冶金工业冷床余热回收利用潜力及几种方式

冷床是冶金工业生产中重要的冷却设备，在冷床上，随着轧件温度的降低，大量的热能逐渐散失掉，明显造成大量的能源浪费。轧钢冷床余热回收是节约能源和提高能源利用率的重要途径。采用一定的余热回收技术对轧钢冷床余热进行回收和利用，不但可以创造可观的经济效益，同时可以减少环境污染，具有一定的节能意义。

1、冷床余热分析

在生产棒材、型材等钢铁产品时，经过轧制工序后要进入冷却工序。冷却工序是将轧制后的半成品经过辊道等传输装置，送至冷床上进行自然冷却或喷水冷却，使轧件由冷却前的800～950℃降低到下冷床时的80～100℃以下[1]。这个过程中损失了大量的热量，既造成了能源的浪费，又对环境造成了污染。尤其在夏天，恶化了工作环境。

由于轧件在冷床上逐步进行冷却，所以冷床上各段温度也不同，高温段温度可达600-800℃，低温段温度为80-100℃，造成热源不稳定，加之冷床上方常常进行轧件的吊装工作，冷床余热回收存在很大的困难,国内外有关研究人员对此进行了一些研究。

2、冷床余热回收技术的现状

2.1、封闭式冷床余热回收

瑞典阿维斯特钢厂建立起在板坯散热冷床上利用板坯热能的能源回收系统，并于1980年9月中旬投产。阿维斯特钢厂的设计和布置方法是：从连铸机输出辊道到板坯贮存库之间，使板坯通过一个由管道系统做内衬的封闭式冷床。板坯由步进梁移送通过冷床。锅炉供给的循环水通过冷床内衬管道被板坯热辐射加热至约85℃[2]。这种类型的热回收系统，可以获得低温蒸汽。只要空间允许，能方便地安装在现有连铸机上。根据阿维斯特钢厂这套装置投产日期能源价格计算，其投资成本可在3至4年内全部收回。缺点是如果发生跳钢现象，则会破坏封闭式冷床上方的管道系统。

刘仲尧，薛如升根据车间生产情况的要求，为了充分吸收利用钢坯的高温辐射热，在距冷床上面钢坯上300-350mm处，采用安装排装无缝钢管将钢坯全部覆盖，用此排装钢管下方作为受热面，在每根无缝钢管两旁，各焊接一根扁钢，使整个受热面组成一个密封平面，整个排管上表面均用石棉泥进行保温绝热包扎，受热面与安装在近旁的汽包组成一个闭合循环回路，排管前联箱上部，后联箱下部各有一根上升管和下降管，汽包中的水经下降管流入受热面后，水受热变成蒸汽，在一定的压力下，汽水混合物经上升管进入汽包，分离后的蒸汽经主气管导出供有关部门使用。此方案采用强制循环汽化冷却方式。这种冷床余热利用技术存在以下问题：强制循环系统的阻力较大，自然循环受热面安装距离稍高、绝热挡板形式欠妥等问题。有时还会有跳钢现象发生。所以此技术尚未成熟，需不断改进结构。此余热利用方案示意图如图1所示。

2.2、采用换热装置回收冷床余热

换热器是一种能实现不同温度的物料之间热量传递的节能设备，能使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到规定的指标，也是提高能源利用率的主要设备之一。有关研发人员根据冷床热源特点而将换热装置应用到冷床的余热回收过程中。

2.2.1、列管式换热器回收冷床余热

蔡玉强，王杰自制了一套结构简单的列管式换热器，该换热器以一定的高度悬在冷床上，可以充分吸收冷床上钢坯的辐射热量进行换热，产生热水。该换热器结构如图2所示，由钢管，两个相同尺寸的水箱和四个支撑脚焊接而成。四个支撑脚搁置在冷床左右两侧的走台上，每5根钢管为一组，上下交错排列。水箱由钢板焊成，其内部由钢板分成上下两层，每一层又由一块块钢板隔成一个个小封闭腔，每一个封闭腔与一组或两组并排的钢管相接，。该换热器结构简单、制作方便，而且因为有多个封闭腔，致使水流行程很长，水吸热充分。，使得冷水经过水管时，能充分吸收热钢坯释放的热量。

2.2.2、半封闭式换热装置

余蔚茗为了能充分回收冷床上放散的热量，提出了一个半封闭式的预想换热方案，如图3所示。冷空气从冷床出口处下方循环鼓入换热装置，随着与冷床上方高温轧件的逐步换热，冷空气受热温度得到提高，在冷床入口处，经过换热的空气温度可达800℃以上，之后高温热空气随着上方放置的循环系统送入余热锅炉，产生的蒸汽既可直接并入厂区蒸汽管网也可用于发电，而经余热锅炉换热后的冷空气经除尘后再次鼓入冷床换热系统，实现空气的循环利用，达到节能减排效果。

2.3、吸热罩回收冷床余热技术

李忠，姜志伟等提出了一种简单实用的冷床余热回收利用方法，将热轧冷却余热回收并输送到轧机区，供轧机区取暖除雾，并于2012年11月-2013年2月在河钢集团宣钢75万吨/年棒材生产线予以实践，效果良好。

具体设计方案是：在冷床的入口区域设置若干个吸热罩，吸热罩通过吸热支管与吸热主管连接，吸热主管上设置蝶阀、测压测温等调控保护装置，用引风机将吸热主管中的热风经送热主管送至轧机区，送热主管上安装调节阀，轧机区的送热主管上均匀设置若干个支管，每个支管连接双层排风百叶窗，由百叶窗控制风向并均匀地送出热风，以提高轧机区域温度，减少轧机区雾气。该方案应用后，轧机区地表温度由原来0℃以下达到了10-20℃，基本消除了雾气，能见度大幅提高，改善了工作环境。如图4所示。

2.4、热管技术在冷床余热回收的应用

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，热管传热性能好，热阻小，传热温差小，具有回收余热的能力，并可避免冷热流体之间的互相泄漏和污染，适用温度范围广，在不同温度范围可选用不同的工质，尤其是对于300℃以下数量极大的低温余热资源具有广泛的应用前景，在冶金企业中推广热管(换热器)技术是节能的有效途径之一。

季明明等以钢管冷床为例，提出热管技术在轧钢冷床余热回收方面的应用。按照热管(换热器)的安装位置，提出以下两种冷床余热回收的方案：

1)在冷床下方安装热管

在冷床长度方向，将适用不同温度范围的热管安装在冷床钢管下方的齿条两侧，将热管的布置划分为三个区间：1000℃-500℃高温区，500℃-300℃中温区，300℃-100℃低温区。这样可以针对冷床上不同的温度区间，进行热量的回收，从而更有效的发挥了热管的作用。此方案简图如图5所示。

2)在冷床上方安装热管换热器

将热管换热器以一定高度悬在冷床钢管之上，如图6所示，选择平板型热管换热器。利用回收的热量，可以生产采暖热水，用于装置的采暖等。应用热管换热后的热空气还可用来为加热炉提供燃烧所需空气，减少燃料的消耗。

3、冷床余热回收技术的展望

冷床余热回收方面虽然已经开展了一些研究，但这部分余热回收后直接用于发电，还鲜有报道。单纯的从余热的利用形式看，余热的动力回收中，将热能转变为电能是利用方式中价值最高的，再者，由于冷床热源存在由高到低逐步递减的特点，故冷床余热发电技术，也是一项值得深入研究的技术。目前，研究最多且在其他领域成功应用的发电技术主要有以下两种技术。

3.1、半导体温差发电技术

半导体温差发电技术，是一种利用两种不同类型半导体两端存在一定的温差就可以产生电能的绿色环保的发电技术，近年来，热电材料的成本下降，使得热电技术不仅仅只局限于航天等尖端领域，也逐渐成为低品位热能回收利用的一个主要途径之一。英国威尔士大学和日本大阪大学联合研究了钢铁厂和垃圾焚烧厂的废弃余热发电的项目。张鹏等计算了热电发电用于工业余热的成本，表明其1.76年发电成本就相当于目前工业用电，而工业余热利用产生的环境效益更是不可估量。温差发电技术示意图如图7所示。

3.2、朗肯循环发电技术

朗肯循环作为一种简单的蒸汽动力循环，是一种能将热能转化为高品位的电能或机械能的装置。这种技术在很多工业领域的废气余热回收中已经得到普遍使用。朗肯循环的余热回收系统主要包括蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵四个部分。朗肯循环原理图如图8所示。工质的选择也多样性，可以以水作为工质，也可采用有机物作为工质。工质在循环中流动，将热能转化为机械能。通常，热源与环境因素决定具体工质的选择。相对于其他余热回收技术，朗肯循环技术是一项极具发展潜力的余热回收技术，适应性好，安全性高，效率较高，所以越来越受到大家的关注，但也存在结构相对复杂，设备加工困难的缺点。

结语

冷床作为钢铁业非常重要的一道工序，其余热利用有着显著的节能效果，对生产企业来讲，这部分能源的回收不仅有着可观的经济效益，而且还可以改善工作环境。至今对其余热的回收技术研究寥寥无几，尚无成熟应用的回收技术，可以根据冷床热源特点按级分段回收，采用适合冷床余热回收的温差发电技术、有机工质朗肯循环发电技术等，达到能尽其用。总之，冷床余热利用潜力巨大，加快冷床余热回收利用技术的研发任重道远。