鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟基礎產(chǎn)業(yè)和國家綜合實力的重要標志，我國鋼材產(chǎn)量2024年遭遇了近五年來最嚴峻的挑戰(zhàn)：產(chǎn)能過剩、價格下跌和企業(yè)利潤大幅下降。根據(jù)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，2024年前三季度，重點鋼鐵企業(yè)營業(yè)收入同比下降6.87%，利潤總額下降56.39%。預計2025年行業(yè)外部環(huán)境仍然嚴峻，成本和質(zhì)量控制無疑是企業(yè)必須牢牢抓住的“生命線"，是企業(yè)核心生存力的重要內(nèi)容。

當前，我國鋼鐵工業(yè)正處在由大向強轉(zhuǎn)變的歷史性節(jié)點。2022年多部委聯(lián)合發(fā)布的《關于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導意見》指出，“要重點圍繞低碳冶金、潔凈鋼冶煉、薄帶鑄軋、高效軋制等工藝技術上取得突破性進展。"與此同時，針對碳排放的嚴格監(jiān)管，國務院發(fā)布《空氣質(zhì)量持續(xù)改善行動計劃》要求“到2025年，全國80%以上的鋼鐵產(chǎn)能完成超低排放改造任務、重點區(qū)域全部實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)超低排放"。大型鋼鐵企業(yè)面臨提質(zhì)和降碳雙重壓力，要優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能耗，提高燃燒效率是關鍵。

提升燃燒效率，濃度與熱值同測是必然趨勢

加熱爐是鋼企熱軋生產(chǎn)線上第一道工序的核心設備，其主要功能是將冷坯加熱到軋制溫度，占軋鋼工序能耗的50%以上，加熱爐燃燒效率的高低直接關系到軋鋼生產(chǎn)的經(jīng)濟技術指標。

首先，鋼坯加熱的目的是提高坯料塑性，燃燒控制得當可保證合適的加熱溫度從而使鋼坯狀態(tài)達到最佳，在鋼坯軋制時可減少因磨損和沖擊造成的設備事故，提高軋機的生產(chǎn)率和作業(yè)率，有效降低軋制燃耗。其次，好的燃燒控制能改善鋼坯的內(nèi)部組織和性能，不均勻組織和非金屬夾雜物可通過高溫加熱的擴散作用而均勻化。加熱溫度和均勻程度是體現(xiàn)加熱質(zhì)量的標志性指標，加熱質(zhì)量好的鋼坯，容易獲得斷面形狀正確、幾何尺寸精準的成品。但在實際生產(chǎn)過程中，高爐/焦爐煤氣存在因氣體組分及熱值變化波動較大導致燃燒效率不足的問題，所以準確在線測量其氣體組分及熱值變化情況并自動優(yōu)化控制燃燒過程，可以大幅提高燃燒效率。

同時測量組分濃度和熱值存在諸多難點。首先，鋼鐵冶金過程中所用到的燃料氣體組分復雜，包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氮氣、氫氣，以及乙烷、丙烷、乙炔、乙烯等少量烴類。這些組分不但含量差別較大，且許多少量烴類組分擁有較高的熱值，當這些氣體混合存在時，其熱值的計算需要精確測量每種組分的濃度和比例。其次，加熱爐生產(chǎn)過程通常是動態(tài)變化的，隨著溫度與燃料的變化將導致氣體濃度瞬變，要求測量快速響應，以實現(xiàn)對工藝的實時決策和控制。再次，環(huán)境因素影響也很大，如溫度、壓力和濕度都會影響熱值測量的準確性；爐內(nèi)氣流不均也會影響氣體檢測樣本的代表性。例如水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水將導致對氣體物理性質(zhì)和化學組分的改變，進而影響熱值的計算，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術往往需要樣品預處理，響應時間長，且難以適應高溫、高壓、高濕等惡劣的工業(yè)環(huán)境。最后，可燃氣體監(jiān)測的安全風險較高，因為可燃氣體一旦泄漏可能導致爆炸和火災，并且某些氣體具有毒性，能夠?qū)θ梭w健康造成威脅。

除以上提到的宏觀因素以外，檢測技術和儀器性能局限也是影響監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素。技術局限通常包括選擇性差、響應速度慢、溫濕度依賴性強及測量范圍限制等。而監(jiān)測儀器的局限主要體現(xiàn)在維護和校準成本高、設備尺寸較大、對惡劣環(huán)境適應性差及數(shù)據(jù)處理能力有限等方面。

逐個擊破難點，拉曼光譜分析技術將成為首x選

冶金過程氣體監(jiān)測技術經(jīng)歷了從采樣分析到在線監(jiān)測的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的氣體監(jiān)測技術大多依賴于人工采樣和實驗室分析，此類方式不僅耗時耗力，而且難以實現(xiàn)實時監(jiān)控。隨著科技的進步，在線色譜分析、質(zhì)譜分析和光譜分析等技術逐漸成為冶金過程氣體監(jiān)測的主流方法。這些技術能夠提供準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)更好地調(diào)整生產(chǎn)策略，優(yōu)化工藝流程。

而在光譜技術中，激光拉曼光譜分析技術顯示出優(yōu)勢，尤其適合于鋼鐵冶金領域的工業(yè)過程監(jiān)測。其最大的特點是具有高選擇性和靈敏度，能夠精確區(qū)分和識別復雜的化學組分，并提供豐富的分子結(jié)構信息，幫助分析復雜樣品。該技術無需樣品預處理，能夠直接對氣體樣品進行分析，從而簡化了分析流程。同時，激光拉曼具備快速響應能力，適合在線實時監(jiān)測，且在分析過程中不會改變樣品性質(zhì)，實現(xiàn)非破壞性監(jiān)測。此外，激光拉曼能夠更好地適應高溫、高壓、高濕和高粉塵等惡劣環(huán)境，且無需使用載氣、色譜柱等耗材，從而降低了運行成本。

創(chuàng)新升級的四方儀器激光拉曼解決方案

由四方儀器自主研發(fā)生產(chǎn)的激光拉曼光譜氣體分析系列產(chǎn)品，具有秒級響應速度、測量濃度范圍廣、準確度高等特點，特別適用于目標氣體種類已知的多組分氣體長期快速在線的濃度檢測，且能有效避免水的影響。不僅能在線實時定性及定量檢測近20種氣體濃度，還能同時計算顯示氣體熱值。

四方儀器是國內(nèi)l首l家通過自研自產(chǎn)，向市場推出激光拉曼氣體分析儀器的廠商。早在2012年，四方儀器研發(fā)的LRGA-6000就已經(jīng)牽頭承擔了國家重大科學儀器設備開發(fā)專項“激光拉曼光譜氣體分析儀器的研發(fā)與應用"項目，針對激光拉曼光譜法的特征信號較弱等業(yè)界難題，四方儀器鉆研該分析技術十余年，最終攻克了測量精度受外部因素影響等難題，成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的商業(yè)化產(chǎn)品。該分析系統(tǒng)獲得十余項發(fā)明專l利，并被授予“2021年度中國石油與化工自動化行業(yè)科技進步一等獎"、“2021年度中國分析測試協(xié)會科學技術獎（CAIA獎）二等獎"等多項榮譽。

在此之后，四方儀器陸續(xù)推出了同系列的LRGA-3100、LRGA-3200、LRGA-3200EX，作為鋼鐵冶金、煤化工、天然氣開采集輸、新能源電池等眾多行業(yè)的氣體組分濃度與熱值監(jiān)測配套應用產(chǎn)品。針對實驗室環(huán)境，四方儀器推出了小型化的在線監(jiān)測儀器，這些儀器設計精巧、操作簡便，能夠滿足科研人員對精確數(shù)據(jù)的追求。而在工業(yè)現(xiàn)場，四方儀器則提供了更為堅固耐用的原位監(jiān)測系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用防爆設計，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運行，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和實時性。此外，四方儀器還考慮到了用戶對復雜組分氣體監(jiān)測的需求，推出了包含預處理單元的分析系統(tǒng)，以適應更為復雜的監(jiān)測任務。其整體的設計理念是為用戶提供定制化的監(jiān)測方案，確保每一位用戶都能得到滿足其特定需求的產(chǎn)品和服務。

實際應用案例

中國寶武旗下的寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司（以下簡稱：武鋼有限）在熱軋廠擁有7座加熱爐，年產(chǎn)千萬噸鋼坯。該項目需為加熱爐配備熱值檢測設備，以精準控制燃燒，提升空燃比的準確性。

自2022年以來，武鋼有限熱軋廠積極推進能耗降減和新技術應用。以1580產(chǎn)線為例，該產(chǎn)線年產(chǎn)量自2020年以來超過設計產(chǎn)能30%以上，燃耗管理成為重點。盡管采取了多項措施，如提升加熱爐自動化、優(yōu)化生產(chǎn)組織等，但仍面臨設備老化問題。原使用的紅外熱值分析儀因放置在11年前建造的防爆小屋而逐漸失效，且由于燃料預處理不當，已導致停用。如果不及時采取新措施對加熱爐空燃比進行精確控制，不僅會帶來燃耗增加，而且極易造成鋼坯氧化燒損偏高和煙氣污染物排放超標，更會直接影響軋鋼成材率、鑄坯表面質(zhì)量甚至目標產(chǎn)量的達成。

武鋼有限熱軋廠鋼坯加熱現(xiàn)場

熱軋廠希望尋找更先進的熱值檢測設備，可以精準且實時檢測加熱爐生產(chǎn)過程中的氣體組分濃度及熱值，且不用再搭建類似防爆小屋的構建物。通過對不同技術路線和多個供應商方案的比較，熱軋廠最終采用了四方儀器的明星產(chǎn)品——激光拉曼在線防爆型分析系統(tǒng)，對現(xiàn)場的紅外熱值分析儀進行了部分替換。

四方儀器經(jīng)過評估后為用戶量身定制的監(jiān)測方案

四方儀器為熱軋廠1580產(chǎn)線加熱爐安裝了LRGA-6000在線防爆型激光拉曼光譜氣體分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可24小時在線快速準確測量高焦混合煤氣中CO2、CO、H2、N2、CH4、CnHm和O2等主要氣體成分體積濃度及熱值，自動計算并顯示數(shù)據(jù)，實時傳輸測量數(shù)據(jù)給燃燒控制系統(tǒng)，且與現(xiàn)有燃控系統(tǒng)融合，實現(xiàn)了基于該系統(tǒng)的燃燒自動化控制。該方案將儀表集成在正壓防爆柜內(nèi)，適用于危險場景的使用，無需單獨設立防爆分析小屋。

該解決方案實現(xiàn)了一臺儀器解決熱軋過程加熱爐氣體全流程檢測和熱值檢測，滿足多檢測點在線實時循環(huán)檢測的工況需求，無需載氣和耗材，降低了使用維護成本。系統(tǒng)所采用的激光拉曼氣體特征指紋技術具有很強的抗干擾能力，有效避免了各類燃料中含量不一的水分對測量結(jié)果的影響，專門適用于此類高溫及混合氣體復雜的工作環(huán)境。

武鋼有限熱軋廠LRGA-6000設備運行現(xiàn)場

1580產(chǎn)線加熱爐選擇激光拉曼光譜氣體分析儀正是武鋼有限熱軋廠深化數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的縮影。該分析儀在項目現(xiàn)場已連續(xù)穩(wěn)定運行一年多，取得了顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

一、減少燃料浪費

根據(jù)測得的準確熱值可計算出空燃比，調(diào)整空燃比為最佳值可使燃料供給更加精準，燃料燃燒更加充分，從而提高燃燒效率。反之，若煤氣熱值頻繁波動，將會造成加熱爐空燃比不合理。空燃比例小將造成爐溫低，導致冷坯升溫加熱時間長，加熱爐加熱能力低；空燃比例大則廢氣帶走熱量損失多，造成燃料浪費。

二、提升鋼坯燒制質(zhì)量

鋼坯氧化程度主要受加熱溫度、加熱時間與爐氣成分的影響，鋼的加熱溫度越高加熱時間越長，爐內(nèi)氧化性氣體越多，鋼坯表面氧化就越嚴重。同理，因氧化性氣體增多而導致鋼坯表面的碳產(chǎn)生化學反應即會造成脫碳的后果。此時需要連續(xù)檢測所產(chǎn)生的熱值數(shù)據(jù)來即時指導燃料供給量的增減，合理控制爐內(nèi)氧含量，從而提升鋼坯質(zhì)量，避免鋼坯經(jīng)過軋制后表面形成麻點和裂紋等缺陷，降低燒損率。

三、實現(xiàn)節(jié)能減排

在通過熱值檢測提高燃料燃燒效率的同時，1580產(chǎn)線也降低了大量含有NOx和SO2的煙氣外排和排煙熱損失，避免過多未燃燒完的燃料氣體排出爐外，間接減少了加熱爐的停爐時間和次數(shù)。在提高產(chǎn)量與質(zhì)量的同時，也用無聲行動響應著國家“雙碳"政策，減少了CO2、CH4等溫室氣體排放對環(huán)境造成的影響。

2023年，熱軋廠1580產(chǎn)線年產(chǎn)量超480萬噸，創(chuàng)年產(chǎn)量歷史新高，連續(xù)4年實現(xiàn)增長，打破自己創(chuàng)造的效率天花板，燃耗、作業(yè)率等多項關鍵指標均刷新歷史紀錄，以實實在在的進步再次實現(xiàn)了自我突破，被寶鋼股份授予“進步標g桿機組"稱號。而經(jīng)過武鋼有限熱軋廠1580產(chǎn)線加熱爐熱值檢測現(xiàn)場的實際性能驗證以及嚴格測試評估，四方儀器激光拉曼熱值分析儀獲得了武漢有限熱軋廠專家領導高度認可，將被優(yōu)先應用于該客戶其它6條加熱爐產(chǎn)線。

結(jié)語

在鋼鐵冶金行業(yè)邁向高質(zhì)量化與綠色化生產(chǎn)的今天，四方儀器以其卓y越的激光拉曼光譜氣體分析技術成為了這一變革的先鋒。隨著激光拉曼光譜氣體分析技術的不斷成熟和應用的深入，該技術在鋼鐵冶金行業(yè)的安全生產(chǎn)、環(huán)境保護和經(jīng)濟效益提升方面將發(fā)揮越來越重要的作用，推動行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

四方儀器的創(chuàng)新之路，是一條不斷探索、不斷突破的旅程。公司始終堅持以客戶需求為導向，以自主創(chuàng)新為核心，不斷推動產(chǎn)品的性能提升和應用拓展。從LRGA-6000到LRGA-3200EX，每一款產(chǎn)品都是四方儀器技術實力的體現(xiàn)，更是公司對行業(yè)需求深刻理解的結(jié)晶。四方儀器堅信，通過不斷的技術創(chuàng)新和服務升級，能夠為冶金過程行業(yè)乃至更廣泛的工業(yè)領域，提供更加卓y越的監(jiān)測解決方案，共同開創(chuàng)一個綠色、智能、可持續(xù)的工業(yè)未來。