近年來，在社會科技水平不斷進步的帶動下，我國的軋鋼技術也得到了前所未有的發展；隨著軋鋼技術的不斷進步，不僅使得鋼材的各種性能都得以提高，而且在工藝加工的過程中也豐富了鋼材的品種種類。本文首先簡要介紹了軋鋼的相關生產工藝，然后對軋鋼關鍵設備加熱爐中氣體燃燒與監測做具體闡述。
1.軋鋼的概念：
軋鋼，在旋轉的軋輥間改變鋼錠，鋼坯形狀的壓力加工過程叫軋鋼。軋鋼的目的與其他壓力加工一樣，一方面是為了得到需要的形狀，例如：鋼板，帶鋼，線材以及各種型鋼等；另一方面是為了改善鋼的內部質量，我們常見的汽車板、橋梁鋼、鍋爐鋼、管線鋼、螺紋鋼、鋼筋、電工硅鋼、鍍鋅板、鍍錫板，包括火車輪都是通過軋鋼工藝加工出來的。
2.軋鋼的分類：
軋鋼方法按軋制溫度不同可分為熱軋與冷軋；按軋制時軋件與軋輥的相對運動關系不同可分為縱軋，橫軋和斜軋；按軋制時軋件與軋輥的相對運動關系不同可分為縱軋、橫軋和斜軋；按軋制產品的成型特點還可分為一般軋制和特殊軋制。周期軋制、旋壓軋制、彎曲成型等都屬于特殊軋制方法。
2.1熱軋工藝：
從煉鋼廠出來的鋼坯還僅僅是半成品，必須到軋鋼廠去進行軋制以后，才能成為合格的產品。從煉鋼廠送過來的連鑄坯，首先是進入加熱爐，然后經過初軋機反復軋制之后，進入精軋機。軋鋼屬于金屬壓力加工，說簡單點，軋鋼板就像壓面條，經過搟面杖的多次擠壓與推進，面就越搟越薄。在熱軋生產線上，軋坯加熱變軟，被輥道送入軋機，最后軋成用戶要求的尺寸。軋鋼是連續的不間斷的作業，鋼帶在輥道上運行速度快，設備自動化程度高，效率也高。熱軋成品分為鋼卷和錠式板兩種，經過熱軋后的鋼軌厚度一般在幾個毫米，如果用戶要求鋼板更薄的話，還要經過冷軋。
2.2冷軋工藝：
與熱軋相比，冷軋廠的加工線比較分散，工藝流程上也不夠連續，由于冷軋過程中會造成鋼材成型不夠均勻，導致殘余應力產生，最終形成加工鋼材硬度較大的結果，影響所制造產品的質量和穩定性。冷軋產品主要有普通冷軋板、涂鍍層板也就是鍍錫板、鍍鋅板和彩涂板。經過熱軋廠送來的鋼卷，先要經過連續三次技術處理，先要用鹽酸除去氧化膜，然后才能送到冷軋機組。冷軋主要用于生產尺寸較小的精密鋼，一般鋼的軋制以熱軋為主。
2.3熱軋與冷軋工藝的區別
經過比較，冷軋與熱軋雖然都是鋼生產工藝中的一部分，作用也基本相同，但卻有著根本的區別。首先熱軋工藝需要較高的溫度環境，要通過許多外界環節操作來提升工藝設備的溫度。在一定的溫度和壓力條件下，將鋼加工到鋼的奧氏體去以進一步提高鋼的可塑性，使鋼材原料真正實現軟化，并且不斷變薄，而且熱軋工藝也不會改變鋼材的結構和性能；而冷軋工藝則于此不同，冷軋是在冷軋機上進行加工，生產環境不需要較高的溫度和壓力，在這個過程中鋼的晶體結構發生了改變，經過工藝加工后的鋼材在結構上和性能上都發生了一定的改變。再者，由于冷軋生產后的鋼制產品具有保持原有的承載力的特性，所以鋼材經過冷軋工藝后，最后成型的鋼材表面會出現一定程度的屈曲，對于冷軋來說這種變形是允許的，而熱軋工藝后生產的鋼材產品則沒有屈曲的現象出現。最后，經過兩種加工形成的截面存在著很大的不同，這主要是由于兩者的殘余應力不同所致。所以，在殘余應力的作用下，冷軋鋼材能夠生產出彎曲型產品，而熱軋鋼材則能夠形成薄膜型產品。
3. 軋鋼加熱爐煙氣的監測分析
在軋鋼生產過程中，加熱爐溫度的控制起著舉足輕重的作用，直接關系到產量、能源、污染、工人的勞動強度等等，軋鋼加熱爐的燃燒控制對其燃耗、氧化燒損、生成物中NO含量等有直接關系。燃燒效果可通過空燃比、煙氣含氧量和空氣消耗系數來判斷。軋鋼加熱爐受操作者的技能、生產的均勻性、燃料熱值波動、風溫變化等影響，空燃比的控制難以達到最佳狀態。且軋鋼加熱爐全部使用焦爐煤氣作為燃料，焦爐煤氣含雜質多，容易堵塞流量計，導致計量精確度差，難以保證空燃比的準確性。焦爐煤氣的成分如下表 1所示。
表 1 焦爐煤氣組分
|
組分 |
CH4 |
H2 |
N2 |
O2 |
CO |
CO2 |
CnHm |
∑ |
|
% |
25.45 |
58.92 |
5.06 |
0.26 |
6.01 |
2.14 |
2.16 |
100 |
注：%表示體積分數。
因此，監測分析煙氣中的O2和CO含量等，成為判斷軋鋼加熱爐燃燒效果的最有效方法。
3.1燃燒與空氣消耗系數
3.1.1燃燒反應
燃燒可分為完全燃燒和不完全燃燒。不完全燃燒又分為化學不完全燃燒和機械不完全燃燒。
由圖1可見，“過量空氣能耗”表示富余的空氣形成的熱損失，表征為煙氣中的氧含量。“過量燃料能耗”表示由未完全燃燒的燃料所引起的能耗，表征為煙氣中CO含量。若要降低能耗，須降低煙氣中的O2含量和CO含量，但兩者是相互制約的。最佳的燃燒控制點的熱損失最小、熱效率最高，其氣體O2含量約為1%。
3.1.2 空氣消耗系數
空氣消耗系數（簡稱α）直接影響爐的燃燒狀況及熱效率、氧化燒損等。α的大小與燃燒種類、燃燒方法、燃燒裝置的結構及其工作好壞都有關。氣體燃料空氣消耗系數的經驗數據為n=1.05~1.15.通過氣體成分分析儀，可按以下公式計算出α。
不完全燃燒時，
完全燃燒時，
上述兩式中，RO2、O2、CO分別表示氣體中SO2和CO2、O2、CO的容積占干煙氣容積的百分含量，%。
3.1.3煙氣NOX的監測分析
NOX是燃料燃燒過程中產生的主要污染物之一，其生成是一個復雜的過程。研究表明：NOX的生成主要是與火焰中的最高溫度、氮和氧的濃度以及氣體在高溫下停留時間等因素有關。當供入空氣量較小時，火焰內O2的濃度相對減小，可降低NOX的生成量。實驗表明，隨著空氣消耗系數的加大，NO的含量會迅速增加，當出現15%的過量空氣時達到最大值。軋鋼加熱爐煙氣溫度較高，煙氣中NOX均為NO，由此也可監測鍋爐排放是否達到國家排放標準（NOX≤300mg/m3）。
3.2氣體分析儀及監測取樣
天禹智控的氣體分析監測系統，可對氣體中O2、CO、CO2、碳氫化合物、氮氧化物等成分進行在線采集分析，并同時測量氣體的溫度、環境溫度、氣體壓力、流速等。利用煙氣殘氧監測及控制是可實現有效節能。加熱爐使用燃燒工況監測系統，可通過監測加熱爐煙氣殘氧含量科學的控制空燃比，使過剩空氣量最小，達到燃料的最佳燃燒效率，降低燃料消耗，達到最佳燃燒控制的目的。分析監測系統根據助燃空氣中氧氣含量基本恒定，就可通過燃燒后煙氣中的殘氧量計算出助燃空氣的剩余量，用殘氧量來判斷加熱爐燃燒過程中的空氣過剩系數是否合理。
3.3加熱爐氣體監測的意義：
3.3.1燃燒控制
加熱爐是軋鋼廠的關鍵設備之一，加熱爐性能的好壞直接影響到產品質量的好壞，而加熱爐燃料是影響加熱爐性能的重要因素，因此根據生產需求合理控制、及時調整加熱爐燃料熱值、壓力、成分、流量等參數是提高加熱爐效率的有效措施。
為保證軋鋼加熱爐高效運行，需要綜合考慮燃料種類、預熱溫度和在某一空氣系數下能保證完全燃燒的控制操作系統和設備，以達到最優燃燒效率與最佳空燃比。此外，空氣過剩系數過大，會使廢氣量增加，廢氣熱損失增大，燃燒溫度降低；空氣過剩系數過小，就會造成燃料的不完全燃燒，浪費燃料。故空燃比例不合理不僅影響加熱爐生產率，而且造成加熱爐單位燃耗的升高。同時，在加熱爐加熱過程中鋼坯表面會產生氧化，這將會產生大量的氧化燒損，嚴重影響鋼的性能。
因此，通過在熱處理爐前端對燃氣進行熱值檢測，保證混合煤氣穩定、安全、高效加熱；在熱處理爐后端進行尾氣成分及殘氧量變化檢測，優化空燃比，減少燒損，提高能效對實現熱處理環節閉環控制、工藝優化具有重大意義。
3.3.2節能減排
加熱爐是軋鋼企業最大的耗能設備，軋鋼廠能量消耗的60%~70%來自加熱爐。因此加熱爐的熱效率對軋鋼廠的節能減排任務有重要意義。在加熱過程中高溫氧氣還可能與氮氣等氣體發生化學反應，產生一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫等氣態污染物，這些污染物是造成霧霾天氣的主要原因。因此，如何提高加熱爐的熱效率，優化加熱爐的爐溫控制和燃料燃燒過程對于加熱爐的節能降耗、降低生產成本、減少多種空氣污染物的排放具有重要的意義。
3.4加熱爐氣體監測解決方案：
3.4.1產品介紹
TY-8319 熱處理爐氣體在線分析系統由采樣單元、預處理單元、控制單元、分析單元四部分組成，測量點設置在加熱爐燃氣輸送管道上。
采樣單元：
采用不銹鋼電加熱溫控干法取樣探頭+反吹技術解決爐內煙塵大易堵塞探頭問題。
預處理單元：
采用2級過濾裝置+電子冷凝器除去樣氣中的粉塵、水分等諸多雜質，為分析儀表提供潔凈樣氣，保證系統運行穩定。
控制單元：
手動+自控可選，自控方式采用西門子作為核心控制元件，一套系統可實現多個采樣點循環監測。
氣體分析單元：
采用天禹智控自主研發的在線紅外煤氣分析儀TY-6300，配置NDIR紅外氣體分析、H2熱導傳感器、O2電化學傳感器等核心技術，精度高、響應快、壽命長、穩定性高，可實時快速檢測爐氣或尾氣中CO、CO2、H2、O2、CH4、NOx、H2S、SO2等多組分濃度，并根據氣體含量自動計算煤氣熱值，為現場工藝調整提供實時依據。
3.4.2 客戶案例
4. 總結
軋鋼廠加熱爐運用氣體在線監測分析系統的生產時間和使用效果分析表明：運用氣體分析系統能夠降低加熱爐的燃耗；提高了對加熱爐燃燒效果的控制，提高生產工藝中的穩定性，同時也是保證鋼材質量、提高使用壽命及企業節能減排的重要舉措。
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