近年來，在社會科技水平不斷進步的帶動下，我國的軋鋼技術也得到了前所未有的發(fā)展；隨著軋鋼技術的不斷進步，不僅使得鋼材的各種性能都得以提高，而且在工藝加工的過程中也豐富了鋼材的品種種類。本文首先簡要介紹了軋鋼的相關生產(chǎn)工藝，然后對軋鋼關鍵設備加熱爐中氣體燃燒與監(jiān)測做具體闡述。
1.軋鋼的概念：
軋鋼，在旋轉的軋輥間改變鋼錠，鋼坯形狀的壓力加工過程叫軋鋼。軋鋼的目的與其他壓力加工一樣，一方面是為了得到需要的形狀，例如：鋼板，帶鋼，線材以及各種型鋼等；另一方面是為了改善鋼的內部質量，我們常見的汽車板、橋梁鋼、鍋爐鋼、管線鋼、螺紋鋼、鋼筋、電工硅鋼、鍍鋅板、鍍錫板，包括火車輪都是通過軋鋼工藝加工出來的。
2.軋鋼的分類：
軋鋼方法按軋制溫度不同可分為熱軋與冷軋；按軋制時軋件與軋輥的相對運動關系不同可分為縱軋，橫軋和斜軋；按軋制時軋件與軋輥的相對運動關系不同可分為縱軋、橫軋和斜軋；按軋制產(chǎn)品的成型特點還可分為一般軋制和特殊軋制。周期軋制、旋壓軋制、彎曲成型等都屬于特殊軋制方法。
2.1熱軋工藝：
從煉鋼廠出來的鋼坯還僅僅是半成品，必須到軋鋼廠去進行軋制以后，才能成為合格的產(chǎn)品。從煉鋼廠送過來的連鑄坯，首先是進入加熱爐，然后經(jīng)過初軋機反復軋制之后，進入精軋機。軋鋼屬于金屬壓力加工，說簡單點，軋鋼板就像壓面條，經(jīng)過搟面杖的多次擠壓與推進，面就越搟越薄。在熱軋生產(chǎn)線上，軋坯加熱變軟，被輥道送入軋機，最后軋成用戶要求的尺寸。軋鋼是連續(xù)的不間斷的作業(yè)，鋼帶在輥道上運行速度快，設備自動化程度高，效率也高。熱軋成品分為鋼卷和錠式板兩種，經(jīng)過熱軋后的鋼軌厚度一般在幾個毫米，如果用戶要求鋼板更薄的話，還要經(jīng)過冷軋。
2.2冷軋工藝：
與熱軋相比，冷軋廠的加工線比較分散，工藝流程上也不夠連續(xù)，由于冷軋過程中會造成鋼材成型不夠均勻，導致殘余應力產(chǎn)生，最終形成加工鋼材硬度較大的結果，影響所制造產(chǎn)品的質量和穩(wěn)定性。冷軋產(chǎn)品主要有普通冷軋板、涂鍍層板也就是鍍錫板、鍍鋅板和彩涂板。經(jīng)過熱軋廠送來的鋼卷，先要經(jīng)過連續(xù)三次技術處理，先要用鹽酸除去氧化膜，然后才能送到冷軋機組。冷軋主要用于生產(chǎn)尺寸較小的精密鋼，一般鋼的軋制以熱軋為主。
2.3熱軋與冷軋工藝的區(qū)別
經(jīng)過比較，冷軋與熱軋雖然都是鋼生產(chǎn)工藝中的一部分，作用也基本相同，但卻有著根本的區(qū)別。首先熱軋工藝需要較高的溫度環(huán)境，要通過許多外界環(huán)節(jié)操作來提升工藝設備的溫度。在一定的溫度和壓力條件下，將鋼加工到鋼的奧氏體去以進一步提高鋼的可塑性，使鋼材原料真正實現(xiàn)軟化，并且不斷變薄，而且熱軋工藝也不會改變鋼材的結構和性能；而冷軋工藝則于此不同，冷軋是在冷軋機上進行加工，生產(chǎn)環(huán)境不需要較高的溫度和壓力，在這個過程中鋼的晶體結構發(fā)生了改變，經(jīng)過工藝加工后的鋼材在結構上和性能上都發(fā)生了一定的改變。再者，由于冷軋生產(chǎn)后的鋼制產(chǎn)品具有保持原有的承載力的特性，所以鋼材經(jīng)過冷軋工藝后，最后成型的鋼材表面會出現(xiàn)一定程度的屈曲，對于冷軋來說這種變形是允許的，而熱軋工藝后生產(chǎn)的鋼材產(chǎn)品則沒有屈曲的現(xiàn)象出現(xiàn)。最后，經(jīng)過兩種加工形成的截面存在著很大的不同，這主要是由于兩者的殘余應力不同所致。所以，在殘余應力的作用下，冷軋鋼材能夠生產(chǎn)出彎曲型產(chǎn)品，而熱軋鋼材則能夠形成薄膜型產(chǎn)品。
3. 軋鋼加熱爐煙氣的監(jiān)測分析
在軋鋼生產(chǎn)過程中，加熱爐溫度的控制起著舉足輕重的作用，直接關系到產(chǎn)量、能源、污染、工人的勞動強度等等，軋鋼加熱爐的燃燒控制對其燃耗、氧化燒損、生成物中NO含量等有直接關系。燃燒效果可通過空燃比、煙氣含氧量和空氣消耗系數(shù)來判斷。軋鋼加熱爐受操作者的技能、生產(chǎn)的均勻性、燃料熱值波動、風溫變化等影響，空燃比的控制難以達到最佳狀態(tài)。且軋鋼加熱爐全部使用焦爐煤氣作為燃料，焦爐煤氣含雜質多，容易堵塞流量計，導致計量精確度差，難以保證空燃比的準確性。焦爐煤氣的成分如下表 1所示。
表 1 焦爐煤氣組分
|
組分 |
CH4 |
H2 |
N2 |
O2 |
CO |
CO2 |
CnHm |
∑ |
|
% |
25.45 |
58.92 |
5.06 |
0.26 |
6.01 |
2.14 |
2.16 |
100 |
注：%表示體積分數(shù)。
因此，監(jiān)測分析煙氣中的O2和CO含量等，成為判斷軋鋼加熱爐燃燒效果的最有效方法。
3.1燃燒與空氣消耗系數(shù)
3.1.1燃燒反應
燃燒可分為完全燃燒和不完全燃燒。不完全燃燒又分為化學不完全燃燒和機械不完全燃燒。
由圖1可見，“過量空氣能耗”表示富余的空氣形成的熱損失，表征為煙氣中的氧含量。“過量燃料能耗”表示由未完全燃燒的燃料所引起的能耗，表征為煙氣中CO含量。若要降低能耗，須降低煙氣中的O2含量和CO含量，但兩者是相互制約的。最佳的燃燒控制點的熱損失最小、熱效率最高，其氣體O2含量約為1%。
3.1.2 空氣消耗系數(shù)
空氣消耗系數(shù)（簡稱α）直接影響爐的燃燒狀況及熱效率、氧化燒損等。α的大小與燃燒種類、燃燒方法、燃燒裝置的結構及其工作好壞都有關。氣體燃料空氣消耗系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)為n=1.05~1.15.通過氣體成分分析儀，可按以下公式計算出α。
不完全燃燒時，
完全燃燒時，
上述兩式中，RO2、O2、CO分別表示氣體中SO2和CO2、O2、CO的容積占干煙氣容積的百分含量，%。
3.1.3煙氣NOX的監(jiān)測分析
NOX是燃料燃燒過程中產(chǎn)生的主要污染物之一，其生成是一個復雜的過程。研究表明：NOX的生成主要是與火焰中的最高溫度、氮和氧的濃度以及氣體在高溫下停留時間等因素有關。當供入空氣量較小時，火焰內O2的濃度相對減小，可降低NOX的生成量。實驗表明，隨著空氣消耗系數(shù)的加大，NO的含量會迅速增加，當出現(xiàn)15%的過量空氣時達到最大值。軋鋼加熱爐煙氣溫度較高，煙氣中NOX均為NO，由此也可監(jiān)測鍋爐排放是否達到國家排放標準（NOX≤300mg/m3）。
3.2氣體分析儀及監(jiān)測取樣
天禹智控的氣體分析監(jiān)測系統(tǒng)，可對氣體中O2、CO、CO2、碳氫化合物、氮氧化物等成分進行在線采集分析，并同時測量氣體的溫度、環(huán)境溫度、氣體壓力、流速等。利用煙氣殘氧監(jiān)測及控制是可實現(xiàn)有效節(jié)能。加熱爐使用燃燒工況監(jiān)測系統(tǒng)，可通過監(jiān)測加熱爐煙氣殘氧含量科學的控制空燃比，使過剩空氣量最小，達到燃料的最佳燃燒效率，降低燃料消耗，達到最佳燃燒控制的目的。分析監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)助燃空氣中氧氣含量基本恒定，就可通過燃燒后煙氣中的殘氧量計算出助燃空氣的剩余量，用殘氧量來判斷加熱爐燃燒過程中的空氣過剩系數(shù)是否合理。
3.3加熱爐氣體監(jiān)測的意義：
3.3.1燃燒控制
加熱爐是軋鋼廠的關鍵設備之一，加熱爐性能的好壞直接影響到產(chǎn)品質量的好壞，而加熱爐燃料是影響加熱爐性能的重要因素，因此根據(jù)生產(chǎn)需求合理控制、及時調整加熱爐燃料熱值、壓力、成分、流量等參數(shù)是提高加熱爐效率的有效措施。
為保證軋鋼加熱爐高效運行，需要綜合考慮燃料種類、預熱溫度和在某一空氣系數(shù)下能保證完全燃燒的控制操作系統(tǒng)和設備，以達到最優(yōu)燃燒效率與最佳空燃比。此外，空氣過剩系數(shù)過大，會使廢氣量增加，廢氣熱損失增大，燃燒溫度降低；空氣過剩系數(shù)過小，就會造成燃料的不完全燃燒，浪費燃料。故空燃比例不合理不僅影響加熱爐生產(chǎn)率，而且造成加熱爐單位燃耗的升高。同時，在加熱爐加熱過程中鋼坯表面會產(chǎn)生氧化，這將會產(chǎn)生大量的氧化燒損，嚴重影響鋼的性能。
因此，通過在熱處理爐前端對燃氣進行熱值檢測，保證混合煤氣穩(wěn)定、安全、高效加熱；在熱處理爐后端進行尾氣成分及殘氧量變化檢測，優(yōu)化空燃比，減少燒損，提高能效對實現(xiàn)熱處理環(huán)節(jié)閉環(huán)控制、工藝優(yōu)化具有重大意義。
3.3.2節(jié)能減排
加熱爐是軋鋼企業(yè)最大的耗能設備，軋鋼廠能量消耗的60%~70%來自加熱爐。因此加熱爐的熱效率對軋鋼廠的節(jié)能減排任務有重要意義。在加熱過程中高溫氧氣還可能與氮氣等氣體發(fā)生化學反應，產(chǎn)生一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫等氣態(tài)污染物，這些污染物是造成霧霾天氣的主要原因。因此，如何提高加熱爐的熱效率，優(yōu)化加熱爐的爐溫控制和燃料燃燒過程對于加熱爐的節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、減少多種空氣污染物的排放具有重要的意義。
3.4加熱爐氣體監(jiān)測解決方案：
3.4.1產(chǎn)品介紹
TY-8319 熱處理爐氣體在線分析系統(tǒng)由采樣單元、預處理單元、控制單元、分析單元四部分組成，測量點設置在加熱爐燃氣輸送管道上。
采樣單元：
采用不銹鋼電加熱溫控干法取樣探頭+反吹技術解決爐內煙塵大易堵塞探頭問題。
預處理單元：
采用2級過濾裝置+電子冷凝器除去樣氣中的粉塵、水分等諸多雜質，為分析儀表提供潔凈樣氣，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
控制單元：
手動+自控可選，自控方式采用西門子作為核心控制元件，一套系統(tǒng)可實現(xiàn)多個采樣點循環(huán)監(jiān)測。
氣體分析單元：
采用天禹智控自主研發(fā)的在線紅外煤氣分析儀TY-6300，配置NDIR紅外氣體分析、H2熱導傳感器、O2電化學傳感器等核心技術，精度高、響應快、壽命長、穩(wěn)定性高，可實時快速檢測爐氣或尾氣中CO、CO2、H2、O2、CH4、NOx、H2S、SO2等多組分濃度，并根據(jù)氣體含量自動計算煤氣熱值，為現(xiàn)場工藝調整提供實時依據(jù)。
3.4.2 客戶案例
4. 總結
軋鋼廠加熱爐運用氣體在線監(jiān)測分析系統(tǒng)的生產(chǎn)時間和使用效果分析表明：運用氣體分析系統(tǒng)能夠降低加熱爐的燃耗；提高了對加熱爐燃燒效果的控制，提高生產(chǎn)工藝中的穩(wěn)定性，同時也是保證鋼材質量、提高使用壽命及企業(yè)節(jié)能減排的重要舉措。
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