引言
鋼鐵工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和實現(xiàn)工業(yè)化的支柱產(chǎn)業(yè),同時也是能源消耗和大氣污染物排放大戶,鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟重要的基礎(chǔ)原材料工業(yè),屬于能源、水資源、礦石資源消耗大的資源密集型產(chǎn)業(yè);在鋼鐵制造體系中大量的物質(zhì)、產(chǎn)品流、大量能量轉(zhuǎn)換過程、多種形式的排放過程和大量的廢棄物都對環(huán)境造成不同層次和不同程度上的影響,因此鋼鐵工業(yè)發(fā)展必然面臨資源不足、環(huán)境污染的嚴重制約。
其中軋輥是使(軋材)金屬產(chǎn)生塑性變形的工具,是決定軋機效率和軋材質(zhì)量的重要消耗部件。軋輥是軋鋼廠軋鋼機上的重要零件,利用一對或一組軋輥滾動時產(chǎn)生的壓力來軋碾鋼材。它主要承受軋制時的動靜載荷,磨損和溫度變化的影響。
一、 軋輥選取,確定制造流程
1.軋輥選取要求
(1)板坯厚度大,軋輥必須具有較好的咬入性。
(2)板坯溫度高,軋制速度較慢,軋件和軋輥接觸時間較長。軋輥必須具有較好的抗熱裂性、抗熱疲勞性。
(3)工作輥直徑大(Φ1210/1110mm)、輥身長度大(5050mm),承受的軋制力高,主電機帶動工作輥傳動。要求軋輥有較高的抗斷裂性,軋輥輥身和輥頸必須有較高的強度。
(4)高的軋制溫度也要求軋輥具有高溫耐磨性。
(5)由于粗軋和精軋在同一機架完成,所以既要考慮到粗軋時軋件厚度大,寬度小,軋輥所受沖擊大,軋輥使用面積少,軋件與軋輥間易出現(xiàn)打滑等。也要考慮精軋時,軋件寬而長,軋輥使用面積大。同時,單機架四輥軋機,在軋制低合金專用鋼和高強度品種鋼時,要采用控制軋制和控制冷卻技術(shù),通常進行交叉軋制,軋制溫度低,軋制力大。要求軋輥具有耐磨性好、抗熱裂性好、耐表面粗糙能力好、強度高、對熱的敏感低等性能。
本練習以大型支承輥為分析對象。圖2是支承輥簡圖,各部尺寸如圖所示。支承輥所用材料為70Cr3Mo鋼。表1和表2為其常用參數(shù)。假設(shè)其制造全流程從冶煉開始。現(xiàn)場所采用的鍛后熱處理工藝如圖3所示,最終熱處理工藝如圖4所示。奧氏體化結(jié)束后,將工件淬入油中,55min后出油轉(zhuǎn)入溫度為3000C的回火爐中保溫30h,然后出爐空冷至室溫。要求輥身淬火后硬度達到75HS,有效淬硬深度為45mm(硬度為67HS處距表面距離),輥頸硬度為40~45HS。

工藝流程:
配料→冶煉→LF/VD→鑄錠→電渣重熔→加熱→鍛造→鍛后處理→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→感應(yīng)淬火→冷處理→回火→精加工→包裝
所選工藝中從冶煉開始,到回火結(jié)束是主要耗能階段,其中主要計算冶煉、鍛后處理、以及工件最終奧氏體化和回火消耗的能量和CO2排放量。

二.計算能耗和CO2排放量
標準煤的熱值約7000 Kcal/kg;1 Kcal約等于4182焦耳
火電的發(fā)電熱效率在35~37%;直接用天然氣加熱,熱效率為35~45%;
每度電本身的熱功當量860大卡;即0.1229千克標準煤。
根據(jù)生命周期評估解結(jié)果,中國電網(wǎng)電力(各種電力混合后的平均值)1度電的CO2排放是960g左右。(中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫CLCD)
有效熱量:工件由初始溫度升到所要求的最高加熱溫度所需要的熱量
式中:
q ——工件的質(zhì)量, (kg);
t0 和t1——工件的初始溫度和最高加熱溫度,(℃);
c0 和c1——工件在t0和t1溫度時的平均比熱, (kJ/kg.℃)
計算:
工件質(zhì)量:
3.14*(650/2)2*730*2+3.14*(1065/2)2*1480+2*{3.14*(650/2)2+3.14*(1065/2)2+[3.14*(650/2)2+3.14*(1065/2)2]1/2}*230/3=2.05*109mm3
2.05*109mm3*10-3*7.81=16*106 g=16t
冶煉:
查每噸鑄鐵消耗電能550~700度,該工件用電8800~11200度,CO2排放量為960*(8800~11200)=8.448~10.752t,對應(yīng)熱功當量為7568000~9632000大卡。
鍛后熱處理:
所選設(shè)備:1000 0C標準臺車式電阻爐
額定功率:320 KW L*W*H:3500*1500*1000
1) 有效熱量:
16000*[(900*0.687-25*0.46)+(780*0.667-300*0.511)]*273=4.2315*109 KJ
即為4.2315*109 KJ /4.182/1000=1.01*106大卡
所以消耗1.01*106大卡/860*0.1229/0.35=412.23千克標準煤
消耗1174度電,CO2排放是1.12t
2)320*(10+10+30)=16000 KW*h
即耗電16000度,CO2排放是16000*960=1.536*107 g=15.36t
鍛后熱處理排放15.36 t+1.12t =16.48t的CO2,消耗17174度電
最終熱處理:
所選設(shè)備:1000 0C標準臺車式電阻爐
額定功率:320 KW L*W*H:3500*1500*1000
1) 有效熱量:16000*(950*0.687-25*0.46)*273=2.8*109 KJ
即為2.8*109 KJ /4.182/1000=6.69*105大卡
所以消耗6.69*105大卡/860*0.1229/0.35=273.16千克標準煤,
消耗778度電,CO2排放是0.746t
2)320*(7+8+2.5+1.5)=6080 KW*h
即耗電6080度,CO2排放是6080*960= =5.8368t
鍛后熱處理排放5.8368t+0.746t =6.5828t的CO2,消耗6854度電
回火:
回火設(shè)備:6500C井式回火爐
額定功率:400KW 最高工作溫度:6500C
料筐尺寸:2200*3500(Φ*H)
回火溫度:3000C,30h
1)有效熱量:16000*(300*0.511-25*0.46)*273=6.19*108kJ
即為6.19*108kJ/4.182/1000=1.48*105大卡
所以消耗1.48*105大卡/860*0.1229/0.35=60.33千克標準煤
消耗172度電,CO2排放是0.165t
2)400*30=12000 KW*h
即耗電12000度,CO2排放是12000*960=11.52*106 g=11.52 t
回火階段排放11.52 t+0.165t =11.685t的CO2,消耗12172度電
所以最終一共消耗電45000~47400度, CO2排放量為43.1958~45.4998t
三.總結(jié)
1.我國鋼鐵工業(yè)的能耗及降低能耗措施
1)是重點鋼鐵企業(yè)噸鋼可比能耗比國際先進水平相差9.81%。2004 年,我國重點鋼鐵企業(yè)平均噸鋼綜合能耗為705kgce/t;而2000年,工業(yè)發(fā)達國家噸鋼可比能耗平均值為642 kgce/t。
2)是鋼鐵工業(yè)能耗增幅低于鋼產(chǎn)量增幅約5%。由于鋼鐵工業(yè)積極采用先進節(jié)能工藝技術(shù)和裝備,在鋼產(chǎn)量高速增長的同時,消耗能源的增幅低于鋼產(chǎn)量的增幅。
3)是鋼鐵工業(yè)主要工序能耗呈下降趨勢。據(jù)統(tǒng)計,我國重點鋼鐵企業(yè)主要工序能耗在不斷下降,而煉鐵工序能耗呈上升趨勢則是因為高爐煉鐵原燃料供應(yīng)緊張,價位攀升,成分不穩(wěn)定,質(zhì)量下降所造成的。通過加強管理,大力開展各項節(jié)能技術(shù),2004年的能耗指標好于2003年。
4)是鋼鐵企業(yè)之間工序能耗差距大,節(jié)能潛力大。由于中國鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)集中度低、技術(shù)裝備水平差距大、企業(yè)數(shù)量多、企業(yè)規(guī)模和裝備容量差距大,造成中國鋼鐵工業(yè)是各種類型、多層共同發(fā)展的狀態(tài)。這種情況也就造成了企業(yè)之間各工序能耗水平差距大,也可以說節(jié)能潛力非常大。
具體節(jié)能措施:
1)鋼鐵工業(yè)能源有效利用
德國鋼鐵工業(yè)主要采用標準的高爐煉鐵工藝。因此,鐵水是生產(chǎn)大約2500種不同鋼的最重要產(chǎn)品,但煉鐵需要的能耗高。而煉鐵前的高溫工藝以及下游工序熱加工、轉(zhuǎn)爐冶煉和鋼材精軋工藝,需要的能耗少。
設(shè)備技術(shù)的結(jié)構(gòu)變化、工藝過程的創(chuàng)新、能源市場的價格和供應(yīng)波動對鋼鐵生產(chǎn)過程的能耗和能量載體構(gòu)成的影響很大。這與能源效率的改善和綜合能源管理的進步密切相關(guān),這些進步旨在實現(xiàn)將過程副產(chǎn)物作為能量載體(高爐、焦爐和轉(zhuǎn)爐煤氣)或生產(chǎn)工藝蒸汽以及更加有效的回收利用廢熱。
2)一次能耗、還原劑和能量載體組成的變化
1960年-2008年德國鋼鐵工業(yè)已成功將一次能源單位消耗量降低40%,達到約18GJ/t鐵水,從技術(shù)-經(jīng)濟角度看這是個平衡值。在這一時期,鋼鐵產(chǎn)量顯著增加,這一結(jié)果的獲得并不簡單。在現(xiàn)有設(shè)備的情況下,除非以不成比例的高投入為代價,否則不可能實現(xiàn)能耗的進一步降低與能效的進一步提高,只有工藝創(chuàng)新才能帶來鋼鐵能源需求的進一步減少。工藝改進如薄板坯連鑄連軋的開發(fā)與應(yīng)用減少從鋼水到精軋熱帶鋼過程中的工序。采用這一技術(shù),從連鑄機出來的凝固熱鑄坯,在輸送到多機架精軋機組直接熱軋成鋼帶前,僅需在連續(xù)加熱爐中稍稍加熱,即可使鑄坯溫度均勻。對特定鋼種采用這類新技術(shù),可降低能耗1.2GJ/t鋼帶。
3)工藝和設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新
車間和設(shè)備改造及創(chuàng)新是保證能效穩(wěn)定提升不可缺少的條件。鋼廠集中在少數(shù)幾個地點,每個廠家都在提高產(chǎn)能。因此,在過去50年,德國高爐數(shù)量減少到15座,約為以前的1/10。這與應(yīng)用如高爐負壓操作、增大爐缸直徑、采用精料冶煉、氧氣噴吹以及提高熱風溫度等新工藝和設(shè)備技術(shù)不無關(guān)系。
同時,煉鋼工藝結(jié)構(gòu)也發(fā)生了根本性變化。在1977年淘汰堿性底吹空氣轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝及1982年淘汰平爐煉鋼工藝后,如今德國煉鋼僅采用氧氣轉(zhuǎn)爐和電弧爐工藝。堿性底吹空氣轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼工藝的淘汰在能源利用(溫度、反應(yīng)時間、生產(chǎn)率、轉(zhuǎn)爐煤氣回收)及環(huán)保成效(廢氣流量和回收、煙塵排放)方面均有積極作用。2008年德國近68%的粗鋼由氧氣轉(zhuǎn)爐工藝生產(chǎn),電弧爐工藝(使用廢鋼和一定量的海綿鐵)生產(chǎn)的粗鋼約占32%。
另一實現(xiàn)節(jié)約能源及減少環(huán)境影響的設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新的例子是連鑄技術(shù)的使用。連鑄技術(shù)替代了以前典型的從模鑄、鑄錠在加熱爐再加熱、到軋制成板坯或方坯半成品這一生產(chǎn)鏈。如今,除了極個別特殊情況,所有的鋼水都是由連鑄工藝直接鑄成半成品形式。
2008年德國超過96%的粗鋼通過連鑄設(shè)備生產(chǎn),連鑄的特點是降低廢鋼量,從而提高成材率。消除鑄錠加熱的燃料需求和連鑄坯以熱態(tài)送入軋鋼廠加熱爐中,不僅降低了能源需求,也降低了因加熱而產(chǎn)生的NOx、SO2和CO2的排放量。此外,鑄錠軋制生產(chǎn)線的取代節(jié)省了電力,排放量也得到進一步降低。
4)氣體副產(chǎn)物能量回收利用
利用氣體副產(chǎn)物作為能源,有可能滿足聯(lián)合鋼鐵廠單個工序的所有氣體燃料需求。圖1顯示了一個綜合能源管理系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)關(guān)系,該系統(tǒng)涵蓋了一個生產(chǎn)扁平材的聯(lián)合鋼鐵廠內(nèi)所用原料及能量的轉(zhuǎn)換過程。在煉鐵、煉焦及煉鋼過程中產(chǎn)生的氣體副產(chǎn)物用于熱風爐、焦爐、軋鋼加熱爐以及用于發(fā)電等。此外,從工藝設(shè)備中回收利用的廢熱也用于生產(chǎn)蒸汽和燒熱水,因此,在一個能源高效的聯(lián)合鋼鐵廠,理論上,車間可以在發(fā)電及燃氣使用上達到近乎完全自給自足的水平。
2.我國 CO2排放的現(xiàn)況及減排措施
1)我國鋼鐵工業(yè)CO2排放量十分巨大,1994—2006年內(nèi)平均占我國總排放的14%以上,2003年來其CO2排放量的增長更加迅速。盡管我國是發(fā)展中國家,還不需要承擔碳減排的任務(wù),但是作為世界第2大溫室氣體排放國,我國正面臨著巨大的國際壓力,因此鋼鐵工業(yè)是我國碳減排的重點行業(yè),其碳減排工作急需盡快展開。
2)鋼鐵工業(yè)的CO2排放結(jié)構(gòu)顯示,煤炭類能源消耗產(chǎn)生的CO2排放量最大,1994—2006年內(nèi)平均為97%,并且呈逐漸上升的趨勢,而石油和天然氣類能源消耗導(dǎo)致的CO2排放幾乎可以忽略。針對排放結(jié)構(gòu)的分析揭示出,優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)是最有效的減排路徑。
3)每噸鋼CO2排放量從1994年的5169kg降低到2006年的2389kg,降幅達到53.78%,充分說明了我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排取得了很大的成績,為世界范圍的碳減排做出了一定的貢獻,當然我國鋼鐵工業(yè)的能源效率離世界先進水平尚有較大差距,2002年以來更是遇到了提高能源效率的瓶頸。
4)從鋼鐵工業(yè)CO2排放彈性系數(shù)來看,1995—2006年平均為43.28%,且呈增長的趨勢,可以看出我國鋼鐵工業(yè)的增長越發(fā)依賴于能源消耗的增加,進而導(dǎo)致了CO2排放量的不斷增加,特別是2002年以來兩者之間的相互依賴性有加強的趨勢。
具體的減排措施:
1) 淘汰落后,實現(xiàn)裝備大型化
高爐大型化具有生產(chǎn)效率高、降低消耗、節(jié)約人力資源、提高鐵水質(zhì)量、減少環(huán)境污染等突出優(yōu)點。據(jù)不完全統(tǒng)計,落后的小高爐燃料比一般要比大高爐高30kg/t~50kg/t。小高爐(<300m3)單位能耗比大型設(shè)備(≥1000m3)高10%~15%,物耗高7%~10%,水耗高1倍左右,二氧化硫排放高3倍以上。落后和低水平工業(yè)裝備能耗高,二次能源回收低,污染處理難度大。因此,加大淘汰落后和替代低水平工藝裝備的力度是推進節(jié)能減排的難點,應(yīng)嚴格市場準入,強化安全、環(huán)保、能耗、物耗、質(zhì)量、土地等指標的約束作用,制定和完善行業(yè)準入條件和落后產(chǎn)能界定標準,加快淘汰煉鐵落后產(chǎn)能。如果國家對鋼鐵企業(yè)開征碳稅,將對煉鐵生產(chǎn)裝備、運行成本、生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品競爭力等產(chǎn)生深遠的影響。因此鋼鐵工業(yè)尤其是煉鐵要密切關(guān)注國家碳稅政策制定的進展,及早編制低碳經(jīng)濟規(guī)劃,研究和制定碳減排的實施方案。
2)降低高爐燃料比的技術(shù)
煉鐵系統(tǒng)減少二氧化碳排放量的研究方向主要有:一是減少所需碳量,二是減少對碳的依賴。前者需要在現(xiàn)有高爐生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,進一步降低還原比(焦比和燃料比),后者需要開辟另外不含碳或者含碳少的還原劑。新的還原劑包括天然氣和廢塑料等。因為煤炭是一種二氧化碳排放量高的燃料,消耗每噸煤炭的碳排放量為0.7t,而天然氣和塑料排放的二氧化碳較少,消耗每噸天然氣的碳排放量為0.39t。
3)低碳煉鐵技術(shù)集成
低碳煉鐵技術(shù)集成主要有干法熄焦技術(shù)(CDQ)、煤調(diào)濕技術(shù)(CMC)、高爐和焦爐添加廢塑料、燒結(jié)余熱回收(熱風燒結(jié)或余熱鍋爐)或余熱發(fā)電、高爐干式布袋除塵、煤氣余壓透平發(fā)電(TRT)、熱風爐雙預(yù)熱和余熱利用技術(shù)、高爐富氧噴煤技術(shù)、高爐煤氣回收及綜合利用、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組(CCPP)等技術(shù)的應(yīng)用,降低生產(chǎn)過程的單位產(chǎn)品能耗并提高資源的綜合利用。
參考文獻:
[1] 高洪成,婁成武.“十二五”期間中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略思考與路徑選擇[J]. 中國軟科學. 2012(06)
[2] 涂正革.中國的碳減排路徑與戰(zhàn)略選擇——基于八大行業(yè)部門碳排放量的指數(shù)分解分析[J]. 中國社會科學. 2012(03)
[3] 王威威,高知靈,李國翠,李新.低碳經(jīng)濟下鋼鐵行業(yè)的低碳策略[J]. 科技創(chuàng)業(yè)月刊. 2011(08)
[4] 鄧杰敏.低碳背景下鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排放情況的實證研究[J]. 長沙大學學報. 2011(03)
[5] 賈俊松.中國能耗碳排量宏觀驅(qū)動因素的Hi•PLS模型分析[J]. 中國人口.資源與環(huán)境. 2010(10)
[6] 趙建安,金千致,魏丹青. 我國主要工業(yè)部門技術(shù)節(jié)能減排的潛力及實現(xiàn)途徑探討[J]. 自然資源學報. 2012(06)
[7] 劉飛,蔡九菊,謝國威,羅志剛,李順. 鋼鐵企業(yè)熱電廠碳排放的評價研究[J]. 冶金能源. 2011(05)
[8] 麻晗,峰公雄.100t EAF-LF-CC-CR流程節(jié)能冷鐓鋼的開發(fā)[J]. 特殊鋼. 2011(04)
[9] 劉沐宇,歐陽丹.橋梁工程生命周期碳排放計算方法[J]. 土木建筑與環(huán)境工程. 2011(S1)
[10] 侯祥松.電爐煉鋼冶煉周期中煙氣熱力學特性的變化規(guī)律[J]. 冶金能源. 2010(01)





