濃度與熱值的雙重探秘：助力鋼鐵冶金企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本提質(zhì)新突破

鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志，我國(guó)鋼材產(chǎn)量2024年遭遇了近五年來最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：產(chǎn)能過剩、價(jià)格下跌和企業(yè)利潤(rùn)大幅下降。根據(jù)中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2024年前三季度，重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)營(yíng)業(yè)收入同比下降6.87%，利潤(rùn)總額下降56.39%。預(yù)計(jì)2025年行業(yè)外部環(huán)境仍然嚴(yán)峻，成本和質(zhì)量控制無疑是企業(yè)必須牢牢抓住的“生命線"，是企業(yè)核心生存力的重要內(nèi)容。

當(dāng)前，我國(guó)鋼鐵工業(yè)正處在由大向強(qiáng)轉(zhuǎn)變的歷史性節(jié)點(diǎn)。2022年多部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出，“要重點(diǎn)圍繞低碳冶金、潔凈鋼冶煉、薄帶鑄軋、高效軋制等工藝技術(shù)上取得突破性進(jìn)展。"與此同時(shí)，針對(duì)碳排放的嚴(yán)格監(jiān)管，國(guó)務(wù)院發(fā)布《空氣質(zhì)量持續(xù)改善行動(dòng)計(jì)劃》要求“到2025年，全國(guó)80%以上的鋼鐵產(chǎn)能完成超低排放改造任務(wù)、重點(diǎn)區(qū)域全部實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)超低排放"。大型鋼鐵企業(yè)面臨提質(zhì)和降碳雙重壓力，要優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能耗，提高燃燒效率是關(guān)鍵。

提升燃燒效率，濃度與熱值同測(cè)是必然趨勢(shì)

加熱爐是鋼企熱軋生產(chǎn)線上第一道工序的核心設(shè)備，其主要功能是將冷坯加熱到軋制溫度，占軋鋼工序能耗的50%以上，加熱爐燃燒效率的高低直接關(guān)系到軋鋼生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

首先，鋼坯加熱的目的是提高坯料塑性，燃燒控制得當(dāng)可保證合適的加熱溫度從而使鋼坯狀態(tài)達(dá)到最佳，在鋼坯軋制時(shí)可減少因磨損和沖擊造成的設(shè)備事故，提高軋機(jī)的生產(chǎn)率和作業(yè)率，有效降低軋制燃耗。其次，好的燃燒控制能改善鋼坯的內(nèi)部組織和性能，不均勻組織和非金屬夾雜物可通過高溫加熱的擴(kuò)散作用而均勻化。加熱溫度和均勻程度是體現(xiàn)加熱質(zhì)量的標(biāo)志性指標(biāo)，加熱質(zhì)量好的鋼坯，容易獲得斷面形狀正確、幾何尺寸精準(zhǔn)的成品。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，高爐/焦?fàn)t煤氣存在因氣體組分及熱值變化波動(dòng)較大導(dǎo)致燃燒效率不足的問題，所以準(zhǔn)確在線測(cè)量其氣體組分及熱值變化情況并自動(dòng)優(yōu)化控制燃燒過程，可以大幅提高燃燒效率。

同時(shí)測(cè)量組分濃度和熱值存在諸多難點(diǎn)。首先，鋼鐵冶金過程中所用到的燃料氣體組分復(fù)雜，包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)?、氫氣，以及乙烷、丙烷、乙炔、乙烯等少量烴類。這些組分不但含量差別較大，且許多少量烴類組分擁有較高的熱值，當(dāng)這些氣體混合存在時(shí)，其熱值的計(jì)算需要精確測(cè)量每種組分的濃度和比例。其次，加熱爐生產(chǎn)過程通常是動(dòng)態(tài)變化的，隨著溫度與燃料的變化將導(dǎo)致氣體濃度瞬變，要求測(cè)量快速響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝的實(shí)時(shí)決策和控制。再次，環(huán)境因素影響也很大，如溫度、壓力和濕度都會(huì)影響熱值測(cè)量的準(zhǔn)確性；爐內(nèi)氣流不均也會(huì)影響氣體檢測(cè)樣本的代表性。例如水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水將導(dǎo)致對(duì)氣體物理性質(zhì)和化學(xué)組分的改變，進(jìn)而影響熱值的計(jì)算，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)往往需要樣品預(yù)處理，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，且難以適應(yīng)高溫、高壓、高濕等惡劣的工業(yè)環(huán)境。最后，可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)的安全風(fēng)險(xiǎn)較高，因?yàn)榭扇細(xì)怏w一旦泄漏可能導(dǎo)致爆炸和火災(zāi)，并且某些氣體具有毒性，能夠?qū)θ梭w健康造成威脅。

除以上提到的宏觀因素以外，檢測(cè)技術(shù)和儀器性能局限也是影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素。技術(shù)局限通常包括選擇性差、響應(yīng)速度慢、溫濕度依賴性強(qiáng)及測(cè)量范圍限制等。而監(jiān)測(cè)儀器的局限主要體現(xiàn)在維護(hù)和校準(zhǔn)成本高、設(shè)備尺寸較大、對(duì)惡劣環(huán)境適應(yīng)性差及數(shù)據(jù)處理能力有限等方面。

逐個(gè)擊破難點(diǎn)，拉曼光譜分析技術(shù)將成為首x選

冶金過程氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了從采樣分析到在線監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)大多依賴于人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析，此類方式不僅耗時(shí)耗力，而且難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著科技的進(jìn)步，在線色譜分析、質(zhì)譜分析和光譜分析等技術(shù)逐漸成為冶金過程氣體監(jiān)測(cè)的主流方法。這些技術(shù)能夠提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)更好地調(diào)整生產(chǎn)策略，優(yōu)化工藝流程。

而在光譜技術(shù)中，激光拉曼光譜分析技術(shù)顯示出優(yōu)勢(shì)，尤其適合于鋼鐵冶金領(lǐng)域的工業(yè)過程監(jiān)測(cè)。其最大的特點(diǎn)是具有高選擇性和靈敏度，能夠精確區(qū)分和識(shí)別復(fù)雜的化學(xué)組分，并提供豐富的分子結(jié)構(gòu)信息，幫助分析復(fù)雜樣品。該技術(shù)無需樣品預(yù)處理，能夠直接對(duì)氣體樣品進(jìn)行分析，從而簡(jiǎn)化了分析流程。同時(shí)，激光拉曼具備快速響應(yīng)能力，適合在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且在分析過程中不會(huì)改變樣品性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)非破壞性監(jiān)測(cè)。此外，激光拉曼能夠更好地適應(yīng)高溫、高壓、高濕和高粉塵等惡劣環(huán)境，且無需使用載氣、色譜柱等耗材，從而降低了運(yùn)行成本。

創(chuàng)新升級(jí)的四方儀器激光拉曼解決方案

由四方儀器自主研發(fā)生產(chǎn)的激光拉曼光譜氣體分析系列產(chǎn)品，具有秒級(jí)響應(yīng)速度、測(cè)量濃度范圍廣、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，特別適用于目標(biāo)氣體種類已知的多組分氣體長(zhǎng)期快速在線的濃度檢測(cè)，且能有效避免水的影響。不僅能在線實(shí)時(shí)定性及定量檢測(cè)近20種氣體濃度，還能同時(shí)計(jì)算顯示氣體熱值。

四方儀器是國(guó)內(nèi)l首l家通過自研自產(chǎn)，向市場(chǎng)推出激光拉曼氣體分析儀器的廠商。早在2012年，四方儀器研發(fā)的LRGA-6000就已經(jīng)牽頭承擔(dān)了國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“激光拉曼光譜氣體分析儀器的研發(fā)與應(yīng)用"項(xiàng)目，針對(duì)激光拉曼光譜法的特征信號(hào)較弱等業(yè)界難題，四方儀器鉆研該分析技術(shù)十余年，最終攻克了測(cè)量精度受外部因素影響等難題，成功開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商業(yè)化產(chǎn)品。該分析系統(tǒng)獲得十余項(xiàng)發(fā)明專l利，并被授予“2021年度中國(guó)石油與化工自動(dòng)化行業(yè)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)"、“2021年度中國(guó)分析測(cè)試協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)（CAIA獎(jiǎng)）二等獎(jiǎng)"等多項(xiàng)榮譽(yù)。

在此之后，四方儀器陸續(xù)推出了同系列的LRGA-3100、LRGA-3200、LRGA-3200EX，作為鋼鐵冶金、煤化工、天然氣開采集輸、新能源電池等眾多行業(yè)的氣體組分濃度與熱值監(jiān)測(cè)配套應(yīng)用產(chǎn)品。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，四方儀器推出了小型化的在線監(jiān)測(cè)儀器，這些儀器設(shè)計(jì)精巧、操作簡(jiǎn)便，能夠滿足科研人員對(duì)精確數(shù)據(jù)的追求。而在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，四方儀器則提供了更為堅(jiān)固耐用的原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用防爆設(shè)計(jì)，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。此外，四方儀器還考慮到了用戶對(duì)復(fù)雜組分氣體監(jiān)測(cè)的需求，推出了包含預(yù)處理單元的分析系統(tǒng)，以適應(yīng)更為復(fù)雜的監(jiān)測(cè)任務(wù)。其整體的設(shè)計(jì)理念是為用戶提供定制化的監(jiān)測(cè)方案，確保每一位用戶都能得到滿足其特定需求的產(chǎn)品和服務(wù)。

實(shí)際應(yīng)用案例

中國(guó)寶武旗下的寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱：武鋼有限）在熱軋廠擁有7座加熱爐，年產(chǎn)千萬噸鋼坯。該項(xiàng)目需為加熱爐配備熱值檢測(cè)設(shè)備，以精準(zhǔn)控制燃燒，提升空燃比的準(zhǔn)確性。

自2022年以來，武鋼有限熱軋廠積極推進(jìn)能耗降減和新技術(shù)應(yīng)用。以1580產(chǎn)線為例，該產(chǎn)線年產(chǎn)量自2020年以來超過設(shè)計(jì)產(chǎn)能30%以上，燃耗管理成為重點(diǎn)。盡管采取了多項(xiàng)措施，如提升加熱爐自動(dòng)化、優(yōu)化生產(chǎn)組織等，但仍面臨設(shè)備老化問題。原使用的紅外熱值分析儀因放置在11年前建造的防爆小屋而逐漸失效，且由于燃料預(yù)處理不當(dāng)，已導(dǎo)致停用。如果不及時(shí)采取新措施對(duì)加熱爐空燃比進(jìn)行精確控制，不僅會(huì)帶來燃耗增加，而且極易造成鋼坯氧化燒損偏高和煙氣污染物排放超標(biāo)，更會(huì)直接影響軋鋼成材率、鑄坯表面質(zhì)量甚至目標(biāo)產(chǎn)量的達(dá)成。

武鋼有限熱軋廠鋼坯加熱現(xiàn)場(chǎng)

熱軋廠希望尋找更先進(jìn)的熱值檢測(cè)設(shè)備，可以精準(zhǔn)且實(shí)時(shí)檢測(cè)加熱爐生產(chǎn)過程中的氣體組分濃度及熱值，且不用再搭建類似防爆小屋的構(gòu)建物。通過對(duì)不同技術(shù)路線和多個(gè)供應(yīng)商方案的比較，熱軋廠最終采用了四方儀器的明星產(chǎn)品——激光拉曼在線防爆型分析系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的紅外熱值分析儀進(jìn)行了部分替換。

四方儀器經(jīng)過評(píng)估后為用戶量身定制的監(jiān)測(cè)方案

四方儀器為熱軋廠1580產(chǎn)線加熱爐安裝了LRGA-6000在線防爆型激光拉曼光譜氣體分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可24小時(shí)在線快速準(zhǔn)確測(cè)量高焦混合煤氣中CO2、CO、H2、N2、CH4、CnHm和O2等主要?dú)怏w成分體積濃度及熱值，自動(dòng)計(jì)算并顯示數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)給燃燒控制系統(tǒng)，且與現(xiàn)有燃控系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)了基于該系統(tǒng)的燃燒自動(dòng)化控制。該方案將儀表集成在正壓防爆柜內(nèi)，適用于危險(xiǎn)場(chǎng)景的使用，無需單獨(dú)設(shè)立防爆分析小屋。

該解決方案實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)儀器解決熱軋過程加熱爐氣體全流程檢測(cè)和熱值檢測(cè)，滿足多檢測(cè)點(diǎn)在線實(shí)時(shí)循環(huán)檢測(cè)的工況需求，無需載氣和耗材，降低了使用維護(hù)成本。系統(tǒng)所采用的激光拉曼氣體特征指紋技術(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，有效避免了各類燃料中含量不一的水分對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，專門適用于此類高溫及混合氣體復(fù)雜的工作環(huán)境。

武鋼有限熱軋廠LRGA-6000設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)

1580產(chǎn)線加熱爐選擇激光拉曼光譜氣體分析儀正是武鋼有限熱軋廠深化數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的縮影。該分析儀在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行一年多，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

一、減少燃料浪費(fèi)

根據(jù)測(cè)得的準(zhǔn)確熱值可計(jì)算出空燃比，調(diào)整空燃比為最佳值可使燃料供給更加精準(zhǔn)，燃料燃燒更加充分，從而提高燃燒效率。反之，若煤氣熱值頻繁波動(dòng)，將會(huì)造成加熱爐空燃比不合理?？杖急壤⒃斐蔂t溫低，導(dǎo)致冷坯升溫加熱時(shí)間長(zhǎng)，加熱爐加熱能力低；空燃比例大則廢氣帶走熱量損失多，造成燃料浪費(fèi)。

二、提升鋼坯燒制質(zhì)量

鋼坯氧化程度主要受加熱溫度、加熱時(shí)間與爐氣成分的影響，鋼的加熱溫度越高加熱時(shí)間越長(zhǎng)，爐內(nèi)氧化性氣體越多，鋼坯表面氧化就越嚴(yán)重。同理，因氧化性氣體增多而導(dǎo)致鋼坯表面的碳產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)即會(huì)造成脫碳的后果。此時(shí)需要連續(xù)檢測(cè)所產(chǎn)生的熱值數(shù)據(jù)來即時(shí)指導(dǎo)燃料供給量的增減，合理控制爐內(nèi)氧含量，從而提升鋼坯質(zhì)量，避免鋼坯經(jīng)過軋制后表面形成麻點(diǎn)和裂紋等缺陷，降低燒損率。

三、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排

在通過熱值檢測(cè)提高燃料燃燒效率的同時(shí)，1580產(chǎn)線也降低了大量含有NOx和SO2的煙氣外排和排煙熱損失，避免過多未燃燒完的燃料氣體排出爐外，間接減少了加熱爐的停爐時(shí)間和次數(shù)。在提高產(chǎn)量與質(zhì)量的同時(shí)，也用無聲行動(dòng)響應(yīng)著國(guó)家“雙碳"政策，減少了CO2、CH4等溫室氣體排放對(duì)環(huán)境造成的影響。

2023年，熱軋廠1580產(chǎn)線年產(chǎn)量超480萬噸，創(chuàng)年產(chǎn)量歷史新高，連續(xù)4年實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)，打破自己創(chuàng)造的效率天花板，燃耗、作業(yè)率等多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)均刷新歷史紀(jì)錄，以實(shí)實(shí)在在的進(jìn)步再次實(shí)現(xiàn)了自我突破，被寶鋼股份授予“進(jìn)步標(biāo)g桿機(jī)組"稱號(hào)。而經(jīng)過武鋼有限熱軋廠1580產(chǎn)線加熱爐熱值檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際性能驗(yàn)證以及嚴(yán)格測(cè)試評(píng)估，四方儀器激光拉曼熱值分析儀獲得了武漢有限熱軋廠專家領(lǐng)導(dǎo)高度認(rèn)可，將被優(yōu)先應(yīng)用于該客戶其它6條加熱爐產(chǎn)線。

結(jié)語

在鋼鐵冶金行業(yè)邁向高質(zhì)量化與綠色化生產(chǎn)的今天，四方儀器以其卓y越的激光拉曼光譜氣體分析技術(shù)成為了這一變革的先鋒。隨著激光拉曼光譜氣體分析技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用的深入，該技術(shù)在鋼鐵冶金行業(yè)的安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益提升方面將發(fā)揮越來越重要的作用，推動(dòng)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

四方儀器的創(chuàng)新之路，是一條不斷探索、不斷突破的旅程。公司始終堅(jiān)持以客戶需求為導(dǎo)向，以自主創(chuàng)新為核心，不斷推動(dòng)產(chǎn)品的性能提升和應(yīng)用拓展。從LRGA-6000到LRGA-3200EX，每一款產(chǎn)品都是四方儀器技術(shù)實(shí)力的體現(xiàn)，更是公司對(duì)行業(yè)需求深刻理解的結(jié)晶。四方儀器堅(jiān)信，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和服務(wù)升級(jí)，能夠?yàn)橐苯疬^程行業(yè)乃至更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，提供更加卓y越的監(jiān)測(cè)解決方案，共同開創(chuàng)一個(gè)綠色、智能、可持續(xù)的工業(yè)未來。