浅谈轧钢厂工艺流程及气体监测

近年来，在社会科技水平不断进步的带动下，我国的轧钢技术也得到了前所未有的发展；随着轧钢技术的不断进步，不仅使得钢材的各种性能都得以提高，而且在工艺加工的过程中也丰富了钢材的品种种类。本文首先简要介绍了轧钢的相关生产工艺，然后对轧钢关键设备加热炉中气体燃烧与监测做具体阐述。

1.轧钢的概念：

轧钢，在旋转的轧辊间改变钢锭，钢坯形状的压力加工过程叫轧钢。轧钢的目的与其他压力加工一样，一方面是为了得到需要的形状，例如：钢板，带钢，线材以及各种型钢等；另一方面是为了改善钢的内部质量，我们常见的汽车板、桥梁钢、锅炉钢、管线钢、螺纹钢、钢筋、电工硅钢、镀锌板、镀锡板，包括火车轮都是通过轧钢工艺加工出来的。

2.轧钢的分类：

轧钢方法按轧制温度不同可分为热轧与冷轧；按轧制时轧件与轧辊的相对运动关系不同可分为纵轧，横轧和斜轧；按轧制时轧件与轧辊的相对运动关系不同可分为纵轧、横轧和斜轧；按轧制产品的成型特点还可分为一般轧制和特殊轧制。周期轧制、旋压轧制、弯曲成型等都属于特殊轧制方法。

2.1热轧工艺：

从炼钢厂出来的钢坯还仅仅是半成品，必须到轧钢厂去进行轧制以后，才能成为合格的产品。从炼钢厂送过来的连铸坯，首先是进入加热炉，然后经过初轧机反复轧制之后，进入精轧机。轧钢属于金属压力加工，说简单点，轧钢板就像压面条，经过擀面杖的多次挤压与推进，面就越擀越薄。在热轧生产线上，轧坯加热变软，被辊道送入轧机，最后轧成用户要求的尺寸。轧钢是连续的不间断的作业，钢带在辊道上运行速度快，设备自动化程度高，效率也高。热轧成品分为钢卷和锭式板两种，经过热轧后的钢轨厚度一般在几个毫米，如果用户要求钢板更薄的话，还要经过冷轧。

2.2冷轧工艺：

与热轧相比，冷轧厂的加工线比较分散，工艺流程上也不够连续，由于冷轧过程中会造成钢材成型不够均匀，导致残余应力产生，最终形成加工钢材硬度较大的结果，影响所制造产品的质量和稳定性。冷轧产品主要有普通冷轧板、涂镀层板也就是镀锡板、镀锌板和彩涂板。经过热轧厂送来的钢卷，先要经过连续三次技术处理，先要用盐酸除去氧化膜，然后才能送到冷轧机组。冷轧主要用于生产尺寸较小的精密钢，一般钢的轧制以热轧为主。

2.3热轧与冷轧工艺的区别

经过比较，冷轧与热轧虽然都是钢生产工艺中的一部分，作用也基本相同，但却有着根本的区别。首先热轧工艺需要较高的温度环境，要通过许多外界环节操作来提升工艺设备的温度。在一定的温度和压力条件下，将钢加工到钢的奥氏体去以进一步提高钢的可塑性，使钢材原料真正实现软化，并且不断变薄，而且热轧工艺也不会改变钢材的结构和性能；而冷轧工艺则于此不同，冷轧是在冷轧机上进行加工，生产环境不需要较高的温度和压力，在这个过程中钢的晶体结构发生了改变，经过工艺加工后的钢材在结构上和性能上都发生了一定的改变。再者，由于冷轧生产后的钢制产品具有保持原有的承载力的特性，所以钢材经过冷轧工艺后，最后成型的钢材表面会出现一定程度的屈曲，对于冷轧来说这种变形是允许的，而热轧工艺后生产的钢材产品则没有屈曲的现象出现。最后，经过两种加工形成的截面存在着很大的不同，这主要是由于两者的残余应力不同所致。所以，在残余应力的作用下，冷轧钢材能够生产出弯曲型产品，而热轧钢材则能够形成薄膜型产品。

3. 轧钢加热炉烟气的监测分析

在轧钢生产过程中，加热炉温度的控制起着举足轻重的作用，直接关系到产量、能源、污染、工人的劳动强度等等，轧钢加热炉的燃烧控制对其燃耗、氧化烧损、生成物中NO含量等有直接关系。燃烧效果可通过空燃比、烟气含氧量和空气消耗系数来判断。轧钢加热炉受操作者的技能、生产的均匀性、燃料热值波动、风温变化等影响，空燃比的控制难以达到最佳状态。且轧钢加热炉全部使用焦炉煤气作为燃料，焦炉煤气含杂质多，容易堵塞流量计，导致计量精确度差，难以保证空燃比的准确性。焦炉煤气的成分如下表 1所示。

表 1  焦炉煤气组分

注：%表示体积分数。

因此，监测分析烟气中的O2和CO含量等，成为判断轧钢加热炉燃烧效果的最有效方法。

3.1燃烧与空气消耗系数

3.1.1燃烧反应 

燃烧可分为完全燃烧和不完全燃烧。不完全燃烧又分为化学不完全燃烧和机械不完全燃烧。

由图1可见，“过量空气能耗”表示富余的空气形成的热损失，表征为烟气中的氧含量。“过量燃料能耗”表示由未完全燃烧的燃料所引起的能耗，表征为烟气中CO含量。若要降低能耗，须降低烟气中的O2含量和CO含量，但两者是相互制约的。最佳的燃烧控制点的热损失最小、热效率最高，其气体O2含量约为1%。

3.1.2 空气消耗系数

空气消耗系数（简称α）直接影响炉的燃烧状况及热效率、氧化烧损等。α的大小与燃烧种类、燃烧方法、燃烧装置的结构及其工作好坏都有关。气体燃料空气消耗系数的经验数据为n=1.05~1.15.通过气体成分分析仪，可按以下公式计算出α。

不完全燃烧时，

完全燃烧时，

上述两式中，RO2、O2、CO分别表示气体中SO2和CO2、O2、CO的容积占干烟气容积的百分含量，%。

3.1.3烟气NOX的监测分析

NOX是燃料燃烧过程中产生的主要污染物之一，其生成是一个复杂的过程。研究表明：NOX的生成主要是与火焰中的最高温度、氮和氧的浓度以及气体在高温下停留时间等因素有关。当供入空气量较小时，火焰内O2的浓度相对减小，可降低NOX的生成量。实验表明，随着空气消耗系数的加大，NO的含量会迅速增加，当出现15%的过量空气时达到最大值。轧钢加热炉烟气温度较高，烟气中NOX均为NO，由此也可监测锅炉排放是否达到国家排放标准（NOX≤300mg/m³）。

3.2气体分析仪及监测取样

天禹智控的气体分析监测系统，可对气体中O2、CO、CO2、碳氢化合物、氮氧化物等成分进行在线采集分析，并同时测量气体的温度、环境温度、气体压力、流速等。利用烟气残氧监测及控制是可实现有效节能。加热炉使用燃烧工况监测系统，可通过监测加热炉烟气残氧含量科学的控制空燃比，使过剩空气量最小，达到燃料的最佳燃烧效率，降低燃料消耗，达到最佳燃烧控制的目的。分析监测系统根据助燃空气中氧气含量基本恒定，就可通过燃烧后烟气中的残氧量计算出助燃空气的剩余量，用残氧量来判断加热炉燃烧过程中的空气过剩系数是否合理。

3.3加热炉气体监测的意义：

3.3.1燃烧控制

加热炉是轧钢厂的关键设备之一，加热炉性能的好坏直接影响到产品质量的好坏，而加热炉燃料是影响加热炉性能的重要因素，因此根据生产需求合理控制、及时调整加热炉燃料热值、压力、成分、流量等参数是提高加热炉效率的有效措施。

为保证轧钢加热炉高效运行，需要综合考虑燃料种类、预热温度和在某一空气系数下能保证完全燃烧的控制操作系统和设备，以达到最优燃烧效率与最佳空燃比。此外，空气过剩系数过大，会使废气量增加，废气热损失增大，燃烧温度降低；空气过剩系数过小，就会造成燃料的不完全燃烧，浪费燃料。故空燃比例不合理不仅影响加热炉生产率，而且造成加热炉单位燃耗的升高。同时，在加热炉加热过程中钢坯表面会产生氧化，这将会产生大量的氧化烧损，严重影响钢的性能。

因此，通过在热处理炉前端对燃气进行热值检测，保证混合煤气稳定、安全、高效加热；在热处理炉后端进行尾气成分及残氧量变化检测，优化空燃比，减少烧损，提高能效对实现热处理环节闭环控制、工艺优化具有重大意义。

3.3.2节能减排

加热炉是轧钢企业最大的耗能设备，轧钢厂能量消耗的60%~70%来自加热炉。因此加热炉的热效率对轧钢厂的节能减排任务有重要意义。在加热过程中高温氧气还可能与氮气等气体发生化学反应，产生一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫等气态污染物，这些污染物是造成雾霾天气的主要原因。因此，如何提高加热炉的热效率，优化加热炉的炉温控制和燃料燃烧过程对于加热炉的节能降耗、降低生产成本、减少多种空气污染物的排放具有重要的意义。

3.4加热炉气体监测解决方案：

3.4.1产品介绍

TY-8319 热处理炉气体在线分析系统由采样单元、预处理单元、控制单元、分析单元四部分组成，测量点设置在加热炉燃气输送管道上。

采样单元：

采用不锈钢电加热温控干法取样探头+反吹技术解决炉内烟尘大易堵塞探头问题。

预处理单元：

采用2级过滤装置+电子冷凝器除去样气中的粉尘、水分等诸多杂质，为分析仪表提供洁净样气，保证系统运行稳定。

控制单元：

手动+自控可选，自控方式采用西门子作为核心控制元件，一套系统可实现多个采样点循环监测。

气体分析单元：

采用天禹智控自主研发的在线红外煤气分析仪TY-6300，配置NDIR红外气体分析、H2热导传感器、O2电化学传感器等核心技术，精度高、响应快、寿命长、稳定性高，可实时快速检测炉气或尾气中CO、CO2、H2、O2、CH4、NOx、H2S、SO2等多组分浓度，并根据气体含量自动计算煤气热值，为现场工艺调整提供实时依据。

3.4.2 客户案例

4. 总结

   轧钢厂加热炉运用气体在线监测分析系统的生产时间和使用效果分析表明：运用气体分析系统能够降低加热炉的燃耗；提高了对加热炉燃烧效果的控制，提高生产工艺中的稳定性，同时也是保证钢材质量、提高使用寿命及企业节能减排的重要举措。