浅谈热轧无缝钢管生产过程节能环节和措施

张任顺

摘  要：本文介绍了热轧无缝钢管生产中有待开发和推广的节能措施，阐述了其技术发展水平、技术难点和应用现状，并提出热送热装工艺、加热炉烟气余热和冷床余热等技术节能潜力巨大，是热轧无缝管生产线节能增效重点发展的方向。 

关键词：热轧无缝钢管；热送热装；加热炉烟气余热回收；冷床余热回收；

文献标志码：B    文章编号：

Discussion on Energy-saving Measures and Application in the Production of Hot-rolled Seamless Steel Tubes

ZHANG Renshun 

（Beris Engineering  And  Research  Corporation ，Shandong，Qingdao，266555）

Abstract：This paper introduces the energy-saving measures that can be developed and applied in the production of hot-rolled seamless steel pipes, expounds its technical development level, technical difficulties and application status.The hot delivery and hot charging process, heating furnace flue gas waste heat and cooling bed waste heat have great energy-saving potential, which is the key development direction of energy-saving and efficiency-increasing hot-rolled seamless pipe production line.

Key words：hot rolled seamless steel pipe； hot charging and hot delivery process；Recovery of waste heat from flue gas of heating furnace；Cooling bed waste heat recovery；

中国是世界上最大的无缝钢管生产国与消费国，2021年，无缝管产量达约2550万t，表观消费量约2300万t[1-2]，无缝钢管的生产以热轧工艺为主，其生产是高耗能的工序之一，吨钢工序能耗指标达73 kgce/t，但能源利用率仅为30%-50%[3]，大部分能源被直接排放，不仅造成极大的浪费，而且还伴随着温室气体的排放，进一步造成环境的污染。随着市场的饱和，企业利润被进一步压缩，为提高钢铁企业的市场竞争力，节能降耗成为降低生产成本的关键因素之一。本文主要探讨热轧无缝钢管生产中有待开发和推广的节能环节和措施。

1 热送热装技术

目前，热送热装工艺在板带、型钢、棒线材轧制中均得到广泛应用，并在相应的设计规范中有明确要求，而热送热装工艺在热轧无缝钢管生产的应用中尚处于较低水平。该工艺的应用能有效降低加热炉的能耗，同时，降低铸坯的氧化烧损，从而提高成材率[4]。轧钢加热炉额定燃料消耗设计指标[5]详见表1所示。

表1  轧钢加热炉额定燃料消耗设计指标

车间类型	热装温度	热送率	冷装额定燃料单耗	热装额定燃料单耗	吨钢节省能源	吨钢节省能源比例
	℃	%	kgce/t	kgce/t	kgce/t	%
带钢	≥500	≥60	≤45.72	≤37.6	8.12	17.8
中厚板	≥400	≥30	≤45.72	≤36.17	9.55	20.9
型钢	≥600	≥80	≤48.11	≤30.71	17.4	36.2
棒线材	≥600	≥80	≤45.04	≤28.32	16.72	37.1
无缝钢管	0	0	≤46.54		0	0

注：表中额定燃料单耗指加热碳素结构钢、标准坯、炉内水梁100%绝热，达到设计额定产量、连续生产的单位燃料消耗。表中冷装温度按20 ℃、带钢热装温度500 ℃、中厚板热装温度为400 ℃、型钢和棒线材热装温度为600 ℃计算。

从上表可以看出，热送热装工艺在板带、型钢等轧钢生产线节能效果显著，是降低成本的重要措施，所以，热送热装工艺是热轧无缝钢管生产节能降耗的重要发展方向之一。

热轧无缝钢管生产因外径、壁厚组合范围较大，小时产量较低且变化范围较大，而生产圆管坯的炼钢连铸系统与热轧无缝钢管生产相比小时产量大且变化幅度小，造成二者小时生产能力严重不匹配，是制约热送热装工艺在热轧无缝钢管生产线应用和发展的主要因素。解决该问题可以从几方面综合考虑。

（1）采取保温装置，降低热坯的冷却速度，缓解炼钢连铸系统与轧钢系统的生产能力差。通过在连铸坯运输车、热送辊道加装保温罩，以减少热送过程中的热量损失，实践表明，温度小于500 ℃的连铸坯运输20 min，加保温罩运输比裸露运输热装温度高约66 ℃，保温效果明显[6]。对于不能及时进行轧制的坯料，可暂存至保温坑，以降低热坯的冷却速度，研究表明，700 ℃以下的钢坯在保温坑内的温降速度为0.3～0.4 ℃/min，裸露在大气中的冷却速度约为4 ℃/min[7]，由此可见，保温坑装置降低冷却速度的效果显著。

（2）探索发展电炉炼钢连铸系统和轧钢系统的匹配。从能源消耗方面转炉炼钢优于电炉炼钢，但从节约原材料及我国废钢资源和电资源的逐步增多等综合考虑，电炉炼钢更环保、节省成本[7]。从产能规模方面看，电炉容量小，基建投资低，更适合与热轧无缝管系统匹配，实现热送热装工艺。

    （3）采用一台连铸机供应两条热轧生产线。该方案适合钢种单一、规格较少且大批量的无缝钢管生产，且已在山东某生产企业实施，实践证明，该方案对生产的灵活性和产品的多样性有很大的限制。

2 加热炉烟气余热回收

钢铁生产过程产生大量的余热，近年来，余热资源逐渐被回收利用，并产生了明显的经济效益，发达国家的余热余能回收率已经达到92%以上，但我国大部分钢铁企业的回收利用率不足50%，尤其对大量的中低温余热回收利用，仍有较大的节能潜力[8]。

管坯加热是无缝钢管热轧工序最耗能的环节，而烟气带走的热量占30%～40% [3]，回收潜能巨大。目前，环形炉烟气余热的回收利用主要有两种途径，一种是作为芯棒预热炉的热源对芯棒进行加热，另一种是将烟气余热转换为饱和蒸汽以带动汽轮机发电。其中前者余热资源回收占比较小，对工业炉窑而言最有效和应用最广的是后者，即将烟气余热通过换热器转换为饱和蒸汽[9]。环形炉产生的烟气通过空气预热器后约为300～400 ℃，按温度划分属中温余热（150 ℃～500 ℃），回收难度低，技术成熟，且在宝钢1220mm连续退火机组已成功应用，将烟气最终排放温度控制在150℃左右[10]，但在无缝钢管生产企业余热回收应用较少。选择一座平均小时产量为85 t/h的加热炉作为余热利用的对象，产生烟气量约为8.6万Nm3/h，可回收能量约7000  tec/a，节能减排潜力较大，经济效益显著，是热轧无缝钢管生产企业节能降耗、降低成本的有效途径之一，也是完成碳达峰目标的重要措施。

此外，加热炉烟气作为补燃型溴化锂吸收式冷热水机组的驱动能源，用于车间集中式空调系统中，供车间冬季采暖、夏季制冷[11]。该技术是利用引风机将通过空气预热器后的烟气送入溴化锂冷热水机组，以水作为制冷剂、以溴化锂溶液为吸收剂[12],在真空状态下，交替制取空调用冷水和温水的设备。该机组成功应用于内蒙古某钢厂，与以电、热水、蒸汽为驱动能源的集中空调系统相比，可大幅降低运行成本，节能降耗效果明显，值得推广。各种制冷机组运行费用详细对比如下表2所示。

表2  各种制冷机组运行费用详细对比

序号	方案	年运行费用(万元)
1	蒸汽双效吸收式溴化锂制冷机	114
2	螺杆式冷水机组	98.7
3	直燃型吸收式冷温水机组	252.5
4	烟气余热型吸收式溴化锂制冷机组	61.1

3 冷床余热回收

冷床冷却是无缝钢管生产的主要工序之一，钢管经定径后温度大约为800 ℃～950 ℃，需要在冷床上冷却到100 ℃以下，期间释放大量的热量，可用于回收利用。经过多年的研究和尝试，冷床余热回收利用得到一定的发展，主要有两个方向，一是在冷床入口增设控冷工艺，通过控制钢管冷却速度实现有效的在线组织性能调控，从而改善力学性能实现一钢多级、减量化生产。该技术由东北大学研发团队与宝钢合作开发，并已投入实际应用，运行良好，使轧后余热得到充分利用的同时，为高品质管材的开发提供了新的技术手段；二是通过设置换热器等设施利用余热发电，如瑞典阿维斯特钢厂的封闭式冷床余热回收技术、热管换热技术、余蔚茗提出的半封闭式换热方案、半导体温差发电技术等[13]，均在理论上提出了努力的方向，但冷床余热回收在实际生产中的应用，还鲜有报道。

冷床余热回收的技术难点在于：（1）冷床热源的温度由高到低逐步递减，热源不稳定；（2）冷床面积较大，热源不集中；（3）辐射热的热流方向主要向上，若在冷床上方设置换热装置，不便于轧件的冷却和吊运。基于以上描述，笔者认为半导体温差发电技术和朗肯循环发电技术更适合冷床余热的回收，随着热电材料成本的下降和朗肯低温发电技术的逐步成熟，冷床余热回收的潜力巨大，是热轧无缝钢管生产节能环保的一项重要措施。

4 结语

近年来，我国钢铁行业节能减排取得了巨大的进步，热送热装、气体余热回收利用发展迅速，但仍然存在利用不充分的问题，尤其在热轧无缝钢管生产中发展缓慢。热送热装、加热炉烟气余热回收和冷床余热回收是热轧无缝管生产线节约能源和提高能源利用率的重要途径，余热利用潜力巨大，在全球生态环保升级和企业市场竞争力的驱动下，热送热装、冷床余热回收等相关技术难点的突破指日可待，助力早日实现碳达峰、碳中和的宏伟目标。

5 参考文献

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[11] 刘建国，王栋，饶维江，任启蒙.余热利用技术在热轧无缝钢管机组中的应用[J].轧钢，2015，32（6）：86.

[12] 张长江.溴化锂吸收式技术在余热利用领域中的应用[J].上海电力，2009（4）：269．

[13] 侯环宇,田京雷,李立业,张倩.冷床余热回收利用现状与发展[N].世界金属导报，/2016 年/9 月/20 日/第 B10 版.

作者简介：张任顺（1989-），男，汉，本科，工程师，长期从事无缝钢管的生产工艺设计工作。