ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
日文翻译器Jan.20213热轧加热炉能效影响因素分析及在线评价系统开发
陈壻1陈光1包向军1沈一鸣1张红光1翟炜2
(1.安徽工业大学能源与环境学院，2.马鞍山钢铁股份有限公司)
摘要为评价加热炉运行能效水平，采用评价模型的热效率、产品单耗、热装率、氧化烧
损率、出炉温度命中率和空气系数6项能效评价指标，开展能效分析。对指标进行进一步定
义和分析，形成评价体系。通过数据挖掘，研究了某钢厂加热炉的关键生产指标对能耗的影
响。利用研究成果，开发出能效评价系统，实现指标在线计算与评价，提升能源精细化管理
水平，使产线单耗降低4.3%。
关键词评价模型能耗规律在线评价系统
文献标识码：A文章编号：1001-1617(2021)01-0003-05
Analysis of influencing factors of energy efficiency of hot rolling
reheating furnace and development of reasssment system
Chen Xu1Chen Guang1Bao Xiangjun1Shen Yiming1Zhang Hon^uang1Zhai Wei2
(1.Anhui University of Technology, 2.Ma旨nshan Iron and Steel Co.,Ltd.)
Abstract In order to evaluate the energy efficiency of heating furnace operation,six energy efficiency
evaluation models were ud to develop energy consumption analysis,including thermal efficiency,
product unit consumption,hot charging rate,tapping temperature hit rate and air consumption coeffi
cient.By further defining and analyzing the models,an evaluation system is formed.Through data
mining,the change mechanism of the key production index of a heating furnace on energy consumption
was studied.Using the rearch results,an energy efficiency evaluation system was developed to a-
chieve online index calculation and evaluation,improve the level of refined energy management,and
reduce energy consumption in the production line by4.3%.
Keywords evaluation model energy consumption mechanism online evaluation system
钢铁是能源密集型产业之一⑴。目前钢铁企业能源消耗竞争激烈⑵，随着节能减排力度的加大和企业降本增效的要求，节能及资源综合利用技术水平在实践中不断提升，推动了钢铁企业节能降耗的进程⑶。在中国，加热炉作为轧钢厂重点设备，能耗占比约80%⑷，与浦项、新日铁等发达国家的钢厂相比，具有较大节能潜
*国家自然科学基金面上项目一轧流程钢坯(板)周期传热边界特征与温度场的协同机制(51674003)
收稿日期：2020-05-04
陈谓(1995-)，硕士;243002安徽省马鞍山市。力。加热炉的运行状态，对产量、质量以及能耗都有较大影响⑸O
目前国内外学者对于加热炉的研究主要有加热过程控制、炉温的优化设定同、最佳炉温分布的确定及加热过程控制系统的开发29；在能源使用上，主要是各工序的能源分布与消耗及余热资源的潜力⑴］研究；对于钢坯内部温度的模拟和预测［⑵以及处于不同工艺下钢坯的加热特性［⑶也有研究。
由此可见，对炉子加热工艺、炉型以及钢坯温度场的数值模拟研究较成熟，而对其生产运行
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4
引起的能源浪费的研究相对匮乏。随着加热炉产
能、运行和工艺水平越来越高，操作方面人为可 控的地方越来越少，管理人员无法判断和挖掘加 热炉在生产控制、执行与优化方面的节能潜力，blockchain
直接导致炉子在生产过程中难以实现良好运行, 能耗增加，不利于绿色生产。因此建立评价模
型，研究能效变化规律以及开发在线能效评价系
统势在必行。
1加热炉能效评价模型指标的建立
模型指标建立的基础是加热炉热工理论。通
过对加热炉生产过程的整体分析，总结归纳出6
mar项指标，即热效率、产品单耗、热装率、氧化烧 损率、出炉温度命中率和空气系数。这些指标可
整体判断炉子能源利用水平，也可用于考察加热
炉生产过程中，关键环节的能量利用情况，操作是 否合理。它们直接反映轧钢工序的能耗，并且可 与炉子标准加热工艺要求进行对比找出差距，又
可为优化生产操作和节能改造指明方向。
1. 1加热炉热效率
加热炉热效率是指炉内钢坯在加热过程中吸
收的热量占燃料燃烧释放热量的百分比，是衡量
炉子运行好坏的一项重要指标。热效率高表明炉
子的热能利用情况好，提高加热炉热效率能够使 能耗降低。
out X out 11 out
Q out m out ( ^OUt^ out — °诂0 )
1 fXfXfyf / 1 \
v = q Z=—顽—xl00% ⑴
式中：4为加热炉热效率,％;0爲为出炉物料带 出的物理热,kj/h ；(2tuel 为燃料燃烧化学热,kj/h ；m 爲为出炉物料质量,kg/h ；5为物料入炉温度对
应比热,kj/(kg •七)劣述为物料出炉温度对应比
converter
外国人英语热,kj/(kg • r )；f out 为物料的出炉温度，七；r 0为activate
基准温度，十；眄为燃料用量,m 3/h ； ©为气体燃
料湿成分低位发热量,kj/m 3 o 1.2产品单耗
吨钢产品单耗，是指每吨产品所消耗的燃料
折算为标准煤的数量。对于轧钢加热炉来说，其 产品单耗可以直观地反映出每一种能源消耗量。
此外，由于产品单耗可看做由加热炉所供给的能 量按照钢坯产量进行分摊，因而研究产品单耗对
于研究加热炉能耗有重要意义。
E
e = ~~~7~ = (B x z gas + xxz N + B cpair x
m out
Z°pak +B ” XZ ” XzJ/Om -%) (2)
式中:e 为产品单耗,kgce/t ；E 为总的能源消耗, kgce/h 为燃料用量,m 3/h ；尬爲为出炉物料的 质量,t/h;%为入炉物料的质量,t/h;%为氧化
烧损量,t/h ；坷。”为电量,kWh ； %为氮气消耗量, m 3/h ；改嗣为压缩空气消耗量,m 3/h ；B w 为水消耗
量,t/h ；B 哪为蒸汽消耗量,mW ；%为煤气折标
系数;Zp 。”为电折标系数;Z n 为氮气折标系数;z 怦
为压缩空气折标系数;z ”为水折标系数;z 哪为蒸
汽折标系数。1.3热装率
热装率是指热装温度在一定范围时钢坯质量
与入炉钢坯总质量的比值。热装率的高低与热装
温度有宜接关系，因而考虑热装温度作为影响加
热炉能耗的因素之一。建立热装率模型，可以评
价加热炉需对钢坯加热的强度与时间长度。
0 = —X100%
(3)
%
式中为热装率,％；叫为热装坯质量,t/h; %,
为入炉坯质量,t/h 。1- 4氧化烧损率
氧化烧损对钢材的质量及成材率均有影响。中国农业大学考研成绩查询
钢坯加热过程中铁元素会与加热气体中的氧化性
成分(。2、C02、H2O 、SO2等)发生化学反应而使钢 坯表面氧化，导致钢坯成材率下降，生产成本增
加。氧化层的导热系数比钢的小得多，覆盖钢坯
表面，因而会影响钢坯内外部之间的导热，降低加 热效率问。
/3=—x 100% =
x 100%
m ia
m in
(4)
式中於为氧化烧损率,％ -,m h 为氧化烧损量,t/h ； 叫”为入炉坯质量,t/h ； m 込为合格产品质量,t/h ；
为不合格产品质量,t/h ； 为切头切尾质量,
t/h 。
降低氧化烧损对保持正常炉况、降低能耗、
顺利生产有重要意义。理论上要使钢坯氧化烧损 尽可能少，应在保证加热水平的条件下尽量降低
钢坯加热温度，控制炉内气氛，并且实行快速加 热，以求缩短钢坯在炉时间。
ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
Jan.20215 1.5出炉温度命中率
出炉温度命中率是指产品出炉时的温度达到
设定标准温度的概率。它反映了钢坯出炉时的加
热质量，命中率高说明钢坯在炉时间稳定，加热
制度良好，也在一定程度上反映了加热炉的热工
稳定性。lowrance
出炉温度命中率二出炉达标钢坯重量
总的进炉钢坯重量
⑸
1.6空气系数
加热炉的烟气氧含量是监测加热炉热效率的重要指标，主要通过空气系数Q来衡量。
实际空气流量厶甘
°一理论空气流量厶'丿£0二告晋［0.5CO5+0.5H；+2CH：+(m+
0.25n)C m H：+1.5H2S5-O^］(7)式中：a为空气系数，厶°为理论空气流量。若已知焦炉煤气、混合煤气热值，厶可进行估算：
厶二蛊xl.04—0.2(8)式中：乞为气体燃料湿成分低位发热量。
2关键生产指标变化和对能耗的影响分析加热炉生产工艺复杂，能耗影响因素较多，主要有结构、操作(运行)、管理几个方面。在操作方面，重点研究热装率和出炉温度命中率两项指标的变化规律，以及入炉温度、出炉温度和产量对能耗的影响。
2.1钢坯热装率
连铸坯热送热装工艺日趋成熟，利用连铸坯的热量，配合相应的生产管控措施，使连铸工序与轧制工序紧密衔接，在很大程度上实现了钢坯生产流程中的节能减排和物流优化。但若热坯的装炉量达不到加热炉规模要求，就会出现冷坯和热坯交替进炉，冷装和热装的加热模式频繁切换的问题［⑷。为精确考察现场热装水平，分析某一座加热炉在连续时间内的钢坯的入炉温度分布，如图1所示。
由图1可知，受生产组织、市场订单、物流调配或工艺限制等因素的影响，该批次钢坯混装问题严重，混装温度水平差别较大。现场通常将热装温度水平分为3段，分别是大于400、500和600尤，据此计算出相应的热装率仅为24%、12%和10%。需要加大连铸坯表面质量整改力度和强化优化组织生产。
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图1钢坯入炉温度分布
2.2出炉温度命中率
采用出炉温度命中率来评价加热水平。出炉温度命中率越高，表明炉子加热操作越好，能源利用率越高。同样选取一座炉子在连续时间段内生产的100块钢坯的出炉温度进行统计分析，结果如图2所示。
在图2的生产数据中，钢坯标准出炉温度为1230弋。取出炉温度基准带为±10兀，计算得到出炉温度命中率为42%，存在较大优化空间。命中率较低的主要原因是保温带轧和操作不严谨。出炉温度偏高或不达标，都会导致加热炉热效率降低，因此提高钢坯出炉温度命中率对炉子节能具有重要意义。
2.3入炉温度对单耗影响
在实际生产中，钢坯的入炉温度越高，本身带入的能量越大，在炉内吸收的热量相应就越低，产品单耗越小。根据前文提出的钢坯单耗模型，计算出了同钢种、同批次钢坯的单耗，最终得到钢坯入炉温度对单耗的影响如图3所示。
钢坯的单耗随着入炉温度的增加呈下降趋势。在钢坯温度由45尤上升到600兀时，单耗由55kgce/t降至45kgce/t，降低18%。钢坯温度每上升100兀，单耗平均降低1.81kgce/t o这表明热装温度的提高能明显降低能耗，是节能管理的有效措施。
2.4
钢坯出炉温度对单耗影响
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6
1260£鰹躬囊S 陨澤
1180
1240
1250o o o o O
3 2 10 92 2 2 2 1111110 20 40
60 80 100
样本量
图2钢坯出炉温度分布
00
11
20
806040
0 0
100
200 300 400 500 600
钢坯入炉温度厂 C
图3钢坯入炉温度对单耗影响
前文讨论出炉温度命中率对能耗的影响是从 宏观角度来研究的，其本质原因是出炉温度对单
耗有重要影响。根据生产数据进行处理和计算,
图4 出炉温度对单耗影响
图4显示钢坯的单耗随着出炉温度的升高而 增加，特别在高温区域单耗增加更明显。钢坯出
炉温度在1200%以下时，温度升高单耗增幅不 大，为讨论问题方便，划分三个出炉温度区间。
低温区1115〜1135弋内，平均单耗为43.57 kgce/t ；中温区1175〜1200弋内，平均单耗为
47. 84kgce/t ；高温区1230〜1250兀，平均单耗
为63. 73kgce/t o 平均出炉温度每升高10兀，单
耗增加 0. 77kgce/t o
2. 5钢坯产量对单耗影响
钢坯产量指在一定时间内炉子生产的钢坯的
质量，若产量提高，说明炉子生产效率高，贝U 能
源利用率提高，利于炉子节能。加热炉的日平均
随着钢坯产量增加，加热炉单耗降低，产量
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增加至一定程度时，单耗降低幅度不明显。经计算，产量每增加10t，单耗平均降低0.22kgce/t。因此必须强化生产的稳定性和有序性以及物流的高效组织，确保满负荷生产，降低能耗。
3在线能效评价系统的开发
早期企业能源管理系统(简称EMS)是企业自动化和信息化管理系统的一个重要组成部分，它的主要思想是以信息化技术为基础，采用“管控一体化”的运行方式皿。对于大型钢铁企业而言，多条生产线路与繁多的能源消耗导致企业整体管理困难，吨钢生产成本一直居高不下，能源成本约占30%，既给企业增加了负担，又不利于可持续发展”］。要想使钢铁企业得到进一步发展，必须将繁多分散的生产管理转变为系统的、集中化的管理。
由于EMS是企业层面的能源管理系统，其功能的深度远远不适应车间和生产线的能源管理。而目前生产线的能源管理多数是凭借着经验进行物料的调度和生产节奏的控制以及设备的操作，无法在线及时进行科学管理和优化操作。基于上述研究，开发出一套热轧工序能效在线评价系统，通过指标评价体
系的实时计算与分析，实现对热轧工序，尤其是加热炉能效的在线精细化研究与管理。
3.1系统功能
系统主要包括生产数据、热装统计、指标分析、能耗查询及参数设置等。该系统不仅可以对加热炉的能耗进行在线分析和评价，还可以对热轧过程中设备可能出现的故障导致能效异常给出准确及时的信息，可实现的功能有：(1)不同工作区域对各种能源介质使用量进行计算分析，从而对用户能介使用情况进行评价；(2)通过能源监管系统对主要设备进行监测，对其运行是否稳定、运行状态是否符合工艺标准给出实时判断。实现不同时段、不同钢种、不同规格及不同生产节奏等条件下进行计算、查询、规律分析，从而做到从能源数据采集-监视-分析-决策等全过程自动化、高效化、科学化管理，使能源管理与生产有机结合起来，提升能源管理的整体水平，达到合理使用能源的目的。
3.2现场使用效果
该系统在MS钢厂得到成功应用，运行一年节能效果明显，工序能耗及烧损数据见表10
根据表1得出：2250产线单耗降低4.3%, 1580产线单耗降低3.8%。
表1工序能耗及烧损数据
工序能耗/GJ-f1工序氧化烧损/%河比阿冋
2250产线1580产线2250产线1580产线系统应用前 1.60 1.310.9 1.21
系统应用后 1.53 1.260.86 1.08
4结论
(1)为评价加热炉运行能效水平，根据加热炉热工理论，采用能效评价指标模型，包括热效率、产品单耗、热装率、氧化烧损率、出炉温度命中率和空气系数6项指标。对指标进行了进一步定义和分析，形成评价体系。
(2)通过数据挖掘和处理，研究了某钢厂加热炉的关键生产指标对单耗影响的变化规律。结果表明：①将热装基准温度定义为400、500、600七时，热装率仅为24%、12%、10%0说明混装时常发生，应对生产操作与物料调配进行优化。②出炉温度基准带设置在1230±10P时，命中率为42%，操作优化节能空间较大。③钢坯入炉温度由45七上升到600P时，单耗降低18%；入炉温度每上升100七，单耗平均降低1.81kgce/t0④钢坯出炉温度平均每升高10P，能耗增加0.77kgce/t。⑤炉子产量每增加10t，单耗平均降低0.22kgce/t，应尽量提高生产节奏。
(3)实现指标在线计算与评价，提升能源精细化管理水平，使2250产线和1580产线单耗分别降低4.3%和3.8%。
参考文献
［1］窦彬.日韩钢铁行业节能政策及启示［J］.当代经济，2007,(8)：80-82.
［2］黄导，陈丽云等•推进节能环保技术管理升级促进钢铁工业绿色转型［J］.钢铁,2015,(12):1-10.［3］郭红玲，许石.用系统节能的观点推进加热炉节能降耗［J］-冶金能源,2014,33(5)：28-35.
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