Steel Times International August 2015/Chinese

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國際鋼鐵時代 — 2015年8月 — 1www.steeltimesint.com

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2015年8月號

ISSN 0143-7796

編輯部

主編Matthew Moggridge 電話：+44 (0) 1737 855151電郵：[email protected]

制作編輯Annie Baker

營銷部

國際銷售經理Paul Rossage電郵：[email protected]電話：+44 (0) 1737 855116

地區銷售經理Anne Considine電郵：[email protected]電話：+44 (0) 1737 855139

集團銷售經理Ken Clark電郵：[email protected] 電話：+44 (0) 1737 855117

廣告製作Martin Lawrence電郵：[email protected]電話：+44 (0) 1737 855332

國際鋼鐵時代雜誌中文版權威的鋼鐵工業專業刊物中文版每年5月和9月出版兩期 Steel Times International(國際鋼鐵時代)是英國出版的久負盛名的英文雜誌，登載技術論文，全球鋼鐵工業的訊息和評論。本刊出版中文版專刊也有15年的歷史。免費贈閱中文版如欲免費取閱國際鋼鐵時代中文版雜誌，請與中國國際貿促會冶金分會聯繫。地址：中國北京 100711 東四西大街46號聯繫人：丘廣俊電郵：[email protected] 欲知Steel Times International詳情，請上網址：www.steeltimesint.com

出版人： Quartz Business Media Ltd.Quartz House, 20 Clarendon Road, Redhill, Surrey RH1 1QX, UK.電話：+44 (0)1737 855000傳真：+44 (0)1737 855033/855034網址： www.steeltimesint.com

發行本刊在中國每年出版兩期，由中國國際貿促會冶金分會(MC-CCPIT)發行。地址：中國100711北京東四西大街46號欲知免費發行詳情，請與丘廣俊先生聯繫。電郵：[email protected]

© Quartz Business Media ltd 2015

本期廣告索引 SMS Siemag 封面內頁 Thermo Fisher 05頁 Fives Group 07頁 Thermo-Calc 11頁 Oerlikon 13頁 Fives Group 17頁 Metal-Expo 35頁 Primetals 封底內頁 Guild 封底

目錄

過程控制 — 第2頁

窯爐 — 第18頁熔爐 — 第25頁

轉爐煉鋼 — 第8頁

過程控制EVO — 一種新型的四軋機組合減徑和定徑機 2漂移檢測系統的研發 20

轉爐煉鋼液態金屬脫硫方法的比較 8

窯爐再熱爐可持續性的改進 14

熔爐建造印度鋼鐵局管理公司(SAIL)的新高爐 23

維護潤滑油質量的監測 27

鍍層在熱浸鍍過程模擬器(HDPS)中對鋁硅鍍層進行模擬研究 28

煉鐵大容量的焦爐 32高爐壽命的延長 37

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提高生产率降低成本

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本圖片由Oerlikon提供


2 — 2015年8月 — 國際鋼鐵時代 www.steeltimesint.com

具有特定輥軋質量(SBQ)要求的產品在市場上很受歡迎，同時在經濟上也很有吸引力。整個生產鏈中的技術方法和經濟回報之間的平衡關係不僅在小型軋機上應該考慮，同時在後期輥軋處理器中也應該考慮。

熱機械軋制的綜合要求(低軋制溫度，高減少量和冶金的高度均勻性)和軋機塑形/加工的高精度，要求在製造廠中有一組特殊的機架—具體來說就是關於減量和分級的機架—通過特殊的組合安排在一起(比如兩個軋機H-V或者三個軋機Y-或者四個軋機X)，還有單位的數量(比如兩個軋機包括三台機架，軋機朝向為水平-竪直-水平(H-V-H)或者四個方向(H-V-H-V)；三個軋機與四或五個機架形成一組；四個軋機與一或兩個機架形成一組)。

這些要求可以通過兩個軋機或三個軋機的減徑組合來得以實現，甚至允許有不同水平的操作性能和一致性；但是四個軋機的應用技術受到了限制，它只限於用來完成上漿而不能滿足所有的要求。

兩個軋機的組合能夠提供良好的加工性能和高速率的減量，這給輥棒施加了更大的滲透壓力，同時在通過輥棒區域時具有更

EVO製造廠利用Primetals技術，將能夠使減少量最大化的兩個雙軋機機架和能夠使公差最優化的三個四軋機機架合併，最終提高了有特定輥軋質量要求的產品的冶金和尺寸控制，同時提高了工廠的生產效率，而生產效率的提高是緣於在沒有換輥的前提下，直徑尺寸的選擇具有更高的靈活性。——Alberto Lainati*

EVO—一種新型的四軋機組合減徑和定徑機

*本文作者是意大利Primetals技術公司的銷售、技術及創新主管。聯繫方式：Alberto Lainati, 意大利Primetals 技術公司科學研究實驗室, L. Pomini 92, 21050,馬爾納泰,意大利, +39(0331)741320, [email protected]。

Primetals技術公司是西門子和三菱重工於2015年1月繼西門子奧鋼聯金屬技術公司和三菱金屬機械公司(MHMM)合併之後的另一個合資公司。

過程控制

圖1 Primetals技術公司的具有精密軋制技術的兩個軋機組合的施膠機

Primetals技術公司為精密卡尺設置雙軋機尺寸單位



過程控制

好的冶金均勻性。然而，儘管如此，這樣的組合在塑形、提供更好的材料傳播方面效率更低，同時，在自由選取尺寸方面的適應性更差。若尺寸能夠自由選取的話，則可以在不改變工廠軋機尺寸的前提下選取更廣範圍內的輥棒尺寸。

三個軋機的組合能夠提供精確而高效的軋制效果，同時減少材料用量，但是施加給輥棒的滲透壓力減小了，因此導致了結構的冶金均勻性更差。三個軋機的組合在自由選取尺寸方面具有廣闊的應用前景，但是，在極端情況下，尺寸的準確性會有所降低。

Primetals技術公司擁有超過20家安裝公司，在兩個軋機組合方面具有豐富的實戰經驗。它是首次將四個軋機組合的概念—名為PRS(高精度輥軋分級)—當作對兩個軋機組合的補充並加以應用的公司之一。2011年開展了一項R&D項目，以孕育一個先進的減徑組合概念，這個概念是綜合了兩個軋機組合和四個軋機組合的加工技術。結果，已獲專利的EVO減徑製造廠提供了更高質量的產品，同時還提高了工廠的生產效率。

EVO減徑製造廠Primetals技術公司的具有精密軋制技術的兩個軋機組合的施膠機(圖1)具有良好的耐受性。基於這個優勢，新的EVO製造廠包括一個減徑組合和一個四個軋機組成的定徑

組合，減徑組合是由兩個軋機機架構成，以獲得大量的軋機減少量，而定徑組合是由三個機架構成的，以獲得低的減徑量並得到精確的尺寸。

EVO製造廠能夠加工的產品範圍非常廣，其利用的加工工具是給定直徑的異形輥。因此，所要求的輥軋機數量減少了，同時還能明顯節約資本投資和減少運營成本。此外，由於對輥軋機的要求改變了，輥軋機的數量也降低了，製造廠的利用和生產效率得到了大大的改善。

把兩個軋機組合的理念和四個軋機組合的理念結合在一起，而不是與三個軋機組合的理念結合在一起，這是首選組合。三個軋機組合能夠提供良好的容差和自由選擇尺寸的空間，這些特性能夠彌補其固有的缺陷，比如更少的減徑量和更低的承受能力，如果生產線上的其他設備限制了加工過程的速度和溫度，那麼這些缺陷也就不顯得那麼突出了。關於三個軋機的設計組合存在另外一個缺點，即三角形的幾何結構可能會導致輥棒扭曲，同時產生的力的矢量不一定總是能夠相互抵消(圖2)。這需要通過使用輥軋機使用指南加以控制，涉及到相關的成本問題，使用設置和對輥棒表面造成的損傷風險。

因此，市場需求的增加使Primetals技術公司最終選擇了四個軋機組合而不是三個軋機組合，以更好地發展新的更加靈活的製造廠，並能夠合併新的高速低溫加工技術。

佈局和設備EVO減徑和定徑製造廠由五個單元組成：兩個雙軋機組合機架和三個四軋機組合機架(圖3)。兩個雙軋機組合機架交叉佈置，呈‘X’形，而三個四軋機組合機架相互之間存在45°的旋轉角。

這樣的佈置方式能夠有效地形成無扭軋制，並得到高度軋制減少量和高精度加工尺寸的優化組合。它還能保證整體施工和安裝的緊湊度，因此減少與製造廠軋機相關的費用(圖4)。這個配置可以安裝在現有的製造廠中，以達到提升產品質量的目的。

在對SBQ輥棒的眾多要求中，需要加上良好的粒狀結構和精確的公差要求。儘管細小的晶粒尺寸是通過高減少量得到的，但是精確的公差卻是通過低減少量得到的。在EVO製造廠中，高減少量是應用於雙軋機機架上的，這樣想要的晶粒尺寸才可能獲得。在雙軋機設計中，強大的機械組件和液壓膠囊控制技術被合併了，同時低溫軋制及高碳合金鋼增加了雙軋機的負載能力。由於減少率較高，即使是粗略的公差(比如1 DIN)也可能被雙軋機組合有效地糾正過來。

相反地，低減少量被應用於四軋機機架上以獲得想要的公差。特別值得一提的是，四軋機機架只獲得1-3%的減少量，從而獲得精准的尺寸和光滑的表面。

EVO製造廠擁有很多項工業專利，在

圖2 比較三個軋機組合和四個軋機組合兩種不同的設計

圖3 EVO減徑和定徑製造廠的核心部件(軋制方向為從右向左，藍綠色的是兩個雙軋機機架，藍色的是三個四軋機機架)

圖4 EVO減徑和定徑製造廠緊湊的安裝示意圖圖5 三個四軋機機架彼此之間的旋轉角度為45°



有限元軟件的幫助下進行滾槽的模擬計算，並進一步利用擁有專門開發的建模技術的專業軟件來調整和優化輥軋的開度和速度。

單個馬達和變速箱驅動單個機架，因此能夠調整旋轉速度以移除減量分布的限制。

內部機架之間的距離的正確計算能夠確保軋制過程良好的穩定性。必須避免輥棒扭曲，因為會造成與之相關的一些風險，包括拙劣的修補、公差惡化和表面損傷。在兩個雙軋機機架之間插入導輥裝置以精確地驅動橢圓形輪。在第二個雙軋機機架的出口通道處，採用靜態指南以驅動圓形輪進入四軋機組合中。特殊的無摩擦靜態指南應用於四軋機機架之間，這些機架之間的距離很小，彼此之間力量的平衡使操作進行得非常穩定。

四軋機組合的特點和優勢間距對無量綱精度是有害的，它限制了自由選取尺寸的可能性。

間距系數和斷面收縮率之間的關係隨著尺寸設計的變化而變化。很清楚的是，四軋機組合設計的存在使間距系數幾乎為零，這意味著四軋機組合是為獲得較高無量綱精度最合適的技術方法。四軋機機架的組合方式有利於將散播角限制在45°楔形通道部位(圖5)。

四軋機組合設計會使已完工產品的直

徑尺寸對間距系數產生一些影響，但仍保持在零左右(圖6)。事實上，由於輥軋力量從四邊同時加載在輪上，整體的變形效果比另外兩個設計更明顯。

結果，所需的比能(kWh/t)與三軋機組合設計相比，預計將減少15%，與雙軋機組合設計相比，預計將減少40%。因此，輥棒中的溫升更少了。當採用熱機械軋制的時候，這是非常有益的。

在橫截面處變形通過有限元軟件模擬計算可以發現，四軋機機架內的變形比三軋機機架內的變形更均勻(圖7和圖8)。這種情況出現在輥棒的橫截面處，從表面直至中心。從四軋機機架獲得的微觀結構有更大的冶金一致性，這使這個設計對熱機械軋制來說是非常理想的，同時對於獲得均勻的晶粒尺寸來說也是理想的。

不同入口界面由於間距系數幾乎為零，四軋機組合設計自動地補償橫截面的變化，這些變化是來自於設備(輥軋和指南)和軋制參數(鋼的等級和溫度)。這已經通過比較四軋機組合三個通道前後的橫截面差異得到了證實。這種自動補償是四軋機組合設計之所以能夠提供非常好的公差的原因之一。在名義直徑為30mm的輥棒中，橫截面積18%的變化也完全能夠被三個四軋機機架的幾何

槽補償。輥棒從頭到腳都能夠獲得具有緊密公差的相同的最終尺寸。由於最終的數量大幅度減少，這對於軋制產量是有利的。它還支持一些後期軋制操作(比如脫皮 ) ，因為刪除超差材料的工作量減少了。

獨戶並自由選取尺寸在進入分級標準之前，獨戶的概念通過維護一個簡單的通道序列，把軋制鏈上軋制改變的數量最小化，並將所有尺寸的改變集中在減徑和定徑廠中。

在輥縫的標稱值附近自由選取微調尺寸，不需要調整來自之前通道的填充值，得到一個介於最小尺寸和最大尺寸之間的連續的直徑尺寸，這個尺寸總是處於要求的公差範圍之內。

自由尺寸軋制範圍對應於可以實現的最小和最大的輥縫差異，這導致了一個最大的橢圓度，其定義是在相同橫截面處最大和最小直徑之間的差異。自由尺寸的範圍由四軋機組合設計提供，其隨著所要求的尺寸公差的精確程度變化而變化，不管是精確的還是常規的(圖9)。這比三軋機設計提供的範圍更廣，廣度多大10%。很清楚的是，四軋機設計提供了一個更為廣泛的自由選取尺寸的空間(圖10)。

獨戶和自由尺寸軋制大大地提高了軋機的利用效率，其操作的靈活性和設備庫存管理(軋機和指南)減少了運營成本。在

過程控制

圖6 間距系數和斷面收縮率之間的關係(參考文獻1 Kawasaki鋼鐵有限公司) 圖7 四軋機組合設計中輥棒橫截面更大的變形均勻性

圖8 三軋機組合設計中輥棒橫截面的變形圖9 四軋機組合設計的自由尺寸範圍所獲得的公差

雙軋機組合方法

0 5 10 15

間距

系數

(%) 三軋機組合方法

斷面收縮率(%)

四軋機組合方法

自由尺寸笵圍

mm

公差

din

10

5

0

-5

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SBQ市場，即使是非常小的非標準尺寸也能經濟高效地生產出來，同時對軋機的利用效率產生最低程度的影響。簡而言之，最划算的軋機操作可能會實現的。比如，一個EVO製造廠能夠加工圓形產品，在獨戶通道設計中，其直徑從14mm至80mm不等，上游的軋機不需做任何改變，並為其自由選取70多種校准尺寸，同時使用14套輥軋機。

孔型磨損輥槽表面受磨損的最重要的因素之一是軋機和輪在接觸面上的速度差異產生的摩擦力。由於在四軋機組合設計中，軋機和輪的接觸面比雙軋機組合設計和三軋機組合設計中的接觸面更小，因此速度之間的差異會降低。這個速度差異，加上更小的軋制壓力，有利於減少輥槽表面的磨損(圖11)。

焊道程序兩個雙軋機的機架採用橢圓形的高減少率的序列，這導致從輥輪表面到核心的深度一致的晶粒改進結果，類似於鍛造操作獲得的結果。微粒對力學性能是有利的，它還簡化了下游的流程，比如去皮，繪圖和彈簧彎曲，這將減少相應的成本。

減少行進時間由於晶粒容易在變形通道中動態地再結晶，將從兩個軋機組合設計的出口行進的時間減到最少是非常重要的。這就是為什麼四軋機組合設計立刻被放置在雙軋機組合設計的第二個機架之後的原因。

三個四軋機機架採用圓形-圓形-圓形序列和低減少率，目的是為了獲得精確的形狀和公差。雖然低張力容易使晶粒變得粗糙，但是四軋機組合設計能夠通過控制間距和塑形張力的均勻性有效地限制這個結果。

設置機架為製造廠指定的操作與機械工具是類似的，也就是說，簡單但是連續不斷地具有可重復性。與軋制一樣，輥軋店鋪也有機

架和指南。軋機和機架的改變次數是隨著現代操作技術的改變而改變的(表1)。

強調建築物EVO製造廠以雙軋機機架和四軋機機架的位置和每個軋機中的壓力傳感器為特征。安裝了單個液壓膠囊以適應真實時間和負荷情況下軋機的位置。一旦操作設定都完成了，軋制過程就有可能立刻重新開始，不需要試驗輥棒，從第一個輥棒就可以獲得所需的公差。在緊急情況下，膠囊也起到一個反堵塞的作用。

同樣地，這個組合設計中也提供溫度感應器，這樣一來，沿著整根輥棒的溫度變化情況就可以實時地被監測到。

所有這些信息最終都將整合到尺寸控制模塊(DCM)中，還有關於尺寸、形狀、溫度、機架硬度(彈簧效果)、縫隙和軋制力量的信息。由於更大或更小的入口界面，以及更低或更高的溫度，分別增加或減少分離力，所以尺寸控制模塊(DCM)在

必要的時間會對每個軋機縫隙做出必要的調整(圖12)。█

過程控制

總結EVO減徑和定徑製造廠包括雙軋機和四軋機機架，其具有以下功能：•為簡化的上游操作提出獨戶理念；•自由尺寸的取值範圍廣泛；•對非標準尺寸甚至很小的尺寸能夠輕易

的進行軋制；•低軋機磨損；•改動部件存量的減少；•通道和機架改變次數的減少；•對輥棒形狀良好的控制；•橫截面處和沿著整根輥棒的尺寸精度高；•不需試驗輥棒；•橫截面處均勻的變形；•微結構的冶金一致性；•產量的提升；•佈局安排緊湊。

操作四軋機組合三軋機組合雙軋機組合自由選取尺寸(有縫隙)時的尺寸變化 1分鐘 1分鐘 2分鐘自由選取尺寸時提取機架 3分鐘 3分鐘 4分鐘一套新的尺寸組合情況下機架的變化 5分鐘 5分鐘 5分鐘軋機店鋪中各軋機的變化(一個機架) 15分鐘 20分鐘 25分鐘

圖10 比較由兩軋機、三軋機和四軋機設計的自由尺寸獲得的公差

圖11 比較雙軋機設計、三軋機設計和四軋機設計中輥槽表面的磨損程度

圖12 尺寸控制模塊(DCM)在必要的時候對縫隙做出的調整

表1 典型的改變次數

3軋機

材料標準尺寸

尺寸控制模塊

3軋機

15 16 17 18 19 20 21 22 23

0.30

0.20

0.20

0.00

-0.10

-0.20

-0.30

120

100

80

60

40

20

0

圓[mm]

公差

[mm

]

4軋機

4軋機

2軋機

2軋機

無負載縫隙機架彈簧

實際

軋制

力力

材料減少量實際縫隙

軋機彈制曲線［彈簧特點］

縫隙之差

在特定溫度心愛軋制材料的塑性變形曲線

%




針對液態金屬脫硫過程，儘管有許多種方法可以使用，但是在大規模的商業使用上，有三種主要的脫硫方法：機械攪拌脫硫法(KR)，使用石灰作為反應試劑；烏克蘭(Desmag)顆粒鎂噴吹技術或者鎂粉單通道注塑工藝(MMI)，將鎂作為反應試劑；多通道共同注塑工藝，使用鎂粉、石灰或者電石(或者三者同時使用)作為反應試劑。

反應試劑在這三種常用的液態金屬脫硫工藝中(KR、MMI和多通道混合共注塑法)，常用的反應試劑有石灰、電石和鎂粉等。所有的反應過程都是基於如下的化學反應方程式：S(fe) + CaO → CaS + O(fe) (1)

S(fe) + CaC2 → CaS + 2C(fe) (2)

S(fe) + Mg → MgS (3)

上述三個反應式中，反應(3)的反應速率是反應(2)的速率的3倍，同時是反應(1)的速率的20倍。這也就意味著，以鎂粉作為反應試劑的時候，將會比用其他試劑的反應速率快很多。在反應結束之後，反應產物之中會形成大量的CaS和MgS(它們的密度均比液態鐵的密度低)，這些產物將會上升到液態鐵的表面，並形成渣層。生產過程結束後，將這一層渣層清除，此時，硫元素將會從液態金屬中除去。當MgS到達液態金屬表面的時候，這些產物將會接觸到空氣中的氧氣，那

麼將會發生如下的反應過程：2MgS + O2 → 2MgO + 2S (4)

此時，又有部分不受控制的硫元素再次溶解到液態鐵水裡面。這就是所謂的再次硫化過程，可以通過兩種方法來避免這種現象的產生——第一種，盡量避免空氣和MgS的接觸，但是這也將會導致一些實際問題的發生，(反應試劑的注入過程和灰渣的清理過程都應該惰性氣體的氛圍中進行)。第二種方法是，通過使硫元素與鈣元素相結合，從而形成更加穩定的CaS，其反應方程式如下：MgS + CaO → CaS + MgO (5)

MgS + CaC2 + ½O

2 → CaS + MgO + 2C (6)

此時，反應生成的產物為CaS和MgO，它們將會以一種更加穩定的固體狀態存在於灰渣之中。根據化學反應動力學的相關理論，鎂粉的反應速度遠遠大於鈣元素，因此可以作為鈣元素反應的另一種替代反應物試劑。但是，石灰和電石在與液態金屬中的硫元素發生反應的時候，具有更低的平衡力，如圖1所示。這就意味著雖然鎂可以達到一個更加快速的反應速率，但是石灰和電石在與其反應時卻能夠使得液態金屬中的硫元素的濃度。

反應(1)和反應(2)中產生的CaS將會持續與反應物試劑接觸，在1分鐘之內，在上升

壓力的作用下，將會導致這些產生的CaS不斷上升到灰渣層。反應(3)為均相化合反應，這就意味著在鎂粉接觸到硫元素之前，其必須先要溶解到液態金屬中。因此，反應所形成的產物MgS在反應剛開始時將會以一種單一的分子形式存在，同時需要花費更長的時間才能積聚和上升到灰渣層中(這個過程大約需要花費5到8分鐘)。在實際過程中，這就意味著，為了達到有效的脫硫過程，在最後一次注入鎂粉之後，除渣過程的停止時間不能早於8分鐘，換句話說，在反應開始之後的8分鐘內不需要進行灰渣的處理。

機械式攪拌脫硫法機械式攪拌脫硫法(KR)是在1963年由日本新日鐵公司發明的。這是由於在日本鎂礦產量很少，因此日本的企業也為此尋求一些替代品。於是，石灰便順理成章地成為了日本金屬冶煉行業中脫硫處理的最主要的反應物試劑，當然，有時也會在反應過程中加入一些CaF

2和/或Al

2O

3等。在反應試劑加入到反應

容器中時，有兩種主要的方法，一是通過旋轉噴射槍(典型的旋轉速度為100到200轉/分鐘)將與載氣混合好的反應試劑(常用的載氣為氮氣)一同注射到液態金屬中；第二種方式是直接從反應器的頂部將反應試劑加入到液態金屬之中。其主要部件為一個巨型的攪拌器，這個攪拌器擁有4個巨大的轉子葉片，隨著葉片的轉動，可以有效地在液態金

由於在液態金屬加工過程中，硫元素的含量出現不斷增長的趨勢，同時市場上對金屬的質量要求也在不斷提升，在全球範圍內，至少絕大多數的使用氧氣頂吹轉爐的鋼鐵廠對其中部分鋼材進行了脫硫處理。把鋼鐵先進行轉爐處理，然後再進行脫硫，儘管這是可以實現的，但是從經濟性的角度來看，卻採用這樣一種方法，在金屬進入到轉爐中之前，先進行脫硫處理。本文作者：Frank Schrama, Bart van den Berg 和 Guido van Hattum*。

液態金屬脫硫方法的比較

*荷蘭，菲爾森-努德製造工程師1951，Danieli Corus公司， Rooswijkweg 291。

轉爐煉鋼



屬中形成強烈的湍流。正是由於湍流的作用，導致相比於靜態

注入來說，用於運輸氣體的氣泡的尺寸將小很多，同時也使得石灰在液態金屬中的停留時間顯著加長。石灰停留時間的增加對整個生產加工過程來說是至關重要的，這是因為石灰是一種相對反應速率較慢的反應試劑。

通過機械式攪拌脫硫法(KR)的使用，石灰能夠被更加高效地利用，這就意味著，生產過程中對石灰的需求量更少，同時，質量更低的石灰也能夠使用。然而，需要注意的是，攪拌也將意味著有一道工序需要在脫硫之前完成，那就是去除含有大量二氧化硅的高爐爐渣，因為這些爐渣將能夠使得石灰脫硫的作用效率顯著降低。葉輪與鋼包中的耐火材料的磨損程度將顯著增加。在裝有液態金屬的鋼包中，最後為了產生足夠強度的湍流，將需要一個更大的波動高度(這個波動高度將要比混合注射法高出1m以上)。

鎂粉單通道注射工藝在1969年至1971年期間，烏克蘭科學院發明瞭鎂粉單通道注射工藝(MMI)。到目前為止，這種工藝生產方法依然是烏克蘭和俄羅斯進行液態金屬脫硫處理的主要工藝，同時，在中國的一些工廠也在使用著這種工藝進行生產。在北美，由於這種生產過程存在較大的應力，導致對這種方法的測試以失敗告終。

在鎂粉單通道注射工藝(MMI)進行的過程中，通過一個喇叭形的注射器將大量鎂合金注入到液態金屬中。為了使得整個生產過程趨於穩定，在噴射器的末端設置一個空腔，來是進入此腔體內的鎂發生蒸發作用(鎂的沸點為1107℃)。然而，也有一些工廠所使用的鋼包尺寸很龐大，鋼包裡面使用的是直線型的噴射器，同時系統中並不含有蒸發腔體。在上述的兩種不同的情況下，鎂的蒸發都能夠引起足夠強度的湍流，從而可以確保在整個液態金屬的範圍內，鎂作為反應試劑能夠形成良好的分配，分布均勻。

鎂粉單通道注射工藝(MMI)的支持者這樣陳述他們的觀點，他們認為對於使用鎂粉作為反應試劑的脫硫工藝過程來說，石灰的加入並不能使得其脫硫效率發生顯著的提高。當然，這無疑是十分正確的，因為鎂的反應試劑比石灰快大約20倍，對於整個脫硫

反應來說，等量石灰的貢獻度將小於5%。相反地，這樣一件事已經得到了證實，實際上，石灰的加入不但沒有使得效率提升，反而還使得鎂脫硫的效率降低了，特別是在石灰的質量不是很好的時候，這一點顯得尤為突出。導致這樣狀況發生的化學反應方程式如下：CaCO

3 → CaO + O(fe) + CO (7)

O(fe) + Mg → MgO (8)

當然，如果只有鎂一種物質作為反應試劑加入到液態金屬中時，再次硫化反應將會成為其中一個主要的問題。另外一個比較嚴重的問題便是鎂反應的渣層比較薄(相對於機械式攪拌脫硫法KR和多通道共同注塑工藝來說)，在對上層灰渣進行清理的過程中，將會導致更多接近灰渣層的鐵被一同清理出去，從而導致灰渣層中大量鐵的損失，在經濟性上不夠樂觀。為了使得灰渣層保持穩定，同時減小再次硫化反應的發生，大多數鋼鐵廠的做法是在爐渣的上部加入一些石灰、助流劑和混凝劑等。

多通道混合注塑工藝將鎂和石灰兩種反應試劑混合共同注射到液

態金屬中的工藝，可以結合兩種試劑各自的優點。一方面，鎂粉的加入可以顯著加強反應的速率，而另一方面，石灰可以減少後期硫化物聚合的時間，進一步縮短整個脫硫工藝的時間成本。在過去的生產過程中，石灰有時候將會被電石替代，相對於石灰來說，電石具有更好的效率，但是由於電石存在著一定的安全性的問題，因此，這種選擇在新的鋼鐵廠內已經不再使用了。多通道多反應物共同注射的工藝已經在全世界範圍內被廣泛使用，同時，這種方法也被看作是行業內的一種標準生產過程。

在生產過程中，不同的反應試劑被分別儲存在不同的分配器中，而當試劑需要進行反應時，他們將會在注射生產線中進行混合。試劑的注入都是通過一個直線型的注射器來實現的，在注射器的底部有一個開口進行注射，或者在側面安裝多個開口。在注射過程中通常會使用到載氣(通常為氮氣)，可以保證注射的過程更加平順。

載氣的加入和鎂粉的蒸發會在液態金屬中製造大量的湍流，這就可以確保試劑能夠在液態金屬中形成充分穩定均勻的分配。這種混合試劑注射的方法其中一個優勢是，鎂粉和石灰及電石的加入比例可以根據需要不斷地做出調整和改變，當然這是在實際需求和允許的情況下實現的。舉例來說，如果對反應時間的要求不是很嚴格，也就是說反應時間可以加長的話，那麼在注入的反應試劑的比例就應該相應地做出改變，比如增加石灰的用量，同時減小鎂粉的注入量，這將會導致整個加工生產過程更加具有靈活性，同時效率更高。

技術方面和冶金方面的比較所有的方法都有其各自的優點和缺點。因此，必鬚根據每一個鋼鐵廠的具體情況和要

轉爐煉鋼

MgCa

[S] i

n iM

時間

圖2. 機械式攪拌脫硫法(KR) 圖3. 鎂粉單通道注射工藝 (MMI)

圖4. 多通道混合注塑工藝

圖1. 鎂和鈣兩種物質分別與硫反應的平衡狀態圖



求來設置每一種方法的優先順序，確保達到最佳的效果。但是，對於上述的三種不同的脫硫方法來說，均可以從必要的技術條件以及冶金兩方面來進行比較。

時間整個脫硫處理工藝的時間最終取決於所採用的反應試劑和液態金屬中的硫進行化學反應的速率。因為鎂粉作為反應試劑的速率要比使用石灰作為反應試劑時的速度快很多，因此，單通道鎂粉注射法(MMI)和多通道共同注塑工藝的反應過程都比機械式攪拌脫硫法(KR)快。KR反應過程存在一個額外的時間延長過程，這是由於在將反應試劑注入到液態金屬中之前，需要進行一個額外的除渣過程，這主要是針對轉爐內原先存在的灰渣。根據文獻的研究結果，平均而言，KR過程將會比多通道混合注射工藝多花費大約10%到20%的時間。

對於反應試劑的注入時間來說，單通道鎂粉注射工藝(MMI)將會比多通道混合共同注射工藝花費更少的時間。但是，這些所節約的時間都是有限的，這是因為只有當所有的MgS顆粒全部到達灰渣層的時候，除渣過程才能夠停止，(這將會花費大約8分鐘的時間)。總體來說，單通道鎂粉注射法的反應速率比反應試劑為鎂粉和石灰的混合試劑的多通道同時注射工藝的速率要快，(大約5%左右)；但是通常來說，當多通道混合同時注射法的反應試劑為鎂粉和電石的混合物時，它的反應速率甚至會比MMI的速率還要高。

鋼鐵材料的損失在除去頂層的灰渣時，會造成大量的鋼鐵材料損失，這對鋼鐵廠來說是一個主要關心的問題。鋼鐵的損失主要有兩種不同的方法。在頂層爐渣的形成過程中，部分鐵水的液滴將會被困在爐渣層中，形成一種乳液狀的形態。當將這部分爐渣去除時，這部分困在爐渣層中的鐵將會被一同除去，這就是所謂的乳化損失。一般來說，在爐渣層中，大約有一半的物質是那些鐵水所形成的乳化物。那麼，這就將意味著通過盡可能地減小爐渣層的大小，將能夠使得乳化損失降低到最低。而另外一個主要的鋼鐵損失是來源於夾帶損失。當這些爐渣層被清理的時候，部分鋼鐵層將會與這些渣層連接，因此就會被一同除去。對於減少這部分夾帶損失，可以通過如下方法來實現：在清理灰渣的時候更加仔細小心，避免過多的鐵損失；或者使用更有粘性的灰渣，這將會更加易於清除。

在KR工藝中，由於在這個過程中會產生大量的灰渣，同時，在進行脫硫處理之前，需要進行一個額外的除渣過程，主要針對轉爐中的爐渣，其總體的鋼鐵損失量將會比多通道混合注射法的損失量高出2-3倍。MMI工藝的鋼鐵乳化損失是三種方案

中最低的，這是由於MMI中的灰渣層的厚度是最小的(相對於混合注射法來說，厚度大約小7倍)。然而，由於MMI中含有較低的碱度，因此，相比於含有大量鈣的灰渣層來說，MMI的灰渣層中包含更多的含鐵乳化物。但是相比於多通道混合共同注射和機械式攪拌脫硫工藝(KR)來說，MMI工藝過程中的鋼鐵夾帶損失將明顯提高，這是由於其灰渣層的厚度較小導致的除渣過程困難。當然，同時還需要注意的是，由於爐渣中硫的含量和濃度很高以及存在再次硫化的風險，MMI工藝在處理灰渣的時候需要更加徹底。然而，根據一些文獻所提供的數據，MMI過程的鋼鐵損失率是非常低的(甚至可以低於0.03%)，不過當將鋼鐵的夾帶損失考慮在內的時候，這個數據似乎是沒有辦法實現的。但是，在現實生產的過程中，發現MMI的鋼鐵損失率與多通道混合共同注射的鋼鐵損失率是相似的：都是1%左右，而KR的鋼鐵損失率大約為2-3%。

耐火材料和噴射器的磨損造成耐火材料以及噴射器等磨損的首要原因

是：液態金屬和熔融態的灰渣的高溫和腐蝕性作用。對於KR過程來說，由旋轉葉輪所產生的湍流作用是造成其磨損的主要原因。同時，葉輪也是非常容易遭受磨損的部件，這是因為在運行過程中會使得刀片發生斷裂，此時將會相應地減小湍流的強度，進而降低整體的效率。由於存在各種磨損的問題，大量學者對耐火材料的方面做出了研究，尤其是在與KR系統相關的領域。相比於磨損問題較大的KR工藝，MMI的過程中就存在更少的磨損問題，這是由於在MMI工藝裡面的湍流強度更小。但是，由於目前大量的工廠中已經使用鎂粉作為石灰的替代物，此時灰渣層中的碱性更低，也就造成了腐蝕磨損作用的增強。多通道混合共同注入法相比於MMI來說，其湍流強度更低，同時具有更高的碱性，這就解釋了為什麼在這種情況下，耐火材料和噴射器所遭到的磨損是三種方案中最小的。

溫度損失在脫硫處理的過程中，液態金屬將會散失大量的熱量。當這些反應試劑被加入到轉爐里

轉爐煉鋼

KR MMI 混合注入法運行時間 - + + +鋼鐵損失 - - + + + +部件磨損 - - - +溫度損失 - + +低含硫量 + + - - +靈活性 - - + +安全性 + + - - +

表1. 定性方面的比較

表2. 最主要的運行成本貢獻度的比較

位於中國的一家大型轉爐工廠中所配備的混合注入系統

每噸液態金屬 KR MMI 混合注入法鋼鐵損失 €7.50 €3.00 €3.00反應試劑成本 €0.70 €1.45 €1.60設備磨損 €1.00 €0.70 €0.41溫度損失 €0.75 €0.25 €0.25總計 €9.95 €5.40 €5.26

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的液態金屬中時，液態金屬的溫度會影響其廢料的產量，使其增加，或者可以使得轉爐中的除灰時間的加長。當然，如果在脫硫處理過程發生之前，液態金屬的溫度已經變得足夠低的話，那麼脫硫過程的作用一定會被完全忽略。這種情況在KR工藝過程中顯得更為常見。在脫硫處理過程中的溫度損失是否被看是一個嚴重的問題，這主要取決於在當地的液態金屬和廢料兩者之間的價格差。

更高的溫度損失是有以下這些因素造成的：更長時間的反應過程，更加劇烈的湍流運動，厚度更低的灰渣層(灰渣層在反應過程中的作用就相當於一種絕熱的保溫材料，隔絕熱量的損失)以及一些產生熱量較少的反應材料的使用(鎂粉的反應是一個放熱的化學反應，但是石灰參加的反應卻不是)。在這幾種反應方式中，KR工藝的反應加工時間更長，湍流強度更大，同時過程中並不含有主要的放熱反應，三種因素的共同作用使得KR工藝過程的溫度損失量遠遠高於其他工藝過程，相對於多通道混合同時注射法及MMI注射工藝來說，其溫度損失量是他們的三倍。多通道混合注射所花費的時間高於MMI注射過程；而另一方面，多通道混合注射法的湍流強度更低，同時其灰渣層的厚度卻更高。因此，對於多通道混合注射和MMI兩種脫硫工藝來說，他們的溫度損失量的大小是相似的。

低含硫量現如今，液態金屬中所含有的硫元素的濃度僅為10-20ppm時，可以被認為是達到標準要求的。由於鎂粉和金屬中的硫發生反應的過程中會出現再次硫化的現象，因此，如果只有單一的反應物鎂的時候，那麼該脫硫反應將無法達到以上的要求。根據文獻的描述，通過使用鎂作為單一反應物試劑的情況下所達到的低含硫量是可以做到的，但是這些測量但是直接發生在試劑注入之後(此時再次硫化的過程還沒有開始進行)。然而，

在實踐中發現，當使用MMI工藝進行脫硫處理時，在反應試劑剛被注入到液態金屬中的時候，金屬中的硫元素的濃度將會降低到0.006%以下。通過從轉爐的頂部增加一些助溶劑，可以對此進行一定量的補償。

而當使用多通道混合注入法進行脫硫處理時，可以實現穩定的低硫濃度要求。然而，因為在硫的濃度較低的情況下，鎂作為反應試劑將會是沒有效果的，因此只有在其中注入一些石灰才能盡可能達到所需要的低濃度硫的要求。由於在多通道混合注入的方式下湍流強度較低，因此相對於使用KR的方法來說，如果想達到更低的硫濃度，將需要花費更長的時間以及更多的反應試劑。當要求達到持續的低濃度硫含量的時候，KR法將會是最合適的。

靈活性如果一個脫硫處理裝置可以應對不斷變化的情況的話，比如當試劑短缺或者反應時間較短的時候，這樣的脫硫裝置將有利於鋼鐵廠的靈活運轉。在關於反應時間的控制上，KR不是很靈活，這是因為在KR之中，最佳的石灰流量以及攪拌器的旋轉角度在運行之前都已經確定了。通過將初始的硫釋放出去，KR工藝過程只能夠降低整個反應所花費的時間。對於KR來說，反應試劑的有效性將不再是一個問題。然而，對於使用鎂粉作為反應試劑的MMI過程來說，有可能會產生一些不足的方面，導致偶然的運行成本的增加，甚至會導致整個生產過程的斷裂和停車。而對於多通道混合注入工藝來說，無論是從加工的時間，還是從試劑的不足兩方面來看，這種方法都具有很高的靈活性，因為所有的速率和比例都是可以根據實際的需求靈活調節的。甚至可以將電石作為替代試劑注入到液態金屬中進行反應。

安全性能鎂粉是一種十分危險的、可燃性的化學物

質，如果發生洩漏，將有可能導致著火的發生。而一旦鎂接觸到水，將會產生爆炸性的氣體——氫氣。當其應用到脫硫反應之中時，為了防止其產生巨大的危害，需要在鎂的外面增加一個塗層。儘管如此，相對於石灰來說，在可燃性方面，鎂合金依然是一種更加危險的反應試劑。在MMI反應過程中(有時候也將使用在KR反應里)，經常在試劑中加入一些氟化鈣使得反應進行更為穩定。當氟化鈣參與反應時，劇毒型的物質——氟氣將會產生。加上在反應試劑注射過程中所產生的強大應力(這是由於過程中會產生的鎂粉的蒸發和氧化)，對於人類的健康和環境的保護來說，這些都將使得MMI脫硫工藝變得相對不安全。

混合注入對於MMI工藝在北美被放棄使用，這也是其中的原因之一。同樣地，由於大量鎂粉的使用，相對於KR工藝來說，混合注入方法也被認為其安全性能較低，而在KR過程中，卻不會提供氟化鈣。基於安全性方面的考慮，對於全新的混合注射脫硫設備來說，電石是很少使用的(當其接觸到水的時候，電石可以產生爆炸性的氣體——乙炔)。相比於KR工藝中需要注入一些氟化鈣來說，混合注入脫硫工藝(使用的是石灰作為反應試劑)將是一個更為安全的選擇。

經濟性當考慮到資本支出(CAPEX)這一因素的時候，KR系統的造價將會比混合注入法以及MMI更加昂貴，這是因為其結構更加龐大，同時還將使用到攪拌機械和動力系統。MMI的價格要比混合注入工藝的價格更加低廉，這是因為MMI在製造的過程中只需要一個配送器。但是，運行成本卻通常是最重要的一個因素。對於運行成本，最有效的影響因素描述如下。

鋼鐵損失鋼鐵損失是這些因素中對運行成本影響最大的一個方面。我們假設每噸液態金屬的價格為€300。對於MMI和混合注射工藝來說，其液態鋼鐵損失量為總量的1%，而對於KR則為2.5%。而當考慮到將這些灰渣層進行循環使用時，通常情況下，對於鋼鐵損失所帶來的成本將會有所降低。

反應試劑成本對於反應試劑的成本，我們做出以下的假設：鎂粉的費用為每噸€2500，混合注入工藝中的石灰價格為每噸€175，而KR工藝中的石灰(質量要求更低)的價格為每噸€50。同時還可以這樣估計：在混合注入工藝和MMI工藝方案下，平均每噸液態金屬中將會注入大約0.5kg的鎂粉。在混合注射工藝

轉爐煉鋼

除渣過程——在脫硫處理過程中不可避免的一部分

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在當前，大眾的目光都聚焦在可再生能源的利用上，特別是在建築和交通運輸領域。但與此同時，我們應當認識到，可再生能源在高能耗的工業中也應當有用武之地，比如鋼鐵行業。

當前風電日益增長的需求將意味著市場對結構鋼的需求量也將越來越大。同時，碳收集和捕獲技術(Carbon Capture and Storage technology, CCS)的發展也將增加特種鋼的需求量，諸如用於建設二氧化碳傳輸管網時需要使用的無縫鋼管等。

然而，如果不致力於解決鋼鐵生產隨之而來的環境影響，提高電力行業的產出將導致鋼鐵行業的高排放。為了實現在2050年之前將溫室氣體(greenhouse gas, GHG)排量減少一半的目標，鋼鐵生產行業需要利用four2(每噸粗鋼的二氧化碳排放量，t(二氧化碳)/t (粗鋼) )將其碳排放強度。

在鋼鐵行業中，產生溫室氣體排放的主要原因是高爐中化石燃料的燃燒以及軋鋼廠的電力消耗，而這些電力的消耗也來源於電弧爐(間接排放了二氧化碳)和高爐中化石燃料燃燒帶來的二氧化碳的直接排放。高爐燃燒也會帶來其他方面的環境影響，諸如粉塵、多環芳烴類致癌物(PAH)以及其他在焦炭和鐵礦石制備過程中產生的廢棄物，以及高爐冶煉中產生的氮氧化物(NOx)和顆粒物。鋼鐵行業在提高煉鋼過程的可循環性和減少行業中的碳排放量方面取得了及其重要的進展，通過使用煉製過程中產生的廢氣(焦爐煤氣(COG)、高爐煤氣(BFG) )取代原先所使用的天然氣，並且像ULCOS項目這樣在收集高爐中排放的二氧化碳有突破性進展的研究也正在進行。

為了進一步減少自身所帶來的環境排放以及化石燃料的使用量，鋼鐵生產者需要探索改進領域，諸如：• 具備極低NOx排放的低氮燃燒器；• 在歷史的行進中，過程部件的能源效

率已經被忽視。這是因為它們的能源消耗與高爐和連續鑄造過程相比微乎其微；

• 避免能源消耗過度，因此，需要注意設計工況與運行工況之間的差異所導致的排放量；

• 對高爐排放的煙氣實現再循環和再利用；

• 對儲存了大量熱量的高溫產品實現能量的再循環和再利用；

• 在用電高峰時期，調節或者暫時性關閉高耗能的工藝過程以彈性應對較大的市場用電價格變動，並且或許可以嘗試與能量存儲系統相耦合；

• 與周邊相關企業協同生產，為其提供

斯坦因工業認為鋼鐵生產中產生溫室氣體(GHG)排放的重要原因是化石燃料的燃燒以及電力的使用。考慮到這一點，斯坦因在它的第二代數字控制技術加熱爐(Stein Digit@l Furnace AT 2.0.)的設計過程中採用了生態化設計的理念。——波林•普利森 Pauline Plisson*

再熱爐可持續性的改進

窯爐

* Innovation and sustainability program manager, Fives Group

Process

Other energies

Electricity

圖1 鋼鐵生產過程中溫室氣體的排放 (來源：世界鋼鐵協會，溫室氣體議定書)

圖2 鋼鐵制備過程各部分的能源消耗佔比 (來源：互聯網)

溫室氣體(GHG)排放源劃分為：工

藝過

程：

4% 電力：19%

其他能源(煤炭、石油、天然氣、熱量、生物質和廢棄物)：77%

高爐+轉換器+連續鑄造：70% 熱軋10%

再熱80%

斯坦因第二代數字化控制加熱爐

軋制20%

冷軋10% 帶鋼加工10%

粗鋼產量(2007) 870 M噸/年再生鋼(2007) 480 M噸/年溫室氣體排放(2005) 2.6 G噸CO2 e/y平均溫室氣體排放 3.2 G噸CO2 e/噸粗鋼平均溫室氣體排放 1.1 G噸CO2 e/噸再生鋼

Percentage of GHG emissions worldwide: 6%



窯爐

穩定的廢物鏈以資其利用；法浮集團(Fives Group)的幾項技術

(如再熱爐、退火爐、冷軋鋼技術以及煤焦油蒸餾法)是應對這項挑戰的關鍵。出於這些原因，這些技術在一個企業設計其環境友好型項目的一部分。

生態化設計方案法浮集團(Fives Group)在眾多能源密集型行業中都表現活躍，其在諸如鋼鐵行業、制鋁行業、水泥業以及玻璃行業致力於集中優化這些行業的環境性能。

在企業的產品開發過程中實施一個稱作工程可持續性的項目來實現這一策略，

這個項目同時具備了如下所述的內在的品質和信譽：• 這是一個這樣的過程，它能夠系統性

的回顧其影響以及持續不斷的改進法浮集團的技術，並且為其客戶提供量化的數據和資源來達到設備的潛在的在實際運行工況中的最佳性能；

• 法浮集團在環境性能方面的產品具備一流水平的信譽。這個工程可持續性項目遵循了ISO

14062的嚴格要求，並經由安永(Ern s t &Young)會計師事務所(一個獨立的審查機構)的審查。

這個項目在早期的設計階段集結了眾

多技術和銷售方面的團隊，並依賴於一個生態設計的工具包。其在一個極其廣泛的範圍之內對目標進行評估，這包括：環境性的(不僅包括能源消費和污染物排放，還包含了噪聲、耗材以及佔地空間)、經濟性的(生產週期成本和產品的靈活性)以及人性化(使用最有效的技術培訓經營商)。減少主要影響的機會將被列出、研究並且當其確實成功的提高了目標性能之後將被更廣泛地應用，他們所帶來的效益也將被證明。

截止至2014年1月，有四個生態化設計的項目已經完成，另有十個類似項目正在實施過程中，並且大約有七十個來自法浮集團的員工正在被培訓。

一個再熱爐的可持續性的評估在鋼鐵行業中，再熱爐處於熱軋廠的上游，它的性能對鋼鐵的生產過程極其重要。再熱爐的能源消耗約佔鋼鐵生產過程能源消費的8%。(剩餘的能源消耗中，高爐、轉爐和連鑄過程佔到70%、冷軋過程佔10%、帶鋼過程佔10%，剩餘的2%由熱軋過程消耗)(信息來源：互聯網)

再熱爐中的能量平衡過程將由斯坦因工業進行，在一個使用天然氣(低位發熱量(LHV)為8610 kcal/Nm3)作為燃料加熱低碳鋼板材(8510 x 1574 x 220 mm)的高爐中實施。

評估發現，主要的熱損失產生在高溫廢氣中，儘管這部分高溫煙氣已經經過了回熱循環利用掉了一部分熱量，但依然存在優化空間。其次的熱損失來自冷卻水，這方面的能量損失目前已經部分地通過使用斯坦因工業安裝在其客戶現場的蒸發冷卻系統(Evapora t ive Coo l ing Sys tem, ECS) 得到回收利用。同時，研究發現通過壁面散熱導致的熱損失似乎是微不足道的。

正如上文所解釋的，工程可持續性項目處理的不僅僅是能源利用方面的問題。工程中的降低氮氧化物的排放已經被確定放在被優先考慮的地位，同樣，規模虧損與氮氧化物的排放一樣，也被放置在了被優先考慮的位置。規模虧損之所以成為鋼鐵生產商關注的問題，是因為其相對應的生產成本和能量成本的損失，通過一系列工序生產出來的超過需求的鋼鐵被直接棄置引起了所謂的規模虧損。棄置導致的虧損遠不止這些，生產鋼鐵而需要的耗材以及保養這些鋼鐵需要的維護費也需要被考慮在內。

總的來說，優化再熱爐帶來的環境影響被斯坦因工業總結於如下幾個重要方面：

減少氮氧化物的排放• 通過調整加熱曲線，從生產過程中盡

可能的減少氮氧化物的生成；

Air

Gas

Combustion

Waste gas

Cooling water

Walls

Products

圖3 工程可持續發展計劃所涵蓋的領域

圖4 加熱爐輸入輸出過程中各部分能量份額分布

圖5 鋼鐵生產中可能存在的損失

輸入(kW) 輸出(kW)

空氣21438

燃氣175

燃燒100303

廢氣42462

產品66331

冷卻

水10

08壁

面21

15

溫室氣體

重組/可拆卸的產品

負載和燃料的靈活性

安全性

人性化

運行性能和經濟性環境

可回收性

污染物

能源

噪聲

佔地空間

壽命延長

生產力

停機/報廢率

操作培訓

最終產品質量

生產成本/生命週期成本

使用方便

非可再生能源的消耗

水

能源：每年約9百萬歐元6萬噸二氧化碳 eq/年(以天然氣為例)

規模虧損：每年約6百萬歐元浪費了大量的能源和資金

氮氧化物排放熱量浪費：從350℃提高到800℃

加熱爐的低效利用：

加熱爐在設計時是參考了標準生產過程。但在大部分時候處於非設計工況下運行。

(低負載、產品組合的變化)



• 燃燒器/燃燒過程的調整：更好的混合燃料與助燃空氣；

• 控制助燃空氣與燃氣的比例(過量空氣系數)；

• 限制從牆體和門等圍護結構射入的冷空氣；

提高能源利用效率以及降低溫室氣體的排放• 調整加熱曲線以使得煙道氣體(二氧化

碳、一氧化碳)生產量最小；• 對煙氣所攜帶的能量實現再循環和再

利用；• 控制過量空氣系數來盡可能的利用每

一份燃氣；• 使風機、泵和電動機的電消耗最

小化；

規模虧損：通過調整加熱曲線來限制氧氣的使用以避免在高爐中形成過高地的溫度，或者盡可能的推遲形成規模虧損的發生時間；• 限制從牆體和門等圍護結構射入的冷

空氣；• 控制助燃空氣與燃氣的比例• 規模化控制和疏散

第二代數字化控制加熱爐在上世紀九十年代，斯坦因工業開發了它

的第一代針對再熱爐的數字化控制系統(利用燃燒器的開關來代替燃氣與助燃空氣配置比例的調節，同時智能化排序燃燒器的點火)。第一代數字化控制的再熱爐設計於1999年被完整的提出，並於2000年在美國被投入使用。從那時起，斯坦因工業在這項國家最先進的技術方面得以提升，從而實現了氮氧化物排放的減少、能源利用效率的提高以及燃燒爐的控制。

因為以下原因，一個生態化設計工程被提上議程：• 通過分析最近運行的高爐(土耳其的喬

拉克奧盧鋼鐵(Cölakoglu )和俄羅斯聯邦的聯合冶金公司(OMK))的現場數據來實現這項技術對環境性能影響的量化，並與競爭對手的技術相比較，從而獲得更大的優勢；

• 鑒別和驗證高爐優化設計的改善效果，從而到達更小的環境影響；

系統效益得益於具備專利的愛華(Advantek)燃燒器和數字化控制技術，第二代斯坦因數字化控制加熱爐技術成為了一項傑出的設計。愛華燃燒器本身就被設計為具備超低氮氧化物排放的燃燒器，它的性能始終處在百分之百的狀態，即它的氮氧化物的排放始終處於最低狀態。

斯坦因工業的這個第二代數字化控制

加熱爐是市場是唯一一個具備在任何生產條件和運行條件下發揮燃燒器百分之百性能的技術。燃燒器的性能能夠得到百分之百的發揮能夠得到以下最佳效果：火焰長度的控制，更高的效率，更低的燃料的消耗，更低的氮氧化物的排放。與市場上可以選用的燃燒器相比，愛華燃燒器能夠降低百分之十到二十的氮氧化物排放。

這項燃燒器的技術和數字化控制系統使得火焰長度的調節更加便利，不用需要通過犧牲燃燒器部分的性能而達到這一目的。

燃燒器通過控制火焰變長、縮短或者兩種長度的組合。火焰的長度相對獨立，不隨燃燒器注入的功率而變化。該燃燒器始終以百分之百的性能運行，而其功率的變化在燃燒過程中可以方便的調節而不引起火焰長度的變化。

其他技術的缺點如下所列：• 縮短火焰長度將導致百分之三十的氮

氧化物的增加(同時，使用頂部燃燒器將增加百分之十的氮氧化物)；

• 在燃燒器以短焰狀態運行時，將會導致百分之三的能量消耗，等於每年增加了250 000歐元的費用。

能源效率法浮集團提供了一個在參考運行模式下 (即在年生產活動中的平均運行水平)的高

圖6

燃燒器負載與氮氧化物排放之間的關係

消費區爐內停留時間變化時，控制板坯長度不變帶來的具體消耗板坯尺寸=0.225*1.250*12.000*m；標稱產量=400噸/小時；爐膛長度=49.4m

圖7

圖8 圖9

0% 20% 40% 60% 80% 100%

100 95 90 85 80 75 70 65 60

275 300 325 350 375 400

氮氧

化物

排放

量(1

00%

)

燃燒器負載(%)

爐膛覆蓋率(%)

產量(噸/小時)調節模式

常規加熱爐數控加熱爐爐

連續點火模式

在參

考模

式下

的特

殊消

費特

殊消

費

特殊

消費

(千卡

/千克

)

2

1,8

1,6

1,4

1,2

1

0.8

170%

160%

150%

140%

130%

120%

110%

100%

266,0

264,0

262,0

260,0

258,0

256,0

254,0

252,0

250,0

248,0

窯爐

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爐的優化設計方案。事實上，能源效率取決於高爐內負荷，是一個相對立的參數。所以，鋼鐵製造商們用能否在節省燃料的基礎上實現百分之百的負荷來作為決策的標準是毫無意義的。

與其他替代技術相比，使用獨立控制的燃燒器以及改進高爐的設計(較長的回熱段以盡可能的回收利用高溫煙氣和高負荷側的燃燒器所攜帶的熱量)將帶來每年平均5%左右燃料的節省。如果當地的法規允許工廠中氮氧化物的排放標準降級，通過優化加熱段的配置，上述技術還將帶來更低的能源消耗。同樣，高爐中更高的整體運行效率和熱回收效率將使得斯坦因工業能夠設計更短的爐膛，隨之帶來了經濟效益和空間效益。

得益於一個混合器的設置(其能夠提高爐膛中整體的能源利用效率)，純度為百分之百的焦爐煤氣(COG)也能夠通過斯坦因的第二代數字化控制加熱爐加以利用。

由於鋼鐵製造著面臨著日益增長的不可以測的市場條件，斯坦因的第二代數字化控制加熱爐具備極高的靈活性並被允許有以下行為：• 得益於愛華燃燒器以及斯坦因的第二

代數字化控制加熱爐的多管系統，實現混合燃料的燃燒(兩種或者三種燃料混合燃燒)；

• 最小程度的干預燃料的變化，以免在高爐的運行週期中產生新的燃料(如現場生成的新的氣體燃料)；

•得益於Virtuo的加熱爐控制系統，使得高爐能在“最小能源利用率”

和“最少氮氧化物排放”兩種模式之間切換自如；• 復合型材的使用：測量產品的核心(錐形加熱法)溫度，其變化範圍在正負五十攝氏度之間；

“Virtuo是加熱爐的二級控制系統，能夠實時計算最佳的

加熱曲線以獲得最佳的能源利用效

不同排氣溫度下的能源消費、規模損耗和氮氧化物排放量

圖10 圖11

圖12

圖13

加熱長度(m)

最大的加熱效率最低的氮氧化物排放

最小的運行成本

最大的靈活性

加熱策略的變換(選擇最小當氧化物排放還是最小能源消耗)

諾亞燃燒器(Novaflam)：一種用於水泥行業的窯爐燃燒器：

2013年和2014年進行的生態設計的研究表明，諾亞燃燒器在一次空氣和壓力之間的最佳平衡點獲得了最佳的動力。此用戶友好的燃燒器可以產生強大的、更短的和高溫更高火焰，可以把多重好處給它的客戶，如：•更好的熟料質量：在三天的運行強度下可以達到+2兆帕•高替代燃料替代：可以使用純度高達100％的絨毛或60％的鋸末•最多減少4％的熱量消耗•多達4~7％的產量增長•減少10％氮氧化物排放量•由高反應性的各種條件允許的穩定性•更高的可用性窯：'揮發'，沒有減少熟料黃-30％，少環的形成

減少5%的能源消耗*；得益於更高的整體效率和熱回收措施可以配置更短的爐膛；加熱型材的優化；燃燒器的獨立控制；煙氣熱量最大限度的再利用；*上述不能夠同時達到

在參考運行模式下擁有最低的能源消耗和氮氧化物的排放；產品核心的溫度變化不超過+/-50℃；使用現場生成的氣體更加方便；

減少10%~20%的氮氧化物排放燃燒器始終全負荷運行時依舊能夠調節火焰長度

耐火材料的壽命更長；維護工作量更小；-設備複雜度低(只有一種類型的燃燒器)；-配件更少-減少了干預時間

(紫字表示與競爭對手相比，法浮的加熱爐所具備的優勢)

將排氣溫度由1250℃降低至1230℃的效果評估

1.減少2%的能源消耗；2.降低5.5%的氮氧化物排放；

3.減少9%的規模虧損。

在線爐膛溫度控制系統加熱曲線

最小氮氧化物排放下的底部溫度

最小能源消耗下的底部溫度

最小氮氧化物排放下的頂部溫度

最小能源消耗下的頂部溫度

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

1

0,99

0,98

0,97

0,96

0,95

0,94

0,93

0,92

0,91

0,91230 12401235 1245 1250

溫度

(℃)

能源消費規模虧損氮氧化物排放

窯爐



率或減少氮氧化物的排放”通過獨特的設計特點，諸如單體的和

相互獨立的燃燒器的控制(每個然使其都是一個獨立的區域)，從而獲得極高的通用型和靈活性；

斯坦因工業的第二代數字化控制加熱爐同樣也以持之以恆的保養為特點：• 加熱爐中只使用一種類型的燃燒器，

訪問這些燃燒器(側邊燃燒器)以及它的控制系統是相對比較容易的，這極大的簡化了維護的難度；

• 通過爐膛的設計和控制避免頂部燃燒器過熱以及導致耐火材料的損壞，因而得到一盒更長的耐火壽命(大於十年)最後，得益於斯坦因工業的第二代數

字化控制加熱爐保證的加熱爐的加熱質量和產品質量，斯坦因工業表示在諸多案例中產品的排放溫度可以更低。

圖11展示了在將產品的排氣溫度從1250℃降至1230℃時燃料消耗、規模化損失和氮氧化物的排放的改善情況。

總結以及致謝為優化其投資，斯坦因工業建議鋼鐵生產商在啓動一個新的項目的時候考慮以下方面：• 考慮“參考生產量”而不是最大生產量；

• 考慮未來的能源趨勢：應對能源種類的變化；

• 清楚自己的優勢(是最小的資本支出還是最低的能源消耗，是最小的氮氧化物排放還是最大的靈活性) ；

• 因地制宜，根據你自己的鋼鐵廠的實際特點設計你的加熱爐；

• 能源利用最大化，探討余熱利用的可能性；

斯坦因第二代數字化控制加熱爐——優勢：斯坦因第二代數字化控制加熱爐秉承法浮集團在領域內良好的聲譽，甚至可以將其定義為在環境性能方面表現最好的產品；

法浮集團正在推進實現鋼鐵行業的生態化設計方法並試圖超越這一領域的局限，將生態化設計推廣到更廣泛的行業中。因為它堅信生態化設計將為多個行業帶來實際價值，而不僅局限在鋼鐵行業。

除了已經設計完成的斯坦因第二代數字化控制加熱爐，法浮集團目前還在開發其他具備工程應用可持續性的產品，如Digiflex系統，這是一個竪式爐膛鋼鐵生產線，具備連續退火和鍍鋅的功能。

法浮集團目前正在研究的其他的生態

化設計的技術，如用於水泥行業的窯爐燃燒器(詳見圖13)。█

參考文獻- Fives’ AdvanTek® : Advanced Combustion Technologies to Reduce the Steel Industry Carbon Footprint”, 8th China International Steel Congress. Beijing, China. 17-20 May 2014.- AdvanTek® WRT 2.0 burner for radiant tube furnaces: TOTeM 42 “industrial heating: Furnaces, Process Heaters, Kilns – Design of Safe, fuel and environmentally efficient ther-ma l equ ipmen t” o rgan i se by IFRF (International Flame Research Foundation). Ijmuiden, Netherlands. 24 & 25 June 2014.- Cash for Clunkers in the Reheat Furnace World: Iron & Steel Technology 2010. Article presented at the AISTech 2010, Pittsburgh, PA.ISO TR 14062: Environmental management - integrating environmental aspects into product design and development.

更多信息，請登錄以下網站：www.engineered-sustainability.comwww.fivesgroup.com

窯爐

中，混合試劑常用的平均比例為 1 : 4 (Mg:CaO)，也就是說每噸液態金屬中還將需要大約2kg的石灰。而KR過程的注入量為每噸10kg。對於KR和MMI來說，也將要加入一些助溶劑和/或者一些混凝劑(大約為單位熱量加入500kg，成本大約為每噸€80)。因此這裡的成本大約為每噸液態金屬中加入€0.20。

設備磨損對於整個脫硫過程來說，最主要的設備磨損集中在旋轉葉片和鋼包的耐火磚上。因為維修費用與設備磨損所帶來的差值是可以忽略的，因此對剩餘設備的維修費用將不在考慮範圍之內。KR脫硫處理系統中一套完整的旋轉葉片平均為30000tHM(每200噸中需要150次加熱)，其價格大約為8000€。而MMI脫硫工藝中的旋轉葉片平均為10000tMH(50次加熱)，其費用大約為€1500。對於混合注入法來說，其旋轉葉片平均也為10000tHM，而所需的費用則為€800。這些旋轉葉片的平均壽命也包括了這樣一個事實，那就是在他們第一次的加熱過程中，將會出現一些破損和斷裂的情況。

液態金屬鋼包中含有大量的耐火材料，而這些耐火材料的更換將要花費大約€12000 (這其中也將勞動力的成本包含在內)。因為在MMI和KR兩種工藝運行的時候，將需要更多的波動空間(至少為50cm)，所以耐火材

料的更換數量將會多出10%左右(因此總成本為€13200)。對於KR系統來說，大約平均每18000tHM(90次加熱)將要進行一次耐火材料的更換。對於MMI脫硫系統來說，也要對鋼包內的耐火材料進行更換，其更換的頻率為大約每24000tHM(120次加熱)更換一次。而對於混合注入方法來說，其耐火材料的更換次數將變為平均每36000tHM(180次加熱)更換一次。

溫度損失隨著越來越多的高溫損失的發生，更少的廢料將會被加入到轉爐之中。這種額外的液態金屬的成本與廢料成本的差值，初步估計將會達到0.025€/℃·tHM。混合注射工藝和MMI工藝的溫度損失為，平均每加熱一次，溫度損失為10℃，而對於KR脫硫工藝來說，每加熱一次，溫度損失大約為30℃。

還有某些成本來源於氣體(這裡主要是指氮氣的使用)以及電力的大量使用。但是，這些因素的考慮卻沒有已知的明確的數值來進行比較分析。初始的數據顯示的是，其數值為平均每噸鋼鐵所花費的成本大約是€0.05，但是，這對總體運行成本(OPEX)的影響卻微乎其微。還有一點也是顯而易見的，那就是KR脫硫過程所需要的電能更加多，而相對於多通道混合注入過程來說，MMI過程所需要的氮氣量將會增加5-6

倍。同時，將備用配件的成本影響進行了忽略處理，這是由於初步估算大約只有 0.05 €/tHM。

基於其冶煉性能和成本計算，對這三種領先的典型脫硫技術做出了比較。文中所提到的數據都是平均值或者估算值，而這些值都是基於經驗或者來源於各種參考文獻。當地的實際情況和波動範圍並沒有進行考慮。但是，依然可以得出一些有益的結論。

結論綜合考慮設備性能和運行成本兩方面的因素，但選擇的主要目標是生產出含硫量更低的鋼材，同時生產過程所花費的時間，溫度的損失以及液態金屬的損失都不做重點要求的時候，機械式攪拌脫硫處理工藝(KR)將會是其中唯一可行的選擇。

當然，如果對生產出來的鋼材的質量不做過高的要求，不需要其含硫量較低的話，再次硫化也將不是一個嚴重的問題，而重點關注和需求的是更多地降低生產過程所花費的時間，那麼單通道鎂粉注入法(MMI)將會是三種方法中最為行之有效的。

同時，使用鎂粉和石灰最為反應試劑的多通道混合注入法是最靈活和最可靠的選擇。如果對於鋼鐵的等級要求範圍比較廣泛的話(包含低硫含量的等級和普通鋼鐵等級)，從經濟性的角度來看，混合注入法將是其中最有效和最具有吸引力的方法。█

u 12 液態金屬脫硫方法的比較



隨著越來越多的生產線依賴於測量系統來評估質量，在處理質量問題和如何解決這些質量問題上，操作人員在操作技能上有相應的缺失。

不太有經驗的運營商可能導致生產問題沒有檢測到，由於運行條件在偏離正常條件和預期條件時沒有發出警告信息，因此未被覺察的情況的發生。

CMI，一個在冷軋帶鋼生產線的專家，已對它本身添加一些關鍵的工具以增強其產品組合，從而確保不僅有線圈分級，而且最終的線圈質量會被複製。該公司正致力於開發和完善專門的工具，以幫助識別那些在生產過程中生產問題出現之前出現的輕微漂移。

連續生產線處理鋼板目前變得非常複雜，承載了許多不同種類的設備和各種工藝，連續生產線必須得到嚴格的控制以確保成品達到預期的質量。儀表是用來向一個封閉的循環系統輸入工藝參數的，以確保工藝遵循所需的根據所檢查的關鍵工藝數據產生的一個線圈分級程序的路徑。

然而，工藝窗口或設備本身的輕微漂移的檢測，可能是工業環境中的一個挑戰。通常，直到為時已晚的時候，生產線必須停產時漂移才會得到確定。缺乏預測

識別導致了這樣一種情況，「沒有什麼是正常工作的，沒有人知道為什麼」，隨著時間的推移，這種情況越來越嚴重。

CMI開發的專用工具，是基於記錄過的工藝和設備的數據來幫助識別輕微漂移。該概念與SPC方法是相似的，追蹤一些典型的定量數據，如鋅鍋的熱平衡，生產每噸特殊鋼種的燃氣消耗量，SKP的軋制力矩或生產線驅動側和操作側之間的張力差異等。

在本文中，將會進行關於鍍鋅生產線的發展狀況以及所遇到的一些困難的綜述。

研究方法當目標是開發能夠容易跟蹤與目標工藝窗口相關的關鍵工藝參數的自動工具時，CMI採用的方法是基於使用可利用的被現有生產線計算機和應用程序記錄的工藝數據用物理原理來連接，如熱平衡和質量守恆。由於它的簡單和易於運行，這種方法具有很多優點，例如具有不需要特定的技術，可以使用現有的數據，基於理論等優點。

選定的關鍵數據記錄每個人10秒，這取決於所涉及的工藝，通常情況下，平均

時間為超過五分鐘到2小時之間的時間。前提條件是，要求避免非一致的數據並排除瞬態的條件。這可能會導致一個低有效率(超過80%的數據可能被排除)，但由於高可用性：質量比數量優先考慮，這不會成為一個問題。最後的文件會被記錄，用來為將來作參考或處理，但直接的圖形也可被用作迅速分析。本文包含了一些類似的例子。

目前的開發是解決三個在鍍鋅生產線使用的關鍵工藝，追求以下目標：• 鋅鍋熱平衡：驗證了鍋內真正的入口

帶溫度，並最終檢測到橫向的不均勻性

• 在退火爐中的燃氣消耗：確定燃燒效率可能的變化範圍

• 表皮光軋：突出工藝窗口的變化，量化機械性能分布和左、右張力的監測變化，以及負載和導致設備幾何結構的改變。

熱鍋平衡熱鍋平衡計算為2小時，數據採樣率為2秒一次，使用塗層重量，鋅鍋的溫度和水平，鋼的質量流量和溫度。所有超過定義的工藝窗口數據範圍的數據都會被排除。

如果要實現盈利能力和客戶滿意度，複製質量是至關重要的。鑒於此，各種技術已經被開發出來並且正在被越來越多地使用在世界各地的生產線。——Michel Dubois*

漂移檢測系統的研發

過程控制

* Innovation and sustainability program manager, Fives Group



過程控制

任何數據的排除都會導致兩小時的熱鍋平衡計算無效。可能出現這樣的情況，例如，當塗層重量超出的設定的30-250g每平方米範圍，生產線速度低於40mpm，或鋅水平不穩定。一個不平衡的熱輸入和熱輸出意味著一些記錄的數據的不正確或顯示不均勻，如高溫計設置，熱損失估計，帶鋼溫度，塗層重量測量及其他情形。

所描述的方法是同時用於所有的CMI

CGLs，且被證明是非常相關的，因為它可以獲得很難量化的參數，例如鋼等級的準確的溫度讀數的變化，熱損失的變化，尤其是入口吻部，最重要的是橫向溫度的不均勻性。

根據我們的實驗，一個典型的自動生產線，生產量在60-70噸每小時，入口帶鋼溫度可確定在+/-2℃範圍內。

圖1為生產線生產率的變化圖：在所示的例子中，在帶鋼寬度範圍內沒有檢測

到顯著的溫度變化。對平衡的依賴將意味著入口的溫度讀

數的偏移量。圖2為平衡和條帶寬度的變化圖：在

相互依存的情況下，可以懷疑非橫向溫度的均勻性。

爐內燃氣消耗在這個工藝中，選定的數據採樣率為10秒一次，並在10分鐘的時間內完成的熱

圖1 熱鍋平衡隨著鋼材質量流量的變化

圖4 天然氣消耗與區域溫度之間的關係

圖2 熱鍋平衡隨著鋼材寬度的變化

圖5 天然氣消耗與鋼材寬度之間的關係

圖3 Nm3/ton 每噸鋼材的天然氣消耗量

圖6 出口煙氣溫度與總天然氣消耗量

5 10 15 20 25 30

800 825 850 875 900 925 950

800 1x103 1.2x103 1.4x103 1.6x103 1.8x103

800 1x103 1.2x103 1.4x103 1.6x103 1.8x103 500 1x103 1.5x103 2x103 2.5x103

5 10 15 20 25 30

質量流量(kg/sec)

區域溫度(℃)

條帶寬度(mm)

條帶寬度(mm) 總質量流量(kg/sec)

質量流量(kg/sec)

平衡

KW

能耗

Nm

/Ton

平衡

KW

能耗

Nm

/Ton

出口

煙氣

溫度

℃能

耗N

m/T

on

300

200

100

0

－100

－200

－300

300

200

100

0

－100

－200

－300

300

200

100

0

－100

－200

－300

26

24

22

20

18

520

480

440

400

360

320

300

26

24

22

20

18



過程控制

消耗的計算，相當於約一半的傳入線圈。只有在工藝速度超過50mpm的時候才會被考慮。

為了只選擇穩定的條件，CMI需要進一步調整方法並添加一些額外的智能過濾器。為獲得相關結果的一些強制性的例子，如，歐洲的退火爐，平均訂貨量在100噸以下，通常轉換成三到四個線圈。生產線速度和帶材規格的頻繁調整，這將導致質量流量的波動和熱循環的不斷變化，從而影響區域溫度。換言之，一個退火爐大部分時間是處於一個短暫的條件下。數據處理是基於計算鋼帶的熱量，煙霧和全球熱產量。操作參數如退火溫度、

煙氣中的氧氣、運行的燃燒器數量和區域溫度也是分析中不可缺少的部分。

分析表明，即使在相同的帶材規格和穩定的條件下，每噸鋼材所消耗的天然氣量之間差異顯著，但其原因尚未完全確定。如圖3所示的一個例子，它的退火溫度峰值僅在790-810℃範圍內。一個可能的解釋是，各種參數之間密切的相互依存，如爐區溫度和線生產速度，而線生產速度又取決於速度和帶材的寬度。熔爐在過渡期間的熱慣性也影響穩定生產週期。對應於3個月的主要結果如圖3和圖4所示。不幸的是，只通過檢查熱量消耗很難確定一個漂移的峰值溫度

測量。然而，分析還在進行，一旦完成研究，將使我們全面綜合評價這個指標的實用性。

圖5中的結果表明，每噸鋼材的條帶寬度和具體的燃氣消耗之間沒有相互依存關係，這個結果與傳統的觀點和期望有著顯著的差異。

著眼於燃燒質量的研究目前已取得了可喜的成果。獨立於熱循環之外的煙氣溫度追蹤和每小時天然氣的消耗量兩者之間的相關性已經被確定。這些結果讓我們期望燃燒漂移轉化為偏離這種相關性的數據(如圖6所示)。

每生產定義參考規格的鋼材消耗的天然氣是另一個指標，將在未來幾個月內對之作詳細的闡述。

CMI已決定建立一個“軋輥磨損指數”，它是一個額外的、重要的與爐輥的熱循環和熔爐頻繁的熱狀態改變導致的最終更快的磨損相關的指標。該決定是基於觀察爐輥輪廓隨時間的變化。第一個分析使我們懷疑，熱循環引起的頻繁變化，無論是對於條帶寬度還是峰值退火溫度，都是一個主要原因。

所有上述指標將在未來幾個月內進行持續研究，以評估其可行性和使用在檢測緩慢漂移的可能性，所收集的參考數據本身是已經部分地解決缺乏的研究歷史以更有效地在問題發生時幫助解決問題。

表皮光軋就表面冷軋機而言，採樣率設置為每10秒一次，數據平均為每一個有效的五分鐘

圖7 所有等級鋼材驅動操作的不同張力

圖10 所有等級鋼材驅動操作的不同張力

圖8 所選月份的負載伸長率分布圖

圖11 負載-伸長率，2月份，厚度0.8+/-0.1mm

圖9 三種等級鋼材的負載伸長率，1月份

圖12 負載-伸長率，2月份，厚度1.2+/-0.1mm

2x103 4x103 6x103 8x103 1x103 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0.50 0.70 0.90 1.10 1.30 1.50 1.70 1.90

0.50 0.70 0.90 1.10 1.30 1.50 1.70 1.900.50 0.70 0.90 1.10 1.30 1.50 1.70 1.900.50 0.70 0.90 1.10 1.30 1.50 1.70 1.90

入口張力(kg)

三角張力驅動操作

月份伸長率(%)

伸長率(%)伸長率(%)伸長率(%)

能耗

Nm

/Ton

負載

(噸/米

)

負載

(噸/米

)負

載(噸

/米)

負載

(噸/米

)

負載

(噸/米

)

1.5x103

1x103

500

0

-500

-1x103

-1.5x103

400

350

300

250

200

150

100

50

400

350

300

250

200

150

100

50

400

350

300

250

200

150

100

50

400

350

300

250

200

150

100

50

400

350

300

250

200

150

100

50

YS 150

YS 220

YS 350

YS 150

YS 220

YS 350

YS 150

YS 220

YS 350

YS 150

YS 220

YS 350

YS 150

YS 220

YS 350

u 26



熔爐

於2013年受到印度鋼鐵局管理公司(SAIL)委任的魯爾克拉鋼工廠(RSP)第五號新高爐，是由一支聯盟合伙團隊製造出來的，該合伙團隊由意大利達涅利康力斯公司(Danieli Corus)和印度塔塔集團項目工程有限責任公司(Tata Projects Ltd)組成，並且該第五號新高爐的製造，完全以意大利達涅利康力斯公司(Danieli Corus)的技術工藝和專有技能為基礎。隨著絕大多數現存的煉鐵系統產量開始達到其技術和經濟上的預期使用期限，該新高爐的使用，能夠使魯爾克拉鋼工廠(RSP)的鋼產量，滿足其對產品目前的需求以及將來的需求。——J Bak* 和 E Engel*

建造印度鋼鐵局管理公司(SAIL)的新高爐

魯爾克拉鋼工廠(RSP)是由印度斯坦鋼鐵有限責任公司(Hindustan Steel Limited)於1959年成立的。依據印度斯坦鋼鐵有限責任公司(Hindustan Steel Limited)的構造，其能夠在1973年整合到印度鋼鐵局管理公司(SAIL)中去。魯爾克拉鋼工廠(RSP)的初始產量約為1噸每年(1Mt/yr)，而在接下來的幾十年中，利用四個高爐和兩個BOF設備在車間熱端的操作，該工廠的產量將增長到2噸每年(2Mt/yr)。

當前，印度加速的經濟增長大大提高了國家的鋼鐵年消耗量：在2001年到2012年期間，印度見證了它的鋼鐵年消耗量從每年28.5噸到73.6噸的增長，其平均的年增長率達到9%。考慮到該國的人均消費比率水平約為全球平均水平的25%，約為中國人均消費比率的12.5%這個情況，這種增長速率，在不久的將來，就會表現出巨大的增長潛能。印度鋼鐵局管理公司(SAIL)在2006年決定一項擴張計劃，其目標是使公司的鋼鐵總產量翻一倍。表1給出了這個雄心勃勃的擴張計劃的關鍵數據，而該擴張計劃，與由印度鋼鐵局管理公司(SAIL)經營的的綜合性鋼鐵工廠相關。

魯爾克拉鋼工廠(RSP)在該地區設定了一項擴張計劃，其目標是鋼鐵產量達到4.5噸每年(4.5Mt/yr)。另外，魯爾克拉鋼工廠(RSP)還預設了現代化改造，從而減少煉焦爐和燒結廠的廢氣廢物排入環境。擴張計劃剛開始的時候，上游的高溫液態金屬的容量是由四個高爐產生的，其中三個高爐的內部容積為995立方米(995m3)，而另外一

個高爐的內部容積為1448立方米(1448m3)。所有的這些高爐都是20世紀60年代(1960s)的德國原始設計。為了實現擴張計劃，魯爾克拉鋼工廠(RSP)經過深思熟慮後，決定製造尚未開發的第五個高爐，該新高爐較前四個鍋爐，內部體積大幅度增加，並且完全符合最佳技術原則。

第五號高爐新設計的高爐，內部體積為4060立方米(4060m3)，平均生產量為每天8000噸重金屬(8000thm/d)。煤粉注入系統的額定煤粉用量為每噸重金屬150千克(150kg/thm)，而其設計標準用量為每噸重金屬200千克(200kg/thm)。熱空氣流由三個熱鼓風爐提供，這三個熱鼓風爐的內部燃燒室均在圓頂溫度為1425℃的溫度下運作。熔爐有四個三孔型，在兩個高爐出鐵場運作(表2)。

熔爐爐襯的設計是“荷蘭霍高文”高傳導性的集成式冷凝器，以及帶有銅質冷卻板和石墨耐火材料的襯里概念為基礎的。這種現代化的襯里設計，能夠最大限度地減少爐腹中的滑動影響，並且平衡的襯里輪廓，能夠建立一個穩定的沖積層，這種沖積層能夠保護熔爐，使其不發生腐蝕。熔爐爐腹以及下層煙囪，包括石墨和碳化硅耐火材料和經過加工的以銅為材料的板式冷卻器的組合，不僅能夠創建一個沖積層，而且當沖積層不存在時，還能夠提供足夠的抗腐蝕性能。當在較高的煤粉注入量(PCI)和生產力水平，和/或在較低質量或不同質量的原材料狀況下進行操作時，25年的熔爐爐齡是可以實現的。圖1闡明瞭熔爐的總體佈置圖，圖2則說明瞭熔爐爐腹的設計。

氣體淨化系統是以意大利達涅利康力斯公司(Danieli Corus)的旋風除塵器為基礎的，該旋風除塵器具有一個切向入口和一個環狀間隙洗滌器。

這種類型的除塵器的主要優勢——與

2011-12年擴張後工廠的年產量的年產量增長率Bhilai 5.1 7.5 +47%Durgapur 2.1 2.5 +19%Rourkela 2.3 4.5 +96%Bokaro 4.0 5.8 +45%Burnpur 0.5 2.9 +480%總計 14.0 23.2 +66%

*意大利達涅利康力斯公司（Danieli Corus）：Rooswijkweg 291，1951 ME 費爾森-鹿特丹（Velsen-Noord），荷蘭；聯繫電話：+31-251-500 500；企業郵箱：[email protected]。

表1 印度鋼鐵管理局(SAIL)綜合性鋼鐵工廠的擴張計劃（高溫液態金屬年產量數據，單位：百萬噸每年）表2 魯爾克拉鋼工廠(RSP)的第五號高爐各參數

圖2 爐腹

圖1 高爐

公制單位美國單位內部體積 4060m3 143378cuft工作體積 3470m3 122542cuft爐床直徑 13.2m 43.3ft產量(平均) 8000thm/d 8840thm/d產量(峰值) 8320thm/d 9193thm/d煤粉注入(PCI)比率(額定) 150 kg/thm 300lbs/thm煤粉注入(PCI)比率(設計標準) 200 kg/thm 400lbs/thm熱鼓風爐的圓頂溫度 1425℃ 2600℉



傳統的除塵器截然相反，傳統的除塵器是一種以重力為基礎的系統——這種類型的除塵器的特征是這樣的，粉塵中鋅含量較低的部分，85%都在此處被分離，留下盡可能最小的受污染的那部分鋅給洗滌器。採用重力除塵器，只有50%的灰塵將會被分離，剩餘部分的三分之二仍然由鋅含量較少的塵埃組成；這就引入了更大量的灰塵，而且這些灰塵不能在燒結礦廠被回收，和/或大大的增加了用於處理這麼灰塵所需的額外成本(圖3)。

最後，工廠還配備了一個爐渣處理系統，該系統是以一個脫水輪和一個頂部氣體回收渦輪(TGRT)為基礎的，並且原材料會被帶送到無料鐘爐頂部(圖4)。

項目2008年10月2日(莫罕達斯·卡拉姆昌德·甘地(M.K. Gandhi)的生日)，魯爾克拉鋼工廠(RSP)與一支聯盟合伙團隊簽署了一份合同，該團隊由意大利達涅利康力斯公司(Danieli Corus)和印度塔塔集團項目工程有限責任公司(TPL)組成，用於一次性全套供應第5號高爐。意大利達涅利康力斯公司(Danieli Corus)承擔工程和技術產品的供應以及安裝監督，業務協調和培訓的責任。印度塔塔集團項目工程有限責任公司(TPL)則負責工程和提供作用範圍的收支平衡

(如：民用收支平衡)以及安裝。在這種規模的項目中，從協調所有進程的方面來看，項目管理是至關重要的，而這些進程與一系列的領域先關，如工程、採購、檢驗、物流以及安裝。這個特定的項目是在一種需要具體措施的情況下執行的。

客戶的工程師罌粟(Mecon)是印度政府運營的一個組織，其總部設在蘭契(Ranchi)，代表印度鋼鐵局管理公司(SAIL)充當了客戶工程師的角色。罌粟(Mecon)具有針對各種各樣不同程序包的特定專有技術，從而能夠在技術方面引起許多有趣的討論。在這些討論中，各方都會挑戰其他方的觀點，從而使工程能夠得到最好的結果。這樣，就能在各方之間建立了一個堅實的技術基礎，從而防止在施工過程中缺乏透明度。

聯盟合伙團隊內部的合作由於大多數的適用範圍是與印度塔塔集團項目工程有限責任公司(TPL)相關的，所以這個公司扮演著聯盟合伙團隊領袖的角色，處理著所有與客戶的溝通。在各方(印度塔塔集團項目工程有限責任公司(TPL)、意大利達涅利康力斯公司(Danieli Corus)、罌粟(Mecon)以及魯爾克拉鋼工廠(RSP)內部以及它們之間，設立了大量的文檔控制管

理系統。另外，還為工程文檔、電子郵件以及信件建立了編號系統。此外，對於文檔跟蹤和需要解決的問題，也投注了大量的注意力。這種做法被證明是有效的，因為這使得任何一個文檔都不會被錯過，任何一個問題也不會被留下而未完成。

最後，合同計劃將被詳細分成一個四級的計劃，在該計劃中，聯盟合伙團隊成員的日程安排以及他們的分承包方將會合併。魯爾克拉鋼工廠(RSP)的工程項目部門還會組織月度會議，這能夠使合同計劃處於嚴格控制中。

物流總計950個由國外供應的集裝箱以及各種雜貨運輸工具，降落在印度加爾各答(Kolkata)，並且將用卡車運到魯爾克拉(Rourkela)。加爾各答碼頭系統(KDS)到魯爾克拉鋼工廠(RSP)之間的距離是350英里左右，並且考慮到在印度公路上行駛時，需要有時間消耗的本質。因此，交通運輸過程不得不精心安排，而且這還與該地接受集裝箱的最大能力以及同步的超大型運載能力相關。

外國的原材料來自於各大洲。考慮到冬天水路和船舶凍結的風險，當加拿大和北歐進入冬天，就會給印度鋼鐵廠物資的運輸帶來巨大的挑戰。每到冬天的某一時刻，印度鋼鐵廠一度不得不採用一艘經過

熔爐

圖3 切向旋風：5微米路徑，15微米和30微米的粒子

圖5 爐腹段外殼的升降

圖4 高爐煉鐵廠的3D 概述圖

圖6 施工活動



特許的船隻，經過溫暖的地中海地區，去運載比利時安特衛普省(Antwerp)的貨物，因為這時在加拿大和北歐地區的所有船隻的起重機和甲板都已經凍結了。

儘管具有上述問題，但將貨物進口到印度所需的大量運輸工作，其物流的運行相對來說還是比較順利的。

在現場，為了能夠讓意大利達涅利康力斯公司(Danieli Corus)對其干材料進行存儲，我們還特地建立了兩個隨時可用的室內儲存設備，當然，該室內儲存設備更大的作用，是設計出來用於存儲耐火材料的。此外，魯爾克拉鋼工廠(RSP)在工廠內的其他設備中也儲存了相當數量的原材料，其中一些設備是在露天的。

對於較大組件的預裝配，例如高爐的某一部分或者高爐的吊環，熱鼓風爐的殼體，他們的擱置區域是分配在高爐廠的最終平面佈置圖內的。將某個區域指定為每一個由幾個組件預裝起來的組件的預裝配活動區，則這些預裝配活動的計劃安排和執行就可以得到優化了(圖5和圖6)。

氣候/季風在五月至七月之間，印度地區的溫度大大超過100華氏度(100℉)，並且七月到九月之間還是季風雨，這對工程項目的執行而言，複雜程度又增加了一個層次。因為此

時，白天的工作被轉到了早晨的早些時候和下午的晚些時候。此外，還設立了照明取暖設備，從而能夠使得在天氣比較暗的時候，以及天氣比較寒冷的時候，也能進行工作。另外，爐殼和爐灶內的耐火材料的運作，主要是在寒冷季節執行的。

在炎熱的季節，考慮到如果長期暴露在熱風中，工人可能要承擔面部燒傷的風險，因此大風有時也會使得露天工作不能進行。因此，地基建設以及電纜隧道必須要在七月之前完成，並且用於雨水疏散的溝渠的挖掘，也必須在每年的疾風雨季開始之前完成。

最後，在季風雨季期間進行高爐的運作，則需要採取特殊的安全措施，從而避免，例如在高爐渣礦井和干渣坑內的，蒸汽爆炸。這些措施將在稍後，結合高爐的開爐和傾斜上升，共同討論。

匹配的重要性如平面佈置圖(圖7)所示，新的高爐以及它的輔助設備(平面佈置圖中有顏色的部分)必須與現有的裝置(平面佈置圖中用黑色表示的部分)相匹配。對於整個高爐工廠而言，其可用空間是足夠的，對於焦炭和含鐵原材料的供應來說，儘管需要經過一定的調整，但也要能適應現有的物流，並且對於高溫液態金屬而言，同樣能夠按照指定的工藝路線轉

移到鋼工廠和下游的爐渣處理地。然而，在早期階段的時候，平面佈置

圖就是足夠寬敞的，能夠同時開展幾個安裝活動(對於是否需要一塊擱置區域，有的安裝活動要求有，有的則沒有要求)，最後修訂完成的工廠平面佈置圖，很顯然會是一張精確並且緊密配合的圖紙。不管怎麼樣，其中沒有一項物流活動是受到阻礙的，並且其佈局也已經被證明是經過深思熟慮得出的(圖8)。

試運行和試產擴量2013年8月6日，新的第5號高爐由一支聯合試車團隊進行了試運行，而且該聯合試車團隊由魯爾克拉鋼工廠(RSP)的操作員和意大利達涅利康力斯公司(Danieli Corus)的專家組成。該熔爐內填滿了木材，一直到與鼓風口平齊，並且在鼓風口上方，一個1260公噸的焦炭空白區也被填滿(1389短噸)。其餘的工作容積承受一個負載，而且其焦炭加入量為每噸重金屬800千克(800kgthm)(每噸重金屬1600磅(1600 lbs/thm))。

在熔爐燃燒大約29小時後，通過1號出鐵口，將產生第一個鑄件。在剛開始的第一個小時內，熔爐中焦炭加入量的下降速率相對而言比較快。因此，高溫液態金屬爐渣的分離，開始的比計劃中要快一些。

而且，熔爐中焦炭加入量的下降，確

熔爐

圖7 配置圖

圖9 鐵水中的硅含量（%），前40個鑄件

圖8 在現有工廠中的高爐

圖10 平坦的鑄造澆注場地面



的時間，這相當於約四分之一的傳入線圈。CMI已經專門地保留一段時間的超過50米每分鐘的生產線速度，恆定的伸長率以及相同的鋼等級和規格。在這種情況下，機械性能將進行相互比較，以避免數據與其他材料的數據混淆。目前，只獲得第一個的結論。不同的數據獲取的方法的綜合分析正在開展，以確定最合適的追蹤指標。眾所周知，在連續鍍鋅生產線(CGL)作為一個「示範點」，負載是完全相同的，但左右張力有所不同(如圖7所示)。經過初步的分析，這種差異被懷疑隨著條帶寬度的增加而增加，因為一條帶邊緣相比於其他導致在生產線中或已經存在於傳入線圈的缺陷更長。

典型的結果目前，CMI正在逐月的基礎上建立的一個指標，後續將進行用於選擇鋼硬度，可能地，也包括不同的鋼厚度的負載伸長率參數的演變研究。預期的 1 5 0 M p a ， 220Mpa和350MPa +/- 10MPa的屈服強度的典型結果如圖8，圖9，圖10，圖11以及圖12所示。圖8所示的是追蹤每寬度

單位的逐月負載，而圖9，圖10，圖11以及圖12所示的是選定月份的負載伸長率。

結論CMI開發能夠檢測工藝緩慢漂移和預測可能出現的問題的數據處理系統的目標，導致一些被定義良好的指標和鍋熱平衡的工具以及在高爐煤氣消耗和表面冷軋機方面需要獲得更多的調整。

在這一點上，當著眼於一個問題頻繁出現的老化的連續生產線，預測可能出現的質量問題甚至更大。由於開發方法有助於檢測在測量和工藝窗使用過程中出現的緩慢漂移，它不僅有意義、易於在新生產線中實現，同時由於系統的靈活，也可以應用在老化生產線中；使用工藝數據記錄在現有的生產線計算機中；根據工藝的不同時間段進行平均；過濾器只考慮穩定和一致的條件。到目前為止，這個方法已應用於一個具體的連續鍍鋅生產線的三個重要環節。這些工藝是：鍋熱平衡，爐內燃氣消耗和表皮光軋。

所有三個工藝的發展階段是不同的，

尤其是在建立和隨時間追蹤的主要指標的識別方面。試點目前現狀可歸納成為如下幾點：

•熱鍋的平衡工作狀態良好並有效地檢測到錯誤的鍋進料溫度，包括橫向均勻性以及入口吻部的絕緣性修正。

•定義的熱循環每噸鋼產量的爐內氣體消耗在+/-10%範圍內變化。這可能不允許檢測退火溫度漂移。然而，一個與所確定的每小時總氣體消耗量和煙塵溫度相關性之間的最終偏差將表明在燃燒系統的變化。

•表皮光軋壓力延伸地圖定義條帶強度和伸長率的已被證明是一個很有前途的在工藝窗變化檢測的指標。此外，張力的變化，負載或驅動操作或頂部和底部之間的軋輥扭矩很容易得到。

CMI仍需要時間來完成研發工作，主要是通過連續的數據收集和數據分析，用以繪制真正的漂移圖。

有了這個信息，應用的方法的效率，與過程和指標的初始目標相比，最後需要進行驗證並且全面綜合評估該方法的整體性能。█

保了在分離開始後，所有分離出來的高溫液態金屬，當被用於鋼鐵廠時，都具有足夠低的硅含量(圖9)。

考慮到一旦到了季風雨季，在高爐所在的區域，特別是在高爐渣的渣坑中，就會存在大量的水，這就意味著，在這個時間段，就需要主要採取安全的預防措施。印度鋼鐵局管理公司(SAIL)管理人員自己承擔起了這個責任，從而確保新製造的第5號高爐不會有事故發生。

一個具有高容忍度的熔爐在試產擴量期間，該熔爐似乎具有非常高的容忍度和接受性，例如，可以容忍和接受許多的低爆炸時間，其原因可能在高爐複雜之內，還可能超出了該高爐的複雜性。意大利達涅利康力斯公司(Dan i e l i Corus)還為魯爾克拉鋼工廠(RSP)的全體人員提供了大量的培訓，這些人員包括了操

作、維護以及自動化的工作人員。最終的結果是令人振奮的，因為在開

爐之後，立即進行試產擴量運行的幾個月中，幾乎不需要任何的輔助設備；這之後，魯爾克拉鋼工廠(RSP)的操作者接管了該高爐並且將它進行了進一步的提升。

從過渡階段到正常運作在經過了開爐和試產擴量階段以後，要從過渡階段轉換到正常運行階段是很快的。利用這些勞動密集型的階段，以及直接介入過時的低壓槽和流道系統的需求，可以明確一些工作領域和平台，並且澄清某些家政管理。

兩個鑄造澆注場都樹立了極好的例子，因為既然運作區域已經清楚了，並且操作也已經正常化了，那麼沖洗和平坦的設計就能為我們提供所有預期的人體環境改造學的優勢。

結論• 魯爾克拉鋼工廠(RSP)的第5號工程

項目證明，如果全體員工都致力於該工程項目，並且工廠的管理人員也很願意展示自己的領導能力，那麼，工廠的生產能力就可以在幾年內順利地翻一番。另外，通過投資最好的現有技術，並且對操作和維修人員都進行相關的培訓，也可以持續實現工廠的生產能力翻一番。

• 目前的技術，考慮了尚未開發的設備，而這些設備將融入到緊湊的平面佈置圖中，並且能夠與現存的工廠物流系統毫無問題的相匹配。不管怎樣，就對這個處理過程而言，當設備，比如熱空氣流和氣體淨化系統，變得更加緊湊，而不是考慮越來越複雜的連接和約束時，技術的發展可能就是有益的。

• 就印度的經濟發展而言，在中-長期時間段內，其前景是充滿希望的。因此，在不久的將來，還會有類似的工程項目，這也是意料之中的事，而且在未來這些工程項目的施行中，從現在的項目中所得出的經驗教訓，就設計和施工方面來說，都將會被證明是有價值的。在該地區的其它許多發展中經濟體中，對尚未開發地區的工程項目則具有更長遠的期盼，因為通常來說，在印度，幾乎沒有工程項目棕色地帶(指城中舊房被清除後可蓋新房的區域)的概念。 █

熔爐

u 22 漂移檢測系統的研發

圖11 印度鋼鐵局管理公司（SAIL）董事長CS Verma參與開幕式



現今鋼鐵企業的數量比以往任何時候都要多，他們高度重視運營的實現和成本效率。管理者和工程師們由於增加了工廠的生產力而被授予獎勵的現象正變得愈發常見。其結果是，專業維護人員正結合積極的策略以幫助他們實現生產目標。

油品分析是當下最流行的實施維護方案之一，它由包含了一系列的測試，用以確定條件設備組件和潤滑油服務中的條件。油品分析提供對污染的預警有助於專業維護人士延長設備組件和潤滑的壽命。

最大限度地減少計劃外維護。

回歸基本應當遵循一定的協議來確保油品分析結果的準確性。首先，專業維護人員應該始終使用干淨、干燥的容器來畫油樣，在油樣收集前任何粒子在容器中都可能導致不準確的結果。大多數油品分析公司提供了樣本收集罐。

維護和生產工程師畫樣本應該從設備的正常操作溫度和當設備在使用或在

線時的溫度下。如果在線畫樣不能實現，可以在設備關閉後30分鐘內畫樣。

油樣應該總是以同樣的方式，從相同的採樣點採樣。樣本可以從油管從儲液器或油底殼(油槽)，閥門裝在系統返回的加壓油管上(過濾器前)，在供應到系統的加壓管上(過濾器前)，在儲液器壁上、特殊配件或儲液器與油底殼的排出管(閥或插頭)。

為了確定最合適的樣本點，則必須與你的油品分析提供者和機器製造商商定應用程序特定的建議。一旦確定了位置，應該注意維護記錄，以便樣品總是可以來自同一個地方。序貫使用石油樣品可以進行比較並提供準確洞悉設備和潤滑條件的趨勢來確保分析結果。

油樣應始終在設備排出之前取得。如果油品已經被排出，樣本已取，那麼認為可以繼續使用，產品沒有辦法被例如液壓裝置和變速箱的組件再次利用。另外，不要再換油後或者新加大量的補給油後立即在機器中採樣。

專業維護人員建議要經常要設置集

樣間隔時間，以便可以及早發現設備問題。抽樣檢查通常比修理或生產損失成本更低。行業標準建議實施每季度採樣制度。然而，如果出現異常水平的磨損或污染物元素，振動數據有增加，流體系統經過徹底檢修後或泵改變後又或者當新設備部件投入使用後有溫度的升高等情況，建議採取更加頻繁的取樣。

特殊應用程序經驗選擇一個有特殊應用程序專業技能和與原始設備製造商(OEMs)良好的人際關係的油品分析合作伙伴是極其寶貴的。O E M s建立在對設備模型、潤滑油、應用程序和操作環境的專有控制權限的基礎上。針對油品分析結果對比，這些預先確定的保障措施可以幫助專業維護人員對潤滑油和設備的控制條件做出最明智的決策。

銅經常被發現用於液壓系統的油品分析，這是因為泵通常用銅合金、殼管熱交換器通常由銅或銅合金製成的。這些材料接觸到液壓機液體，在合適的條件下，銅可以分解形成石油。

在至少50到250小時的運行時間裡，可能可以發現銅含量水平升高(通常少於500 ppm)。研究表明，銅含量水平與連續操作無關，且不會影響液體運行特性或氧化穩定性。

在線效率大多數分析公司提供某種程度的在線功能，因此，根據油品分析合作伙伴如何能幫助加速油品分析的執行過程的評估是非常重要的。等任務管理及更新設備的登記、印製完成樣品瓶，訂購額外的取樣工具和確認交付樣品可以使用在線工具簡化。專業維護人員也可以用適當的工具武裝強大在線程序以此來武裝作出更明智的決定。

長期的成功選擇一個擁有特殊應用專業經驗，與O E M s公司有着親密關係並且能提供一個全面的在線油品分析的石油分析提供者將有助於工廠專業維護人員實現他們公司的以及他們自己的生產目標。█

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油品分析程序能幫助專業維護人員延長其設備的使用壽命以及最大限度地減少了計劃外的停機時間。作者Jarmo Vihersalo*。

潤滑油質量的監測

維護

* 歐洲人，非洲和中東的能源工業營銷顧問，就職於埃克森美孚燃料和潤滑油公司



在單個的處理步驟中，熱衝壓工藝結合了加熱成形以及之後的淬火硬化過程。這個過程是與硼合金鋼的化學成分相匹配的，因為它為淬火過程創建了一個穩健的工藝窗口，而淬火過程則能夠引起馬氏體轉變。當將尚未加鍍層的硼鋼從熔爐轉移到其他媒介中時，在硼鋼未加鍍層的表面，就會形式一個不規則並且很粗糙的氧化鐵層。因為硼鋼直接與大氣中的氧氣接觸，因此會發生氧化反應，導致表面脫碳，這將不利於硼鋼的某些最終屬性。為了避免在熱衝壓過程中的剝落，在全世界範圍內，我們已經開發出了各種不同類型的鍍層。在目前的工作中，我們一直都在努力，希望通過使用一種熱浸鍍過程模擬器(HDPS)，能夠開發出以鋁和硅為基礎元素的鍍層，從而避免在熱衝壓過程中，B型錳鋼的氧化反應或者表面脫碳。我們通過使用熱浸鍍過程模擬器(HDPS)，進行了某些實驗，來確定含鋁離子的鍍浴電解質的最優成分組成以及其他鍍層參數(鍍浴電解質的溫度、浸漬時間等等)，從而在熱衝壓過程中，在鋁硅鍍層的抗腐蝕性、粘附性、無裂紋以及無空隙鍍層等方面，均實現其優越的性能。我們已經發現，在鍍浴電解質中，當硅元素的含量為13% ，鈉元素的含量為1% ，其余都為鋁元素時，為最佳鍍浴電解質成分組成。當以鋁硅為基礎元素，對B型錳鋼板進行鍍層時，在抗腐蝕性、可成形性以及鍍層的粘附性方面，均能夠實現其優越的性能。

簡介在汽車製造業中，為了提高車輛的安全性以及降低車輛對燃料的消耗，需運用錳硼鋼(22MnB5)，進行輕量型車身部件的生產，而這種趨勢就目前來說，正在迅速增加。在室溫條件下，超高強度鋼的成型加工，受到鋼材本身低成型性和相當大的彈性回復效應的限制。因此，熱衝壓被人們所接受，成為一種廣泛使用，並且可行的替代解決方案。對於金屬鋼板來說，熱衝壓過程是一個非等溫的成型過程，在該過程中，成型和淬火在同一個工藝步驟中進行1。這個過程運用的原理是，當鋼板溫度升高時，奧氏體相中硼合金鋼的屈服應力降低，這可以使零件以超高強度、最小彈性回複的特性被生產出來，同時

也降低了薄板的厚度。熱衝壓工藝大大擴充了零件生產的可能

性。就目前而言，有兩種常用的熱衝壓方法，也就是直接熱衝壓方法和間接熱衝壓方法。兩級間接熱衝壓工藝能夠允許更加複雜的成型零件的生產，但由於上游冷衝壓和隨後的熱衝壓兩個階段的存在，其工藝更為複雜，成本也變得更加高。因此，不管怎樣，一階段直接熱衝壓仍然是最常用的熱衝壓方法，並且非常適合於處理帶熱浸鍍噴鋁鍍層的錳硼鋼。另外，防止鍍層剝落，這是一個加熱成型過程的典型特性，因此，這將延長成型模具的生命週期。在加熱過程中，保護鍍層轉化為了一個由鐵-鋁-硅三種元素組成的合金層，該合金層牢牢的粘附在基底上，並且具有很好的抗腐蝕性能。然而，在金屬相

間化合物形成方面，當溫度很高時，鋁硅鍍層的脫落，會使金屬內部形成柯肯特爾空孔和裂縫。考慮到上述情況，我們需要不斷努力，為熱衝壓操作開發新類型的鋁硅鍍層，從而使熱衝壓操作不受上面提到的鍍層脫落的影響。鑒於上述情況，我們當前工作的主要目標是，優化含鋁離子的鍍浴電解質的組成成分(即Si元素的含量和其他合金元素的含量)以及優化鍍層參數(即鍍浴電解質的溫度和浸漬時間)，從而在熱衝壓過程中，在鋁硅鍍層中，與抗腐蝕性和粘附性相關的特性、以及在確保鍍層無裂紋和無空隙等方面，都實現了其優越的性能。

實驗在熱浸鍍過程模擬器HDPS中，HDPS的實物圖如圖1所示，通過改變含鋁離子的鍍浴電解質中硅元素的含量(含量變化範圍為6%至13%)，退火溫度(溫度值變化範圍為700 攝氏度至750攝氏度)，時間(變化範圍為60秒至90秒)以及鍍浴溫度(溫度值變化範圍為590攝氏度至610攝氏度)，我們已經對B型錳鋼基體進行了某些實驗，並且B型錳鋼基體化學成分如表1所示。然而，其他參數，比如：浸漬時間(在這個實驗中，取值約3秒)，低溫退火環境的露點溫度(取值零下20攝氏度)，含鋁離子的鍍浴電解質中鋁元素的含量(取值約1.0%)，噴嘴的

一直以來，我們都在努力，希望通過使用一種熱浸鍍過程模擬器(HDPS)，來開發一種以鋁和硅為基礎元素的鍍層，從而避免在熱衝壓過程中，B型錳鋼的氧化反應或者表面脫碳。— S.K. Shukla*, M. Deepa*, Anjana Deva*, Santosh Kumar*, Atul Saxena* 以及 B.K. Jha*

在熱浸鍍過程模擬器(HDPS)中對鋁硅鍍層進行模擬研究

*印度，恰爾肯德邦，蘭契市鋼鐵研究和發展中心(RDCIS)，印度鋼鐵管理有限公司(SAIL)，郵編：834002，企業郵箱：[email protected]

圖1 鋼鐵研究和發展中心(RDCIS)熱浸鍍過程模擬器(HDPS)的全視圖

碳 0.23

錳 1.26

硅 0.28

硫 0.008

磷 0.015

鉻 0.16

硼 0.003

鈦 0.023

鋁 0.044

元素質量分數 (%)

表1 用於模擬研究中的B型錳鋼基體的化學組成成分

鍍層



距離(取值17毫米)以及摩擦接觸氣體的流速(取值200 lpm)，在實驗過程中均保持不變。

在每個模擬試驗中，尺寸為200毫米 (長)×120毫米(寬)的B型錳鋼鋼板，在一個氫氣含量為20%、氮氣含量為80%的低溫退火環境中，以30攝氏度每秒的速度被加熱到退火溫度，並且在該溫度下保溫了60 - 90秒。在試驗期間，低溫退火環境下的露點溫度都保持大約為-20oC。低溫退火之後，將試樣在氮氣以大約4攝氏度每秒的速度進行冷卻，一直冷卻到鍍浴溫度附近(一般比鍍浴溫度高5oC)，並且在浸入到鍍鋅槽之後，樣本將以10攝氏度每秒的速度冷卻到室溫。

採用鋁硅鍍層的B型錳鋼試樣的特征在於：鍍層厚度、抗腐蝕性、成型性、粘附性以及微觀結構。鍍鋅試樣的鍍層厚度(CT)是通過使用Defalsko鍍層測厚儀(即鍍層測厚儀6000)測定的。對鍍鋅鐵薄板(GI)的成型性特征的評估，是通過使用德國儀立信公司生產的皮碗試驗器進行的。並且在測試期間，鍍層開始出現裂紋或者開始剝落的點，就是當衝壓機的運動被認為是德國儀立信皮碗試驗器時，所測量出的組成成分的值。對鍍層薄板的塗層粘附性的評估，是通過一個鎖狀的成型測試儀進行的。對鍍層薄板的腐蝕速率的測量，是通過塔菲爾標繪方程，使用一個穩壓器，在下列條件下進行的：

實驗溶液：質量分數為3.5%的氯化鈉溶液參比電極：銀—氯化銀。掃瞄速度：0.1 mv/s。掃瞄範圍：±20 mv。

通過使用一個掃瞄電子顯微鏡和一個EDAX(能量色散x射線分析)系統，對模擬的鍍鋁薄板試樣進行了金相分析。依據熱處理的操作流程，鋁硅鍍層B型錳鋼試樣都需要經歷一個熱處理週期(即以8攝氏度每秒至10攝氏度每秒的加熱速度，一直加熱到930攝氏度，並且在930攝氏度的溫度中保溫5分鐘，然後以40攝氏度每秒的速度進行冷卻)。另外，需要

對完成了熱處理的鋁硅鍍層進行金相分析，從而來檢驗鍍層中的金屬剝落。

結果與討論低溫退火參數對鋁硅鍍層質量的影響

對於B型錳鋼基體的鍍層實驗，開始使用的鍍浴電解液組成成分是：硅元素的含量為13%，鈉元素的含量為1%，其余都為鋁元素。最初，依據傳統的鍍鋅或者噴鋁的實驗過程中低溫退火週期不變的經驗，在鍍層實驗過程中，低溫退火週期也是保持不變的。鋼鐵試樣以30攝氏度每秒的加熱速度，一直加熱到700攝氏度的低溫退火溫度，並且在這個溫度下，在一個氫氣含量為80%、氮氣含量為20% 的低溫退火環境中保溫45秒。低溫退火環境的路點溫度維持在零下20攝氏度。試樣隨後進行冷卻，一直冷卻到大約為 600攝氏度(在這種情況下，試樣冷卻後的溫度一般比鍍浴溫度——590攝氏度，高10攝氏度)，然後將試樣在鍍浴中進行浸泡。在檢查鍍層試樣時，我們發現，鍍層並不是均勻的分佈在試樣表面的，而且鋁硅鍍層只在很少的幾個位置出現。在隨後的實驗中，低溫退火溫度被增加到750攝氏度，並且在該溫度下的保溫時間將在60秒到90秒之間變化，而其他參數則保持不變。這時，我們觀察到，在低溫退火溫度為750攝氏度時，一個更高的均熱時間(90秒)，將導致一種高質量的鍍層。也就是說，在低溫退火溫度為750攝氏度保持不變時，均熱時間越長，鍍層的質量也越高。因為一個更高的保溫時間，能夠允許試樣更好的減少存在於鋼鐵表面上的氧化物，從而導致更好的鍍層質量。也就是說，保溫時間越長，試樣表面存在的減少的越多，試樣表面的鍍層質量也越高。隨後，在所有的實驗(含鋁硅元素的鍍浴電解液的成分不同)中，低溫退火溫度為750攝氏度以及在該溫度下的保溫時間為90秒，這兩個參數將保持不變。

用鋁硅鍍層的B型錳鋼鋼板的性能採用鋁硅鍍層的B型錳鋼試樣的典型特征，可

以從腐蝕速率、成型性屬性、鍍層的粘附性以及微觀結構等方面來對其進行描述。對鋁硅鍍層B型錳鋼試樣的抗腐蝕性的測量，是通過一種使用塔菲爾標繪的電偏振測試進行的。根據該試樣加工過程的條件，其電偏振測試所測得的腐蝕速率值在1.4mpy到12.4 mpy的範圍內變化。對於鋁硅鍍層薄板而言，當它在硅含量為6%的含鋁離子的電解液中進行表面鍍鋁時，其通過電偏振測試所測得的腐蝕速率在6.4mpy到12.4 mpy的範圍內變化。然而，當鋁硅鍍層薄板是在硅含量為10%和13%的含鋁離子的電解液中進行表面鍍鋁時，其電偏振測試所測得的腐蝕速率的變化範圍分別為：3.3mpy到4.4mpy以及1.4mpy到4.1mpy。在圖2中，對採用鋁硅鍍層的薄板的腐蝕速率，與傳統的鍍鋅薄板的腐蝕速率相比後的結果，進行了顯示。

採用鋁硅鍍層的薄板的腐蝕速率與傳統的鍍鋅薄板的腐蝕速率相比，具有更好的優越性。因為鋁元素能夠提供更高的氧化作用和抗腐蝕性能，由於其能在鋼板的表面形成了一個堅韌的具有保護性的氧化膜——三氧化二鋁。也就是說，在鍍層中加入鋁元素，能夠減緩腐蝕速率，是因為鋁元素的存在於空氣中的氧氣發生氧化反應，在試樣鋼板表面形成了一層三氧化二鋁的氧化膜，該氧化膜具有很好的抗腐蝕性能，從而阻止了鋼板的進一步氧化和腐蝕，減緩腐蝕速率。此外，隨着含鋁離子的電解液中硅含量的增加——其百分數從6%增加到13%，鋁硅鍍層的腐蝕速率顯著改善——從硅含量為6%時的9.4mpy的腐蝕速率，一直減小到硅含量為13%時2.75mpy的腐蝕速率。分析其原因，因為鋁融化物中硅元素含量的增加，導致了鍍層結構中鐵—鋁—硅各相結構的成型，這種結構的形成，會抑制陰極反應，從而減緩腐蝕速率。因此，更高的硅含量(約13%)能夠導致硅鋁鍍層具有更好的抗腐蝕性，即當鋁融化物中硅元素含量的增加，鍍層試樣的抗腐蝕性變好。

新開發的鍍層薄板的成型性能，是根據

圖2 鋁硅鍍層薄板相比於傳統鍍鋅薄板的腐蝕速率圖3 鋁硅鍍層薄板的成型性能與傳統鍍鋅薄板成型性能進行比較的結果

鋁—6%硅鋁—6%硅

腐蝕

速率

，一

mpy

德國

儀立

信皮

碗試

驗器

測量

值

鋁—10%硅鋁—10%硅鋁—13%硅鋁—13%硅傳統鍍鋅鋼板傳統鍍鋅鋼板

鍍層



德國儀立信皮碗試驗器所測量出的組成成分的值進行量化的。在模擬用的鍍鋁薄板中，根據鍍浴電解質的組成成分以及薄板加工過程的條件不同，其測量值在9.0毫米到11.8毫米之間變動。圖3中顯示了，鋁硅鍍層薄板的成型性能，與傳統鍍鋅薄板成型性能進行比較的結果。

一般來說，在鋁含量為100%的鋁電解質鍍浴中進行鍍鋁的鋼板，將呈現出一種有限的可成型性，因為試樣的成型性是受化合物層的厚度影響的，所謂化合物層，即試樣成型時所形成的合金層。出於這個原因，也就是說，在這種情況下，成型性是一個必須要滿足的要求。此時，在含有硅元素的熔化物中，鍍鋁能夠更好得進行。鋁硅鍍層的顯微組織顯示，當熱浸鍍鋁(HDA)是在鋁含量為100%的純鋁中進行時，其接觸面會呈現一個指狀或者樹枝狀的剖面，而當熱浸鍍鋁(HDA)是在鋁硅合金中進行時，就會產生一個比在純鋁中進行時，更加平坦的接觸面。也就是說，在純鋁中加入硅元素，形成鋁硅合金，使熱浸鍍鋁(HDA)在鋁硅合金中進行，而非純鋁中進行，能顯著改善鍍鋁鋼板的成型性能，從而獲得更加平坦的接觸面。此外，總的來說，在鋁硅合金中進行熱浸鍍鋁(HDA)獲得的化合物層的厚度，相比於在鋁含量為100%的純鋁中進行熱浸鍍鋁(HDA)時所獲得化合物層的厚度，要小得多。圖4—圖6給出的顯微結構圖表明，化合物層的厚度，以及化合物層或者基底接觸面的剖面，都受到熔化物中硅元素含量的影響。

我們觀察到，當熔化物中硅元素的含量達到大約為13%時，接觸面幾乎變成了一個完全的平面。當進一步增加熔化物中硅元素的含量時，在化合物層的厚度、化合物層或者基底接觸面的剖面上，都沒有引起任何明顯的變化。將硅元素加入到鍍鋁熔化物中，會產生指狀的增長模式。這種模式，將一直持續到這些指狀紋理逐漸消失。我們認為，出現這種狀況的原因，是由於接觸面上能量的增加或者通過五鋁化二鐵表面擴散損失的能量的減少3。然而，我們通過研究，觀察到：鋁硅鍍層薄板最好的成型性能，是在硅元素含量為13%，鈉元素含量為1%，其余為鋁元素的電解質中進行熱浸鍍時獲得。這可能是因為，由於共晶反應，當硅元素的含量為這個水平時，可保持較低的鍍浴溫度。因而，

圖4 鋁—6%硅鍍層的B型錳鋼試樣的微觀結構及其能量色散X射線分析圖5 鋁—10%硅鍍層的B型錳鋼試樣的微觀結構及其能量色散X射線分析圖6 鋁—13%硅鍍層的B型錳鋼試樣的微觀結構及其能量色散X射線分析圖7 鋁—13%硅鍍層的B型錳鋼熱處理(加熱速度：12攝氏度每秒)後的試樣微觀結構及其能量色散X射線分析圖8 鋁—13%硅鍍層的B型錳鋼熱處理(加熱速度：10攝氏度每秒)後的試樣微觀結構及其能量色散X射線分析

圖 4

圖 7

圖 8

圖 5

圖 6

光譜5

光譜5

光譜2

光譜1

光譜1

光譜1

千電子伏特

全尺寸59928cts 指標：6.394 (2444cts) (keV)

千電子伏特

全尺寸44602cts 指標：6.402 (4797cts) (keV)

千電子伏特

全尺寸38280cts 指標：6.402 (4777cts) (keV)

千電子伏特

全尺寸1829cts 指標：6.406 (387cts) (keV)

千電子伏特


光譜2

光譜1

光譜1

光譜1

元素

电子鏡像1

电子鏡像1

电子鏡像1

电子鏡像1

电子鏡像1

氧(O K)鋁(Al K)硅(Si K)氯(Cl K)錳(Mn K)鐵(Fe K)鋅(Zn K)總計

質量分數% 原子%

元素碳(C K)鋁(Al K)硅(Si K)鐵(Fe K)鋅(Zn K)總計




元素鋁(Al K)硅(Si K)鐵(Fe K)鋅(Zn K)總計


元素鈉(Na K)鋁(Al K)硅(Si K)鐵(Fe K)總計


鍍層



鍍層

圖 4

圖 7

圖 8

圖 5

圖 6

光譜5

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光譜2

光譜1

光譜1

光譜1

千電子伏特

全尺寸59928cts 指標：6.394 (2444cts) (keV)

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全尺寸38280cts 指標：6.402 (4777cts) (keV)

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千電子伏特


光譜2

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元素

电子鏡像1

电子鏡像1

电子鏡像1

电子鏡像1

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氧(O K)鋁(Al K)硅(Si K)氯(Cl K)錳(Mn K)鐵(Fe K)鋅(Zn K)總計






元素鋁(Al K)硅(Si K)鐵(Fe K)鋅(Zn K)總計


元素鈉(Na K)鋁(Al K)硅(Si K)鐵(Fe K)總計


* Steel consultant. 電郵：[email protected]

可以在鋼鐵鍍層表面產生更少渣滓，同時也能以較慢的速度形成鐵—鋁—硅三種元素組成的金屬間化合物4。此外，對於共晶硅生長中，其形態從片狀到纖維狀的轉變，是由於鋁元素相和硅元素相在成核和生長過程中，鈉元素對其產生了影響。對鋁硅鍍層薄板的鍍層粘附性的評估，也是通過利用鎖狀成型測試儀進行測定的。

對於大部分的薄板而言，均能夠提供最好的鍍層粘附性，並且在薄板彎曲部分的附近，也沒有觀察到裂紋。然而，在某些情況下，我們也能發現細小的裂縫，特別是當鋼板是在硅元素含量為6%，其余為鋁元素的熔化物中進行熱浸鍍時。

對經過熱處理的鋁硅鍍層薄板的鍍層質量評價在硅元素含量為13%，鈉元素含量為1%，其余為鋁元素的電解質中進行熱浸鍍的B型錳鋼鋼板(已經被證明是具有最好性能的鍍層鋼板)，在熱浸鍍過程模擬器(HDPS)中，當進行了熱衝壓過程之後，還需要經歷一個熱處理週期。在該熱處理週期中，其加熱速率(HR)在10攝氏度每秒到12攝氏度每秒的範圍內變化。而且，其加熱溫度是故意保持在一個較低的溫度值的，用以防止鋁硅鍍層熔化(鋁硅鍍層的熔點大約為600攝氏度)。經過熱處理後的鋁硅鍍層的微觀結構，如圖7和圖8所示。從圖7中，我們可以看出(這種情況下，熱處理時的加熱速度為12攝氏度每秒)，由於採用了一個更高的升溫速率，在鋁硅鍍層表面，存在着一些裂縫和孔隙。然而，鍍層並沒有被熔化，這是因為在衝壓成型之前，在加熱過程中，產品的鍍鋁層發生了一些變化，轉化成了一種鐵鋁合金相，而這種鋁鐵合金相，具有很高的熔點。也就是說，當加熱速率加快時，雖然鍍層表面會產生裂紋和孔隙，但更高的加熱速度會使試樣表面產生高熔點的合金相，因此，不會是鍍層熔化。另外，當在某種情況下，對鋁硅鍍層的加熱速度為10攝氏度每秒時，通過觀察，我們並沒有發現裂紋和孔隙，此時，試樣的微觀結構及其能量色散X射線分析圖如圖8所示。並且我們還發現，此時的鋁硅鍍層相較於加熱速度為12攝氏度每秒的情況下的鍍層，具有更加平滑和均勻的特點。

總結• 為了在B型錳鋼基板上得到更好的鍍層質

量，對於一個氮氣含量為80% 、氫氣含量為20%的環境，在露點溫度為零下20攝氏度的情況下，薄板必須在750攝氏度的溫度條件下進行退火處理，並且退火所要保持的時間至少為90秒。

• 鍍鋁用的鍍浴中硅元素含量的大小，顯著地影響着鋁硅鍍層B型錳鋼鋼板的抗腐蝕性能以及其成型性能。對於硅元素含量為

13%，鈉元素含量為1%，其余為鋁元素的電解質成分組成，從腐蝕速率(相對於1/3rd w.r.t的傳統鍍鋅薄板)、成型性能(以基底為標準)以及鍍層粘附性(依據鎖狀成型的質量標準)的角度來看，這種組合可能是最佳的電解質組成成分，能夠使鍍層具有最好的性能。

• 在熱衝壓循環週期中，為了避免鋁硅鍍層的剝落，其加熱速度必須低於10攝氏度每秒，並且必須維持在這一水平上，從而得到無裂縫和無空隙的鍍層，這種做法，還可以防止鍍層的熔化。

感謝作者感謝印度鋼鐵管理有限公司(SAIL)管理人員的支持和鼓勵，並且非常感謝這篇論文能夠得到發表的許可。同時也感謝鋼鐵研究和發展中心(RDCIS)實驗室的工作人員。█

參考文獻1 Masayoshi SUEHIRO, et.al, "Properties of

Aluminium-coated Steels for Hot-forming", NIPPON STEEL TECHNICAL REPORT No. 88 JULY 2003, pp 16-21

2 A.Naganathan, "Hot-Stamping of Manganese Boron steel". MS Thesis submitted at Ohio State University, 2010

3 Lenze, F, J., Banik, J., Sikora, S.,"Applications of hot formed parts for body in white", ThyssenKrupp Steel, Dortmund, Germany, International Deep Drawing Research Group Proceedings, Olofström, Sweden, June 2008

4 Wilsius, J.; Hein, P.; Kefferstein, R., "Status and future trends of hot stamping of USIBOR 1500 P" Arcelor Research Automotive Applications, 1. Erlangener Workshop Warmblechumformung 2006, Bamberg, Meisenbach 2006

5 Altan, T.; Yadav, A., "Hot Stamping Boronalloyed Steels for Automotive Parts – Part II" ERC/ NSM, Ohio State University, Stamping Journal, Jan. 2007

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Noticias Internacionales del Sector del Acero

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煉鐵

減少污染物的排放量，減少煤炭處理塔的數量，減少冷卻系統的數量，減少焦爐的數量，當然不能忽略降低對人力的要求以及增加設備運行的壽命，所有的這一切對大容量的焦爐來說，都是有益的。 — 本文作者：Ralf Neuwirth *。

大容量的焦爐

從歷史上來看，大多數焦化廠在建廠之初都是使用的相對小型化的焦爐，這種焦爐的產量較低。後來，為了應對市場上對焦炭的大量需求，這些小型化的焦爐都被連接上了大量與原先焦爐尺寸相當的爐子。甚至有些焦化廠在一開始的時候就設計要一個更大的生產量，那麼通常情況下，它們將會考慮在小型化的焦爐後面接上大量的焦爐，串聯在一起共同生產，因為在那個時代，單個的大產量的焦爐是不夠適用的。

雖然現階段技術研發者在不斷地發展焦爐，使得焦爐的尺寸正在不斷增大，同時生產能力也在不斷增加，但是，足夠大尺寸的單個焦爐的數量還是相當有限的。目前，世界上的大多數焦炭的生產還是來源於這樣的焦爐，其尺寸為：爐內高度大約為5米到6米，爐膛長度大約為14米到16米，其寬度大約為0.40米到0.45米，單爐的生產量大約在30萬噸/年到50萬噸/年之間。

在大多數情況下，投資者普遍不太願意投資建造現代化、大容量、高參數的焦化廠，這些大多是由於一些新的要求導致的，比如，新廠必須要適應現有的基礎設施、連接的站點或者現有的工廠規模。這些硬性的要求在很大程度上限制了新的大型化的焦化廠的發展。然而，由於投資廠商的預算是極低的，因此，大量投資者放棄了需要極高投資的最新焦爐設計，儘管其具有長期的經濟效益和環保性能，取而代之的是使用那些他們熟悉的價格低廉的老式焦爐，這種老式焦爐的環保性能較差，而且能夠提供的優勢也是十分有限的，同時，由於環保要求的不斷提高，這種模式也無法長期發展下去。

儘管大尺寸、大型化的焦爐的建立可以更加有效地適應高生產量的要求，而且更加環保，但是有限的施工空間卻限制了焦爐大型化的發展。然而，另一個需要注意的方面是，大型化的焦爐相比於小型化的爐子，有着十分顯著的優勢，這是不可否認的，這些都將會在本文中進行解釋說明，當然，這其中還包含了大量的對比兩種焦爐的優缺點的實測數據，可以對比分析，以增加說服力。

定義“大容量的焦爐”的定義為這樣一種焦爐，對於“單一操作單元”來說，必須保證其每年的焦炭產量超過150萬噸。

“單一操作單元”這個術語的定義為，

一台焦爐在運行，同時配備了下列設備或人員共同運作：• 一套完整的焦爐服務機器。• 一個單獨運行的給煤塔。• 一個單獨運行的焦爐冷卻系統。• 一個單獨運行的焦炭中轉站。• 每個班次一組操作人員。

焦爐的規模在20世紀初的時候，焦爐的規模主要由爐子自身的尺寸以及爐子的產量所限制的。焦爐的高度大概在2.5米到3米之間，其爐膛內的容積大約為10立方米到15立方米，至於生產量，大約每台爐子的產量為7到10噸。在最近一個世紀裡，焦爐的高度和膛內容積的發展如圖1和圖2所示。

位於德國杜伊斯堡的施韋爾格恩焦化廠是2003建成並投入生產的，它代表了焦爐發展到現在的最新尺寸，其高度為8.43米，長度為20.8米，寬度為0.59米，有效容積為94立方米，單台焦爐的焦炭產量為55噸，在全部70台焦爐中的任意兩台的年產量大約為270萬噸焦炭。這些設備的尺寸十分巨大，在實施這些大型化投資項目的早期階段，有關它的需求還是十分值得懷疑的，另外，這些工廠的設計和運行是否能夠安全進行，這也是難以掌握的。但是在建築和安裝空間的限制條件下，這也是唯一的途徑去安裝這樣一個滿足市場所需焦炭的

產量的焦化廠。然而，還有其他的重要因素與這類工廠

的建造密切相關，一旦涉及到投資的決策或者需要說服當地有關部門的批准，從而拿到經營許可證的時候，這些因素就將會是必不可少的了。

優勢對於大容量焦爐的優點最直觀的第一印象，就是比較不同尺寸的焦爐，在生產相同產量的焦炭的過程中，所需要的總的尺寸或者個數，如圖3所示，要求的總產量為200萬噸/年。

由圖表可以清楚直觀地看出，焦爐膛內尺寸的增加將會導致所需要的爐子個數的減少，這還將會導致下列情況：• 推動次數和運行成本的減少。因為大多數

的污染物排放，都發生在焦爐在爐膛打開和填料的時候，如果焦爐的尺寸增大了，那麼調料的次數就會相應的降低，導致的結果便是污染物總排放量的減少。

• 可以有效地減少對焦爐的爐蓋表面的密封的長度。在焦炭化學反應的過程中，使得對環境排放的污染物的量進一步減少。

• 對整個焦化廠來說，可以有效地減少整個廠區的面積要求。當某個廠區的外圍沒有辦法進一步向外擴展的時候，這一點將會顯得尤其重要。當然，它還可以大大節省對土地採購的投資，一舉數得，既減少對

*蒂森克虜伯工業處理方案股份公司，焦爐部門主管。

2.5m

3 m4 m

6 m

7 m

8 m

1900 1915 1925 1930 1985 2003

圖1 焦爐高度的發展變化



土地的消耗，又可以為工廠降低大量的成本，同時，還可以進一步保護環境，提高環境友好性，更好更長遠地發展。

• 可以同時減少大量的設備個數，對焦爐、煤塔、焦炭冷卻系統以及焦炭的運輸中轉站來說，這些組件的數量都可以成套地減少。對於在全局範圍內，減少對焦化廠的整體投資來說，這將是其中最不可忽略的一點，顯而易見，這對減少成本是至關重要的，也將是投資商最為關注的一個方面。

• 對於焦爐的操作人員來說，有一個最大的優勢便是對人力的要求將會降低。減少的人力需求不僅體現在相關設備的操作要求上，還體現在對工廠各個設備的後期維護以及維修上。顯然，這對於減少投資和生產運行的成本來說，這也將會成為一個主要的因素。

當我們提到減少人力需求這個方面的時候，有一個十分典型的例子便不得不被提到，那就是一個位於德國的焦化廠。該工廠的設施都比較老舊，這裡的焦爐的爐膛高度範圍在4米到6米，但是令人感到吃驚的是，憑借著如此落後的設備，該焦化廠卻能達到年產250萬噸焦炭的生產能力。可以想像，產量的龐大也帶來了大量的人力需求，對於該焦化廠來說，大量的人力需求應用到日常的生產操作以及後期的維護維修之上，折算成一台年產百萬噸的焦爐，其需求量達到了336人次。目前，該廠的老舊設備已經換成了最新的現代化大型焦爐，其爐內高度達到了8.4米，生產量也達到了年產270萬噸焦炭，在對該廠的焦爐進行了更新換代之後，人力資源消耗巨大的情況已經大為改觀，就現在來說，同樣折算為一台年產百萬噸焦炭的焦爐，其人員需求量已經減少為106人，還不到之前的三分之一。

當然，還有一個更深層次的優勢不得不提，尤其是對於寬度較大的焦爐來說，那就是大型化可以增加設備的使用壽命。

焦爐的使用壽命的決定因素是爐膛內的耐火磚的狀況。出焦的過程中產生了大量的機械應力，在系統開啟以及填料的時候，會產生熱量波動並衝擊耐火磚，這兩者都是導致耐火磚損壞的主要原因。根據國際範圍內的權威調查，焦爐的耐火磚的使用壽命的範圍在1.2萬

次到1.5萬次推壓之間。另外，對耐火磚的大修可以進一步延長焦爐的使用壽命。

根據一些已有的經驗和經歷，通過增加爐膛的寬度，焦爐的使用壽命可以大大延長。當然，這種比較只能基於爐牆具有相同的穩定性，更為重要的是，比較必須在完全類似的操作條件下進行，這也是很難做到的。

如上面所提到的那樣，耐火磚損壞的主要原因之一便是焦爐在推焦過程中所產生的機械應力，換句話說，這也是影響焦爐使用壽命最主要的原因之一。在焦爐內，焦炭生產完成後被推動離開爐膛所需要的力，決定了爐內產生的機械應力的大小。

在不同的爐膛寬度的焦爐中進行碳化實驗，結果表明，當焦爐的結焦時間延長時，煤炭的收縮率也明顯增加。如圖4所示，比較在爐膛寬度分別為450 mm和590 mm兩種情況下的收縮時間，結果顯而易見，寬度更大的焦爐的結焦時間顯著延長。因此，對於一個爐膛寬度較大的焦爐來說，焦餅與爐膛內壁之間將會形成一個相當大的縫隙，這個縫隙將會導致爐牆內壁與焦炭之間的摩擦大大減小，從而減小推動焦炭所需要的推力。由此可見，這也將成為增加耐火磚使用壽命的另一個重要的因素。

設計準則為了對焦爐的膛內尺寸進行優化，以下的主要標準必須加以考慮：

焦爐膛的長度。• 增加焦爐膛的長度尺寸是提高其生產能力的

最經濟的一種方式，當然，這同時也會增加蓄熱池的結構尺寸，並且會導致所需要的耐火材料的數目線性增加。而機電設備以及其他各種儀器的數量將幾乎保持不變。

• 當爐膛的高度超過16米時，所對應的爐膛寬度必須達到500 mm以上，才能夠使得系統完全匹配。這是由於煤炭收縮率的增加將會減少焦炭達到可接受的參數值所需的推動力。

• 爐膛長度越增加，對於加熱介質分佈的調整將會變得越複雜。為了簡化這樣一個複雜的系統，可以通過在蓄熱池的兩側增加一些加熱工質的供給以及添加一些廢氣的排放口。但是，另一方面，雙面的介質供

給方式又會相應地增加一些投資的成本。對於單面的介質供給系統來說，完全可以安裝長度超過20 m的蓄熱池，這已經在實踐中成功實施並且得到驗證了。然而，對加熱系統的精確調整還將會花費大量的時間，才能保證完全無誤最優化的運行。

焦爐膛的高度。• 通過擴大焦爐膛的高度來提高焦爐的生產

能力，這是一種最昂貴的方式。首先，當爐膛的高度增加時，為了保持爐壁的尺寸穩定在相同的值上，從而達到尺寸的匹配，焦爐的寬度和爐壁之間的間距都必須相應的加大，這樣做所導致的結果是，耐火磚的數量將會急劇增大，增加的速度可能會超過線性的變化。而且除此之外，隨着這些尺寸的增加，各種相關的機械設備的數量也將大量增加，隨之而來的便是投資成本的不斷增加。

• 由於焦爐膛的高度的增加，以及絕對的煤炭收縮率的提高(或者是期望值)，導致了對精確操作的要求也在不斷提升。同時，這也將會導致在煉焦反應過程的後期階段，將會產生一個巨大的集氣空間，另外，還會出現一個過熱以及積碳的趨勢。為了減小甚至是避免這些如上文所提到的負面影響，在挑選和準備用於煉焦的煤炭的時候，必須要把這些因素考慮在內，在填料的過程中，要確保爐內溫度分佈的正確，嚴格按照正確的步驟和時間進行出焦和填料。

• 隨着焦爐膛的高度的增加，在垂直方向上，爐內溫度分佈的調整變得更為複雜。因此，在爐內安裝一個精確可調、分級供給空氣的燃燒系統以及一個廢氣回熱再循環系統，這將是非常重要的，當然，對這類焦爐來說，這兩者都是必須要有的，二者缺一不可。

焦爐膛的寬度。• 焦爐膛的寬度的改變對焦化廠的生產能力

的影響幾乎可以忽略不計。寬度增加時，實際情況與我們的想像甚至截然相反，爐膛寬度的增加沒有增加焦炭的產量，反而會導致焦爐的產量略有下降。這是由於焦化時間的延長與焦爐寬度的增加並不是完

煉鐵

1900

60

50

40

30

20

10

0

1920 1940 1960 1980 2000

單爐產量

13m 3

32m 339m 3

53m 3

76m 3

94m 3

腔內容積

焦爐高度 7.6m 6.0m 4.3m蓄熱池數量 2 4 5焦爐數量 140 220 325焦爐寬度 590mm 450mm 450mm爐膛內的有效容積 76m3 34m3 20m3

每天的出焦和填料次數 135 300 520系統密封條的總長度 4.8km 6.0km 6.5km(包括門、立管、填料孔) 安裝焦爐所需的空間 40,000m2 50,000m2 55,000m2

焦爐機器的套數 2 3 5運行團隊數 1 2 3

圖2 爐膛內容積的發展變化

圖3 運行不同尺寸的焦爐的焦化廠的對比



全對應的，有些地方甚至是不相稱的。• 另一方面，由於焦爐寬度的增加，也導致

了耐火材料的使用量略微增大，同時，一些機械設備的數量也略有增多。

• 更寬的焦爐會使得焦化反應時間延長，進而減少出焦和填料的次數。爐膛的寬度應該由出焦和填料的最佳次數所決定，而這裡所謂的最佳次數也是從對焦爐的優化中所得到的。

• 更少的出料和填料次數便意味着更少的污染物排放次數，單位時間內的污染物排放總量將會減少，換句話說，也就意味着這樣的系統會擁有更好的環保性能。

• 另一方面，結焦時間的增加將會導致煤炭收縮率的增大，進而減少出焦過程中所需要的推動力，減少輸入力的同時，還將延長耐火磚的使用壽命。

可供參考的焦化廠大容量的焦爐並不是最新的技術。在過去的10年裡，蒂森克努伯工業解決方案股份公司(原蒂森克努伯股份有限公司)已經建立了一系列的高容量、大型化的煉焦單元，其中包括施維爾格恩焦化廠和HKM焦化廠，他們也都位於德國的杜伊斯堡，其中，第一個焦爐於1984年獲准建造，第二個也已經在2014年完工。在歐洲，這是唯一可以參考的焦化廠，符合本文在前部分所定義的規模和生產能力。

與此同時，蒂森克努伯工業解決方案股份公司還在德國之外的其他國家和地區建立了另外一些大容量的焦化廠，他們位於中國和韓國。

在上述的這些焦化廠中，韓國的浦項鋼鐵公司(POSCO)和現代鋼鐵公司(HSC)的基礎設施的建設便是符合上述概念最好的例子。這些焦化廠以開放的心態發展，並且充分考慮到運用當前最先進的技術手段，同時，也把投資的影響以及運行和維護的成本納入考慮範圍之中，統籌兼顧，兼而有之。

如圖5所示，本文對這些焦化廠的配置進行了深刻全面的分析和解釋。

在這兩個焦化廠裡，4套蓄熱池系統分為2個階段來安裝，並且安裝在同一個共同的中

心線上，一套煉焦系統配合一個階段的使用(2台蓄熱池)，還有剩下的一套煉焦系統將作為兩個階段的備用系統。

每個階段都有自己的濕冷卻系統，包括一個配備有冷卻水沉降裝置的低排量的冷卻塔和一個焦炭運輸中轉站。在浦項鋼鐵公司(POSCO)，濕冷卻系統只有在緊急情況下才會開啟使用，而在正常情況下運行時，還會採用干冷卻裝置進行冷卻。然而，現代鋼鐵公司(HSC)，情況確是不同的，焦炭都是經過濕冷卻系統冷卻的；所以，會有一個額外的備用機組安裝在兩個階段之間。

在這兩種情況下，廢氣處理廠被設計成單線的工廠，它將要有能力處理來自於4套煉焦系統的廢氣。這將要允許少量高容量設備的安裝，同時優化運行和維護的成本。

“煤炭處理廠”對於每一個分開的階段來說，都是處於互相獨立的生產線上，但是少數生產線上還是存在着聯繫，以便能夠在只使用一個煤炭處理廠的情況下，能夠同時處理兩個階段的煤炭，從而會降低所需要的煤炭處理能力。

浦項鋼鐵公司(POSCO)和現代鋼鐵公司(HSC)對於焦爐以及服務機器的典型設計理念，可以由一個典型的蓄熱池的橫截面的圖解詳細表示出來，如圖6所示。

經過幾年時間的運行，浦項鋼鐵公司(POSCO)和現代鋼鐵公司(HSC)所選擇的概念

和技術，已經被實踐檢驗是非常有效和可靠的。因此，這些技術將可以繼續被運用到其他類似的焦化廠之中。

巨大的潛在能力如圖7所示，該表格列舉了在韓國的兩個典型焦化廠的主要技術數據以及其他一些焦化廠的主要數據，這些焦化廠的生產能力的範圍是從145萬噸/年到225萬噸/年的焦炭產量。目前，在歐洲，氮氧化物(NOx)的排放量標準要求低於500毫克/立方米。

上述這些例子所對應的焦化廠，都是採用了大容量的焦爐，而這些焦爐的尺寸選擇的基準，都參考了那些在中國以及韓國已經成功運營的焦爐的主要尺寸。加上對爐膛長度的選擇，是將其長度從原來的18米延伸到了20米，這將會導致生產容量增大10%，但是相應的，可以預期的投資以及運營和維護的成本也將會增加5%。

對項目執行的理念除了對焦化廠的概念和技術的選擇之外，項目執行的理念對工廠的定位於發展也至關重要。

圖8提供了大量基於上述參照工廠的實際分工的信息。

由於預算的限制，中國的投資者始終將服務和投資的商品保持在自己的範圍之內。與

煉鐵

450mm

590mm

(多皺縮 = 少推力)

腔內寬度為 450mm

腔內寬度為 590mm

煤炭收縮 %

焦炭溫度o C

0

1

2

3

4

5

6

腔內寬度為450mm 腔內寬度為590mm焦化時間 (h)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

1200

1000

800

600

400

0

200

焦炭中轉站

單點冷卻

爐腔內的壓力控制系統

火焰加熱系統

單面介質供給

2/1推動周期

下噴式燒咀

煤倉焦炭側

委託單位：浦項鋼鐵公司 (POSCO)地理位置：韓國，光陽市。生產能力：焦炭280萬噸/年， 4組，50台焦爐，膛內高度7.63 m，配備了一個廢氣處理廠，

容量為175000立方米/ 小時。

啟動時間： 2010年

委託單位：現代鋼鐵公司（HSC）地理位置：韓國，唐津市。生產能力： 1，2階段：焦炭330萬噸/年

，4組，60台焦爐， 3階段：焦炭187萬噸/年，

2組，70台焦爐，膛內高度7.63m 1，2階段：廢氣處理廠的容

量為215000立方米/小時， 3階段：廢氣處理廠的容量

為125000立方米/小時。啟動時間： 1階段：2009， 2階段：2010， 3階段：2013。

圖4 (上)煤炭收縮率的對比(收縮越多，對應的推力越小)

圖5 (左上) 韓國浦項鋼鐵公司(POSCO)和現代鋼鐵公司(HSC)的焦化廠配置

圖6 焦爐蓄熱池和服務器——典型的設計




在韓國的焦化廠類似，國內的這些工廠在技術方面，都有着共同的理唸作為基礎，同時，它們各自的技術條件的基礎也大體相同。然而，對結果的比較顯然可以看出，質量和功能的差異變得尤為明顯。

在分配責任的時候，即哪些人從事哪些工序，以下準則要被慎重考慮，並且落實到實處。

由承包商(或者說是技術提供者)所提供和要求的最小任務如下文所示：• 成套工程的安裝和應用。• 一些關鍵設備的相關規定，這些規定包含

了工作的流程，設備的功能以及一些設備的性能等。

• 在設備的安裝以及調試的過程中需要實行的一些必要的監管和監督。

• 耐火材料的供應是一個十分重要的環節，這個環節的順利實施，可以保證施工進度的穩定和工廠質量的合格。對於這樣一個如此複雜的物流管理和質量控制工程來說，其操作和管理人員必須要掌握這些特殊的專業知識和工程經驗，這是十分必要的。

• 一個重大項目能否成功進行，將取決於項目決策者對服務和供給的正確分割，分別處理，同時，還取決於業主和承包商之間有效的溝通、充分的信任和適時的理解。兩者之間的完美合作，一定會導致成功的結果。

• 在這樣一個重大項目的實行過程中，對項目執行的決策理念，以及業主與承包商之間的合作分工，對項目的成功執行都是十分重要的。因此，在項目最初的規劃階段，這些問題都是不可迴避的，必須予以最大限度的考慮。

優勢優點大容量焦爐的主要優勢是：• 這種焦爐符合建築空間的最優化要求。• 可以有效地減少污染物的排放量，更加環保。• 對於焦爐機器、煤炭供給塔和冷卻系統來

說，其數量可以大大減少，較少投資。• 降低對人力的需求。• 可以很好地延長工廠設備運行的壽命，降

低成本。當然，這些大量的優勢轉變為現實，也

是有一定的條件的。只有當技術的理念，以及項目執行的理念被理智地選擇和準確地實施的時候，同時，需要保持客戶與技術方面的供應商之間的相互信任和理解，那麼此時，這些優勢也便會逐漸顯現出來。另外，還有許多因素需要注意和處理，其中包括：工廠調節的優化，精確的操作運行以及對各設備進行的預防性維護和維修。

目前，許多焦化廠已經配備了大量的大容量的焦爐，並且已經成功運營，這樣的例子還有很多，這裡就不再逐一枚舉了。

對於最新建立(或者重建)的大容量焦化廠來說，在未來的幾十年裡，大型化的焦爐可以完美地固定成本，並且更好地在環境友好的條件下生產出足夠供市場需求的產品，在煉焦行業，這將是投資者的不二選擇。█

*本文發表於2014年，在英國愛丁堡舉辦的歐洲焦炭峰會。

圖8 項目執行的理念(伍德+P：伍德公司和當地合作伙伴)

[-] [-] [m] [m3] [h] [oC] [-] [mg/Nm3] [Mill.t/a]

2 100 ~ 27.0 89 1.400

2 120 ~ 27.0 107 1.680

2 140 ~ 27.0 124 1.960

蓄熱池數目

焦爐數目

焦爐尺寸容積

焦化反應時間

平均加熱溫度

每天推焦次數氮氧化物限制

5%-O2

全部焦炭產量*）

蓄熱池數目

焦爐數目

焦爐尺寸容積

焦化反應時間

平均加熱溫度

每天推焦次數氮氧化物限制

5%-O2

全部焦炭產量*）

[-] [-] [m] [m3] [h] [oC] [-] [mg/Nm3] [Mill.t/a]

2 100 7.63/18.0 /0.590 76.25 ~ 26.0 92 1.450

2 100 7.63/20.0/0.590 84.72 ~ 26.0 92 1.600

2 120 7.63/18.0 /0.590 76.25 ~ 26.0 111 1.750

2 120 7.63/20.0/0.590 84.72 ~ 26.0 111 1.900

2 140 7.63/18.0 /0.590 76.25 ~ 26.0 130 2.050

2 140 7.63/20.0/0.590 84.72 ~ 26.0 130 2.250

通過焦爐煤氣加熱的方式，控制氮氧化物的排放值<500毫克/立方米

*）取決於所用煤炭的相關數據以及每年設備運行的天數

*）取決於所用煤炭的相關數據以及每年設備運行的天數

7.63/18.0/0.590 76.25 ~ 1,275 <350

~ 1,300 <500

圖7. 焦爐蓄熱池 —— 在韓國的可供參考的焦化廠的潛在生產能力

啟動時間

投資單位，廠址

基礎工程

詳細工程

過程設備

耐火磚材料

外部材料

建造

試運行

2014 HKM焦化廠，

伍德伍德伍德伍德伍德伍德伍德德國，杜伊斯堡

2013 現代鋼鐵集團 (HSC)，3階段，

伍德伍德+P 伍德伍德伍德+P 客戶伍德：SV 客戶伍德：SV 韓國，忠清南道，唐津市

2010 浦項鋼鐵，光陽分廠，5階段，

伍德伍德+P 伍德伍德伍德+P 客戶伍德：SV 客戶伍德：SV 韓國，光陽市

2010 張家港宏發鋼材有限公司，

伍德主要客戶主要客戶客戶客戶客戶伍德：SV 客戶伍德：SV 中國，張家港市

2009 現代鋼鐵集團 (HSC)，1 + 2 階段，

伍德伍德+P 伍德伍德伍德+P 客戶伍德：SV 客戶伍德：SV 韓國，忠清南道，唐津市

2009 首鋼京唐鋼鐵聯合公司，

伍德主要客戶主要客戶客戶客戶客戶伍德：SV 客戶伍德：SV 中國，河北，曹妃甸開發區

2008 武漢鋼鐵公司 (武鋼)，

伍德主要客戶主要客戶客戶客戶客戶伍德：SV 客戶伍德：SV 中國，湖北，武漢

2006 馬鞍山鋼鐵公司 (鞍鋼)，

伍德主要客戶主要客戶客戶客戶客戶伍德：SV 客戶伍德：SV 中國，安徽，馬鞍山2006 太原鋼鐵公司 (Tisco)，

伍德主要客戶主要客戶客戶客戶客戶伍德：SV 客戶伍德：SV& 2013 中國，山西，太原

2003 Carbonaria/TK 施維爾格恩伍德伍德客戶伍德客戶伍德客戶伍德客戶伍德客戶伍德

煉鐵



煉鐵

銅冷卻壁的磨損是導致高爐大修提前的主要誘因之一。直到水管破裂前，這種磨損通常是很難被檢測到的，而等到這個時候往往水冷壁的肋片也已經磨損殆盡了。由於缺少肋片的保護，水冷壁通常很容易受到進一步的損壞。同時，如果此時不對此進行干預檢修，高爐將有一定的風險遭遇到因冷卻水迴路不穩定導致的工況不穩定、生產損失、換襯過早等問題。然而，現在解決方法有了—安德魯·肖(Andrew Shaw)1、阿夫欣·薩德里(Afshin Sadri)1、伊恩·卡梅隆(Ian Cameron)1、 Maciej Jastrzebski1、裡克·布朗(Rick Brown)1以及巴里·海德(Barry Hyde)*.

高爐壽命的延長

在一級冷卻水迴路出現故障後的一小段時間內，我們依然是有機會採取相應的措施來延長設備的壽命的。然而，到目前為止，能夠用來實現這一目的工具還十分有限。為解決這個問題，加拿大的赫氏公司開發出了一套稱作低頻脈衝超聲波(Low Frequency Pulse Ultrasonic，LFPU)的技術。這種技術能夠實現在運行中的高爐外側精確檢測爐內水冷壁和沖積層厚度。此外，赫氏借助其在有色金屬行業長期積累的工作經驗，開發出了一款獨特的銅“鞘”狀冷卻器，這款冷卻器可以被安裝到受損的冷卻器中在修復其冷卻性能。如果在具體實踐中操作得當，這些工具可以形成以下三種戰略擴張活動的基礎：— 測量：通過使用LFPU技術來檢測所有的

水冷壁以確定剩余的肋深；— 修復：通過安裝指狀冷卻器到失效的或

嚴重磨損的水冷壁中來恢復其冷卻性能或是為可能產生灌漿/沖積層的地方進行定位；

— 保護：反復檢查並調整高爐法工藝以便能形成穩定的保護性的衝擊層，並在那裡供應以必要的薄漿灌注。

在一級水迴路失效後立即採取上述相應措施，這些強大的工具能夠確保高爐操

作人員主動延長這些裝配了銅質水冷壁的鍋爐的爐齡。

背景高爐裝載水冷壁的早期測試實驗是非常成功的，測試中使用的水冷壁在經過大量的使用之後產生了極小的磨損，並能夠得以修復。使用銅水冷壁，可以在不更換爐殼的前提下使用較薄的爐殼設計有效地使高爐容積增加百分之十到十五左右。出於延長爐齡以及在高產出的前提下保證最低的成本的目的，在過去的二十多年中，在爐膛中增加銅水冷壁的做法被廣為採納。不幸的是，銅水冷壁在許多高爐中的使用情況並不完全盡如人意，水冷壁受熱麵在第一個十年週期的運營中便受到了大量的磨損(圖1)。

當一個堅固且穩定的保護性沖積層不能保持在冷卻壁的受熱麵一側，就使得相對較硬的鐵礦石和焦炭直接與受熱麵接觸，並與相對它們而言的柔軟的銅表面摩擦，這就發生了我們所熟知的水冷壁磨損。這些讓經營者束手無策的沖積層難以保持穩定的原因主要由兩個。首先，沖積層的形成是極其複雜的，它基於多種不同機制；在低海拔區域的軟熔帶生成的熔融

液體凍結在軟熔帶上方“干”區的水冷壁受熱麵上，碱金屬與鋅蒸汽在水冷壁表面發生冷凝結塊，最終便形成了我們所知的沖積層。其次，我們缺少一種精準的實時的測量沖積層的方法，以便於我們可以通過微調高爐反應過程來控制沖積層的生成。

一旦在大多數銅冷卻壁表面的肋被磨損掉之後，將留下裸露的光滑的，幾乎完全垂直與水平線的銅管表面，這無疑將極大的增加維持沖積層的困難，使得沖積層更難長久的停留在水冷壁表面。此時，將發生一系列連續性的後果：水冷壁壁面磨損加速，冷卻水迴路失效，水冷壁在高溫下長期超溫運行，以至於形成保護性沖積層的可能性更低，最終如此而往，形成一個惡性循環。緊接着，冷卻壁的超溫報警越來越頻繁，運營者不得不採取通過減產來降低冷卻壁溫度並且(或者)在受損的水冷壁下配置一個鼓風口，以維持最後最基本的高爐的運行。這些措施使得高爐負荷不規則下降以及運行過程不穩定，從而進一步的損害裸露的水冷壁表面。在很多案例中，由於要更換損壞的水冷壁，高爐都被過早的停車，甚至很多都是在開爐不到十年的時間內。

*加拿大赫氏(Hatch)公司;聯繫地址：2800 Speakman Drive, Mississauga, ON, Canada L5K 2R7. 聯繫電話：1 905 855 7600郵箱：[email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]

圖1 Ternium Siderar公司的高爐在卸料後的銅質水冷壁受損情況[2]

爐腹

爐腰



為了幫助運營者在高爐的運行週期中維持一個穩定的沖積層，從而保護肋壁，防止其被受到磨損，赫氏公司開發了一種基於的低頻脈衝超聲波(LFPU)技術開發的新型的實時沖積層監測裝置。這項即將投產的技術或多或少可以慰藉那些旗下的高爐水冷壁已經穿孔的運營者。對於這種穿孔已經發生了的案例，赫氏公司已經開發出具備故障診斷、損壞修復和後期保護的功能強大的三管齊下的策略，以支持實施與本文所描述的水冷壁測量和修復技術。

第一步：故障診斷在制定相應的計劃以管理一個已經存在受熱麵磨損的高爐之前，對爐中水冷壁現存的磨損程度進行精確的檢測是相當必要的，這對你解決後期的問題也很有幫助。實際上，檢測冷卻壁磨損是一個極具挑戰性的任務，因為高爐的本質是一個沉重的鋼殼，而後又配以復合澆注料與銅冷卻壁的應用，這使得對高爐內部進行無損檢測十分困難。傳統的無損檢測技術(NDT tech-niques)，例如超聲波系統[4]、低頻檢測系統(赫氏公司的AU-E型即是基於這一原理[5])，要麼是不能完全滲透到爐膛內部檢測水冷壁，要麼是分辨率不夠，無法區分根部與肋壁之間的區別[4](如圖2所示)。市場上確實還有一些其他一些可資利用的技術，並且這些技術在一定層面上是具備一些優勢的，但侷限性也是明顯的。比如，熱模擬技術(thermal modeling)確實能夠提供一個定性的結果，但在得到的熱成像圖中，通過該技術無法知曉相關的厚度尺寸。同樣的，探針(probes)已被證明毫無疑問是精確的，但是使用這一技術，對高爐表面進行破壞以進行探針的侵入性安裝是必須要的，並且探針的測量範圍有限，只可以用來檢測它被安裝的地方(單點測量)[6]。看到這一領域當前現狀，赫氏公司意識到需要開發一項新技術，這項技術具備非侵入性和非破壞性的前提下進行精確測量的優勢。這使得這項新技術可以廣泛應用到大量的水冷壁監測中去。為了滿足着一種需求，赫氏公司開發了低頻脈衝超聲波技術(Low Frequency Pulse Ultrasonic ，LFPU)，並將其在不同的高爐中進行了一系列的測試。

低頻脈衝超聲波技術(LFPU)技術對材料的適用性較強，可以應用在不同材質的水冷壁表面，不管是鑄鐵的冷卻壁還是銅質的冷卻壁。LFPU技術與其他超聲波檢測技術之間的區別在於，首先，前者有足夠的信號強度足夠，以便傳輸其檢測信號。其次，測量範圍廣，在其要求的頻率範圍之內幾乎可以檢測高爐爐殼表面冷卻面上任何一點上銅的厚度的微小變化。如圖2所示，LFPU發出的檢測波能夠穿透高爐殼體、澆築層以及冷卻迴路，在冷卻壁受熱麵、沖積層/耐火層以

凸出鞘以留住沖積層或灌注層

在交界面處穩定的熱接觸

彈簧可以在接頭處提供一個已知的壓力，以便適應水冷壁壁面的熱膨脹/壓縮在熱接頭處使用螺栓緊固以施加壓力

銅冷卻壁灌注層鋼爐殼

未磨損壁面已磨損壁面

測量基點交界面測量

翅片測量因澆注層產生的弱信號

熔焊

圖3 安裝LFPU法設備圖4 LFPU法對雙層冷卻壁厚度的測量結果

普通超聲波檢測法：- 應用：殼體厚度檢測；- 無法穿透耐火澆注層；

低頻脈衝超聲波檢測法：- 應用：翅片/肋片/尖端的檢測；- 中波能夠穿透耐火澆注層並檢測翅片/ 肋片/尖端；

超聲聲回波法：- 應用：耐火層/爐膛厚度檢測；- 波長大於翅片/肋片/尖端的厚度

爐殼

耐火澆注層

水冷壁

沖積層

圖2 用於銅冷卻壁厚度測量的各種超聲波/聲波法的波長比較

圖5 一個裝有赫氏公司鞘式冷卻器的熱接頭的示意圖

煉鐵



及負荷接口處發生反射。通過分析廣譜響應所得到的結果，可以將其測量結果精確到2毫米以內[4]。

另一方面，低頻脈衝超聲波技術(LFPU)技術可以在高爐運行的同時實施其檢測。實際上，赫氏公司自己的無損檢測專家在日常監測中也是使用LFPU技術得到的測量數據。因為在LFPU技術所需的現場準備很少，僅限於在有限的時間內清除附着在高爐表面的雜物、施加超聲波凝膠以及在指定的位置上釋放探針，相關說明可以在圖3中看到。

在一個測量點上花費幾分鐘之後，探針就可以被轉移到下一個測量點進行測量。在檢測信號被收集並傳輸到相應的分析軟件中後，肋壁厚度就能被計算出來並形成如圖4所示的橫截面。由於LFPU發出的超聲波信號需要到達冷卻壁的前端，所以高爐殼體、澆注料層與水冷壁之間必須緊密連接，否則超聲波信號將無法通過材料層之間的間隙傳播，從而影響檢測的準確性。

第二步：損壞修復肋壁表面受熱麵磨損以及水迴路發生洩漏之後，受損的水冷壁留住保護性的沖積層/灌漿層的能力以及其傳熱的能力就將大打折扣。這又將加快水冷壁受損速度，使得其表面更易受到進一步的磨損。典型的修復技術是在水冷壁與高爐殼體之間穿孔，在孔隙中安裝雪匣式冷卻器或板式換熱器。這些後補入的冷卻器會突出水冷壁表面，這將為沖積層的形成或者更好的駐留灌注的熔漿提供一個絕佳的錨點或壁架。隨着水冷壁磨損的發生，這些後補入的雪匣式冷卻器或板式換熱器可以保護爐殼，使得其壁面因而可以避免爐膛表面過熱以及因高爐熱風而產生的開裂或者破壞。這種方法雖然是有相當的便利性的，但相關專家預測受損水冷壁與後補的換熱器之間的傳熱效果是非常低的。即使在後期灌注

相對而言高傳熱性的石墨灌漿，換熱器與水冷壁之間的高接觸熱阻仍然是可以預見的。兩者表面之間缺乏接觸壓力以及存在水冷壁熱膨脹或收縮時在灌漿層與銅冷卻器交界面上形成小的絕熱間隙的可能性，這種高的接觸熱阻是不可避免的。

為了修復已經受損的冷卻器的冷卻性能，赫氏公司開發了專門的銷式冷卻器和板式冷卻器(專利申請中)來提升冷卻壁與冷卻器表面之間的熱傳導性，因而借此可以將冷卻壁中的熱量更多的取出來。在這種冷卻器的工作原理是這樣的，通過安裝一個彈簧加載有楔形或夾頭在附加的冷卻器上，使得在附加的冷卻器和銅質水冷壁之間實現增加一個人為的傳熱壓力，以優化兩者之間的換熱。為了減少當銷狀冷卻器磨損時水迴路漏水的可能性，所有的冷卻水通道都被限制在冷卻器本體之中，而不會將冷卻水帶到銷狀冷卻器的突出的尖端上。除了銷狀冷卻器的設計之外，赫氏公司在一系列高爐停車中安裝銅銷冷卻器所需的實施方案。銅銷冷卻器的設計如圖5所示。圖6中顯示的是有限元熱模型的模擬結果。結果說明了在受損的水冷壁上連接處

施加熱傳導壓力之後與未施加壓力之間的巨大差異。

為受損的水冷壁提供額外的冷卻量將降低水冷壁溫度並延長水冷壁使用壽命，同時也會降低因水冷壁超溫報警而導致的停車或宕機的頻率。突出水冷壁表面的銷狀物可以確保沖積層的滯留，從而進一步的保護受損區域。赫氏公司的銷狀冷卻器也可以預先裝載在活性水通道間受損的水冷壁上，以防萬一發生任何水洩漏事故。當只有少數水冷壁嚴重受損時，這種裝置特別適用於延長此種情況下的整體高爐運行的壽命。(見圖7)

後期維護在高爐下調負荷時，水冷壁必須有一個沖積或是灌漿層以避免進一步地磨損。高爐中有磨損的水冷壁的存在表明在高爐的運行中存在某些點的沖積層不穩定或是這些地點未能生成沖積層。業界普遍認為，只有嚴格遵守操作規範，才會形成良好的穩定的沖積層。在上世紀九十年代中期，蒂森克虜伯(ThyssenKrupp)編製了一個用於延長高爐爐齡，同時保持甚至提高生產率的方法的清單[3]。蒂森克虜伯編製的措施清單內容按優先級別列於圖表 8中。許多其他高爐運營商也持有相關類似的理念，以確保一個長期的可預測的高爐運行壽命。

一旦發現有受損的水冷壁，確保表格8中所列的高爐操作方面的措施都處於正確操作之下或是考慮一個添加灌漿層的方案是有價值的。穩定的運行可以為高路運行壽命帶來最快的提升。同時，耐火襯裡的磨損和長期暴露在高爐高溫爐氣中的受損銅冷卻壁受熱麵對運行性能而言也十分重要。如果需要一個獨立的優化審查，赫氏公司的高路方面的專家將與高爐運營商同心協力，以幫助運營商確保所採取的操作已經得以優化。

為了幫助運營商檢測保護性的沖積層，從而更穩定的控制它，赫氏公司可以利用一個能夠永久的安裝並運行在一個持

圖6 在兩個沒有水通道的，中心熱通量為100kW/m2的銅質冷卻器中的熱模擬結果圖示為標準的雪匣式的冷卻器與赫氏公司的銷狀冷卻器的熱模擬結果

雪匣式冷卻器赫氏公司的鞘狀冷卻器

類型：時間

單位：攝氏度

時間:1 1/14/2014 11:24 am

300400

268.75237.5206.25175143.75112.5

70.646 min50

人機交互界面

高爐爐殼

耐火澆注層

水冷壁

沖積層

圖7 連續的厚度測量系統的示意圖

雪匣式冷卻器赫氏公司的鞘狀冷卻器

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水冷壁

沖積層

圖7 連續的厚度測量系統的示意圖

煉鐵



續的基礎上的系統以提升該LFPU技術。自動化技術相較於傳統的手持式檢測方法將帶來一些優點，包括但不僅限於：連續地監測水冷壁/沖積層厚度並改善測量的重複性和精確性[7]。

致謝感謝來自 D a v e R u d g e 、 S e a n S o u t h a l l、Rob e r t V e e n s t r a、Be r t Wasmund、Brad Dempsie、Peter Szyplinski以及Winnie Ying的幫助。上述同仁在課題探討、文字輸入等方面為本文做出了貢

獻，並給與作者技術和精神上的支持。他們的貢獻在開發文中所提及的新技術是很重要。█

參考文獻1 Heinrich, P.; Hille, H.; Bachhofen, HJ;

Kowalski, W.; ’Copper blast furnace staves developed for multiple campaigns’, Iron and Steel Engineer, February 1992, p. 49/55

2. Cenga, G.; Lingiardi, O.; Mustante, R.; ‘Copper Staves Wear – Ternium Siderar BF2 Experience’, Association for Iron and

Steel Technology Conference (AISTech 2014) Proceedings, May 5-8, 2014, Indianapolis, USA.

3. Peters, M., Schmöle. P. and Ruther, P.; ‘Blast furnace campaign prolongation phi-losophies’, 34th McMaster University Symposium on Iron and Steelmaking, May 8-10, 2006, pp 154- 167.

4. Sadri, A., Hyde B., Dempsie B., and Mirkhani K.; ‘Accurate and Flexible NDT Measurements of Copper and Cast Iron Stave Thickness in the Blast Furnace’, Association for Iron and Steel Technology Conference (AISTech 2013) Proceedings, May 6-8, 2013, Pittsburgh, USA.

5. Sadri, A.; ‘An Introduction to Stress Wave Non-Destructive Testing and Evaluation (NDT&E) of Metallurgical Furnaces and Refractory Condition Monitoring’, CINDE Journal, Vol. 29 No2, March/April 2008, pp.7-11.

6. Berry Metal Company. http://www. ber-rymetal.com/pdf/wear_monitoring.pdf; viewed February 6, 2014.

7. Mirkhani, K. and Sadri , A.; ‘Non-Destructive Testing (NDT) and Monitoring of Cooling Elements in Metallurgical Furnaces’, Proceedings of NDT in Canada 2011 Conference, November 2-4, 2011, Montreal, Canada.

圖8 蒂森克虜伯(ThyssenKrupp)延長高爐壽命的優先方法[3]

延長高爐運行壽命的方法可控的材料的物理和化學性質；

氯、鋅以及碱金屬元素的低輸入；穩定的高爐運行；高的自動化程度；

優化爐料分佈和氣體滲透性；爐膛內排水條件良好；修正過的高爐剖面；

經過優化的冷卻系統和耐火材料的佈置；中期維護和現代化的運營策略；

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