钢铁企业绿色制造运行关键技术研究

何志朋，张 华，江志刚，王艳红，鄢 威

（1.武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，430081；2.武汉科技大学管理学院，湖北 武汉，430081）

钢铁企业是物料消耗、能源消耗和污染物排放的大户。目前，钢铁企业越来越重视环境影响和资源效益问题，人们对钢铁行业实施绿色制造的可行性和必要性研究也颇为关注。田溪等［1］分析了钢铁行业的发展现状以及绿色制造与企业社会责任的关系，通过实例证明了实施绿色制造可促进社会效益和经济效益的和谐并进。李国会等［2］认为钢铁工业实施清洁生产要从节约资源和能源、改进工艺和设备、加强管理、进行必要的末端治理等方面着手，并指出清洁生产是钢铁工业可持续发展的必然选择。殷瑞钰［3］强调了钢铁制造流程系统优化的重要性，并讨论了钢厂生产流程中的节能、清洁生产问题和钢材及其制品的绿色度问题。Chen等［4］从生命周期评价角度出发，对转炉炉渣回收方案进行评估和选择，以尽可能减少环境污染和资源负担。Ma等［5］分析了中国钢铁行业的废热回收和利用问题。朱艳新等［6］以全局战略眼光重新审视了我国钢铁流通企业存在的问题，从供应链前后向整合、增值服务能力、信息化建设等方面探索了钢铁流通企业发展的可行策略。Yellishetty等［7］讨论了回收废钢铁带来的环境效益。总之，钢铁企业要走上可持续发展的道路，就必须实施企业经济效益与可持续发展效益最大化的绿色制造模式。

1 钢铁企业绿色制造运行模式

图1 钢铁企业绿色制造运行模式部分结构图Fig.1 Partial structure of the green manufacturing operation mode for iron and steel enterprises

笔者提出了一种具有5层结构的钢铁企业绿色制造运行模式，其部分结构如图1所示［8］。这种运行模式的最终目标是经济效益与可持续发展效益协调最大化。为了达到最终目标，在钢铁制造过程目标层必须做到：资源消耗R越少越好，环境影响E越小越好，职业健康与安全程度H、生产率P和产品质量Q越高越好，生产成本C越低越好。钢铁制造过程目标的实现又具体体现在钢铁产品生命周期中，而其中的产品设计、绿色工艺规划和钢铁清洁化生产等是使整个运行模式得以实施的关键。因此，本文主要针对钢铁产品制造生命周期主线层中的绿色工艺规划和钢铁清洁化生产这两部分关键技术进行研究。

2 钢铁企业绿色工艺规划

钢铁制造过程的工艺方案不同，其物料和能源的消耗就会不同，对环境的影响也不一样。所谓钢铁企业绿色工艺规划是指根据钢铁制造系统的实际情况，尽可能研究和采用物料及能源消耗少、废弃物少、噪声低、环境污染轻的工艺方案。通过绿色工艺规划体系，可对钢铁企业的工艺路线、工艺方法、工艺装备和辅助物料等进行最佳规划，从而有利于钢铁生产各环节的物资和能源的综合分配和利用，实现生产成本、生产率、产品质量和环境影响等目标的协调优化。本文建立的钢铁企业绿色工艺规划体系结构如图2所示，其主要内容如下。

图2 钢铁企业绿色工艺规划体系结构Fig.2 System structure of green process planning for iron and steel enterprises

（1）钢铁企业工艺路线规划是指对烧结、焦化、炼铁、炼钢、连铸、轧钢等主要生产工艺路线的制定。例如，对于高炉炼铁—转炉炼钢—连铸—轧钢整个生产过程，采用准连续化甚至连续化生产方式，可以大大减少因钢铁温度起伏造成的能量消耗。另外，还可以根据市场需求，与下游企业合作，实现钢铁产品的近净成形，以减少产品制造能耗。

（2）钢铁企业工艺方法规划是指针对钢铁生产中某一具体工序的工艺方法的选择。例如，通过烧结工艺可提前有效处理铁矿石中的污染物；采用高炉喷煤技术，以喷煤代替焦炭，可以有效减少因炼焦产生的污染；回收利用高炉煤气，采用高压炉顶余压进行发电等。

（3）钢铁企业工艺装备规划是指在钢铁生产工艺流程中，根据当前生产条件对各生产工序中的装备进行选择。例如，当采用大型高炉炼铁时，要根据钢铁企业自身生产条件，综合考虑铁矿石品位、焦炭和喷吹煤质量要求等因素，然后才能确定高炉的炉容级别。同时，在工艺装备规划时，要注意设备尽可能的大型化、高效化，以利于节能和降低成本。

（4）钢铁企业辅助物料规划是指在钢铁生产工艺流程中，对配合主料资源转化所必需的能源或辅助材料（如油、空气、煤、石灰石、耐火材料、合金、精炼材料和水等）进行合理规划。例如，在高炉炼铁过程中，需要添加熔剂石灰石、萤石等促进炉渣熔化，需要鼓风为焦炭燃烧提供氧气，等等。这些辅助物料的使用都要求精心组织。

（5）钢铁企业工艺参数规划是指在钢铁生产工艺流程中对各个工艺的基础数据或指标的确定。例如，对于高炉喷吹系统，需要制定喷煤量、风温、风量、风中氧含量、冶炼时间等工艺参数。

（6）废弃物处理规划是指对钢铁企业生产过程中的钢渣、炉渣、废水、废气、炉尘等废弃物以及废钢铁产品的回收利用进行合理规划。例如，如何消纳社会废弃物（如废塑料、废轮胎、可利用的生活废水等），如何向社会提供钢铁生产余热和副产品（如煤气、热水、高炉渣、钢渣等），如何完善物料和产品配送体系，从而减少运输量、降低资源消耗。

钢铁企业在制造过程中要规划的内容很多，以上只列举了部分项目。在钢铁企业绿色工艺规划过程中，要对各项工艺内容进行环境友好性评估。根据评估结果，运用绿色制造的工艺规划原则和方法进行改进，重新规划和协调优化，使综合多目标得以最大化，最后输出符合钢铁绿色制造要求的工艺规章以及其它文档。

同时，在钢铁企业绿色工艺规划过程中不仅要处理好各个工序的物能资源消耗问题，还要善于将各个工序联系起来，对流程进行解析与集成，优化其操作顺序，即对钢铁制造过程中诸多工序的诸多功能进行解析，进而对某一个或某些功能在诸多工序中的实现方式、实现程度进行优化选择、分配或取代，形成经过解析—优化的流程工序功能集。例如，脱硫功能可以在烧结、高炉、铁水预处理、转炉、电炉、二次精炼等工序或装置中完成，但是经过技术和经济比较，人们认识到不应该通过转炉、电炉中的氧化工序来实现脱硫功能，而在铁水预处理、高炉炼铁、烧结等工序中实现脱硫功能是相对经济合理的［9］。

3 钢铁清洁化生产

钢铁清洁化生产是对钢铁整个生产过程与产品采取整体预防式环境策略，减少或者消除它们对人类及环境的可能危害，同时充分满足人类对钢铁产品的需求，使钢铁企业经济效益与可持续发展效益最大化的一种生产模式。钢铁制造过程清洁化生产的主要目标是资源消耗极小化以及环境影响极小化。钢铁清洁化生产涉及的主要资源和环境问题如图3所示。下面以钢铁生产中的高炉炼铁、转炉炼钢、连铸、轧钢这4个阶段为研究对象，具体分析其资源消耗及环境影响问题。

图3 钢铁制造过程中清洁化生产涉及的主要资源及环境问题Fig.3 Main resource and environmental problems in the clean production of iron and steel

（1）高炉炼铁阶段。此阶段主要涉及铁矿石、焦炭、石灰、热空气等物能资源消耗极小化问题，以及生产过程中气体、固体、液体等排放物和热污染、噪声污染的极小化问题，其中包括能量和排放物的最大限度利用问题。

高炉炼铁阶段物能资源消耗极小化问题的解决方案有：①尽可能选择品位高的铁矿石以减少辅助物料的消耗，选择优质焦炭以利于高炉顺行；②使用大型化的先进高炉装备来提高生产率、降低成本；③提高热风系统的风温以利于减少焦炭、煤粉等燃料的消耗，进而降低气体污染物的排放量；④采用富氧喷煤，提高喷吹系统的煤粉量，减少焦炭的消耗量，从而降低炼焦过程中的污染物排放量，同时也有利于企业降低成本；⑤采用废塑料代替部分焦炭和煤粉，对高炉煤气进行回收利用，采用高压炉顶余压发电，采用干法除尘。

高炉炼铁阶段环境影响极小化问题的解决方案有：①用高炉渣生产水泥和混凝土或铺设路基；②通过水冷处理高炉出渣中的显热污染；③回收高炉炉尘中的Zn，炉尘残渣可用于铺路；④采用消声器对高炉煤气在除尘过程中产生的噪声进行处理；⑤冷却水有效处理后加以循环利用；⑥高温铁水宜短距离运输至下道工序加工，以减少热量耗散。

（2）转炉炼钢阶段。转炉炼钢通常采用顶底复吹工艺。顶底复合吹炼转炉兼有顶吹和底吹的优点，熔池搅拌能力强，因此其具有熔池成分和温度较均匀、操作平稳、可防止喷溅和金属损失、脱碳速度快等特点，但在生产过程中会产生大量的炉顶煤气、炉尘、冷却水和转炉渣，并排放出大量的热量。

转炉炼钢阶段资源消耗极小化问题的解决方案有：①全面发展转炉高效吹炼技术。首先要提高供氧强度，从而提高生产效率，这是降低能耗、降低成本的最主要手段；其次要提高吹炼终点动态控制精度，终点控制是炼钢操作的技术关键；再次要针对不同吨位的转炉，全面研究和采用溅渣条件下的全程复吹技术，这样既能强化冶炼、提高效率，又能保证质量、降低消耗。②对于转炉煤气要回收再利用。转炉煤气回收技术主要有“LT”法干式处理和“OG”湿法处理。通过“LT”法干式处理技术，利用电场除尘，除尘率高达99%，可直接将烟气中的含尘量净化至10mg／m3以下，同时可以省去庞大的循环水系统［10］。③进一步优化国内炼钢生产工艺和装备技术，加速实现设备大型化，加快淘汰小转炉等落后设备，从而提高资源利用效率，减少废弃物排放。

转炉炼钢阶段环境影响极小化问题的解决方案有：①以转炉渣为原料生产水泥和砖，或将其作为炼铁烧结矿原料和路基材料等；②将转炉炼钢粉尘加工后返回钢铁厂再次利用；③最大限度地回收再利用转炉煤气，尽量降低对环境的负面影响。

（3）连铸阶段。连铸阶段的主要污染物是冷却水，可通过污水处理系统来提高水的循环利用率，降低污染水排放量。连铸阶段的噪声污染主要来自剪断机的撞击声，可采用活动或半敞开式隔声罩来降低噪声。同时，加速实现设备大型化、加快淘汰小连铸等落后设备也是解决连铸阶段资源消耗及环境影响问题的重要措施。

（4）轧钢阶段。轧钢阶段的主要污染物也是冷却水，主要通过污水净化、水质稳定和节水技术来处理，从而提高水的利用率，降低污染水排放量。轧钢阶段的噪声污染有多种。来自轧机工作机座的噪声可采用以下处理措施：用塑料部件代替梅花轴套中的金属部件；用滚动轴承代替滑动轴承或采用带塑料零件的轴承；采用衬橡胶的磁性辊子等。来自剪断机和精整机的噪声主要是撞击声，可采用活动或半敞开式隔声罩来降低噪声。轧钢阶段所产生的废钢宜集中起来回收再利用。为了应对轧钢阶段的热污染，必须提高工人的防护装备性能，尽可能改善其工作环境。

另外，采用薄板坯连铸连轧技术，将炼钢、连铸和轧钢3个生产阶段连接在一起，可以简化工艺，缩短生产线流和生产周期，从而降低能源消耗和生产成本。

4 结语

要使钢铁企业绿色制造运行模式有效运行，其中的系统支撑层、绿色制造运行环境层、钢铁产品生命周期层以及钢铁生产过程目标层就必须紧密相连，缺一不可。钢铁生产过程目标层的目标实现，必须以钢铁产品生命周期为主线进行展开，要细分运行模式中的各个环节，根据钢铁制造特点和企业实际状况制定相应的实施策略。一方面，要制定好钢铁企业绿色工艺规划；另一方面，在具体的钢铁生产过程中要实施好清洁化生产方案。钢铁企业要注重绿色工艺方案与企业清洁化生产条件相配合，要在各个钢铁生产环节提出绿色化的解决方案，然后进行分步实施，并且要注重从整体上协调各环节的多种效益，只有完成好这两项关键技术工作，才能实现钢铁企业的经济效益与可持续发展效益最大化。

［1］田溪，张志红.绿色制造在钢铁行业中的必要性［J］.节能与环保，2009（12）：19－22.

［2］李国会，王雪，张立娟，等.浅谈钢铁工业的清洁生产与可持续发展［J］.工业安全与环保，2012，38（8）：76－78.

［3］殷瑞钰.节能、清洁生产、绿色制造与钢铁工业的可持续发展［J］.钢铁，2002，37（8）：1－8.

［4］Chen Bo，Yang Jianxin，Ouyang Zhiyun，et al.Life cycle assessment of internal recycling options of steel slag in Chinese iron and steel industry［J］.Journal of Iron and Steel Research International，2011，18（7）：33－40.

［5］Ma Guangyun，Cai Jiuju，Zeng Wenwei，et al.Analytical research on waste heat recovery and utilization of China’s iron ＆ steel industry［J］.Energy Procedia，2012，14：1022－1028.

［6］朱艳新，彭永芳.供应链视角下钢铁流通企业核心竞争能力的提升［J］.经济问题探索，2013（5）：151－155.

［7］Yellishetty M，Mudd G M，Ranjith P G，et al.Environmental life－cycle comparisons of steel production and recycling：sustainability issues，problems and prospects［J］.Environmental Science ＆ Policy，2011，14（6）：650－663.

［8］He Zhipeng，Zhang Hua，Wang Yanhong，et al.Green manufacturing operation mode for iron ＆steel enterprise［J］.Advanced Materials Research，2013，690－693：122－127.

［9］殷瑞钰.冶金流程工程学［M］.北京：冶金工业出版社，2009.

［10］李光强，朱诚意.钢铁冶金的环保与节能［M］.北京：冶金工业出版社，2010.