王建軍¹，李金枝²，安東東²，李普會²

（1.陜西龍門鋼鐵有限責任公司；2.西安盛世優聯節能環保科技有限公司，陜西西安 710000）

【摘 要】 棒材冷床由于面積大、取熱困難，一直沒有實現工業化余熱綜合利用。該余熱一直被認為是冶金行業低品位、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的技術原理、回收機理以及創新點的基礎上，對鋼材溫度、鋼材規格、軋線生產以及環境溫度對余熱回收的影響進行了分析。結果表明：鋼材溫度越高、鋼材質量越大、軋線生產越連續、環境溫度越高，熱回收效率越高。

【關鍵詞】 軋鋼；棒材；冷床余熱回收；飽和蒸汽

0 引言

鋼鐵行業是典型的高能耗、高排放行業，同時也是國民經濟的重要基礎產業，鋼鐵企業碳排放量約占全國總排放量的 15%。當前，我國 90% 的鋼鐵企業是焦化、燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼等全流程生產的長流程企業，其中煉鐵工序的能耗占比最大，約占整個鋼鐵生產流程總能耗的 59%，軋鋼工序約占8%^［1］。因此，我國未來能源發展的重點是高效利用鋼鐵行業能源。

1 冷床余熱回收利用技術現狀

鋼鐵生產全流程中各工序的余熱回收利用現狀不盡相同，其中焦化、煉鐵、煉鋼工序的煤氣潛熱利用技術已經普及。燒結工序中，大部分鋼鐵企業通過直接熱利用或余熱發電的方式回收了燒結礦的顯熱，軋鋼工序中加熱爐煙氣的顯熱回收利用技術已經非常成熟，但冷床余熱目前仍沒有實現工業化利用。

軋鋼冷床生產中，鋼坯被送入軋機后，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 ℃，才能進行捆扎包裝。這個過程中，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，也加劇了車間工作環境的惡化。近年來，多家鋼鐵企業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，相關技術介紹如下。

1.1 封閉式冷床余熱回收技術

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。通過這種安裝在連鑄機上方的余熱回收系統可以獲得低溫蒸汽。阿維斯特鋼廠板坯余熱回收系統投資回收期為3~4年。但該系統的缺點是如果冷床生產線發生跳鋼、亂鋼等現象，鋼材會破壞封閉式冷床上方的管道系統^［2］。

1.2 半封閉式換熱技術

在冷床下方設置換熱裝置，采用鼓風設備將下方常溫空氣循環鼓入換熱裝置，常溫空氣在換熱裝置中吸收冷床上鋼材的熱量，經熱交換后，空氣溫度可達800 ℃以上。設置在冷床上方的循環系統將高溫氣體送入余熱鍋爐，產生的蒸汽既可以直接并入廠區蒸汽管網，也可以用于發電^［3］。

1.3 半導體溫差發電技術

半導體溫度差發電技術是一種綠色環保的發電技術，利用兩種不同類型的半導體兩端的溫度差產生電能。東北大學以陜西龍門鋼鐵棒材產線10 m²熱電裝置為例進行了熱電轉換測試。經測算，熱電裝置規?；惭b后總經濟收益可達 20.9萬元，減碳總量 337.4 t。但由于該裝置成本較高，且運行穩定性不足，未能推廣應用。

2 輻射傳熱產蒸汽冷床余熱回收技術

輻射傳熱產蒸汽冷床余熱回收系統于2023年6月在龍鋼公司軋鋼廠冷床投產使用?；厥盏娘柡驼羝~定流量超過10 t/h、飽和蒸汽壓力達0.9 MPa，最高瞬時流量可達 14.965 t/h，日回收蒸汽量 202 t，均送入龍鋼發電用蒸汽管網。該系統運行穩定，不影響冷床正常運行、檢修。

2.1 工藝流程

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

冷床余熱回收流程見圖1。

2.2 技術原理

輻射傳熱產蒸汽冷床余熱回收系統是將取熱器設置于冷床上方，以吸收棒材輻射熱。輻射的熱量將高溫高壓水轉化為高溫高壓蒸汽用于發電。該技術理論的依據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，物質間的傳熱以熱輻射為主，而任何單一物體的發射率均小于絕對黑體發射率，即均小于 1?；鶢柣舴蚨山沂玖宋镔|吸熱率和發射率相等的關系，即當物體表面的發射率上升時，吸熱能力也相應提高。斯蒂芬-玻爾茲曼定律進一步闡述了物質發射率對于吸放熱能力的影響。根據斯蒂芬-玻爾茲曼定律，提高物體的發射率，可強化輻射傳熱能力。如物體表面發射率為 0.7，采用高輻射覆層節能技術后，表面發射率可提高至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，最終實現蒸汽回收率的提高，這也將是該技術后期重點改進的方向。

2.3 冷床余熱回收機理研究

2.3.1 鋼材溫度對余熱回收系統的影響

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，σ=5.670 32×10^-8 W/（m² ⋅K4 ）；ε 為物體的輻射系數；T為物體的絕對溫度，K。

由式（1）可知，棒材的輻射力和絕對溫度的四次方成正比。棒材絕對溫度每增加 1 倍，棒材的輻射力將增加16倍。可見，溫度是影響輻射傳熱的重要因素之一。

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

由表 1 可知，工藝調整后噸鋼蒸汽回收效率較調整之前降低了18.9%。

2.3.2 不同規格鋼材對余熱回收系統的影響

棒二冷床軋制的棒材有三種規格，分別是?18 mm、?20 mm、?22 mm，每支棒材長度為91 m。三種規格棒材布滿冷床時，?18 mm 規格棒材總質量為 42 375 kg、?20 mm 規格棒材總質量為52 596 kg、?22 mm 規格棒材總質量為 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為棒材質量，kg；t 進為棒材上冷床溫度，℃；t 出為棒材下冷床溫度，℃。

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

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

實際運行中，由于?18 mm規格棒材質量較小，軋制時極易發生“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，在軋制?18 mm規格棒材時，會提升取熱器距冷床動齒面的高度，以減少對生產的影響。但該項措施會影響取熱器對熱輻射的吸收，降低了系統回收性能。在軋制?22 mm規格棒材時，由于棒材質量大，幾乎不出現“翹頭”現象，可適當降低取熱器高度，提升系統的回收性能。

由此可知，余熱回收系統效率與棒材質量關系密切，棒材質量越大，散發出的熱量越多，取熱器的熱回收效率越高。同時取熱器高度也會對余熱回收效率產生一定的影響，取熱器高度越低，熱量越大，蒸汽產量越高。

2.3.3 軋線生產連續性對余熱回收系統的影響

余熱回收利用系統的固有特性是：當冷床暫停過鋼時，熱源缺失，余熱回收系統開始降溫降壓；當冷床恢復過鋼時，余熱回收系統開始升溫升壓，恢復到暫停過鋼前的狀態。余熱回收系統汽包壓力隨軋線生產變化趨勢圖見圖 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，隨后軋線開始恢復過鋼，蒸汽壓力逐步上升，10：50壓力恢復至暫停過鋼前的水平。由圖 2 可知，軋線暫停生產 10 min后再恢復生產，余熱回收系統恢復到暫停過鋼前的壓力需要耗時25 min。

對于熱力系統來說，頻繁啟停設備不僅會增加能耗，更重要的是熱脹冷縮之后容易造成系統故障。同樣，余熱回收系統作為被動回收設備，頻繁啟停不僅影響回收的蒸汽量，還會降低系統壽命。

因此，實際生產中，應盡量降低停機頻率，確保系統盡可能連續穩定運行。

2.3.4 環境溫度對余熱回收系統的影響

2023 年 7―11 月，余熱回收系統蒸汽平均流量隨平均溫度變化趨勢見圖 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，由變化趨勢可知，環境溫度的變化會直接影響余熱回收效率。夏季環境溫度高時，余熱回收系統回收蒸汽流量大；冬季環境溫度低時，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，系統回收蒸汽流量隨之減小。

環境溫度對余熱回收系統的性能有著十分重大的影響，想要讓余熱回收系統穩定高效運行，就必須將環境溫度作為控制變量。實際生產中，在低溫天氣可采取關門、關窗等降低冷床熱氣流散失的措施，同時，在不影響生產的前提下盡量降低取熱器高度，以降低低溫對余熱回收系統的影響。

2.3.5 余熱回收系統創新點

輻射傳熱產蒸汽余熱回收系統的創新點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的懸臂吊設備。

該取熱器的主要優點是耐高溫、吸熱快。當水通過取熱器時，可快速吸收冷床上棒材的輻射熱，經系統強制循環后產生穩定連續的飽和蒸汽。取熱器內部管道為多層布置，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備既可以實現單動、也可以實現聯動，切換方便。靈活穩定的機械結構在冷床出現飛鋼等突發情況時，可快速移動取熱器，方便冷床檢修。此外，還增設了取熱器工作狀態下防跌落裝置，大大提高了安全性。

輻射傳熱產蒸汽余熱回收系統采用了先進的智能控制技術，無須人員值守，不增加工作崗位。

3 結語

軋鋼冷床余熱回收技術經歷了幾十年的研究，其發展緩慢的主要原因在于冷床面積大、取熱困難、影響因素多。但不可否認作為一種低效能源的高效利用技術，軋鋼冷床余熱回收推廣應用前景巨大。通過對棒材溫度、棒材質量、軋線生產情況以及環境溫度對蒸汽產量影響的研究可知，軋鋼輻射傳熱產蒸汽冷床余熱高效回收技術是一種綠色低碳新技術，有助于鋼鐵企業節能、減排、降碳。

參考文獻

[1] 柯菲，高雅萱，張倩，等.鋼鐵企業余熱資源回收利用技術現狀綜述［J］.機電信息，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 . 鋼鐵工業冷床余熱利用潛力分析［J］. 綠色科技，2013（7）：300-302.