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鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志,，我國(guó)鋼材產(chǎn)量雖多年位居世界第一,，但2024年遭遇了近五年來(lái)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：產(chǎn)能過(guò)剩、價(jià)格下跌和企業(yè)利潤(rùn)大幅萎縮,。根據(jù)中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì),，2024年前三季度，重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)營(yíng)業(yè)收入同比下降6.87%,，利潤(rùn)總額下降56.39%,。預(yù)計(jì)2025年行業(yè)外部環(huán)境仍然嚴(yán)峻，成本和質(zhì)量控制無(wú)疑是企業(yè)必須牢牢抓住的“生命線”,，是企業(yè)核心生存力的重要內(nèi)容,。

當(dāng)前，我國(guó)鋼鐵工業(yè)正處在由大向強(qiáng)轉(zhuǎn)變的歷史性節(jié)點(diǎn)。政策持續(xù)強(qiáng)調(diào)高質(zhì)量發(fā)展,，如《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)“要從技術(shù)與質(zhì)量上促進(jìn)產(chǎn)業(yè)供給高端化”,。2022年多部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出，“要重點(diǎn)圍繞低碳冶金,、潔凈鋼冶煉,、薄帶鑄軋、高效軋制等工藝技術(shù)上取得突破性進(jìn)展,?！迸c此同時(shí)，針對(duì)碳排放的嚴(yán)格監(jiān)管,，國(guó)務(wù)院發(fā)布《空氣質(zhì)量持續(xù)改善行動(dòng)計(jì)劃》要求“到2025年,，全國(guó)80%以上的鋼鐵產(chǎn)能完成超低排放改造任務(wù)、重點(diǎn)區(qū)域全部實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)超低排放”,。大型鋼鐵企業(yè)面臨提質(zhì)和降碳雙重壓力,，要優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能耗，提高燃燒效率是關(guān)鍵,。

提升燃燒效率,，濃度與熱值同測(cè)是必然趨勢(shì)

加熱爐是鋼企熱軋生產(chǎn)線上第一道工序的核心設(shè)備，其主要功能是將冷坯加熱到軋制溫度,，占軋鋼工序能耗的50%以上,，加熱爐燃燒效率的高低直接關(guān)系到軋鋼生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

首先,，鋼坯加熱的目的是提高坯料塑性,，燃燒控制得當(dāng)可保證合適的加熱溫度從而使鋼坯狀態(tài)達(dá)到最佳，在鋼坯軋制時(shí)可減少因磨損和沖擊造成的設(shè)備事故,，提高軋機(jī)的生產(chǎn)率和作業(yè)率,，有效降低軋制燃耗。其次,，好的燃燒控制能改善鋼坯的內(nèi)部組織和性能,，不均勻組織和非金屬夾雜物可通過(guò)高溫加熱的擴(kuò)散作用而均勻化。加熱溫度和均勻程度是體現(xiàn)加熱質(zhì)量的標(biāo)志性指標(biāo),，加熱質(zhì)量好的鋼坯,，容易獲得斷面形狀正確、幾何尺寸精準(zhǔn)的成品,。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,，高爐/焦?fàn)t煤氣存在因氣體組分及熱值變化波動(dòng)較大導(dǎo)致燃燒效率不足的問(wèn)題，所以準(zhǔn)確在線測(cè)量其氣體組分及熱值變化情況并自動(dòng)優(yōu)化控制燃燒過(guò)程,，可以大幅提高燃燒效率,。

同時(shí)測(cè)量組分濃度和熱值存在諸多難點(diǎn)。首先,，鋼鐵冶金過(guò)程中所用到的燃料氣體組分復(fù)雜,，包括甲烷、一氧化碳,、二氧化碳,、氮?dú)狻錃?，以及乙烷,、丙烷、乙炔,、乙烯等少量烴類,。這些組分不但含量差別較大，且許多少量烴類組分擁有較高的熱值,，當(dāng)這些氣體混合存在時(shí),，其熱值的計(jì)算需要精確測(cè)量每種組分的濃度和比例。其次,，加熱爐生產(chǎn)過(guò)程通常是動(dòng)態(tài)變化的,，隨著溫度與燃料的變化將導(dǎo)致氣體濃度瞬變，要求測(cè)量快速響應(yīng),，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝的實(shí)時(shí)決策和控制,。再次，環(huán)境因素影響也很大,，如溫度,、壓力和濕度都會(huì)影響熱值測(cè)量的準(zhǔn)確性；爐內(nèi)氣流不均也會(huì)影響氣體檢測(cè)樣本的代表性,。例如水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水將導(dǎo)致對(duì)氣體物理性質(zhì)和化學(xué)組分的改變,，進(jìn)而影響熱值的計(jì)算，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)往往需要樣品預(yù)處理,，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),，且難以適應(yīng)高溫、高壓,、高濕等惡劣的工業(yè)環(huán)境,。最后，可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)的安全風(fēng)險(xiǎn)極高,，因?yàn)榭扇細(xì)怏w一旦泄漏可能導(dǎo)致爆炸和火災(zāi),，并且某些氣體具有毒性，能夠?qū)θ梭w健康造成威脅,。

除以上提到的宏觀因素以外,，檢測(cè)技術(shù)和儀器性能局限也是影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素。技術(shù)局限通常包括選擇性差、響應(yīng)速度慢,、溫濕度依賴性強(qiáng)及測(cè)量范圍限制等,。而監(jiān)測(cè)儀器的局限主要體現(xiàn)在維護(hù)和校準(zhǔn)成本高、設(shè)備尺寸較大,、對(duì)惡劣環(huán)境適應(yīng)性差及數(shù)據(jù)處理能力有限等方面,。

逐個(gè)擊破難點(diǎn)，拉曼光譜分析技術(shù)將成為首選

冶金過(guò)程氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了從采樣分析到在線監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)變,。傳統(tǒng)的氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)大多依賴于人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析,，此類方式不僅耗時(shí)耗力，而且難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控,。隨著科技的進(jìn)步,，在線色譜分析、質(zhì)譜分析和光譜分析等技術(shù)逐漸成為冶金過(guò)程氣體監(jiān)測(cè)的主流方法,。這些技術(shù)能夠提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),，幫助企業(yè)更好地調(diào)整生產(chǎn)策略，優(yōu)化工藝流程,。

而在光譜技術(shù)中,，激光拉曼光譜分析技術(shù)顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其適合于鋼鐵冶金領(lǐng)域的工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè),。其最大的特點(diǎn)是具有高選擇性和靈敏度,，能夠精確區(qū)分和識(shí)別復(fù)雜的化學(xué)組分，并提供豐富的分子結(jié)構(gòu)信息,，幫助分析復(fù)雜樣品,。該技術(shù)無(wú)需樣品預(yù)處理，能夠直接對(duì)氣體樣品進(jìn)行分析,，從而簡(jiǎn)化了分析流程,。同時(shí)，激光拉曼具備快速響應(yīng)能力,，適合在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),，且在分析過(guò)程中不會(huì)改變樣品性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)非破壞性監(jiān)測(cè),。此外,，激光拉曼能夠更好地適應(yīng)高溫、高壓,、高濕和高粉塵等惡劣環(huán)境,，且無(wú)需使用載氣、色譜柱等耗材,，從而降低了運(yùn)行成本,。

創(chuàng)新升級(jí)的四方儀器激光拉曼解決方案

由四方儀器自主研發(fā)生產(chǎn)的激光拉曼光譜氣體分析系列產(chǎn)品,，具有秒級(jí)響應(yīng)速度、測(cè)量濃度范圍廣,、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn),，特別適用于目標(biāo)氣體種類已知的多組分氣體長(zhǎng)期快速在線的濃度檢測(cè)，且能有效避免水的影響,。不僅能在線實(shí)時(shí)定性及定量檢測(cè)近20種氣體濃度，還能同時(shí)計(jì)算顯示氣體熱值,。

四方儀器是國(guó)內(nèi)首家通過(guò)自研自產(chǎn),，向市場(chǎng)推出激光拉曼氣體分析儀器的廠商。早在2012年,，四方儀器研發(fā)的LRGA-6000就已經(jīng)牽頭承擔(dān)了國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“激光拉曼光譜氣體分析儀器的研發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目,，針對(duì)激光拉曼光譜法的特征信號(hào)較弱等業(yè)界難題，四方儀器鉆研該分析技術(shù)十余年,，最終攻克了測(cè)量精度受外部因素影響等難題,，成功開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商業(yè)化產(chǎn)品。該分析系統(tǒng)獲得十余項(xiàng)發(fā)明專利,，并被授予“2021年度中國(guó)石油與化工自動(dòng)化行業(yè)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)”,、“2021年度中國(guó)分析測(cè)試協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)（CAIA獎(jiǎng)）二等獎(jiǎng)”等多項(xiàng)榮譽(yù)。

在此之后,，四方儀器陸續(xù)推出了同系列的LRGA-3100,、LRGA-3200、LRGA-3200EX,，作為鋼鐵冶金,、煤化工、天然氣開采集輸,、新能源電池等眾多行業(yè)的氣體組分濃度與熱值監(jiān)測(cè)配套應(yīng)用產(chǎn)品,。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，四方儀器推出了小型化的在線監(jiān)測(cè)儀器,，這些儀器設(shè)計(jì)精巧,、操作簡(jiǎn)便，能夠滿足科研人員對(duì)精確數(shù)據(jù)的追求,。而在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),，四方儀器則提供了更為堅(jiān)固耐用的原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用防爆設(shè)計(jì),，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行,，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。此外,，四方儀器還考慮到了用戶對(duì)復(fù)雜組分氣體監(jiān)測(cè)的需求,，推出了包含預(yù)處理單元的分析系統(tǒng),，以適應(yīng)更為復(fù)雜的監(jiān)測(cè)任務(wù)。其整體的設(shè)計(jì)理念是為用戶提供定制化的監(jiān)測(cè)方案,，確保每一位用戶都能得到滿足其特定需求的產(chǎn)品和服務(wù),。

實(shí)際應(yīng)用案例

中國(guó)寶武是全球規(guī)模最大的鋼鐵企業(yè)，旗下的寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱：武鋼有限）在熱軋廠擁有7座加熱爐,，年產(chǎn)千萬(wàn)噸鋼坯,。該項(xiàng)目需為加熱爐配備熱值檢測(cè)設(shè)備，以精準(zhǔn)控制燃燒,，提升空燃比的準(zhǔn)確性,。

自2022年以來(lái)，武鋼有限熱軋廠積極推進(jìn)能耗降減和新技術(shù)應(yīng)用,。以1580產(chǎn)線為例,，該產(chǎn)線年產(chǎn)量自2020年以來(lái)超過(guò)設(shè)計(jì)產(chǎn)能30%以上，燃耗管理成為重點(diǎn),。盡管采取了多項(xiàng)措施,，如提升加熱爐自動(dòng)化、優(yōu)化生產(chǎn)組織等,，但仍面臨設(shè)備老化問(wèn)題,。原使用的紅外熱值分析儀因放置在11年前建造的防爆小屋而逐漸失效，且由于燃料預(yù)處理不當(dāng),，已導(dǎo)致停用,。如果不及時(shí)采取新措施對(duì)加熱爐空燃比進(jìn)行精確控制，不僅會(huì)帶來(lái)燃耗增加,，而且極易造成鋼坯氧化燒損偏高和煙氣污染物排放超標(biāo),，更會(huì)直接影響軋鋼成材率、鑄坯表面質(zhì)量甚至目標(biāo)產(chǎn)量的達(dá)成,。

武鋼有限熱軋廠鋼坯加熱現(xiàn)場(chǎng)

熱軋廠希望尋找更先進(jìn)的熱值檢測(cè)設(shè)備,，可以精準(zhǔn)且實(shí)時(shí)檢測(cè)加熱爐生產(chǎn)過(guò)程中的氣體組分濃度及熱值，且不用再搭建類似防爆小屋的構(gòu)建物,。通過(guò)對(duì)不同技術(shù)路線和多個(gè)供應(yīng)商方案的比較,，熱軋廠最終采用了四方儀器的明星產(chǎn)品——激光拉曼在線防爆型分析系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的紅外熱值分析儀進(jìn)行了部分替換,。

四方儀器經(jīng)過(guò)評(píng)估后為用戶量身定制的監(jiān)測(cè)方案

四方儀器為熱軋廠1580產(chǎn)線加熱爐安裝了LRGA-6000在線防爆型激光拉曼光譜氣體分析系統(tǒng),。該系統(tǒng)可24小時(shí)在線快速準(zhǔn)確測(cè)量高焦混合煤氣中CO2、CO,、H2,、N2、CH4,、CnHm和O2等主要?dú)怏w成分體積濃度及熱值,，自動(dòng)計(jì)算并顯示數(shù)據(jù),，實(shí)時(shí)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)給燃燒控制系統(tǒng)，且與現(xiàn)有燃控系統(tǒng)融合,，實(shí)現(xiàn)了基于該系統(tǒng)的燃燒自動(dòng)化控制,，達(dá)到最優(yōu)燃燒效率與最佳空燃比。該方案將儀表集成在正壓防爆柜內(nèi),，完全適用于危險(xiǎn)場(chǎng)景的使用,，無(wú)需單獨(dú)設(shè)立防爆分析小屋。

該解決方案實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)儀器解決熱軋過(guò)程加熱爐氣體全流程檢測(cè)和熱值檢測(cè),，滿足多檢測(cè)點(diǎn)在線實(shí)時(shí)循環(huán)檢測(cè)的工況需求,，無(wú)需載氣和耗材，降低了使用維護(hù)成本,。系統(tǒng)所采用的激光拉曼氣體特征指紋技術(shù)抗干擾能力極強(qiáng)，有效避免了各類燃料中含量不一的水分對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,，專門適用于此類高溫及混合氣體復(fù)雜的工作環(huán)境,。

武鋼有限熱軋廠LRGA-6000設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)

1580產(chǎn)線加熱爐選擇高端激光拉曼光譜氣體分析儀正是武鋼有限熱軋廠深化數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的縮影,。該分析儀在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行一年多,，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,。

一,、減少燃料浪費(fèi)

根據(jù)測(cè)得的準(zhǔn)確熱值可計(jì)算出空燃比,，調(diào)整空燃比為最佳值可使燃料供給更加精準(zhǔn),，燃料燃燒更加充分，從而提高燃燒效率,。反之,，若煤氣熱值頻繁波動(dòng)，將會(huì)造成加熱爐空燃比不合理,。空燃比例小將造成爐溫低,，導(dǎo)致冷坯升溫加熱時(shí)間長(zhǎng),，加熱爐加熱能力低；空燃比例大則廢氣帶走熱量損失多,，造成燃料浪費(fèi),。

二、提升鋼坯燒制質(zhì)量

鋼坯氧化程度主要受加熱溫度,、加熱時(shí)間與爐氣成分的影響,，鋼的加熱溫度越高加熱時(shí)間越長(zhǎng),，爐內(nèi)氧化性氣體越多，鋼坯表面氧化就越嚴(yán)重,。同理,，因氧化性氣體增多而導(dǎo)致鋼坯表面的碳產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)即會(huì)造成脫碳的后果。此時(shí)需要連續(xù)檢測(cè)所產(chǎn)生的熱值數(shù)據(jù)來(lái)即時(shí)指導(dǎo)燃料供給量的增減,，合理控制爐內(nèi)氧含量,，從而提升鋼坯質(zhì)量,，避免鋼坯經(jīng)過(guò)軋制后表面形成麻點(diǎn)和裂紋等缺陷，降低燒損率,。

三、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排

在通過(guò)熱值檢測(cè)提高燃料燃燒效率的同時(shí),，1580產(chǎn)線也降低了大量含有NOx和SO2的煙氣外排和排煙熱損失,，避免過(guò)多未燃燒完全的燃料氣體排出爐外，間接減少了加熱爐的停爐時(shí)間和次數(shù),。在提高產(chǎn)量與質(zhì)量的同時(shí),，也用無(wú)聲行動(dòng)響應(yīng)著國(guó)家“雙碳”政策，減少了CO2,、CH4等溫室氣體排放對(duì)環(huán)境造成的影響,。

2023年，熱軋廠1580產(chǎn)線年產(chǎn)量超480萬(wàn)噸,，創(chuàng)年產(chǎn)量歷史新高，連續(xù)4年實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng),，打破自己創(chuàng)造的效率天花板，燃耗,、作業(yè)率等多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)均刷新歷史紀(jì)錄,，以實(shí)實(shí)在在的進(jìn)步再次實(shí)現(xiàn)了自我突破,，被寶鋼股份授予“進(jìn)步標(biāo)桿機(jī)組”稱號(hào)。而經(jīng)過(guò)武鋼有限熱軋廠1580產(chǎn)線加熱爐熱值檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際性能驗(yàn)證以及嚴(yán)格測(cè)試評(píng)估,，四方儀器激光拉曼熱值分析儀獲得了武漢有限熱軋廠專家領(lǐng)導(dǎo)高度認(rèn)可，將被優(yōu)先應(yīng)用于該客戶其它6條加熱爐產(chǎn)線,。

結(jié)語(yǔ)

在鋼鐵冶金行業(yè)邁向高質(zhì)量化與綠色化生產(chǎn)的今天，四方儀器以其卓越的激光拉曼光譜氣體分析技術(shù)成為了這一變革的先鋒,。隨著激光拉曼光譜氣體分析技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用的深入,，該技術(shù)在鋼鐵冶金行業(yè)的安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益提升方面將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,，推動(dòng)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,。

四方儀器的創(chuàng)新之路，是一條不斷探索,、不斷突破的旅程。公司始終堅(jiān)持以客戶需求為導(dǎo)向,，以自主創(chuàng)新為核心，不斷推動(dòng)產(chǎn)品的性能提升和應(yīng)用拓展,。從LRGA-6000到LRGA-3200EX，每一款產(chǎn)品都是四方儀器技術(shù)實(shí)力的體現(xiàn),，更是公司對(duì)行業(yè)需求深刻理解的結(jié)晶,。四方儀器堅(jiān)信,，通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和服務(wù)升級(jí),，能夠?yàn)橐苯疬^(guò)程行業(yè)乃至更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，提供更加卓越的監(jiān)測(cè)解決方案,，共同開創(chuàng)一個(gè)綠色,、智能、可持續(xù)的工業(yè)未來(lái),。