冶金机械绿色设计关键技术的应用研究

传统冶金机械设计存在全周期视角缺失、技术协同性不足等局限，难以满足环境友好与经济可行的双重需求。绿色设计以全生命周期理论为核心，整合材料选择、结构优化、能耗控制等关键技术，能从设计源头降低设备全阶段资源消耗与环境影响，既是提升冶金机械绿色化水平的核心路径，也是推动冶金行业实现低碳转型、提升国际竞争力的重要支撑。

一、冶金机械绿色设计概述

冶金机械绿色设计以全生命周期理论为基础，在概念设计、详细设计、工艺设计等冶金机械设计阶段，需综合考虑设备从设计、制造、使用、维护到报废回收全阶段的环境影响，包括能耗高低、污染排放量及资源消耗情况，通过技术创新实现“环境友好”与“经济可行”的协同。适用于像高炉、转炉、连铸机、轧机这类直接参与冶金生产关键环节的设备；以及辅助设备，如钢包车、除尘设备、余热锅炉等为冶金生产提供辅助支持的设备；还有传动与控制系统，包含电机、减速器、液压系统等保障设备正常运行的部件[1]。

绿色材料选择与适配技术是重要关键技术之一，需结合冶金机械的使用需求，挑选环境友好、性能适配且经济合理的材料，注重材料的可回收性与环保性。结构模块化与轻量化优化技术则是通过对冶金机械结构进行模块化拆分与轻量化设计，在保证设备性能的前提下，减少材料用量、降低设备重量，提升设备的维护便利性与资源利用率。全生命周期能耗优化技术围绕设备全生命周期的能耗环节，采用节能技术与方案，降低设备在设计、制造、使用等各阶段的能耗，实现能源高效利用。

二、冶金机械绿色设计关键技术的应用实践

（一）高炉绿色设计

高炉作为炼铁生产的核心设备，高温工况下，其能耗占炼铁总能耗的60% ，能源消耗强度突出；炉顶部位因密封性能不足，易发生粉尘泄漏，影响车间与周边空气质量；配套热风炉运行时会产生大量高温烟气，若直接排放不仅浪费热能，还会加剧环境负担。

绿色设计集成蓄热式换热器，该设备可回收烟气中的余热，将其用于预热热风炉的助燃空气。改造前助燃空气预热温度仅 200% ，改造后提升至 800℃，热风炉自身能耗需求大幅降低，整体能耗较改造前减少 30% ，实现热能循环利用与能耗控制的双重目标。为解决炉顶粉尘泄漏，采用“柔性密封 + 径向补偿”新型密封结构，替代传统迷宫密封[2]。这种结构能更好适应炉顶运行工况变化，提升密封稳定性，粉尘泄漏量较之前减少60% ；同时，密封性能优化使炉顶压力稳定性显著提升，高炉冶炼条件更趋稳定，最终推动高炉利用系数提高 2% ，助力炼铁效率提升。

考虑到高炉炉壳制造阶段的资源与能源消耗，设计选用 Q690 高强度钢作为炉壳材质，同时借助拓扑优化技术优化炉壳结构，去除冗余材料。优化前炉壳壁厚为 50mm ，优化后减至 35mm ，炉壳整体重量减少 25% ；制造过程中，钢材消耗量随之降低，焊接工序的能耗也减少 20% ，在降低制造成本的同时，减少了制造阶段的环境影响。

（二）轧机绿色设计

轧机是轧钢生产的关键设备，涵盖热连轧与冷连轧两类，运行中存在明显短板。传动系统能耗占轧钢总能耗的 40% ，能源浪费问题突出；设备整体结构笨重，核心部件维修时拆装难度大，导致维修效率低、停机时间长；轧制过程中轧制油易发生泄漏，不仅造成油品浪费，还会污染带钢表面与车间土壤，影响产品质量与环境。

绿色设计采用模块化辊系方案，将核心辊系拆分为工作辊模块、支撑辊模块与轴承模块，各模块间采用标准化接口连接。传统辊系更换需 4 小时，标准化接口大幅简化拆装流程，更换时间缩短至 1.5 小时，按年度运行周期计算，可减少设备停产时间约 120 小时，有效提升生产连续性。在节能驱动方面，用永磁同步电机搭配变频驱动系统替代传统异步电机。改造前电机传动效率为 85% ，改造后提升至 96% ，单台轧机年节电约150 万度；同时配套轧制力自适应控制系统，可根据轧钢需求动态调整运行参数，减少空转等无效能耗，进一步优化能源利用效率。

为解决轧制油泄漏问题，设计无泄漏轧制油系统，集成高压密封与在线过滤技术。高压密封结构增强油品输送过程的密封性，在线过滤系统实时净化油品，双重设计使轧制油泄漏量减少 80% ，年减少轧制油消耗约10 吨，既降低油品采购成本，又避免泄漏油品对带钢质量的影响与土壤污染 [3]。某钢厂对 1580mm 热连轧机实施上述绿色设计，设备全生命周期能耗可降低 28% ，能源成本大幅下降；轧制油消耗成本降低 35% ，维修环节因模块化设计简化，维修成本降低 22% ；综合测算，该绿色设计方案的投资回收期约3 年，实现环境效益与经济效益的协同提升。

（三）钢包车绿色设计

钢包车是冶金生产中钢水运输的核心设备，自身体积与重量大，导致电动钢包车电耗、燃油钢包车油耗偏高，能源消耗成本突出；运行时产生的噪声强度高，直接影响车间作业环境，对操作人员听力健康构成威胁；轮系与地面接触频繁，轮胎磨损速度快，需频繁更换，不仅增加设备维护成本，还可能因更换轮胎导致运输中断，影响生产连续性。

绿色设计可采用“铝合金车架 + 高强度钢连接件”的轻量化方案。铝合金材质大幅降低车架基础重量，高强度钢连接件保障车架结构强度与承载能力，两者结合使车架重量减少 30% 。设备自重降低后，牵引电机负载减轻，功率从 160kW 降至 120kW，仅电动钢包车类型，每年即可节电约40 万度，实现减重与降耗的同步推进[4]。为改善运行噪声问题，在车架与轮系连接部位设置橡胶减振垫，通过弹性缓冲减少振动传递；轮胎选用低噪声实心胎，降低轮系滚动与摩擦产生的噪声，双重措施使钢包车运行噪声从 98dB 降至 82dB。同时，驾驶室采用隔声结构，通过材料阻隔与密封优化，将司机接触的噪声控制在 75dB 以下，满足职业健康标准要求。考虑到钢包车运输中频繁启停的工况特点，设计集成再生制动系统。设备制动时，系统将制动过程中产生的动能转化为电能，存储于蓄电池中供后续运行使用，制动能耗回收效率达 25% 。电能回收不仅减少能源浪费，还降低蓄电池充放电频率，使蓄电池更换周期延长 1 倍，减少耗材更换成本与资源消耗。

三、结束语

综上所述，通过全生命周期视角下的技术创新，既能降低设备全阶段的资源消耗与环境影响，提升资源利用效率，又能为企业降低长期运营成本，增强市场竞争力，对实现“双碳”目标与工业绿色转型具有重要现实意义。未来，冶金机械绿色设计需向数字化、智能化方向延伸，为冶金行业绿色转型提供更高效、更可持续的技术路径。

参考文献：

[1] 王 欢 . 绿 色 钢 铁 冶 金 机 械 设 计 的 关 键 技 术 [J]. 冶 金 与 材料 ,2023,43(09):111-113.

[2] 苏 力 . 冶 金 机 械 的 绿 色 设 计 与 关 键 技 术 探 讨 [J]. 冶 金 管理 ,2023,(08):77-82.

[3] 于泉会 . 冶金机械绿色设计与制造关键技术研究 [J]. 造纸装备及材料 ,2022,51(03):100-102.

[4] 李旗 . 冶金机械的绿色设计与制造关键技术研究 [J]. 科技资讯 ,2021,19(23):61-63.

作者简介：董瑞兴（1966年1月-）男；汉族；山东日照人；本科学历；职称：助理工程师；研究方向：主要从事于冶金企业——选矿、烧结、球团、炼铁生产方面工艺与设备的设计、制造、安装、使用等技术方面工作。