۲. اقدامات مصرف و صرفه جویی در انرژی در صنایع فولاد

صنایع فولاد ایالات متحده طی دهه های گذشته اقدامات زیادی را برای کاهش مصرف انرژی خود انجام داده است. مطالعه انجام شده در مورد استفاده از انرژی: چشم انداز تاریخی و فرصت های آینده در صنعت فولاد کاهش تاریخی مصرف انرژی و چگونگی ارائه راهنمایی برای آینده را توضیح می­دهد. مقایسه ای بین مصرف متوسط ​​انرژی فعلی و موارد خوب انجام شده است. این فناوری برای کاهش بیشتر انرژی مصرفی در هر تن، فن آوری های جدیدی را برای فرآیندهای مختلف در ساخت فولاد پیشنهاد کرده است. همچنین پیشنهاد کرده است که چگونه می توان با تجدید ساختار بیشتر صنایع ، متوسط ​​مصرف انرژی را کاهش داد. به طور کلی، این مطالعه اطلاعات کاملی در مورد مصرف انرژی، مفهوم روشهای خوب و چگونگی صرفه جویی بیشتر از طریق فناوری‌های جدید ارائه داده است.

تولید فولاد نه تنها در ایالات متحده بلکه در سراسر جهان بسیار مهم است. بهره وری از فولاد در هند به دلیل سیاست محافظت از قیمت و توزیع آهن و فولاد و ناکارآمدی در بخش دولتی که با کارخانه های فولاد تلفیق شده است، تا حد زیادی کاهش یافته است، ادامه این روند در آینده در جایی که استفاده انرژی نگران کننده است. مطالعه ای در مورد صنعت آهن و فولاد هند توسط کاتجا شوماخر و جوانت ساتای فرصت های بهره وری، بهره وری انرژی و انتشار کربن در صنعت آهن و فولاد را توضیح می دهد. آنها تغییرات فعلی در ساختار و بهره وری انرژی در بخش فولاد را بررسی کردند و نتیجه گرفتند که با آزادسازی بخش آهن و فولاد، صنعت به سرعت در حال حرکت به سمت بهترین فن آوری جهان است، که منجر به انتشار کمتر کربن، بهبود بهره وری و استفاده بهینه از انرژی در نیروگاه های موجود و آینده است. این گزارش با مقایسه مصرف انرژی خاص در کارخانه های آهن و فولاد هند با مصرف انرژی در طرح­ها با استفاده از بهترین فناوری جهان، پتانسیل های صرفه جویی در انرژی را ارائه می دهد. این گزارش علاوه بر این، در بخشهایی برای بهبود بهره وری انرژی از جمله بهبود در فاکتورهای ورودی، از تبدیل فن آوری و مقاوم سازی و همچنین از بازیافت و بازیافت حرارت ضایعات متمرکز است. همچنین بیان می کند که چگونه مانع از ابتکار عمل پیاده سازی برای بهره وری انرژی می شود که از نظر موانع عمومی و فرآیندی در کلان و خرد وجود دارد.

سطح اقتصاد سرانجام، میزان انتشار دی اکسید کربن و پتانسیل های کاهش پذیرش اقدامات بهره وری انرژی محاسبه شده است.

انرژی نه تنها برای صنایع فولاد بلکه برای صنایع ریخته گری فلزات نیز حیاتی است. صنعت ریخته گری فلز یکی از پرمصرف ترین بخشهای تولید با بیش از نیمی از انرژی مصرفی آن در فرآیند ذوب است. اگرچه مصرف انرژی در فرآیند ذوب یک نگرانی اساسی در عملیات ریخته گری بوده است، این صنعت همچنان از فن آوری های ذوب با بازده کم انرژی استفاده می کند. گزارشی توسط شرکت BCSبرای بررسی مفاهیم فن آوری پیشرفت در ذوب فلزات که ممکن است مصرف انرژی را به شدت کاهش دهد، تهیه شده است. این مطالعه با تجزیه و تحلیل فن آوری های ذوب فعلی و نوظهور و بحث در مورد موانع مقیاس بندی مسائل و تحقیقات لازم برای پیشرفت این فناوری ها، هدف خود را به سرانجام می رساند. این پتانسیل را برای بهبود بهره وری ذوب، کاهش اتلاف حرارت انتقال فلز و کاهش ضایعات و بهبود عملکرد فراهم می کند. برخی از توصیه ها شامل بهینه سازی عملیات ذوب و عملیات حرارتی است. به عنوان مثال کوره را بپوشانید و مواد نسوز را حفظ کنید. و پانل های تابشی را در کوره های بتونی نصب کنید. در این گزارش همچنین اطلاعاتی در مورد وضعیت فعلی کوره های استفاده شده و چگونگی پیاده سازی کاهش انرژی با استفاده از مرکز بهبودهای کوره های موجود فراهم شده است. اگرچه، این گزارش به کاربردهای ذوب فلز متمرکز است، فن آوری های ذوب و پیشرفت های مورد بحث در این گزارش برای کلیه کوره ها و فرآیندهای مواد مذاب از جمله آلومینیوم اولیه، آلومینیوم ثانویه، شیشه، آهن و فولاد و سایر صنایع قابل استفاده است.

۲.۲ مدلهای ریاضی و برنامه ریزی در صنایع یکپارچه فولاد

الگوریتمی توسط Yoshitani ، N و Hasegawa ، A (کنترل مدل درجه حرارت نوار(مفتول) برای کوره گرمایش در آنیل مداوم) ایجاد شده است برای مواردی که می توان از قبل دانش مربوط به تغییر پارامتر را به دست آورد. در این مدل یک مدل ریاضی ساده از اولین اصول گرفته شده است. پارامترهای مدل با الگوریتمی به نام برآورد پارامتر بازگشتی با فاکتور فراموشی متغیر از نوع بردار (REVVF) که در آن سیستم کنترل دمای نوار ارائه شده سلسله مراتبی است، برآورد می شوند، سطح بالاتر “کنترل پیش نمایش بهینه” نامیده می شود، که کنترل از پیش تعیین شده را انجام می دهد. این پیش نمایش تغییر نزدیک شدن تنظیمات، مانند تغییر در اندازه نوار یا دمای مرجع، و سرعت خط و مسیر دمای نوار را بهینه می کند، سطح پایین “کنترل ردیابی دما” نامیده می شود، که کنترل حلقه بسته را با استفاده از موارد فوق انجام می دهد.

مسیری که برای اولین بار به عنوان هدف کنترل، در این سطح استفاده شد، کنترل تنظیم خودکار تنظیم قطب قرارگیری است. و بعداً  کنترل خودتنظیم پیش بینی شده عمومی ارائه شد. این روشهای کنترل با برخی تغییرات عملی و با REVVF که در بالا ذکر شده است اعمال شد. کنترل با موفقیت در چندین طرح واقعی کار کرده است.

بن ژانگ، ژیگانگ چن، لیون ژو، جینگچنگ وانگ، جیانمین ژانگ، هویه شائو روی مدلی برای کنترل کوره گرمایش کار کردند. این مدل شامل سه مدل فرعی، مدل کنترل احتراق خودکار (ACC)، مدل دینامیکی فرآیند احتراق و مدل حلقه های کنترل است. مدل ACC نقاط تنظیم شده دمای کوره را محاسبه می کند تا بتوان اسلبهای موجود در کوره را تا دمای تخلیه گرم کرد. تا مدل پویا را تحت حالت خط نورد و شار سوخت ارائه شده توسط مدل حلقه کنترل توصیف کند. مدل حلقه کنترل یا مدل سیستم کنترل توزیع شده (DCS) شار سوخت هر منطقه را با توجه به نقاط تنظیم شده دمای کوره و حالت کوره کنترل می کند. از این مدل می توان برای توسعه تکنیک های جدید صرفه جویی در انرژی یا تحقق بهینه سازی کیفیت استفاده کرد.

G. Blakey و S. B. M. Beck  یک روش نشان دادن معادله بدون بعد برای بهبود کارایی کوره ارائه دادند. آنها در تجزیه و تحلیل خود نشان دادند که روش فعلی تورنون مشعل برای کاهش مصرف انرژی بر روی بازده حرارتی کوره به ویژه در سطوح پایین استفاده از ظرفیت کوره تأثیر می گذارد. این تحقیق با هدف مصرف انرژی کوره حمام گالوانیزه با گاز طبیعی انجام شده است. رویکرد آنها با استفاده از مصرف انرژی خاص از نظر تقاضا و عرضه برای توصیف بازده حرارتی، اولین رویکرد بوده است. معادلات توسعه یافته برای مقایسه کوره های مختلف و انواع مختلف سوخت استفاده می شود. با این حال، این معادلات تجهیزات دیگری را که روی خط گالوانیزه وجود دارند در نظر نمی گیرند.

یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه ویرجینیای غربی و سازمان بین المللی سرب و روی (ILZRO) بر توسعه نرم افزار پشتیبانی تصمیم به نام سیستم پشتیبانی تصمیم گیری انرژی گالوانیزه انرژی دهنده (GEPDSS) متمرکز شده اند که تمام تجهیزات عمده مصرف کننده انرژی را در یک سیستم مداوم غوطه وری دائمی در نظر می گیرد. خط این DSS به کاربر امکان می دهد خط گالوانیزه خود را در نرم افزار مبتنی بر Excel مدلسازی کند. DSS تولید و مصرف انرژی فعلی را تا سه فرآیند مختلف کنترل می کند. این می تواند یک روش را برای شناسایی میزان فوایدی که می تواند در نتیجه اقدامات تدریجی در مصرف انرژی به دست آورد، شبیه سازی کند.

ابزار ارزیابی و بررسی فرآیند گرمایش ایالات متحده DOE (PHAST)  از انجمن تجهیزات گرمایش صنعتی داده های مربوط به انرژی از دست رفته در نتیجه سطوح نامناسب یا عایق نشده و محاسبه بازده بر اساس نسبت سوخت هوا و ترازهای گرما برای گرمایش فرآیند تجهیزات به ترتیب ارائه داده شد.

۲.۳ نتیجه گیری

این بررسی تاریخچه ایده­های انجام شده در زمینه صرفه جویی انرژی در صنعت فولاد و اقدامات انجام شده در جهت کاهش هزینه انرژی و بهینه سازی منابع سودمند در صنعت فولاد را ارائه می دهد. می توان دریافت که تحقیقات زیادی در زمینه صرفه جویی انرژی در فرآیند تولید فولاد انجام شده است. فناوری جدید و استفاده از مدل های ریاضی برای بهینه سازی ، به روند تولید آهن و فولاد کمک کرده است تا از نظر انرژی کارآمد باشد.

در حال حاضر منبعی برای محاسبه میزان انرژی مصرف شده توسط یک خط گالوانیزه مداوم هنگام جابجایی بین درجه های مختلف محصول و پارامترهای فرآیند در دسترس نیست. مدل توسعه یافته از طریق این تحقیق می تواند برای تجزیه و تحلیل حساسیت و تصمیمات افزایش روند استفاده شود. بنابراین ، تحقیقات در این زمینه کمک بزرگی به صنعت فولاد برای تجزیه و تحلیل و بهبود بهره وری انرژی آنها می کند.

۳. رویکرد تحقیق

۳.۱ اهداف پروژه

اهداف تحقیقاتی این پروژه در زیر ذکر شده است.

 مطالعه پارامترهای خط گالوانیزه با بازدید از خط.

balance تعادل گرمایی کوره های آنیل و گالوان.

 توسعه نرم افزار (E-GEPDSS) برای فعال کردن تجزیه و تحلیل حساسیت از مدل تعادل گرما.

ation اعتبارسنجی مدل تعادل گرما با داده های جمع آوری شده هنگام بازدید ازخط.

۳.۲ مطالعه فرآیند گالوانیزه (بازدید از کوره و جمع آوری داده ها)

مطالعه دقیق خط گالوانیزه مداوم با مراجعه به تأسیسات گالوانیزه سرب به دست آمده است. لیستی دقیق از اجزا و پارامترهای کوره یادداشت و مطالعه شد. بحث و گفتگو با پرسنل کارخانه به جمع آوری اطلاعات دقیق در مورد اجزای کوره و پارامترهای فرآیند کمک کرد. یک مدل اولیه متشکل از تلفات مختلف با کوره با استفاده از تمام داده های جمع آوری شده از بازدیدها ، و با مرور مفاهیم انتقال حرارت تولید شد.

ارائه این مدل مقدماتی در جلسه انجمن گالوانیزرها که در بالتیمور، سنت لوئیس و لوئیزویل برگزار شد ، به اصلاح مدل کمک کرد. بازخورد از جلسه در نظر گرفته شد و مدل در حال توسعه بیشتر از نظر گالوانیزه است. بازدیدهای اضافی از تاسیسات برای اطمینان از صحت داده های مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل آزمایش انجام شد. چندین بررسی تاریخی به پیشرفت موفقیت آمیز مدل کمک کرد. یک مدل Excel® با معادلات تعادل گرما که فرمول تلفات حرارتی و تجزیه و تحلیل حساسیت را ایجاد کرده است.

۳.۲.۱ بازدیدهای خط و جمع آوری داده ها

بازدید از خط نقش مهمی در این پروژه دارد. این مدل برای دقیق بودن به اطلاعات واقعی در مورد خطوط گالوانیزه نیاز دارد و این بازدیدها از خط در بهبود این پروژه کمک می کند. کارخانه ای که از آن بازدید کرده بود ، کارخانه های Fairless Works ایالات متحده ، Fairless Hills، پنسیلوانیا بود. برای جمع آوری داده های کافی برای مدل ، دو سفر به خط انجام شد. سفر اولیه برای کسب دانش در مورد خطوط گالوانیزه و همچنین برای جمع آوری داده ها برای مدل اولیه. بازدید دوم برای اطمینان از صحت داده های مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل آزمایش بود. در این بازدیدها داده های جمع آوری شده بیشتر تصفیه شده و مشاهدات و اندازه گیری های مختلفی در قسمت کوره انجام شد. اندازه گیری روی خط گالوانیزه بدون ابزار مناسب غیرممکن است، بنابراین مجموعه ای از کیت ابزار نیز به کارخانه برده شد. برخی از ابزارهای مورد نیاز برای اندازه گیری ها عبارتند از: دوربین حرارتی (به مشاهده تغییرات دما کمک می کند)، اسلحه دما (برای اندازه گیری درجه حرارت یک جسم بدون تماس استفاده می شود) ، تجزیه و تحلیل گاز پشته احتراق. علاوه بر این ، داده ها همچنین از کامپیوترهای کنترل کننده خط گالوانیزه جمع آوری شد. سیستم کنترل شده رایانه ای داده هایی را برای دمای مختلفی که در مناطق مختلف حفظ می شوند ، دمای نوار در ورود و خروج از مناطق و میزان جریان هیدروژن و نیتروژن را فراهم می کند. داده ها و اطلاعات جمع آوری شده از تاسیسات و سایر منابع برای بدست آوردن دقیق ترین اطلاعات ممکن تصفیه و ساده شدند. این بازدیدها به پر کردن مدل با داده های زمان واقعی کمک می کند.

۳.۳ تعادل گرما

هدف از این تحقیق بررسی تعادل گرمایی کوره است. انرژی ورودی به کوره که توسط نوار فولادی (فولاد) از کوره عبور می کند بررسی می­شود. که گرمای مفید است . بقیه گرمای موجود به صورت تلفاتی مانند هدایت از طریق دیواره ها ، تشعشع و همرفت توسط سطوح کوره ، اتلاف گاز پشته یا دودکش ، اتلاف آب خنک کننده ، از بین رفتن گاز محافظ و افت باز شدن از بین می رود. این خسارات در بخش 3.5 به تفصیل بحث شده است.

۳.۴ پارامترهای انتقال حرارت

پارامترهای مختلفی برای مطالعه شناسایی و انتخاب شدند. بخشهای زیر اهمیت هر پارامتر را توصیف می کنند.

۳.۴.۱ پریشانی (ᶓ)

میزان تابش یک جسم نسبت انرژی منعکس شده و جذب شده در همان دما است. انتشار یک جسم سیاه واقعی 1.00 است ، بنابراین نسبت نزدیک به 1.00 نشان می دهد که این جسم به جسم سیاه نزدیکتر است و گرما یا انرژی موجود در آن را حفظ می کند.

شی شامل. از آنجا که این مطالعه با تلفات حرارتی همراه است، انتشار پذیری بسیار مهم است

نقش در کاهش اشعه افت تابش با استفاده از معادله 1 تعیین شد.

انتشار این ماده به ماده در نظر گرفته شده برای مطالعه بستگی دارد که در این مورد فولاد است. مستقر

در بررسی مقالات میزان انتشار پذیری برای فولاد در محدوده 0.5 – 0.9 یافت می شود.

۳.۴.۲ Stephen Boltzmann Constant 

به رابطه بین انرژی تابشی و دما برای رادیاتور بدنه سیاه اشاره می شود

به عنوان ثابت استفان-بولتزمن. این انرژی کل تابشی (Btu / hr-ft2) را از سطح مربوط می کند

بدن سیاه تا دمای آن T:

Where, is the Stephen-Boltzmann constant in equation 2.

بدن تابشی که در این آزمایش بررسی می شود دیواره های کوره است. دیوارها هستند

نه یک رادیاتور کامل بدنه سیاه و سفید بلکه می توان آن را یک بدن خاکستری دانست که برخی از آنها را ساطع می کند

کسری از تشعشعات بدن سیاه که از طریق انتشار آن ایجاد می شود ،. شار تابشی به سادگی گرما است

در واحد سطح پراکنده می شود. بنابراین می توان کل انرژی تابش شده توسط دیوارها را همانطور که نشان داده شده نشان داد

در معادله 3.

۳.۴.۳ ضریب انتقال حرارت (ساعت)

انرژی گرمایی که بین یک سطح و یک سیال یا جو در حال حرکت منتقل می شود

دما به عنوان همرفت شناخته می شود. در این حالت دیواره های کوره سطح و

جو به عنوان سیال متحرک عمل می کند. انتقال گرمای همرفتی که در اینجا در نظر گرفته شده طبیعی است یا

همرفت آزاد انتقال گرما در واحد سطح از طریق همرفت برای اولین بار توسط

نیوتن و رابطه به عنوان قانون خنک سازی نیوتن شناخته می شود. معادله برای همرفت

می تواند به صورت فرمول 4 نشان داده شده در زیر بیان شود:

Where, h is the heat transfer coefficient (Btu/hr-ft2.oF).

طبق اطلاعات جمع آوری شده توسط سازمان بین المللی تحقیقات سرب و روی ، از سال 1975 تا 2000 ، ظرفیت كل فولاد ورق پوشش داده شده به طور پیوسته در حال افزایش است. شکل 1.1 کل ورق ورق پوشش داده شده را در میلیون تن نشان می دهد. ورق پوشش داده شده ترکیبی منحصر به فرد از خواصی است که با هیچ ماده دیگری مطابقت ندارد. برخی از خواص شامل قدرت بالا، شکل پذیری، وزن سبک است. مقاومت در برابر خوردگی، زیبایی شناسی، قابلیت بازیافت و هزینه کم هم از دیگر خواص آن می‌باشند.