陸 彪 趙義博 陳德敏 何子淮

(安徽工業(yè)大學 建筑工程學院)

鋼鐵工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是衡量國家綜合實力和工業(yè)化程度的重要標志。2011-2020年，國內(nèi)制造業(yè)增加值與粗鋼產(chǎn)量的年均增速分別為7.9%和5.1%[1]。鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展以及“雙碳”目標的實現(xiàn)，對鋼鐵制造過程提出了更高的節(jié)能降耗要求。因此，對鋼鐵工業(yè)能源利用情況的發(fā)展與現(xiàn)狀進行詳細研究很有必要。

目前，噸鋼綜合能耗[2-7]、工序單位產(chǎn)品能耗[8-10]以及設(shè)備能源利用效率[11-14]是鋼鐵企業(yè)評估能源利用效率的常用指標，而對不同種類產(chǎn)品能耗指標研究較少。陸彪[15]等人基于加熱爐設(shè)備提出了一種鋼坯能源分攤模型，并通過此模型計算出不同種類鋼坯噸鋼能耗，確定了不同因素對鋼坯能耗的影響。經(jīng)過實際現(xiàn)場應(yīng)用，該模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實際情況基本吻合，應(yīng)用效果良好。但是該模型僅能用于裝配二級模型的加熱爐，而對未裝配二級模型的加熱爐則不能進行應(yīng)用。為了拓寬分攤模型的應(yīng)用領(lǐng)域，文章在原模型基礎(chǔ)上，進行了簡化，并將兩個模型的計算結(jié)果進行對比分析。

1 加熱爐鋼坯能源分攤模型

1.1 能耗累積時間段

如圖1所示，將加熱爐內(nèi)鋼坯數(shù)量恒定的每個時間段記為一個能耗累積時間段，每個鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時間劃分為k個能耗累積時間段。

圖1 第i個能耗累積時間段

在第i個能耗累積時間段內(nèi)，對燃氣瞬時流量進行采樣，再根據(jù)采樣周期計算出加熱爐消耗燃氣量：

(1)

式中：ESgas，j為第j個采樣周期內(nèi)的燃氣的瞬時流量計量，GJ/h；Δt為采樣周期時間，h；ni為第i個能耗累積時間段內(nèi)采樣次數(shù)；(Qgas)i為第i個能耗累積時間段內(nèi)加熱爐消耗燃氣量，GJ。

1.2 模型1

陸彪[15]等人基于能耗累積時間段的定義，建立了可計算各鋼坯燃氣消耗量的能源分攤模型。文獻的主題思路是：在能耗累積時間段內(nèi)，對加熱爐能耗進行離散處理分為鋼坯吸熱量、爐體熱損失以及其它熱損失。并在對加熱爐能耗離散處理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用可計算各鋼坯燃氣消耗量的能源分攤模型，對每個鋼坯能源分攤計算。

以第p塊鋼坯為例，該鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時間可以劃分k個能耗累積時間段，故該鋼坯能源分攤量為：

(2)

式中：Qgas,p1為模型1計算獲得的第p塊鋼坯能源分攤量，GJ；(Qgas,1)i,p1為第i個能耗累積時間段內(nèi)，模型1計算獲得的第p塊鋼坯吸熱量，GJ；(Ggas,2)i,p1為第i個能耗累積時間段內(nèi)，模型1計算獲得的第p塊鋼坯的爐體熱損失分攤量，GJ；(Qgas,3)i,p1為第i個能耗累積時間段內(nèi)，模型1計算獲得的第p塊鋼坯其它熱損失分攤量，GJ。

(Qgas,1)i,p1=10-6·cp·mp·ΔTi,p

(3)

式中：cp為第p塊鋼坯的比熱，kJ/(kg·℃)；mp為第p塊鋼坯的重量，kg；ΔTi,p為第i個累積分段內(nèi)，第p塊鋼坯的溫升，℃。

(4)

式中：λ為加熱爐爐壁導熱系數(shù)，W/(m·℃)；An為加熱爐某段(預熱段、加熱段等)的爐壁面積，m2；Tn、T0分別為爐壁的爐內(nèi)側(cè)和爐外側(cè)溫度，℃；Δτ為時間累積分段的時間，s；B為加熱爐某段的鋼坯重量，kg。

(5)

鋼坯噸鋼能耗：

qgas,p1=Qgas,p1/mp

(6)

式中：qgas,p1為模型1計算得到的鋼坯噸鋼能耗，GJ/t。

1.3 模型2

模型1僅能用于裝配二級模型的加熱爐，而對未裝配二級模型的加熱爐，則不能實現(xiàn)對鋼坯能源分攤量進行計算。文章基于能耗累積時間段的定義，提出了一種新的可計算各鋼坯燃氣消耗量的能源分攤模型。在能耗累積時間段中，利用爐內(nèi)鋼坯總質(zhì)量不變的特性，按照每個鋼坯重量占比對鋼坯能源分攤量進行計算。

依然以第p塊鋼坯為例說明，該鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時間可以劃分k個能耗累積時間段(同模型1)，故該鋼坯能源分攤量為：

(7)

式中：Qgas,p2為模型2計算獲得的第p塊鋼坯能源分攤量，GJ；(Qgas,0)i,p2為第i個能耗累積時間段內(nèi)，模型2計算獲得的第p塊鋼坯按重量分配的能耗分攤量，GJ；

(8)

鋼坯噸鋼能耗：

qgas,p2=Qgas,p2/mp

(9)

式中：qgas,p2為模型2計算得到的鋼坯噸鋼能耗，GJ/t。

2 案例分析

選取某軋鋼廠步進式加熱爐作為研究對象，加熱爐尺寸見圖2。

圖2 案例加熱爐尺寸

2.1 數(shù)據(jù)預處理

對2016年6-8月加熱爐二級記錄數(shù)據(jù)進行預處理：

(1)刪除能源數(shù)據(jù)記錄時間與鋼坯爐內(nèi)停留時間不相互對應(yīng)的數(shù)據(jù)；

(2)刪除錯誤的能源數(shù)據(jù)記錄；

(3)刪除停產(chǎn)、保溫狀態(tài)下的加熱爐二級記錄數(shù)據(jù)。

2.2 鋼坯種類劃分

從鋼種、鋼坯寬度、停留時間以及裝載溫度的角度對鋼坯種類進行了劃分。其中，對鋼坯寬度、停留時間以及裝載溫度進行了預處理：

(1)鋼種：選取MBTRG00101和MBTRG00301型號鋼；

(2)鋼坯寬度：加熱爐的加熱對象主要是厚度為230 mm、長度為10 000 mm的鋼坯。鋼坯尺寸的討論只限于鋼坯寬度，從1 400 mm到1 700 mm，以100 mm為步長劃分歸類；

(3)停留時間：由于鋼坯在爐內(nèi)時間各不相同，從3 h到5 h，以0.5 h為間隔劃分歸類；

(4)裝載溫度：對裝載溫度進行劃分歸類，0～200 ℃為低溫、200～400 ℃為中溫、>400 ℃為高溫。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況，選取裝載溫度為低溫和中溫的鋼坯。

3 結(jié)果誤差分析

通過模型1和模型2計算相同屬性鋼坯噸鋼能耗，并對結(jié)果進行誤差分析。

3.1 MBTRG00101鋼種的噸鋼能耗計算及分析

分別利用模型1和模型2，在不同鋼坯寬度、裝載溫度以及停留時間的條件下，計算MBTRG00101鋼種噸鋼能耗。對于具有相同屬性的鋼坯分類，模型1和模型2計算得出的鋼坯噸鋼能耗變化規(guī)律是一致的，如圖3和圖4所示，說明模型2具有一定的準確性。

圖3 1 400～1 500 mm寬度鋼坯噸鋼能耗

圖4 1 600～1 700 mm寬度鋼坯噸鋼能耗

為了進一步分析模型2的適用性和準確性，對模型1和模型2進行誤差分析，結(jié)果見表1。

表1 利用模型1與模型2計算MBTRG00101鋼種噸鋼能耗的相對誤差和絕對誤差

對于MBTRG00101鋼種，模型1和模型2誤差分析結(jié)論如下：

(1)模型1與模型2的相對誤差均≤3.1%，絕對誤差均≤0.04 GJ/t，進一步說明模型1與模型2具有同樣的適用性和準確性。但是由于模型1需要分別計算出(Qgas,1)i、(Qgas,2)i和(Qgas,3)i，引起了3次舍入誤差，而模型2則僅產(chǎn)生1次舍入誤差，所以模型2的計算結(jié)果均略大于模型1；

(2)相同裝載規(guī)格(寬度)和裝載溫度下，停留時間越長，噸鋼能耗的相對誤差越小，而其絕對誤差變化基本都為0.03 GJ/t左右，說明鋼種為MBTRG00101時，模型2也適用。但是若想在鋼坯較短的停留時間下獲取相對誤差和絕對誤差都滿意的結(jié)果，需要對模型2略加修正；

(3)相同裝載規(guī)格(寬度)和停留時間下，裝載溫度對鋼坯噸鋼能耗的相對誤差和絕對誤差基本無影響；

(4)相同裝載溫度和停留時間下，裝載規(guī)格(寬度)對鋼坯噸鋼能耗的相對誤差和絕對誤差基本無影響。

以上結(jié)果表明：對于MBTRG00101鋼種噸鋼能耗分析，無論在何種情況下，模型1與模型2具有同樣的適用性和準確性。

3.2 MBTRG00301鋼種的噸鋼能耗計算及分析

分別利用模型1和模型2，在不同鋼坯寬度、裝載溫度以及停留時間的條件下，計算MBTRG00301鋼種噸鋼能耗。對于具有相同屬性的鋼坯分類，模型1和模型2計算得出的鋼坯噸鋼能耗變化規(guī)律也是一致的，如圖5和圖6所示，說明模型2具有一定的準確性。

圖5 1 400～1 500 mm寬度鋼坯噸鋼能耗

圖6 1 600～1 700 mm寬度鋼坯噸鋼能耗

為了進一步說明在MBTRG00301鋼種下，模型2的適用性和準確性，對模型1和模型2進行誤差分析，結(jié)果見表2。

表2 利用模型1與模型2計算MBTRG00301鋼種噸鋼能耗的相對誤差和絕對誤差

對于MBTRG00301鋼種，模型1和模型2誤差分析結(jié)論如下：

(1)模型1與模型2的相對誤差均≤3%，絕對誤差均≤0.04 GJ/t，進一步說明了模型1與模型2具有同樣的適用性和準確性。與MBTRG00101鋼種分析結(jié)果相同，模型2的計算結(jié)果也均略大于模型1。

(2)相同裝載規(guī)格(寬度)和裝載溫度下，停留時間越長，噸鋼能耗的相對誤差越小，而其絕對誤差變化基本都為0.03 GJ/t左右。說明鋼種為MBTRG00301時，模型2也是適用的。同樣，若想在鋼坯較短的停留時間下，獲取相對誤差和絕對誤差都滿意的結(jié)果，需要對模型2略加修正。

(3)相同裝載規(guī)格(寬度)和停留時間下，不同裝載溫度對MBTRG00301鋼種的鋼坯噸鋼能耗的相對誤差和絕對誤差基本無影響。

(4)相同裝載溫度和停留時間下，不同裝載規(guī)格(寬度)對MBTRG00301鋼種的鋼坯噸鋼能耗的相對誤差和絕對誤差基本無影響。

以上結(jié)果表明：對于MBTRG00301鋼種的噸鋼能耗分析，無論在何種情況下，模型1與模型2具有同樣的適用性和準確性。

4 結(jié)論

文章基于模型1中能耗累積時間段的定義，建立了以重量為基礎(chǔ)的加熱爐鋼坯能源分攤模型(模型2)。并將模型1和模型2應(yīng)用于案例加熱爐，分析結(jié)論如下：

(1)模型1和模型2計算得到的鋼坯噸鋼能耗的結(jié)果變化趨勢一致，相對誤差均≤3.1%，絕對誤差均≤0.04 GJ/t，說明模型1和模型2具有同樣的適用性和準確性，但是由于舍入誤差的存在，模型2的計算結(jié)果均略大于模型1。

(2)對于相同的鋼種來說，裝載溫度、裝載規(guī)格(寬度)對模型2的相對誤差和絕對誤差均基本無影響，而停留時間對模型2的相對誤差略有影響且在工程允許的范圍內(nèi)，若想在鋼坯較短的停留時間下，獲取相對誤差和絕對誤差都滿意的結(jié)果，需要對模型2略加修正。

(3)對于裝配二級的加熱爐建議使用模型1進行鋼坯能源分攤計算，而對于未裝配二級的加熱爐可應(yīng)用模型2進行鋼坯能源分攤計算。