引言
鋼鐵工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的支柱產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是能源消耗和大氣污染物排放大戶,鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)原材料工業(yè)，屬于能源、水資源、礦石資源消耗大的資源密集型產(chǎn)業(yè)；在鋼鐵制造體系中大量的物質(zhì)、產(chǎn)品流、大量能量轉(zhuǎn)換過(guò)程、多種形式的排放過(guò)程和大量的廢棄物都對(duì)環(huán)境造成不同層次和不同程度上的影響，因此鋼鐵工業(yè)發(fā)展必然面臨資源不足、環(huán)境污染的嚴(yán)重制約。
其中軋輥是使（軋材）金屬產(chǎn)生塑性變形的工具，是決定軋機(jī)效率和軋材質(zhì)量的重要消耗部件。軋輥是軋鋼廠軋鋼機(jī)上的重要零件，利用一對(duì)或一組軋輥滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力來(lái)軋碾鋼材。它主要承受軋制時(shí)的動(dòng)靜載荷，磨損和溫度變化的影響。
一、 軋輥選取，確定制造流程
1.軋輥選取要求
（1）板坯厚度大，軋輥必須具有較好的咬入性。
（2）板坯溫度高，軋制速度較慢，軋件和軋輥接觸時(shí)間較長(zhǎng)。軋輥必須具有較好的抗熱裂性、抗熱疲勞性。
（3）工作輥直徑大（Φ1210/1110mm）、輥身長(zhǎng)度大（5050mm），承受的軋制力高，主電機(jī)帶動(dòng)工作輥傳動(dòng)。要求軋輥有較高的抗斷裂性，軋輥輥身和輥頸必須有較高的強(qiáng)度。
（4）高的軋制溫度也要求軋輥具有高溫耐磨性。
（5）由于粗軋和精軋?jiān)谕粰C(jī)架完成，所以既要考慮到粗軋時(shí)軋件厚度大，寬度小，軋輥所受沖擊大，軋輥使用面積少，軋件與軋輥間易出現(xiàn)打滑等。也要考慮精軋時(shí)，軋件寬而長(zhǎng)，軋輥使用面積大。同時(shí)，單機(jī)架四輥軋機(jī)，在軋制低合金專用鋼和高強(qiáng)度品種鋼時(shí)，要采用控制軋制和控制冷卻技術(shù)，通常進(jìn)行交叉軋制，軋制溫度低，軋制力大。要求軋輥具有耐磨性好、抗熱裂性好、耐表面粗糙能力好、強(qiáng)度高、對(duì)熱的敏感低等性能。
本練習(xí)以大型支承輥為分析對(duì)象。圖2是支承輥簡(jiǎn)圖，各部尺寸如圖所示。支承輥所用材料為70Cr3Mo鋼。表1和表2為其常用參數(shù)。假設(shè)其制造全流程從冶煉開始。現(xiàn)場(chǎng)所采用的鍛后熱處理工藝如圖3所示，最終熱處理工藝如圖4所示。奧氏體化結(jié)束后，將工件淬入油中，55min后出油轉(zhuǎn)入溫度為3000C的回火爐中保溫30h，然后出爐空冷至室溫。要求輥身淬火后硬度達(dá)到75HS，有效淬硬深度為45mm(硬度為67HS處距表面距離)，輥頸硬度為40～45HS。
工藝流程：
配料→冶煉→LF/VD→鑄錠→電渣重熔→加熱→鍛造→鍛后處理→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→感應(yīng)淬火→冷處理→回火→精加工→包裝
所選工藝中從冶煉開始，到回火結(jié)束是主要耗能階段，其中主要計(jì)算冶煉、鍛后處理、以及工件最終奧氏體化和回火消耗的能量和CO2排放量。
二．計(jì)算能耗和CO2排放量
標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值約7000 Kcal/kg；1 Kcal約等于4182焦耳
火電的發(fā)電熱效率在35～37%；直接用天然氣加熱，熱效率為35～45%；
每度電本身的熱功當(dāng)量860大卡；即0.1229千克標(biāo)準(zhǔn)煤。
根據(jù)生命周期評(píng)估解結(jié)果，中國(guó)電網(wǎng)電力（各種電力混合后的平均值）1度電的CO2排放是960g左右。（中國(guó)生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)CLCD）
有效熱量：工件由初始溫度升到所要求的最高加熱溫度所需要的熱量
式中:
q ——工件的質(zhì)量, （kg）;
t0 和t1——工件的初始溫度和最高加熱溫度,（℃）;
c0 和c1——工件在t0和t1溫度時(shí)的平均比熱, （kJ/kg.℃)
計(jì)算：
工件質(zhì)量：
3.14*(650/2)2*730*2+3.14*(1065/2)2*1480+2*{3.14*(650/2)2+3.14*(1065/2)2+[3.14*(650/2)2+3.14*(1065/2)2]1/2}*230/3=2.05*109mm3
2.05*109mm3*10-3*7.81=16*106 g=16t
冶煉：
查每噸鑄鐵消耗電能550～700度，該工件用電8800～11200度，CO2排放量為960*（8800～11200）=8.448～10.752t，對(duì)應(yīng)熱功當(dāng)量為7568000～9632000大卡。
鍛后熱處理：
所選設(shè)備：1000 0C標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)車式電阻爐
額定功率：320 KW L*W*H:3500*1500*1000
1） 有效熱量：
16000*[(900*0.687-25*0.46)+(780*0.667-300*0.511)]*273=4.2315*109 KJ
即為4.2315*109 KJ /4.182/1000=1.01*106大卡
所以消耗1.01*106大卡/860*0.1229/0.35=412.23千克標(biāo)準(zhǔn)煤
消耗1174度電，CO2排放是1.12t
2）320*（10+10+30）=16000 KW*h
即耗電16000度，CO2排放是16000*960=1.536*107 g=15.36t
鍛后熱處理排放15.36 t+1.12t =16.48t的CO2，消耗17174度電
最終熱處理：
所選設(shè)備：1000 0C標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)車式電阻爐
額定功率：320 KW L*W*H:3500*1500*1000
1） 有效熱量：16000*（950*0.687-25*0.46）*273=2.8*109 KJ
即為2.8*109 KJ /4.182/1000=6.69*105大卡
所以消耗6.69*105大卡/860*0.1229/0.35=273.16千克標(biāo)準(zhǔn)煤，
消耗778度電，CO2排放是0.746t
2）320*（7+8+2.5+1.5）=6080 KW*h
即耗電6080度，CO2排放是6080*960= =5.8368t
鍛后熱處理排放5.8368t+0.746t =6.5828t的CO2，消耗6854度電
回火：
回火設(shè)備：6500C井式回火爐
額定功率：400KW 最高工作溫度：6500C
料筐尺寸：2200*3500(Φ*H)
回火溫度：3000C，30h
1）有效熱量：16000*（300*0.511-25*0.46）*273=6.19*108kJ
即為6.19*108kJ/4.182/1000=1.48*105大卡
所以消耗1.48*105大卡/860*0.1229/0.35=60.33千克標(biāo)準(zhǔn)煤
消耗172度電，CO2排放是0.165t
2）400*30=12000 KW*h
即耗電12000度，CO2排放是12000*960=11.52*106 g=11.52 t
回火階段排放11.52 t+0.165t =11.685t的CO2，消耗12172度電
所以最終一共消耗電45000～47400度， CO2排放量為43.1958～45.4998t
三.總結(jié)
1.我國(guó)鋼鐵工業(yè)的能耗及降低能耗措施
1）是重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)噸鋼可比能耗比國(guó)際先進(jìn)水平相差9.81％。2004 年，我國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)平均噸鋼綜合能耗為705kgce／t；而2000年，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家噸鋼可比能耗平均值為642 kgce／t。
2）是鋼鐵工業(yè)能耗增幅低于鋼產(chǎn)量增幅約5％。由于鋼鐵工業(yè)積極采用先進(jìn)節(jié)能工藝技術(shù)和裝備，在鋼產(chǎn)量高速增長(zhǎng)的同時(shí)，消耗能源的增幅低于鋼產(chǎn)量的增幅。
3）是鋼鐵工業(yè)主要工序能耗呈下降趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)主要工序能耗在不斷下降，而煉鐵工序能耗呈上升趨勢(shì)則是因?yàn)楦郀t煉鐵原燃料供應(yīng)緊張，價(jià)位攀升，成分不穩(wěn)定，質(zhì)量下降所造成的。通過(guò)加強(qiáng)管理，大力開展各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，2004年的能耗指標(biāo)好于2003年。
4）是鋼鐵企業(yè)之間工序能耗差距大，節(jié)能潛力大。由于中國(guó)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)集中度低、技術(shù)裝備水平差距大、企業(yè)數(shù)量多、企業(yè)規(guī)模和裝備容量差距大，造成中國(guó)鋼鐵工業(yè)是各種類型、多層共同發(fā)展的狀態(tài)。這種情況也就造成了企業(yè)之間各工序能耗水平差距大，也可以說(shuō)節(jié)能潛力非常大。
具體節(jié)能措施：
1）鋼鐵工業(yè)能源有效利用
德國(guó)鋼鐵工業(yè)主要采用標(biāo)準(zhǔn)的高爐煉鐵工藝。因此，鐵水是生產(chǎn)大約2500種不同鋼的最重要產(chǎn)品，但煉鐵需要的能耗高。而煉鐵前的高溫工藝以及下游工序熱加工、轉(zhuǎn)爐冶煉和鋼材精軋工藝，需要的能耗少。
設(shè)備技術(shù)的結(jié)構(gòu)變化、工藝過(guò)程的創(chuàng)新、能源市場(chǎng)的價(jià)格和供應(yīng)波動(dòng)對(duì)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的能耗和能量載體構(gòu)成的影響很大。這與能源效率的改善和綜合能源管理的進(jìn)步密切相關(guān)，這些進(jìn)步旨在實(shí)現(xiàn)將過(guò)程副產(chǎn)物作為能量載體（高爐、焦?fàn)t和轉(zhuǎn)爐煤氣）或生產(chǎn)工藝蒸汽以及更加有效的回收利用廢熱。
2）一次能耗、還原劑和能量載體組成的變化
1960年-2008年德國(guó)鋼鐵工業(yè)已成功將一次能源單位消耗量降低40%，達(dá)到約18GJ/t鐵水，從技術(shù)-經(jīng)濟(jì)角度看這是個(gè)平衡值。在這一時(shí)期，鋼鐵產(chǎn)量顯著增加，這一結(jié)果的獲得并不簡(jiǎn)單。在現(xiàn)有設(shè)備的情況下，除非以不成比例的高投入為代價(jià)，否則不可能實(shí)現(xiàn)能耗的進(jìn)一步降低與能效的進(jìn)一步提高，只有工藝創(chuàng)新才能帶來(lái)鋼鐵能源需求的進(jìn)一步減少。工藝改進(jìn)如薄板坯連鑄連軋的開發(fā)與應(yīng)用減少?gòu)匿撍骄垷釒т撨^(guò)程中的工序。采用這一技術(shù)，從連鑄機(jī)出來(lái)的凝固熱鑄坯，在輸送到多機(jī)架精軋機(jī)組直接熱軋成鋼帶前，僅需在連續(xù)加熱爐中稍稍加熱，即可使鑄坯溫度均勻。對(duì)特定鋼種采用這類新技術(shù)，可降低能耗1.2GJ/t鋼帶。
3）工藝和設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新
車間和設(shè)備改造及創(chuàng)新是保證能效穩(wěn)定提升不可缺少的條件。鋼廠集中在少數(shù)幾個(gè)地點(diǎn)，每個(gè)廠家都在提高產(chǎn)能。因此，在過(guò)去50年，德國(guó)高爐數(shù)量減少到15座，約為以前的1/10。這與應(yīng)用如高爐負(fù)壓操作、增大爐缸直徑、采用精料冶煉、氧氣噴吹以及提高熱風(fēng)溫度等新工藝和設(shè)備技術(shù)不無(wú)關(guān)系。
同時(shí)，煉鋼工藝結(jié)構(gòu)也發(fā)生了根本性變化。在1977年淘汰堿性底吹空氣轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝及1982年淘汰平爐煉鋼工藝后，如今德國(guó)煉鋼僅采用氧氣轉(zhuǎn)爐和電弧爐工藝。堿性底吹空氣轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼工藝的淘汰在能源利用（溫度、反應(yīng)時(shí)間、生產(chǎn)率、轉(zhuǎn)爐煤氣回收）及環(huán)保成效（廢氣流量和回收、煙塵排放）方面均有積極作用。2008年德國(guó)近68%的粗鋼由氧氣轉(zhuǎn)爐工藝生產(chǎn)，電弧爐工藝（使用廢鋼和一定量的海綿鐵）生產(chǎn)的粗鋼約占32%。
另一實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源及減少環(huán)境影響的設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新的例子是連鑄技術(shù)的使用。連鑄技術(shù)替代了以前典型的從模鑄、鑄錠在加熱爐再加熱、到軋制成板坯或方坯半成品這一生產(chǎn)鏈。如今，除了極個(gè)別特殊情況，所有的鋼水都是由連鑄工藝直接鑄成半成品形式。
2008年德國(guó)超過(guò)96%的粗鋼通過(guò)連鑄設(shè)備生產(chǎn)，連鑄的特點(diǎn)是降低廢鋼量，從而提高成材率。消除鑄錠加熱的燃料需求和連鑄坯以熱態(tài)送入軋鋼廠加熱爐中，不僅降低了能源需求，也降低了因加熱而產(chǎn)生的NOx、SO2和CO2的排放量。此外，鑄錠軋制生產(chǎn)線的取代節(jié)省了電力，排放量也得到進(jìn)一步降低。
4）氣體副產(chǎn)物能量回收利用
利用氣體副產(chǎn)物作為能源，有可能滿足聯(lián)合鋼鐵廠單個(gè)工序的所有氣體燃料需求。圖1顯示了一個(gè)綜合能源管理系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)關(guān)系，該系統(tǒng)涵蓋了一個(gè)生產(chǎn)扁平材的聯(lián)合鋼鐵廠內(nèi)所用原料及能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程。在煉鐵、煉焦及煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的氣體副產(chǎn)物用于熱風(fēng)爐、焦?fàn)t、軋鋼加熱爐以及用于發(fā)電等。此外，從工藝設(shè)備中回收利用的廢熱也用于生產(chǎn)蒸汽和燒熱水，因此，在一個(gè)能源高效的聯(lián)合鋼鐵廠，理論上，車間可以在發(fā)電及燃?xì)馐褂蒙线_(dá)到近乎完全自給自足的水平。
2.我國(guó) CO2排放的現(xiàn)況及減排措施
1）我國(guó)鋼鐵工業(yè)CO2排放量十分巨大，1994—2006年內(nèi)平均占我國(guó)總排放的14%以上，2003年來(lái)其CO2排放量的增長(zhǎng)更加迅速。盡管我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，還不需要承擔(dān)碳減排的任務(wù)，但是作為世界第2大溫室氣體排放國(guó)，我國(guó)正面臨著巨大的國(guó)際壓力，因此鋼鐵工業(yè)是我國(guó)碳減排的重點(diǎn)行業(yè)，其碳減排工作急需盡快展開。
2）鋼鐵工業(yè)的CO2排放結(jié)構(gòu)顯示，煤炭類能源消耗產(chǎn)生的CO2排放量最大，1994—2006年內(nèi)平均為97%，并且呈逐漸上升的趨勢(shì)，而石油和天然氣類能源消耗導(dǎo)致的CO2排放幾乎可以忽略。針對(duì)排放結(jié)構(gòu)的分析揭示出，優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)是最有效的減排路徑。
3）每噸鋼CO2排放量從1994年的5169kg降低到2006年的2389kg，降幅達(dá)到53.78%，充分說(shuō)明了我國(guó)鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排取得了很大的成績(jī)，為世界范圍的碳減排做出了一定的貢獻(xiàn)，當(dāng)然我國(guó)鋼鐵工業(yè)的能源效率離世界先進(jìn)水平尚有較大差距，2002年以來(lái)更是遇到了提高能源效率的瓶頸。
4）從鋼鐵工業(yè)CO2排放彈性系數(shù)來(lái)看，1995—2006年平均為43.28%，且呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，可以看出我國(guó)鋼鐵工業(yè)的增長(zhǎng)越發(fā)依賴于能源消耗的增加，進(jìn)而導(dǎo)致了CO2排放量的不斷增加，特別是2002年以來(lái)兩者之間的相互依賴性有加強(qiáng)的趨勢(shì)。
具體的減排措施：
1） 淘汰落后，實(shí)現(xiàn)裝備大型化
高爐大型化具有生產(chǎn)效率高、降低消耗、節(jié)約人力資源、提高鐵水質(zhì)量、減少環(huán)境污染等突出優(yōu)點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，落后的小高爐燃料比一般要比大高爐高30kg/t～50kg/t。小高爐（＜300m3）單位能耗比大型設(shè)備（≥1000m3）高10%～15%，物耗高7%～10%，水耗高1倍左右，二氧化硫排放高3倍以上。落后和低水平工業(yè)裝備能耗高，二次能源回收低，污染處理難度大。因此，加大淘汰落后和替代低水平工藝裝備的力度是推進(jìn)節(jié)能減排的難點(diǎn)，應(yīng)嚴(yán)格市場(chǎng)準(zhǔn)入，強(qiáng)化安全、環(huán)保、能耗、物耗、質(zhì)量、土地等指標(biāo)的約束作用，制定和完善行業(yè)準(zhǔn)入條件和落后產(chǎn)能界定標(biāo)準(zhǔn)，加快淘汰煉鐵落后產(chǎn)能。如果國(guó)家對(duì)鋼鐵企業(yè)開征碳稅，將對(duì)煉鐵生產(chǎn)裝備、運(yùn)行成本、生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。因此鋼鐵工業(yè)尤其是煉鐵要密切關(guān)注國(guó)家碳稅政策制定的進(jìn)展，及早編制低碳經(jīng)濟(jì)規(guī)劃，研究和制定碳減排的實(shí)施方案。
2）降低高爐燃料比的技術(shù)
煉鐵系統(tǒng)減少二氧化碳排放量的研究方向主要有：一是減少所需碳量，二是減少對(duì)碳的依賴。前者需要在現(xiàn)有高爐生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低還原比（焦比和燃料比），后者需要開辟另外不含碳或者含碳少的還原劑。新的還原劑包括天然氣和廢塑料等。因?yàn)槊禾渴且环N二氧化碳排放量高的燃料，消耗每噸煤炭的碳排放量為0.7t，而天然氣和塑料排放的二氧化碳較少，消耗每噸天然氣的碳排放量為0.39t。
3）低碳煉鐵技術(shù)集成
低碳煉鐵技術(shù)集成主要有干法熄焦技術(shù)(CDQ)、煤調(diào)濕技術(shù)(CMC)、高爐和焦?fàn)t添加廢塑料、燒結(jié)余熱回收（熱風(fēng)燒結(jié)或余熱鍋爐）或余熱發(fā)電、高爐干式布袋除塵、煤氣余壓透平發(fā)電(TRT)、熱風(fēng)爐雙預(yù)熱和余熱利用技術(shù)、高爐富氧噴煤技術(shù)、高爐煤氣回收及綜合利用、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組（CCPP）等技術(shù)的應(yīng)用，降低生產(chǎn)過(guò)程的單位產(chǎn)品能耗并提高資源的綜合利用。
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