一、研究的背景與問題

“十四五”規(guī)劃和“2035年遠景目標綱要”明確提出推進鋼鐵等原材料制造業(yè)高端化、綠色化。在熱軋領(lǐng)域，全面深度凈化熱軋生產(chǎn)環(huán)境，抑制粉塵和氧化物顆粒對板帶表面質(zhì)量的負面影響，是提高熱軋品質(zhì)必須攻克的行業(yè)共性難題。全國鋼鐵行業(yè)熱軋鐵皮灰缺陷發(fā)生率平均在1.05-2.4%，每年因鐵皮灰造成的改判和廢品總量高達340萬噸，嚴重制約高強鋼、HIB鋼、汽車板等高端熱軋產(chǎn)品品質(zhì)。

研究團隊自2007年開始在武漢鋼鐵（集團）公司開展雙極荷電去除高比電阻粉塵的工業(yè)試驗研究（2007技合字14號），并于2012年承擔國家863計劃“工業(yè)爐窯煙氣排放控制技術(shù)”項目“鋼鐵燒結(jié)煙氣多污染物協(xié)同控制技術(shù)研究及示范”課題（2012AA062501）子課題任務(wù)“雙極靜電除塵技術(shù)研究”，在橫向雙極靜電除塵理論與關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破性成果，建成武鋼煙氣凈化示范工程，實現(xiàn)穩(wěn)定運行2000h，煙塵排放濃度≤29mg/m3，解決了鋼鐵工業(yè)重污染工藝段的煙氣多污染物協(xié)同控制難題。但對于冶金工藝后端普遍存在的大氣污染問題，特別是熱軋工藝中高濃度氧化物粉塵對軋材表面質(zhì)量的影響，仍缺乏必要關(guān)注和深入研究。

“十二五”期間，隨著國家對鋼鐵企業(yè)提出更嚴苛的環(huán)保要求，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)開始研發(fā)新一代熱軋除塵技術(shù)，進一步提高鋼鐵工業(yè)全流程清潔生產(chǎn)水平。以美國斯普瑞、德國萊克勒公司和國內(nèi)噴霧技術(shù)供應(yīng)商江蘇博際為代表，在常溫噴射和霧化降塵技術(shù)方面具有領(lǐng)先水平。但在解決高溫環(huán)境下熱軋除塵效率低下的問題上，并沒有成熟可靠的理論方法和技術(shù)手段。針對該問題，項目團隊于2014年開始利用水射流自激振蕩脈沖特性開展超微霧化機理研究，開發(fā)雙腔室超微霧化噴嘴，建立霧化噴射性能試驗臺，優(yōu)化多相流體射流噴射性能，應(yīng)用于熱軋霧化降塵，有效提高降塵效率。該項研究獲得當年國家自然科學基金項目（51405352）支持，在機械工程學報等國內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表SCI/EI論文6篇，授權(quán)發(fā)明專利6項，相關(guān)成果獲2019年武漢鋼鐵有限公司科技成果一等獎。

大量粉塵與降塵水、冷卻水結(jié)合，侵蝕導(dǎo)衛(wèi)板底部表面形成氧化物顆粒，在軋制振動下與降塵水一道沉降在軋材表面，被軋輥壓入造成軋材表面氧化鐵皮灰缺陷。為解決該問題，項目團隊開發(fā)基于仿生設(shè)計的超潤滑微納織構(gòu)表面，應(yīng)用于改善新型合金鋼導(dǎo)衛(wèi)板底面的疏水疏塵性能，避免粉塵在機件表面沉積；利用氮化鈦涂層工藝強化主齒輪箱軸承承載面織構(gòu)潤滑性和耐磨性，研制的軸承微納織構(gòu)表面摩擦系數(shù)不高于0.002，實現(xiàn)軋機軸承潤滑減振。該項研究獲2014年國家自然科學基金項目（51405350）支持，成功開發(fā)油膜厚度激光微距測量系統(tǒng)和氣楔協(xié)同潤滑測試控制實驗平臺，在摩擦學學報等國內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表SCI/EI論文20余篇，授權(quán)發(fā)明專利2項。2018年該技術(shù)應(yīng)用于武鋼有限CSP主軋線主減速箱軸承（K18BWBC900），大幅改善力能性能，有效降低軋制振動。相關(guān)成果獲2019年湖北省科技進步一等獎和二等獎2項。

2019年，基于上述成果，武鋼有限與武科大繼續(xù)聯(lián)合開展熱軋抑塵提質(zhì)技術(shù)攻關(guān)（K19BWAD071和21K001BWAD），重點解決源頭抑塵提質(zhì)的兩個關(guān)鍵難點問題：（1）開發(fā)低表面能液固界面微納織構(gòu)潤滑減振抑塵關(guān)鍵技術(shù)，以減輕粉塵沉積和導(dǎo)衛(wèi)板振動，有效減少鐵皮灰缺陷；（2）開發(fā)自適應(yīng)高溫霧化降塵關(guān)鍵技術(shù)和超微霧化關(guān)鍵元件，以提升高溫工況下的降塵效率。在此基礎(chǔ)上，利用自主知識產(chǎn)權(quán)開發(fā)靜電凝并深度凈化技術(shù)，實現(xiàn)熱軋粉塵可控超凈排放；開發(fā)高密度磁場強化技術(shù)和高效自清潔濾塵裝備，提升含塵濁環(huán)水濾塵效率。

圖1 熱軋抑塵提質(zhì)的關(guān)鍵難點問題

武漢科技大學趙剛教授研究團隊經(jīng)十余年積累，完成熱軋抑塵提質(zhì)綠色制造關(guān)鍵技術(shù)及其裝備研制，形成系列自主知識產(chǎn)權(quán)，其中發(fā)明專利17件，實用新型1件，發(fā)表高水平論文29篇，出版中英文專著3部，制訂企業(yè)標準3項。技術(shù)成果成功應(yīng)用于武漢鋼鐵有限公司等國內(nèi)三大鋼企熱軋廠，大幅改善熱軋生產(chǎn)環(huán)境的同時，有效提升熱軋板帶表面質(zhì)量，有力推動了鋼鐵行業(yè)綠色制造技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

1、總體研究思路

本項成果圍繞粗軋、精軋等全流程熱軋工藝區(qū)段面臨的清潔生產(chǎn)難點問題，開展鋼鐵工業(yè)煙氣污染物協(xié)同控制技術(shù)研究，聚焦介觀微粒在多相界面上的物理化學性能及其在多態(tài)物理場中的遷移擴散規(guī)律，突破低表面能液固界面潤滑減振、高溫適配自激振蕩超微霧化、雙極電暈柵極配凝并、高強高效自凈磁濾等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，開發(fā)織構(gòu)表面疏塵、潤滑減振抑塵、高溫霧化降塵、濕式靜電除塵、強磁濁水濾塵等綠色制造技術(shù)和成套裝備，攻克高溫高濕環(huán)境下除塵效率低下、親水潤濕氧化物顆粒在軋制裝備表面沉積、高濃度粉塵和氧化物顆粒被軋輥壓入導(dǎo)致板帶表面缺陷嚴重等熱軋生產(chǎn)技術(shù)難題。

圖2 總體研究思路

2、技術(shù)方案

高溫高濕環(huán)境下，高濃度氧化物粉塵在軋機導(dǎo)衛(wèi)板底面沉積并侵蝕導(dǎo)衛(wèi)板材料，軋機主齒輪箱軸承引起的機架導(dǎo)衛(wèi)振動劇烈，軋機振動使沉積的氧化物顆粒震落至軋材表面，經(jīng)軋輥軋制形成壓入性表面缺陷，是長期困擾熱軋板帶表面質(zhì)量的難點問題。本項研究創(chuàng)造性地提出利用仿生疏水疏塵界面的潤滑性，開發(fā)低表面能液固界面潤滑減振抑塵關(guān)鍵技術(shù)，攻克了導(dǎo)衛(wèi)板底部微納織構(gòu)疏塵表面構(gòu)造困難的問題，突破了軋機主齒輪箱軸承承載面潤滑減摩技術(shù)瓶頸，大幅減輕粉塵沉積和導(dǎo)衛(wèi)板振動，有效抑制原發(fā)性熱軋粉塵和鐵皮灰缺陷。

在近900℃高溫環(huán)境下，降塵液滴快速汽化導(dǎo)致對粉塵的捕集效率大幅下降。增大噴霧量可改善降塵效率，但加劇板帶表面溫降損失，影響熱制度。本項研究通過修正高溫霧化降塵慣性碰撞理論，開發(fā)自適應(yīng)高溫霧化降塵關(guān)鍵技術(shù)和自激振蕩關(guān)鍵元件，解決降塵效率與板帶溫降智能協(xié)調(diào)的控溫控軋難題；構(gòu)建熱軋降塵效率和提質(zhì)效果測評的新方法及企業(yè)標準，大幅提高熱軋降塵效率，降低過鋼粉塵濃度。

霧化降塵后粉塵顆粒細、濕度大、溫度高，后續(xù)濕式電除塵難以實現(xiàn)進一步深度凈化。本項研究提出顆粒雙極荷電與粒子靜電凝并原理，發(fā)明雙極電暈柵靜電凝并深度凈化關(guān)鍵技術(shù)，突破電暈柵極配結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問題，研制單電源雙極凝并關(guān)鍵元件，實現(xiàn)熱軋車間大氣懸浮氧化物顆粒粉塵的可控超凈排放。

為解決含塵濁環(huán)水在線回用極易堵塞熱軋機組用水噴嘴的技術(shù)難題，本項研究突破高密度磁場強化和高效自清潔磁鏈濾塵關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)高場強自清潔永磁磁鏈高效濾塵裝備，提高高壓除鱗、軋輥冷卻、霧化除塵水等含塵濁環(huán)水的在線循環(huán)回用效率。

圖3 技術(shù)方案

三、主要創(chuàng)新性成果

1、提出了仿生微納結(jié)構(gòu)的超疏水性能表征方法，開發(fā)了表面微/納織構(gòu)及其疏水涂層強化改性工藝，構(gòu)建了基于低表面能疏水界面的潤滑減振和織構(gòu)表面疏塵技術(shù)體系，發(fā)明了低表面能液固界面潤滑減振抑塵關(guān)鍵技術(shù)方法，從工藝源頭抑制了表面沉積和軋制振動引起的氧化物顆粒塵化擴散，熱軋板帶表面氧化鐵皮灰缺陷發(fā)生率從1.37%降至0.69%。

圖4 關(guān)鍵技術(shù)1：導(dǎo)衛(wèi)板疏水疏塵表面的仿生微納織構(gòu)構(gòu)造技術(shù)

圖5 關(guān)鍵技術(shù)2：表面疏水減磨微納織構(gòu)的TiN涂層工藝

圖6 關(guān)鍵技術(shù)3：基于織構(gòu)涂層工藝強化的齒輪箱潤滑減振技術(shù)

2、提出了非飽和態(tài)高溫含塵多相流體的慣性碰撞準則系數(shù)修正理論，構(gòu)建了熱軋降塵效率和提質(zhì)效果測評的新方法及企業(yè)標準，研制了氣液兩相多級自激振蕩射流超微霧化技術(shù)及其關(guān)鍵噴嘴元件，開發(fā)了自適應(yīng)熱軋軋制工藝的高溫霧化降塵關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)降塵效率與板帶溫降智能協(xié)調(diào)控制，大幅提高熱軋產(chǎn)線霧化降塵效率至93.5%，過鋼粉塵濃度降至21.13mg/m3。

圖7 關(guān)鍵技術(shù)1：高溫工況和工藝參數(shù)自適應(yīng)的霧化降塵與板帶溫降協(xié)調(diào)控制技術(shù)

圖8 關(guān)鍵技術(shù)2：新型氣液兩相多級自激振蕩超微霧化噴嘴

圖9 關(guān)鍵技術(shù)3：新型高溫霧化降塵裝備及其控制系統(tǒng)

3、發(fā)明了具有優(yōu)良極配結(jié)構(gòu)的單電源線管式雙極電暈柵關(guān)鍵元件，提出了雙極電暈柵極配結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，開發(fā)了水霧+靜電凝并+節(jié)電復(fù)合式靜電凝并濕式電除塵深度凈化關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了熱軋生產(chǎn)粉塵可控超低排放，深度凈化除塵效率達95-97%，粉塵排放濃度低于5mg/m3。

圖10 關(guān)鍵技術(shù)1：單電源線管式雙極電暈柵關(guān)鍵凝并元件研制

圖11 關(guān)鍵技術(shù)2：雙極電暈柵極配結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

圖12 關(guān)鍵技術(shù)3：水霧+靜電凝并+節(jié)電復(fù)合除塵深度凈化技術(shù)

4、自主研發(fā)高密度永磁磁鏈的磁場強化技術(shù)，研制新型高磁場強度自清潔永磁磁鏈高效濾塵技術(shù)和裝備，大幅提高高壓除鱗、軋輥冷卻、霧化降塵水等含塵濁環(huán)水的在線回用效率，濁環(huán)水濾塵效率由1000L/min提高到1760L/min。

圖13 關(guān)鍵技術(shù)1：高密度永磁磁鏈磁場強化技術(shù)

圖14 關(guān)鍵技術(shù)2：緊湊高效的自轉(zhuǎn)套筒導(dǎo)軌式自清潔除污機構(gòu)

四、應(yīng)用情況與效果

本項成果創(chuàng)造性地提出利用源頭減振抑塵、產(chǎn)線霧化降塵、末端靜電除塵、濁水回用濾塵等綠色制造方法，有機融合熱軋工藝質(zhì)量控制技術(shù)，完成熱軋抑塵提質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和集成裝備綠色制造，形成高品質(zhì)熱軋產(chǎn)線抑塵提質(zhì)標準規(guī)范，實現(xiàn)了減振抑塵、水霧降塵、靜電除塵以及濁水濾塵等關(guān)鍵基礎(chǔ)理論和核心裝備技術(shù)的重大突破。關(guān)鍵技術(shù)指標國內(nèi)領(lǐng)先，改善了熱軋工藝質(zhì)量，提升了熱軋產(chǎn)品品質(zhì)。

與國內(nèi)外同類技術(shù)相比，本項成果大幅提高熱軋產(chǎn)線霧化降塵效率至93.5%，深度凈化除塵效率達97%，粉塵排放濃度降至4.36mg/m3，實現(xiàn)了熱軋生產(chǎn)粉塵可控超低排放。從工藝源頭到產(chǎn)線末端全面深度凈化熱軋生產(chǎn)環(huán)境，促進了熱軋行業(yè)綠色制造技術(shù)進步。

熱軋板帶表面氧化鐵皮灰缺陷發(fā)生率從行業(yè)平均1.37%降至0.69%，減少改判和廢品約170萬噸，高端面板成材率提高到99.82%，攻克了氧化鐵皮灰粉塵對板帶表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響的行業(yè)共性難題，大幅改善熱軋生產(chǎn)環(huán)境的同時，有效提升熱軋板帶表面質(zhì)量。

圖15 技術(shù)應(yīng)用前過鋼粉塵濃度  圖16 技術(shù)應(yīng)用后過鋼粉塵濃度

成果整體及部分單元技術(shù)在武鋼有限等國內(nèi)三大鋼廠熱軋產(chǎn)線推廣應(yīng)用，創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益9.05億元，解決了熱軋產(chǎn)品軋制和輸送過程中高溫、高濕粉塵難以被徹底清潔，及其由此導(dǎo)致板帶表面質(zhì)量問題的行業(yè)技術(shù)難題，滿足了高質(zhì)量品種鋼的清潔生產(chǎn)需求，促進了綠色制造技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化落地，助力國家碳達峰戰(zhàn)略。