王建军¹，李金枝²，安东东²，李普会²

（1.陕西龙门钢铁有限责任公司；2.西安盛世优联节能环保科技有限公司，陕西西安 710000）

【摘 要】 棒材冷床由于面积大、取热困难，一直没有实现工业化余热综合利用。该余热一直被认为是冶金行业低品位、难回收的热源之一。在介绍轧钢冷床余热高效智能绿色回收系统的技术原理、回收机理以及创新点的基础上，对钢材温度、钢材规格、轧线生产以及环境温度对余热回收的影响进行了分析。结果表明：钢材温度越高、钢材质量越大、轧线生产越连续、环境温度越高，热回收效率越高。

【关键词】 轧钢；棒材；冷床余热回收；饱和蒸汽

0 引言

钢铁行业是典型的高能耗、高排放行业，同时也是国民经济的重要基础产业，钢铁企业碳排放量约占全国总排放量的 15%。当前，我国 90% 的钢铁企业是焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢等全流程生产的长流程企业，其中炼铁工序的能耗占比最大，约占整个钢铁生产流程总能耗的 59%，轧钢工序约占8%^［1］。因此，我国未来能源发展的重点是高效利用钢铁行业能源。

1 冷床余热回收利用技术现状

钢铁生产全流程中各工序的余热回收利用现状不尽相同，其中焦化、炼铁、炼钢工序的煤气潜热利用技术已经普及。烧结工序中，大部分钢铁企业通过直接热利用或余热发电的方式回收了烧结矿的显热，轧钢工序中加热炉烟气的显热回收利用技术已经非常成熟，但冷床余热目前仍没有实现工业化利用。

轧钢冷床生产中，钢坯被送入轧机后，在高温、高压的作用下被塑造成不同尺寸的棒材。轧制后的棒材要在冷床上从 900 ℃自然冷却至 300 ℃，才能进行捆扎包装。这个过程中，棒材向周围释放大量热能，如不加以合理利用，既造成了能源的浪费，也加剧了车间工作环境的恶化。近年来，多家钢铁企业和科研院所围绕冷床余热回收利用的重要性以及可行性开展了大量的研究，相关技术介绍如下。

1.1 封闭式冷床余热回收技术

1980 年，瑞典阿维斯特（AVESTA）钢厂在板坯冷床上利用板坯热量建立了封闭式冷床余热回收系统。通过这种安装在连铸机上方的余热回收系统可以获得低温蒸汽。阿维斯特钢厂板坯余热回收系统投资回收期为3~4年。但该系统的缺点是如果冷床生产线发生跳钢、乱钢等现象，钢材会破坏封闭式冷床上方的管道系统^［2］。

1.2 半封闭式换热技术

在冷床下方设置换热装置，采用鼓风设备将下方常温空气循环鼓入换热装置，常温空气在换热装置中吸收冷床上钢材的热量，经热交换后，空气温度可达800 ℃以上。设置在冷床上方的循环系统将高温气体送入余热锅炉，产生的蒸汽既可以直接并入厂区蒸汽管网，也可以用于发电^［3］。

1.3 半导体温差发电技术

半导体温度差发电技术是一种绿色环保的发电技术，利用两种不同类型的半导体两端的温度差产生电能。东北大学以陕西龙门钢铁棒材产线10 m²热电装置为例进行了热电转换测试。经测算，热电装置规模化安装后总经济收益可达 20.9万元，减碳总量 337.4 t。但由于该装置成本较高，且运行稳定性不足，未能推广应用。

2 辐射传热产蒸汽冷床余热回收技术

辐射传热产蒸汽冷床余热回收系统于2023年6月在龙钢公司轧钢厂冷床投产使用。回收的饱和蒸汽额定流量超过10 t/h、饱和蒸汽压力达0.9 MPa，最高瞬时流量可达 14.965 t/h，日回收蒸汽量 202 t，均送入龙钢发电用蒸汽管网。该系统运行稳定，不影响冷床正常运行、检修。

2.1 工艺流程

软水经除氧器去除水中溶解氧后进入蒸汽包，蒸汽包中的高温高压水经强制循环后输送至各取热器。取热器悬挂于冷床上方，吸收冷床上钢材的辐射热，使高温高压热水转化成高温高压汽水混合物，然后系统将汽水混合物汇集输送至蒸汽包进行汽水分离，分离出的蒸汽被输送至蒸汽管网使用。

冷床余热回收流程见图1。

2.2 技术原理

辐射传热产蒸汽冷床余热回收系统是将取热器设置于冷床上方，以吸收棒材辐射热。辐射的热量将高温高压水转化为高温高压蒸汽用于发电。该技术理论的依据来自基尔霍夫定律和斯蒂芬-玻尔兹曼定律。

研究表明，温度高于600 ℃时，物质间的传热以热辐射为主，而任何单一物体的发射率均小于绝对黑体发射率，即均小于 1。基尔霍夫定律揭示了物质吸热率和发射率相等的关系，即当物体表面的发射率上升时，吸热能力也相应提高。斯蒂芬-玻尔兹曼定律进一步阐述了物质发射率对于吸放热能力的影响。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，提高物体的发射率，可强化辐射传热能力。如物体表面发射率为 0.7，采用高辐射覆层节能技术后，表面发射率可提高至0.9以上，理论上可提高传热量20%以上。

因此，提高取热器表面接收率，可提高传热量，最终实现蒸汽回收率的提高，这也将是该技术后期重点改进的方向。

2.3 冷床余热回收机理研究

2.3.1 钢材温度对余热回收系统的影响

斯蒂芬-玻尔兹曼定律为：

E = σεT⁴     （1）

式中：E为物体的辐射力，W/m²；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，σ=5.670 32×10^-8 W/（m² ⋅K4 ）；ε 为物体的辐射系数；T为物体的绝对温度，K。

由式（1）可知，棒材的辐射力和绝对温度的四次方成正比。棒材绝对温度每增加 1 倍，棒材的辐射力将增加16倍。可见，温度是影响辐射传热的重要因素之一。

2023年 10月 10日―11月 10日，该单位棒二冷床余热回收项目因工艺调整，钢材上冷床温度由验收前的（900±20） ℃调整为（850±30） ℃。钢材温度变化对蒸汽产量影响对比见表1。

由表 1 可知，工艺调整后吨钢蒸汽回收效率较调整之前降低了18.9%。

2.3.2 不同规格钢材对余热回收系统的影响

棒二冷床轧制的棒材有三种规格，分别是⌀18 mm、⌀20 mm、⌀22 mm，每支棒材长度为91 m。三种规格棒材布满冷床时，⌀18 mm 规格棒材总质量为 42 375 kg、⌀20 mm 规格棒材总质量为52 596 kg、⌀22 mm 规格棒材总质量为 42 304 kg。

棒材上冷床温度为900 ℃，下冷床温度为300 ℃。

比热容原理：

式中：Q 为棒材在冷床上释放出的热量，kW⋅h；c 为棒材的比热容，J/（kg⋅℃）；m为棒材质量，kg；t 进为棒材上冷床温度，℃；t 出为棒材下冷床温度，℃。

由式（2）可以计算出不同规格棒材的放热量：⌀18 mm规格棒材放热量Q1为3 249 kW⋅h，⌀20 mm规格棒材放热量 Q2为 4 032 kW⋅h，⌀22 mm 规格棒材放热量Q3为3 243 kW⋅h。

综上可知，该三种不同规格棒材放热量的关系为：Q₁> Q₂≈ Q₃，因此，相应的取热器所吸收的热量也不相同。

实际运行中，由于⌀18 mm规格棒材质量较小，轧制时极易发生“翘头”堆钢事故（钢头碰到换热器下表面）。为确保不影响正常生产，在轧制⌀18 mm规格棒材时，会提升取热器距冷床动齿面的高度，以减少对生产的影响。但该项措施会影响取热器对热辐射的吸收，降低了系统回收性能。在轧制⌀22 mm规格棒材时，由于棒材质量大，几乎不出现“翘头”现象，可适当降低取热器高度，提升系统的回收性能。

由此可知，余热回收系统效率与棒材质量关系密切，棒材质量越大，散发出的热量越多，取热器的热回收效率越高。同时取热器高度也会对余热回收效率产生一定的影响，取热器高度越低，热量越大，蒸汽产量越高。

2.3.3 轧线生产连续性对余热回收系统的影响

余热回收利用系统的固有特性是：当冷床暂停过钢时，热源缺失，余热回收系统开始降温降压；当冷床恢复过钢时，余热回收系统开始升温升压，恢复到暂停过钢前的状态。余热回收系统汽包压力随轧线生产变化趋势图见图 2。10：20 轧线暂停过钢，蒸汽压力开始下降，10：30 压力降至 0.23 MPa，随后轧线开始恢复过钢，蒸汽压力逐步上升，10：50压力恢复至暂停过钢前的水平。由图 2 可知，轧线暂停生产 10 min后再恢复生产，余热回收系统恢复到暂停过钢前的压力需要耗时25 min。

对于热力系统来说，频繁启停设备不仅会增加能耗，更重要的是热胀冷缩之后容易造成系统故障。同样，余热回收系统作为被动回收设备，频繁启停不仅影响回收的蒸汽量，还会降低系统寿命。

因此，实际生产中，应尽量降低停机频率，确保系统尽可能连续稳定运行。

2.3.4 环境温度对余热回收系统的影响

2023 年 7―11 月，余热回收系统蒸汽平均流量随平均温度变化趋势见图 3。7―11 月平均气温从28.5 ℃降低至 8 ℃，蒸汽平均流量从 9.57 t/h 降低至7.15 t/h，由变化趋势可知，环境温度的变化会直接影响余热回收效率。夏季环境温度高时，余热回收系统回收蒸汽流量大；冬季环境温度低时，冷床棒材释放的热量一部分被冷空气带走，降低了取热器吸收的热量，系统回收蒸汽流量随之减小。

环境温度对余热回收系统的性能有着十分重大的影响，想要让余热回收系统稳定高效运行，就必须将环境温度作为控制变量。实际生产中，在低温天气可采取关门、关窗等降低冷床热气流散失的措施，同时，在不影响生产的前提下尽量降低取热器高度，以降低低温对余热回收系统的影响。

2.3.5 余热回收系统创新点

辐射传热产蒸汽余热回收系统的创新点主要是扁平式快速吸收棒材冷床热量的取热器以及自主研发的悬臂吊设备。

该取热器的主要优点是耐高温、吸热快。当水通过取热器时，可快速吸收冷床上棒材的辐射热，经系统强制循环后产生稳定连续的饱和蒸汽。取热器内部管道为多层布置，可最大限度地增加换热面积，热回收率较高。

用于吊挂取热器的悬臂吊设备既可以实现单动、也可以实现联动，切换方便。灵活稳定的机械结构在冷床出现飞钢等突发情况时，可快速移动取热器，方便冷床检修。此外，还增设了取热器工作状态下防跌落装置，大大提高了安全性。

辐射传热产蒸汽余热回收系统采用了先进的智能控制技术，无须人员值守，不增加工作岗位。

3 结语

轧钢冷床余热回收技术经历了几十年的研究，其发展缓慢的主要原因在于冷床面积大、取热困难、影响因素多。但不可否认作为一种低效能源的高效利用技术，轧钢冷床余热回收推广应用前景巨大。通过对棒材温度、棒材质量、轧线生产情况以及环境温度对蒸汽产量影响的研究可知，轧钢辐射传热产蒸汽冷床余热高效回收技术是一种绿色低碳新技术，有助于钢铁企业节能、减排、降碳。

参考文献

[1] 柯菲，高雅萱，张倩，等.钢铁企业余热资源回收利用技术现状综述［J］.机电信息，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 . 钢铁工业冷床余热利用潜力分析［J］. 绿色科技，2013（7）：300-302.