绿色冶金机械的创新设计与实践

目前，中国已成为世界第一大钢铁生产大国，其冶炼工业的“绿色化”步伐也在加快。根据工信部发布的 2021 年统计，目前中国钢铁产业的二氧化碳排放已经达到了 15% 左右，其中冶炼设备的能源消耗已经超过了60% 。同时，按照《冶金行业智能制造发展规划（2024—2025 年）》的要求，到2025 年，主要冶炼企业要实现产能利用率提升 20% 、能源消耗下降 5% 、环境污染减排 10% 。根据中国重工行业联合会的数据，到 2025 年上半年，我国环保冶炼设备新增订单数量较上年同期增加 35% ，具有节能减排功能的新型产品在国内市场占有率第一次超过 40%_< 。在市场和政策的协同作用下，冶金机械向绿色化和高端化方向发展，以节能减排、资源循环利用和环保为目标，是推动我国钢铁工业转型的重要突破点。

一、结束语绿色冶金机械的技术体系分析

（一）低碳减耗技术

以实现从本质上减少装备工作能耗为目的的绿色冶金机器的发展趋势。利用一种新的储热体再生技术（HTAC），利用高温陶瓷储热器对高温燃气进行加热，可将冶炼过程中的辅助气体加热到 1000^∘ ° C，从而提高冶炼效率，由原来的 30% 提高到 70% 。针对冶炼流程特征，提出“高温发电，中温驱动，低温供暖”的分级发电方式： 800^∘ C 高温烟气通过废热锅炉发电；采用有机朗肯循环（ORC）工艺，在 300-800℃范围内实现中温烟气化成的机械能；300 度以下的低温热废，可供工厂供暖和家庭用水使用。采用有限元法及拓扑优化方法，实现常规轧制框架在满足刚性要求的条件下，减少框架的质量 20%～25% ，并采用流动模拟方法对管路布置进行优化，减少管路内的流动阻力，达到 15% 以上 [1]。

（二）减排降污技术

重点解决冶金行业对环境的影响，采用干法脱硫脱硝、低温 SCR 脱硝等技术路线，采用脉冲布袋除尘器实现粉尘浓度 ⩽10mg/m³ 。废水回收零排放技术将膜分离（超滤、反渗透）与蒸发结晶技术相结合，使冶金废水回收率达到 95% 以上，结晶盐可回收再利用。采用多层隔振基础，通过对设备外壳进行声学包覆设计，使球磨机等高频噪声装备的声压级由115 dB 降至85 dB 以内，并通过主动减振技术实现设备振动幅值不超过50微米 [2]。

（三）智能控制技术

为实现绿色冶金装备智能化赋能奠定基础，通过建立装备的 3D 数字化建模，对装备的工作状况进行实时映射，并通过计算获得最佳的工艺条件，实现冶炼过程能量消耗 8%～12% 。基于大数据的设备预防维修技术，通过采集设备振动、温度、压力等多个参量的信息，构建基于深度学习的设备失效预报模型，实现 14～30 天内对隐患进行预警，将非预期停工时间降低 50% 。通过对原料组成、环境温度等因素进行在线分析，实现对炉温、风量等120 多项生产参数的自动调节，将冶炼效率提高2.3 个百分点，成品合格率达到 99.2% 。

二、绿色冶金机械的创新设计与实践策略

（一）系统化绿色设计方法

在整个寿命过程中，对金属材料进行系统的绿色设计是解决这一问题的前提。其关键是要把可持续发展思想渗透到产品的各个阶段，先进行寿命周期评估，根据 ISO 14040/14044 国际标准，从原材料采购、生产、使用到报废再利用等各个环节，对其进行了定量的资源消费及对环境的影响。以某钢厂为例，对其寿命周期进行了寿命周期的研究，得出其运行过程中能量消耗高达 75% 的结论，并将其列为主要的设计目标。促进模块化和可拆式的开发。通过使用统一的界面规范及连接方式，实现了对重要元件的迅速拆卸与置换。基于法兰的新型喷灯方案，该方案采用标准化的模块化结构，取代传统的焊接方式，实现了由72 个小时到8 个小时的循环使用，大大减少停工和维修过程中的能量损耗，同时老组件 90% 以上的原料可以循环使用。制定一个符合我国国情的环保建材选择标准。选用轻质、耐高温、耐腐蚀的合金，如以 GH4169 高温合金代替普通钢材制作烧结台车护栏板，可在确保其强度的前提下减轻 35% 的重量，大幅减少装置的操作能量消耗。在材料的设计和制造上，通过对材料进行优化，在材料表面形成碳化钨层，提高材料的服役寿命，降低因零件频繁更换而造成的材料浪费 [3]。

（二）核心装备创新实践

实现钢铁产业向“绿色”方向发展，必须以核心技术为突破口。针对电渣重熔过程中的精细控制与高效除尘问题，提出了一种新型的绿色电渣重熔设备。利用闭环冷却和电磁混合的方法，将熔融过程中的温差限制在±5° C 以内，较常规装置可节省 22% 的能量；采用一体化的高压静电收尘器，使空气中的灰尘含量降低到 10mg/m³ ，达到超低的排放标准。氢气直接还铁装置是一种破坏性的、低碳的工艺。该技术的关键在于构筑一套安全、有效的氢能源供给体系，即通过分级增压和预加热的方式将氢从高炉底端送至铁矿进行低温（ 800～1000 摄氏度），与铁矿进行低温还原。宝武投资兴建的 100 万吨氢基竖炉，采用纯氢气作还原剂，较常规的鼓风法减少了 85% 左右的 CO2 排放量。采用过程重组技术，使连铸成套设备在能源节约上取得突破性进展。将连铸与热连轧相结合，实现对连铸坯热量的直接轧制。鞍钢采用 1450mm 连续轧制，将铸坯从结晶器中取出，通过对其进行感应加热，将其达到轧前的温度，从而避免了反复的加热过程，从而减少了每吨钢的每吨能源消耗 35% ，同时也减少了 40% 的制造时间[4]。

（三）智能化运维体系构建

建立智能维护系统是保证钢铁装备绿色、高效、可持续发展的关键。该系统以装备能量效率和污染物排放实时监测为核心，通过在核心装备上加装多个参量传感器（如电能表、流量计、振动传感器等），实现对压力、温度、能耗等实时监测。我国钢铁企业已在钢铁企业中布设了 2000 多个监测设备，以 10 秒钟一次的方式将监测结果上传到云端，利用算法建模对单个单元的能量消耗进行实时估算，当超标时会发出警报以大数据为基础，以机器学习为基础的预测维修方法。以冶金用风机为研究对象，通过对其振动谱的动态变化进行实时监控，一旦发现其异常幅度继续增加，可以对其进行 7～14 天内的隐患进行预警，从而引导其进行有计划的维护，从而减少不必要的能耗。在此基础上，融合设备运行数据、能耗数据和污染物排放数据，建立面向云计算的智能制造平台。沙钢股份有限公司研发的智能化调度系统，可以对各工序的能源消耗和排放量进行动态仿真，并对其进行优化调度，从而达到钢铁企业单位吨钢综合能源消耗下降 5% 左右，污染减排量下降 12% 左右，达到经济效益和环保双重目标。

三、结束语

综上所述，绿色冶金机械的创新设计与实践为我国钢铁行业实现低碳化、可持续发展提供技术支撑，也为我国钢铁装备产业的发展提供新的思路和方法，具有重要的理论和现实意义。通过对“数字化”与“智能化”技术的深入结合，实现“高效”“精细化”“清洁”“可循环”等新的发展趋势，建立一套符合“人与自然”的“协调发展”的现代冶金设备系统，为世界冶炼行业的“绿色转型”贡献中国的智慧。

参考文献：

[1] 陈仁旭 . 冶金机械设备的能效优化与绿色制造技术研究 [J]. 冶金管理 ,2025,(07):50-53.

[2] 杜磊 . 冶金机械液压系统的污染控制策略分析 [J]. 冶金管理 ,2025,(07):84-86.

[3] 吕堃 . 基于机械自动化冶金行业节能降耗策略研究 [J]. 冶金管理 ,2025,(06):66-68.

[4] 张 慧 . 绿 色 冶 金 与 环 境 保 护 的 相 关 思 考 [J]. 山 西 冶金 ,2020,43(05):75-76.

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。