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。在熱軋領域，全面深度凈化熱軋生產環(huán)境，抑制粉塵和氧化物顆粒對板帶表面質量的負面影響，是提高熱軋品質必須攻克的行業(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品品質。
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”項目“鋼鐵燒結煙氣多污染物協同控制技術研究及示范”課題（2012AA062501）子課題任務“雙極靜電除塵技術研究”，在橫向雙極靜電除塵理論與關鍵技術方面取得突破性成果，建成武鋼煙氣凈化示范工程，實現穩(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量的影響，仍缺乏必要關注和深入研究。
“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，國內鋼鐵企業(yè)開始研發(fā)新一代熱軋除塵技術，進一步提高鋼鐵工業(yè)全流程清潔生產水平。以美國斯普瑞、德國萊克勒公司和國內噴霧技術供應商江蘇博際為代表，在常溫噴射和霧化降塵技術方面具有領先水平。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外權威期刊發(fā)表SCI/EI論文6篇，授權發(fā)明專利6項，相關成果獲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、冷卻水結合，侵蝕導衛(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)基于仿生設計的超潤滑微納織構表面，應用于改善新型合金鋼導衛(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潤滑性和耐磨性，研制的軸承微納織構表面摩擦系數不高于0.002，實現軋機軸承潤滑減振。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和氣楔協同潤滑測試控制實驗平臺，在摩擦學學報等國內外權威期刊發(fā)表SCI/EI論文20余篇，授權發(fā)明專利2項。2018年該技術應用于武鋼有限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)聯合開展熱軋抑塵提質技術攻關（K19BWAD071和21K001BWAD），重點解決源頭抑塵提質的兩個關鍵難點問題：（1）開發(fā)低表面能液固界面微納織構潤滑減振抑塵關鍵技術，以減輕粉塵沉積和導衛(wèi)板振動，有效減少鐵皮灰缺陷；（2）開發(fā)自適應高溫霧化降塵關鍵技術和超微霧化關鍵元件，以提升高溫工況下的降塵效率。在此基礎上，利用自主知識產權開發(fā)靜電凝并深度凈化技術，實現熱軋粉塵可控超凈排放；開發(fā)高密度磁場強化技術和高效自清潔濾塵裝備，提升含塵濁環(huán)水濾塵效率。
圖1 熱軋抑塵提質的關鍵難點問題
武漢科技大學趙剛教授研究團隊經十余年積累，完成熱軋抑塵提質綠色制造關鍵技術及其裝備研制，形成系列自主知識產權，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。技術成果成功應用于武漢鋼鐵有限公司等國內三大鋼企熱軋廠，大幅改善熱軋生產環(huán)境的同時，有效提升熱軋板帶表面質量，有力推動了鋼鐵行業(yè)綠色制造技術進步和產業(yè)升級。
二、解決問題的思路與技術方案
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)段面臨的清潔生產難點問題，開展鋼鐵工業(yè)煙氣污染物協同控制技術研究，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鍵技術瓶頸，開發(fā)織構表面疏塵、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致板帶表面缺陷嚴重等熱軋生產技術難題。
圖2 總體研究思路
2、技術方案
高溫高濕環(huán)境下，高濃度氧化物粉塵在軋機導衛(wèi)板底面沉積并侵蝕導衛(wèi)板材料，軋機主齒輪箱軸承引起的機架導衛(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鍵技術，攻克了導衛(wèi)板底部微納織構疏塵表面構造困難的問題，突破了軋機主齒輪箱軸承承載面潤滑減摩技術瓶頸，大幅減輕粉塵沉積和導衛(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)自適應高溫霧化降塵關鍵技術和自激振蕩關鍵元件，解決降塵效率與板帶溫降智能協調的控溫控軋難題；構建熱軋降塵效率和提質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鍵技術，突破電暈柵極配結構參數優(yōu)化問題，研制單電源雙極凝并關鍵元件，實現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鍵技術，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 技術方案
三、主要創(chuàng)新性成果
1、提出了仿生微納結構的超疏水性能表征方法，開發(fā)了表面微/納織構及其疏水涂層強化改性工藝，構建了基于低表面能疏水界面的潤滑減振和織構表面疏塵技術體系，發(fā)明了低表面能液固界面潤滑減振抑塵關鍵技術方法，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 關鍵技術1：導衛(wèi)板疏水疏塵表面的仿生微納織構構造技術
圖5 關鍵技術2：表面疏水減磨微納織構的TiN涂層工藝
圖6 關鍵技術3：基于織構涂層工藝強化的齒輪箱潤滑減振技術
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修正理論，構建了熱軋降塵效率和提質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及其關鍵噴嘴元件，開發(fā)了自適應熱軋軋制工藝的高溫霧化降塵關鍵技術，實現降塵效率與板帶溫降智能協調控制，大幅提高熱軋產線霧化降塵效率至93.5%，過鋼粉塵濃度降至21.13mg/m3。
圖7 關鍵技術1：高溫工況和工藝參數自適應的霧化降塵與板帶溫降協調控制技術
圖8 關鍵技術2：新型氣液兩相多級自激振蕩超微霧化噴嘴
圖9 關鍵技術3：新型高溫霧化降塵裝備及其控制系統
3、發(fā)明了具有優(yōu)良極配結構的單電源線管式雙極電暈柵關鍵元件，提出了雙極電暈柵極配結構參數優(yōu)化方法，開發(fā)了水霧+靜電凝并+節(jié)電復合式靜電凝并濕式電除塵深度凈化關鍵技術，實現了熱軋生產粉塵可控超低排放，深度凈化除塵效率達95-97%，粉塵排放濃度低于5mg/m3。
圖10 關鍵技術1：單電源線管式雙極電暈柵關鍵凝并元件研制
圖11 關鍵技術2：雙極電暈柵極配結構參數優(yōu)化技術
圖12 關鍵技術3：水霧+靜電凝并+節(jié)電復合除塵深度凈化技術
4、自主研發(fā)高密度永磁磁鏈的磁場強化技術，研制新型高磁場強度自清潔永磁磁鏈高效濾塵技術和裝備，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 關鍵技術1：高密度永磁磁鏈磁場強化技術
圖14 關鍵技術2：緊湊高效的自轉套筒導軌式自清潔除污機構
四、應用情況與效果
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量控制技術，完成熱軋抑塵提質關鍵技術研發(fā)和集成裝備綠色制造，形成高品質熱軋產線抑塵提質標準規(guī)范，實現了減振抑塵、水霧降塵、靜電除塵以及濁水濾塵等關鍵基礎理論和核心裝備技術的重大突破。關鍵技術指標國內領先，改善了熱軋工藝質量，提升了熱軋產品品質。
與國內外同類技術相比，本項成果大幅提高熱軋產線霧化降塵效率至93.5%，深度凈化除塵效率達97%，粉塵排放濃度降至4.36mg/m3，實現了熱軋生產粉塵可控超低排放。從工藝源頭到產線末端全面深度凈化熱軋生產環(huán)境，促進了熱軋行業(yè)綠色制造技術進步。
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量產生不利影響的行業(yè)共性難題，大幅改善熱軋生產環(huán)境的同時，有效提升熱軋板帶表面質量。
圖15 技術應用前過鋼粉塵濃度 圖16 技術應用后過鋼粉塵濃度
成果整體及部分單元技術在武鋼有限等國內三大鋼廠熱軋產線推廣應用，創(chuàng)造直接經濟效益9.05億元，解決了熱軋產品軋制和輸送過程中高溫、高濕粉塵難以被徹底清潔，及其由此導致板帶表面質量問題的行業(yè)技術難題，滿足了高質量品種鋼的清潔生產需求，促進了綠色制造技術在鋼鐵行業(yè)的產業(yè)化落地，助力國家碳達峰戰(zhàn)略。
