷装轧制产品差别不大，但节能减排效果显著，据测算，按照连铸坯装炉温度提高150 ℃，可减少能耗2.5 kg标准煤/吨钢，减少CO2排放6.5 kg/吨钢左右。

直接轧制工艺的优点非常突出，正日益得到推广应用[6]。由于直接轧制工艺流程短，对各工序综合协同技术要求极高，未来持续改进、关注的重点需要实现炼钢、连铸、热轧、生产计划、物流一体化智能管理。

3.2 加热炉风机节能减排技术

热轧工序加热炉通过风机鼓入空气、调节煤气和空气的用量来保证正常生产。一般情况下，1条轧钢机组配备多个加热炉，每个加热炉配备2台风机。多个加热炉之间的风机可以单独运行，也可以并网运行。某热轧产线有3座加热炉，采用6台离心式助燃风机(如图3所示)[7]，其中，2号、4号风机为变频风机，其余为常规风机，变频风机通过变频器调节出口风压，风机并网控制运行使用时，省电、节能效果非常明显。加热炉满负荷生产时风机变频器处于50 Hz运行，无法降低到低频，影响了风机节能效果。进一步提高节能减排效果还需要对加热炉风机节能新技术深入研究。

图3 加热炉风机系统

轴承技术是节能风机的关键核心技术之一，近年来，以空气悬浮、电磁悬浮轴承技术在风机上的应用具有显著节能、低碳、减排效果，引起了行业内的高度重视和广泛关注[8-17]。磁悬浮轴承相比传统轴承，具有无接触、无润滑、节能高效及适用于极端环境等多重优势，能够实现极致节能。瑞士MECOS、瑞典SKF(已兼并法国S2M)、法国IBAG、美国NASA、美国WAUKESHA、加拿大RE-VOLVE、德国LEVITEC、芬兰ABS、俄罗斯OKBM、日本精工等国外企业较早开发了先进的磁悬浮轴承技术。中国磁悬浮轴承技术起步比国外晚至少20年，清华大学、南京航空航天大学、西安交大等高校在国内领先开展了磁悬浮轴承技术研究。从罗茨鼓风机、气悬浮鼓风机再到如今的磁悬浮鼓风机，这些产品的创新发展历程说明了市场上对节能减排产品的急迫需求。

热轧工序加热炉风机节能、低碳、减排潜力巨大，以目前年耗电约1 000万kW·h某热轧产线加热炉风机为例，通过技术改进，可实现节电约20%～30%，节电约200～300万kW·h/年，以1 kW·h电平均产生0.758 kg的CO2排放计算，减少温室气体CO2排放总量约1 510～2 270 t/年。

3.3 加热炉富氧燃烧技术

富氧燃烧是指提高空气中的氧气浓度形成富氧空气并与燃料进行混合燃烧的节能技术。20世纪60年代国外开始研究开发加热炉富氧燃烧技术。富氧燃烧的优点包括提高燃料燃烧效率、提高火焰温度、增强热辐射、加强热传递烧钢、降低燃料消耗量、减少排烟热量损失等。但富氧燃烧因温度过高容易损坏燃烧器烧嘴、增加钢坯的烧损，生成更多的NOx污染物[18-27]。目前国内外许多公司已研制并开发或正在开发多种先进的富氧燃烧技术(如无焰纯氧燃烧、氢气富氧燃烧等)、炉内燃烧高精度控制技术(如全自动烧钢技术、炉内燃烧PID动态控制技术、炉群智能调度控制等)以及相关富氧燃烧配套装备等。

带钢热轧工序加热炉富氧燃烧技术研究关注重点主要包括气体燃料富氧燃烧特性、钢坯的氧化烧损特性两方面。Delabroy、Karimi、M. Si等人对加热炉富氧燃烧特性、能效分析研究[26-32]，研究表明，富氧燃烧能够增加钢坯表面热流密度，减小燃料消耗和烟气中NOx生成量，减小钢坯表面与内部温差，降低钢坯烧损量，显著提高轧钢加热炉产能。蒋受宝对某钢坯加热炉进行富氧燃烧研究，结果表明，当助燃空气中O2浓度比常规值增加1.6倍，提高助燃空气预热温度700 K时，钢坯加热时间可缩短38%，钢坯表面氧化烧损量降低约40%[18]。张义贵、童莉葛、王乃帅等人对钢坯加热炉富氧燃烧特性研究[33-36]，结果表明，采用富氧燃烧，炉内辐射换热量增加，排烟热量损失、能耗降低，随着O2浓度的增加，辐射系数先增大后减小，当助燃空气的O2浓度提高至50%时，能耗降低8%，钢坯产量提高13%，但钢坯表面烧损量有所增加。雷杰、伍成波等人以天然气、高焦混合煤气、高炉煤气为研究对象，研究轧钢加热炉富氧燃烧技术的特性及加热过程中钢坯高温氧化特性，研究表明，随着O2浓度的增加，钢坯在加热段的烧损量逐渐降低，均热段的烧损量逐渐增加，钢坯的总烧损量则呈先降后升的变化趋势，炉内氧浓度为28%～35%左右时钢坯表面氧化烧损量有所降低[37]。

国内外钢铁行业富氧燃烧技术的工业应用至今已有近60年[38-46]。我国对富氧燃烧技术的研究与应用比较晚，随着节能减排、“双碳”目标工作的推进，国内许多大型钢铁公司也开始对加热炉进行富氧燃烧改造与应用，这对节约能源、减碳、减少污染排放、推动环境改善具有积极意义。钢企今后应用富氧燃烧技术需关注燃耗降低与氧耗增加的经济平衡点，科学评估带钢热轧工序加热炉采用富氧燃烧技术带来的综合效益。

3.4 加热炉掺烧天然气技术

“双碳”形势下，钢铁企业迫切需要更环保的清洁燃料、燃气替代煤气。某公司对天然气置换焦炉煤气的互换性问题进行了初步研究和工业应用实践[47]。烧嘴是燃气加热炉的关键性设备，由于各种燃气的燃烧特性差异，烧嘴的燃气与空气流量特性也不同，加热炉掺烧天然气后，烧嘴煤气流量、空气流量特性发生变化，对不同燃气互换性、不同比例掺烧后的燃烧特性、烧嘴的流量特性等方面开展研究[48]，研究结果表明：①在稳定燃烧条件下，随着掺混天然气比例逐渐增大时，混合煤气密度增加；②与高炉、焦炉混合煤气相比，掺混天然气后理论空气量增加，相同煤气流量条件下，烧嘴前空气压力也会随之增加；③烧嘴稳定燃烧条件下，天然气最大掺烧比例为22%。采用高炉煤气、焦炉煤气、天然气三种介质混合在国内钢企已有成功的应用案例，可有效缓解煤气短缺的局面，实现清洁能源利用、低碳减排、保护环境[49]。

天然气作为一种低排放、高燃值优质能源，目前对钢厂加热炉只能将天然气作为燃气补充互换，受天然气价格、供气合同及外部管网供气状况的影响较大，天然气不可能随时都满足生产的需求，如何进行燃气平衡预测、稳定互换，是今后钢厂加热炉掺烧天然气应用的关注重点。

3.5 加热炉余热回收利用技术

加热炉能耗占轧钢工序综合能耗的60%～70%[50]。工业余热是指在生产过程中供给设备运行所需的热能未被完全利用的能量。目前。国外先进钢铁企业的余热资源的回收率一般在90%以上，我国钢铁企业对余热回收率却只有约35%[51]。轧钢厂采用步进梁式加热炉加热钢坯，产生的烟气余热带走了大量的热量，烟气余热的回收利用具有较大的节能、减排、减碳潜力。目前国内加热炉余热回收利用较为成熟的技术有汽化冷却技术、空气(或煤气)预热技术、余热锅炉技术等[51]。以宝山钢铁公司轧钢区域主要加热炉为例，平均排烟温度383 ℃，其中200 ℃以上余热资源具有较好的技术经济可行性，该区域可回收此类余热资源潜力达3.5万 t标准煤。轧钢区域采用热水、蒸汽余压发电技术将富裕热水、蒸汽转化成电力能源，热水发电主要有两种技术路径，一种是有机工质朗肯循环(ORC)热水加热低沸点工作介质将低温余热转换为电能，另一种是热水闪蒸产生饱和蒸汽发电。如何充分利用低于300 ℃烟气余热资源，结合高效磁悬浮技术，实现ORC低温极限余热回收，这是今后关注的重要发展方向。

4 结论与展望

碳达峰、碳中和目标形势下，钢铁行业热轧工序应用直接轧制、风机节能、富氧燃烧、掺烧天然气、余热回收等节能、低碳、减排技术仍有潜力挖掘，特别是带钢直接轧制技术衍生的无缺陷高速连铸坯、高温连铸坯生产及保温、长寿命轧钢设备、氢气代替天然气加热综合技术、轧制产线钢坯电磁感应加热、生产计划协同智能管理系统等都极具挑战性。直接轧制、直接热装轧制对热轧带钢组织、性能、表面质量的影响规律还需要深入研究。开发高强轻量化、耐蚀长寿命以及面向清洁能源领域的绿色钢铁产品的热轧制造技术，助力低碳减排技术的延伸，也是当前带钢热轧工序的低碳技术研究方向之一。