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1、钢铁工业的节能与环保摘要：本文介绍了钢铁工业中钢铁材料典型工件制造过程中的能源消耗、CO2 的排放,通过轧辊的制造过程,分析、计算其制造全过程中涉及到的能源消耗，并阐释了减少能源消耗的措施,并指出了未来我国钢铁行业的发展方向。关键词：轧辊，热处理，能源，节能减排，环保。1.引言钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是国家经济水平和综合国力的重要标志。我国钢铁产业取得了长足的进步，特别是近十年来发展迅猛，钢铁年产量自 1996 年起连续蝉联世界第一，消费量也名列世界之首。但随着我国经济的快速增长，资源能源消费约束明显显现，能源供求矛盾日益突出，高污染、高能耗的特点也使钢铁工业在防污减排、节能降耗等方
2、面承受着一定的压力。因此钢铁工业发展必然面临资源不足、环境污染的严重制约。发展资源节约型环境友好型钢铁工业已迫在眉睫。其中轧辊是使（轧材）金属产生塑性变形的工具，是决定轧机效率和轧材质量的重要消耗部件。轧辊是轧钢厂轧钢机上的重要零件，利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧碾钢材。它主要承受轧制时的动静载荷，磨损和温度变化的影响。2.轧辊选取，确定制造流程2.1 轧辊选取要求（1）板坯厚度大，轧辊必须具有较好的咬入性。（2）板坯温度高，轧制速度较慢，轧件和轧辊接触时间较长。轧辊必须具有较好的抗热裂性、抗热疲劳性。（3）工作辊直径大（1210/1110mm）、辊身长度大（ 5050mm），承受的轧
3、制力高，主电机带动工作辊传动。要求轧辊有较高的抗断裂性，轧辊辊身和辊颈必须有较高的强度。（4）高的轧制温度也要求轧辊具有高温耐磨性。（5）由于粗轧和精轧在同一机架完成，所以既要考虑到粗轧时轧件厚度大，宽度小，轧辊所受冲击大，轧辊使用面积少，轧件与轧辊间易出现打滑等。也要考虑精轧时，轧件宽而长，轧辊使用面积大。同时，单机架四辊轧机，在轧制低合金专用钢和高强度品种钢时，要采用控制轧制和控制冷却技术，通常进行交叉轧制，轧制温度低，轧制力大。要求轧辊具有耐磨性好、抗热裂性好、耐表面粗糙能力好、强度高、对热的敏感低等性能。本文以大型支承辊为分析对象。图 2 是支承辊简图，各部尺寸如图所示。支承辊所用材料
4、为 70Cr3Mo 钢。表 1 和表 2 为其常用参数。假设其制造全流程从冶炼开始。现场所采用的锻后热处理工艺如图 3 所示，最终热处理工艺如图 4 所示。奥氏体化结束后，将工件淬入油中，55min 后出油转入温度为 3000C 的回火炉中保温 30h，然后出炉空冷至室温。要求辊身淬火后硬度达到 75HS，有效淬硬深度为 45mm(硬度为 67HS 处距表面距离)，辊颈硬度为 4045HS。硬深度为 45mm(硬度为 67HS 处距表面距离)，辊颈硬度为 4045HS。 工艺流程：配料冶炼LF/VD铸锭 电渣重熔加热锻造锻后处理 粗加工调质半精加工感应淬火冷处理回火精加工包装。所选工艺中从冶炼
5、开始，到回火结束是主要耗能阶段，其中主要计算冶炼、锻后处理、以及工件最终奥氏体化和回火消耗的能量和 CO2 排放量。 3.计算能耗和 CO2 排放量标准煤的热值约 7000 Kcal/kg；1 Kcal 约等于 4182 焦耳。火电的发电热效率在 3537%；直接用天然气加热，热效率为 3545%；每度电本身的热功当量 860 大卡；即 0.1229 千克标准煤。根据生命周期评估解结果，中国电网电力（各种电力混合后的平均值）1 度电的 CO2 排放是 960g 左右。（中国生命周期基础数据库 CLCD）有效热量：工件由初始温度升到所要求的最高加热温度所需要的热量：式中: q 工件的质量, （k
6、g）; t0 和 t1工件的初始温度和最高加热温度,（ ）; c0 和 c1工件在 t0 和 t1 温度时的平均比热, （kJ/kg.)计算：工件质量：3.14*(650/2)2*730*2+3.14*(1065/2)2*1480+2*3.14*(650/2)2+3.14*(1065/2)2+3.14*(650/2)2+3.14*(1065/2)21/2*230/3=2.05*109mm32.05*109mm3*10-3*7.81=16*106 g=16t冶炼：查每吨铸铁消耗电能 550700 度，该工件用电 880011200 度，CO2 排放量为 960*（880011200）=8.448
7、10.752t，对应热功当量为 75680009632000 大卡。锻后热处理：所选设备：1000 0C 标准台车式电阻炉额定功率：320 KW L*W*H:3500*1500*10001）有效热量：16000*(900*0.687-25*0.46)+(780*0.667-300*0.511)*273=4.2315*109 KJ即为 4.2315*109 KJ /4.182/1000=1.01*106 大卡所以消耗 1.01*106 大卡/860*0.1229/0.35=412.23 千克标准煤消耗 1174 度电， CO2 排放是 1.12t 2）320*（10+10+30）=16000 K
8、W*h即耗电 16000 度，CO2 排放是 16000*960=1.536*107 g=15.36t锻后热处理排放 15.36 t+1.12t =16.48t 的 CO2，消耗 17174 度电最终热处理：所选设备：1000 0C 标准台车式电阻炉额定功率：320 KW L*W*H:3500*1500*1000 1）有效热量：16000* （950*0.687-25*0.46）*273=2.8*109 KJ即为 2.8*109 KJ /4.182/1000=6.69*105 大卡所以消耗 6.69*105 大卡/860*0.1229/0.35=273.16 千克标准煤，消耗 778 度电，C
9、O2 排放是 0.746t 2）320*（7+8+2.5+1.5）=6080 KW*h即耗电 6080 度， CO2 排放是 6080*960= =5.8368t锻后热处理排放 5.8368t+0.746t =6.5828t 的 CO2，消耗 6854 度电回火：回火设备：6500C 井式回火炉额定功率：400KW 最高工作温度：6500C 料筐尺寸：2200*3500(*H)回火温度：3000C ，30h1）有效热量：16000* （300*0.511-25*0.46）*273=6.19*108kJ即为 6.19*108kJ/4.182/1000=1.48*105 大卡所以消耗 1.48*1
10、05 大卡/860*0.1229/0.35=60.33 千克标准煤消耗 172 度电，CO2 排放是 0.165t 2）400*30=12000 KW*h即耗电 12000 度，CO2 排放是 12000*960=11.52*106 g=11.52 t回火阶段排放 11.52 t+0.165t =11.685t 的 CO2，消耗 12172 度电所以最终一共消耗电 4500047400 度， CO2 排放量为 43.195845.4998t 4.总结 4.1 节能减排的意义能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源
11、的开发和充分利用极大地推进了人类社会、经济的发展。我国能源消费总量庞大，节能减排形势十分严峻。节能减排不仅是节约能源资源、保护生态环境的重要途径，更是贯彻落实科学发展观、转变发展方式的必由之路。4.2 中国钢铁行业节能减排宏观分析钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是国家经济水平和综合国力的重要标志。我国钢铁产业取得了长足的进步，特别是近十年来发展迅猛，钢铁年产量自 1996 年起连续蝉联世界第一，消费量也名列世界之首。但随着我国经济的快速增长，资源能源消费约束明显显现，能源供求矛盾日益突出，高污染、高能耗的特点也使钢铁工业在防污减排、节能降耗等方面承受着一定的压力。无庸置疑，钢铁行业是高能耗、
12、污染大的“大户”，而且是六大耗能行业中的“大户”。钢铁企业节能减排工作的成效关系到全社会整体节能减排工作的成效。4.3 中国钢铁行业节能减排面临的主要问题 中国钢铁工业潜在环保危机 我国在节能减排的道路上虽然从未停过脚步但是仍然面临生态幻境污染的潜在危机，在思想上认知和体质的管理方面也急需要完善和提高。主要问题反映在能耗和环保水平于国外先进企业之间还存在一定差距： 1.在节水上有相当大的差距，吨钢耗薪水量指标普遍高，水的利用于回收，污水净化。汽化冷却技术的应用方面也存在差距。2.无组织排放源和厂房二次、三次排尘技术装备的配置于国外大部分钢铁业有距离。 3.在环保治理深度上有较大差距，国外已经普
13、遍把挥发性有机物和二恶英、重金属、排放等放到治理重点上，而我过对此还有待学习国外。 4.在环境意识与管理体系、制度及环保产业上差距明显：在管理费用中没有环保成本的概念；节能降耗技术还未能在全国行业普遍推广应用，造成我过同行业水平的差距较大，发展不平衡。大量反映钢铁工业节能与环保的指标并为列入国家统计局的统计范围，因而数据不全，不能反映同类企业，行业的实际水平等等。 钢铁业开展节能减排存在难题 1钢铁企业相对分散是节能减排的主要矛盾我国钢铁企业相对分散,集中度低。从能源利用角度讲,不利于企业设备的大型化和资源的有效利用, 增加了能源损失。因此, 加快推进中国钢铁联合重组,提高产业集中度, 是节能
14、减排进一步深化的关键。 2工业装备仍然是钢铁工业节能减排的重点我国中小钢铁企业中普遍存在规模小,工业装备水平较低,能源环保设施不到位等问题, 导致我国钢铁工业工艺装备总体水平不高, 如世界先进炼钢转炉为 200350t,我国主体水平为 20100t。从而造成了能耗高, 二次能源回收低,污染处理难度大。因此加大淘汰落后和替代低水平工艺装备仍是推进节能减排的重点。 3我国钢铁工业能源问题的主要原因我国钢铁工业一次能源以煤炭为主,占能源消费总量的 70%左右,而且发热量、灰分、硫分等质量指标与美国、德国、日本相比,存在较明显的差距。石油类能源和天然气所占比例比其他发达国家低 16%27%。从而造成能
15、源利用效率相对较低,初步估计由此造成的能耗差距在 1520kg 标准煤/吨钢。由于我国正处于经济快速发展阶段,废钢资源积累少, 必然造成电炉钢比例低。美国电炉钢比约为 55%,德国约为 30%,日本为 25%,而中国仅为 10%左右,这就造成了中国钢铁工业铁钢比较高,按目前我国钢铁工业实际情况测算,铁钢比每提高 0.1t 钢, 综合能耗上升约 20 千克标准煤, 中国比其他国家铁钢比高 0.4 左右。 4能源消耗和污染物排放存在结构性的矛盾大中型钢铁企业(年产钢 100 万吨以上),由于工艺装备技术水平不断提高,总的来看, 与国际先进水平的能耗差距为 10%15%,污染物排放也得到一定的有效控
16、制。地方中小企业、特别是小高炉、20 吨以下小转炉、小电炉等落后装备,能耗高、污染物排放大, 总能耗与国际先进水平差距达 50%左右, 污染物排放尚未得到有效控制4.5 我国 CO2 排放的现况及减排措施1.我国钢铁工业 CO2 排放量十分巨大， 19942006 年内平均占我国总排放的 14%以上，2003 年来其 CO2 排放量的增长更加迅速。尽管我国是发展中国家，还不需要承担碳减排的任务，但是作为世界第 2 大温室气体排放国，我国正面临着巨大的国际压力，因此钢铁工业是我国碳减排的重点行业，其碳减排工作急需尽快展开。2.钢铁工业的 CO2 排放结构显示，煤炭类能源消耗产生的 CO2 排放量最大，1994 2006 年内平均为 97%，并且呈逐渐上升的趋势，而石油和天然气类能源消耗导致的 CO2排放几乎可以忽略。针对排放结构的分析揭示出，优化能源消费结构是最有效的减排路径。3.每吨钢 CO
