任玉明 ¹，黃曉江 ¹，張建良 ²，韓陶然 ¹，王振陽 ²，周新富 ²

（1.天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津301500; 2.北京科技大學(xué)，北京 100083）

[摘 要] 天鋼聯(lián)合特鋼采用壓縮空氣沖壓換爐方式替代了傳統(tǒng)的冷風(fēng)沖壓換爐方式,為實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐無擾動換爐創(chuàng)造了良好的條件。而熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)智能化水平同樣決定了換爐操作的質(zhì)量。為了更好實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐無擾動換爐，天鋼聯(lián)合特鋼同時對熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，采用了智能沖壓換爐和新、老系統(tǒng)智能互保等智能化控制技術(shù)，使壓縮空氣沖壓換爐技術(shù)的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。高爐入爐風(fēng)壓、流量更加平穩(wěn)，波動幾乎為零，熱風(fēng)爐燒爐曲線和熱風(fēng)溫度曲線平滑穩(wěn)定。

[關(guān)鍵詞] 熱風(fēng)爐；自動控制；壓縮空氣沖壓

0 引言

在煉鐵工藝中熱風(fēng)爐是高爐的輔助設(shè)備，也是長流程煉鐵工藝中的重要環(huán)節(jié)，采用蓄熱工作方式為高爐提供連續(xù)不斷的熱風(fēng)。在煉鐵生產(chǎn)過程中消耗的熱量，其中大約四分之一是熱風(fēng)爐供給高爐的熱風(fēng)提供的^[1]，其提供的風(fēng)溫也是提高高爐冶煉強(qiáng)度、降低焦比和燃料比的重要手段^[2-3]。 在我國，大多數(shù)的高爐配備了三座熱風(fēng)爐，主要操作方式為“兩燒一送”^[4]，且熱風(fēng)爐工作狀態(tài)可分為燃燒狀態(tài)、送風(fēng)狀態(tài)以及燜爐狀態(tài)^[5]。換爐操作是指在燃燒狀態(tài)、送風(fēng)狀態(tài)及悶爐狀態(tài)的各熱風(fēng)爐之間的轉(zhuǎn)換操作。當(dāng)需要換爐時，需先給將要送風(fēng)的熱風(fēng)爐充壓，這時一部分冷風(fēng)會進(jìn)入將要送風(fēng)的熱風(fēng)爐，導(dǎo)致入爐的風(fēng)壓由于風(fēng)量的快速降低而波動^[6]，目前煉鐵行業(yè)高爐熱風(fēng)爐換爐處理波動的主流模式是采用冷風(fēng)沖壓方式或采用風(fēng)機(jī)恒壓鼓風(fēng)方式換爐，但這些方式均存在風(fēng)壓、風(fēng)量調(diào)節(jié)的滯后性，入爐的風(fēng)溫、風(fēng)壓和流量波動較大，會給高爐的順行和穩(wěn)定帶來一定的影響。

2020 年 6 月 20 日，天鋼聯(lián)合特鋼采用壓縮空氣沖壓換爐方式替代了傳統(tǒng)的冷風(fēng)沖壓換爐方式,實(shí)現(xiàn)換爐技術(shù)的硬件升級，但為了更好實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐無擾動換爐，同時對熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)軟件也進(jìn)行了升級改造，采用了智能沖壓換爐和新、老系統(tǒng)智能互保等智能化控制技術(shù)，使壓縮空氣沖壓換爐技術(shù)的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。高爐入爐風(fēng)壓、流量更加平穩(wěn)，波動幾乎為零，從而促進(jìn)了高爐的順行穩(wěn)定。

1 壓縮空氣沖壓換爐

1.1 壓縮空氣沖壓換爐技術(shù)點(diǎn)

相對于目前普遍采用的主流熱風(fēng)爐冷風(fēng)沖壓換爐方式，天鋼聯(lián)合特鋼新進(jìn)開發(fā)的壓縮空氣沖壓熱風(fēng)爐換爐技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了無擾動換爐。該技術(shù)的主要配套設(shè)施和工藝特點(diǎn)是：在各高爐熱風(fēng)爐分支管線且設(shè)置沖壓用壓縮空氣總閥、氣動快速切斷閥、液動沖壓閥、調(diào)整閥等相應(yīng)管件；在熱風(fēng)爐換爐時，提前將壓縮空氣充入即將使用的熱風(fēng)爐內(nèi)，達(dá)到設(shè)定壓力后進(jìn)行換爐操作。采用壓縮空氣沖壓換爐技術(shù)與冷風(fēng)沖壓換爐技術(shù)示意圖分別如圖 1、圖2 所示。

1.2 壓縮空氣沖壓換爐技優(yōu)勢

（1）采用冷風(fēng)沖壓方式或風(fēng)機(jī)恒壓鼓風(fēng)換爐需要考慮煤氣、熱風(fēng)溫度及高爐操作三個條件，大約每四十分鐘換一次爐，換爐過程大概需要 10～15 分鐘，這個時候高爐的操作是最大限制環(huán)節(jié)。而采用壓縮空氣沖壓換爐操作時，不受高爐操作和爐況條件限制，當(dāng)需要倒?fàn)t作業(yè)時，不需要考慮高爐出鐵和惡劣爐況的影響，隨時可以進(jìn)行充壓換爐。

（2）在采用壓縮空氣沖壓換爐技術(shù)后，可以避免每次換爐時的相對減風(fēng)過程，圖 3、圖 4 分別為壓縮空氣沖壓換爐系統(tǒng)應(yīng)用前、后高爐各參數(shù)的實(shí)時概況曲線圖。圖 3 可以從波動上判斷出什么時候進(jìn)行了換爐，而圖 4 是采用壓縮空氣沖壓換爐系統(tǒng)的爐況曲線，其曲線較平滑，波動幾乎為零，無法從波動情況判斷出是否存在換爐操作。

2 換爐智能化控制技術(shù)

對于熱風(fēng)爐自動化控制要求，熱風(fēng)爐智能化換爐水平的先進(jìn)與否決定了熱風(fēng)爐的控制質(zhì)量的高低。為了更好實(shí)現(xiàn)入爐風(fēng)量、風(fēng)壓零波動，天鋼聯(lián)合特鋼在實(shí)現(xiàn)壓縮空氣沖壓換爐技術(shù)的基礎(chǔ)上，對熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，采用了智能沖壓換爐和新、老系統(tǒng)智能互保等智能化控制技術(shù)，使得該換爐技術(shù)在保持先進(jìn)性的同時更加完善可靠。

2.1 閥門智能聯(lián)鎖動作

天鋼聯(lián)合特鋼壓縮空氣充壓換爐技術(shù)是在原換爐體系基礎(chǔ)上增加了部分設(shè)備、改造創(chuàng)新而成的，改造部分如圖 5、圖 6 所示。各閥門的設(shè)置使得壓縮空氣沖壓換爐方式實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)全自動控制。

通過流量計可以智能化檢測和控制壓縮空氣的充壓流量，并可以根據(jù)壓縮空氣總網(wǎng)的壓力動態(tài)控制進(jìn)入充壓系統(tǒng)的壓縮空氣流量。當(dāng)外網(wǎng)壓力低于 8 kPa 時就自動切斷充壓系統(tǒng)與外網(wǎng)的閥門，保證壓縮空氣管網(wǎng)的壓力不會降低；而當(dāng)充壓過高時，造成熱風(fēng)爐壓力超過冷風(fēng)壓力或外管網(wǎng)壓力過低時，快切閥會自動切斷；流量計與快切閥的協(xié)同配合，保證了壓縮空氣外管網(wǎng)壓力無波動。截止閥的設(shè)置便于日后系統(tǒng)的檢修，當(dāng)系統(tǒng)有問題可隨時截止系統(tǒng)，有效阻止系統(tǒng)損壞而進(jìn)一步的影響下一 道工序。

2.2 雙體系保障系統(tǒng)

天鋼聯(lián)合特鋼熱風(fēng)爐換爐智能操控系統(tǒng)增設(shè)了壓縮空氣液壓控制閥，控制系統(tǒng)在原基礎(chǔ)上按照新的功能要求進(jìn)行升級改造，操作畫面增加了過壓、泄漏等異常故障快速切斷控制介面。由圖 5 可直觀看出，液壓控制閥可實(shí)現(xiàn)原換爐體系與無擾動換爐體系任意切換的智能保障功能，當(dāng)壓縮空氣方法出現(xiàn)故障，無法順利運(yùn)行時，液壓閥門會連鎖自動轉(zhuǎn)換，換爐充壓體系返回原冷風(fēng)沖壓換爐系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是唯一的保護(hù)系統(tǒng)，降低了由換爐送風(fēng)系統(tǒng)故障而影響高爐生產(chǎn)的風(fēng)險，從而促進(jìn)高爐順行穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，兩系統(tǒng)切換僅需 1～2 分鐘，系統(tǒng)切換對高爐生產(chǎn)的影響幾乎可以忽略。

2.3 智能充壓設(shè)計

自動充壓閥根據(jù)流量情況自動調(diào)節(jié)，在保證換爐沖壓完成的情況下，其不影響到壓縮空氣外管網(wǎng)流量，當(dāng)冷風(fēng)壓力和熱風(fēng)爐壓力相差 2 kPa 時充壓閥就會自動關(guān)閉。智能充壓系統(tǒng)的設(shè)計，使冷風(fēng)壓力和熱風(fēng)爐壓力相差從 5 kPa 降低到 2 kPa。整個系統(tǒng)控制簡單、便捷，解決了控制滯后的問題，進(jìn)一步促進(jìn)了高爐生產(chǎn)效率。由于壓差縮小之后，對熱風(fēng)閥門的壽命影響也減少了，從而增加閥門預(yù)期壽命，從長遠(yuǎn)來看降低了維修成本。

2.4 儲氣罐與壓縮機(jī)

壓縮空氣充壓系統(tǒng)設(shè)置一壓氣儲罐，壓氣儲罐是充壓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保障設(shè)施。當(dāng)壓力波動大時，能夠穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，起到穩(wěn)壓緩沖的作用，相當(dāng)于電路中電容的作用，提高壓縮空氣充壓換爐技術(shù)的可靠性與穩(wěn)定性。

為了確保壓縮空氣充壓系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，減少壓縮空氣外網(wǎng)壓力變化的影響，天鋼聯(lián)合特鋼計劃為此系統(tǒng)建設(shè)一個空壓縮機(jī)站，供煉鐵廠單獨(dú)使用。由于用戶單一，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)換爐快速充壓，充壓過程可從 10～12 min 縮短到 6 min，從而降低了空壓機(jī)運(yùn)行功率，放大了企業(yè)技術(shù)改造帶來的效益。

3 結(jié)語

天鋼聯(lián)合特鋼熱風(fēng)爐壓縮空氣智能化沖壓換爐控制技術(shù)投入運(yùn)行以來，使熱風(fēng)爐換爐系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性得到了進(jìn)一步的提高。

（1）該控制技術(shù)使壓縮空氣沖壓換爐工藝的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，熱風(fēng)爐換爐時間不受外部條件影響，高爐入爐風(fēng)壓、流量更加平穩(wěn)，波動幾乎為零，熱風(fēng)爐燒爐曲線和熱風(fēng)溫度曲線平滑穩(wěn)定。

（2）該控制技術(shù)整個系統(tǒng)簡單、響應(yīng)快速，解決了控制相對滯后的問題，熱風(fēng)爐向高爐供應(yīng)熱風(fēng)的品質(zhì)顯著提高，為高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行、增產(chǎn)降耗創(chuàng) 造了有利條件，達(dá)到了改造的預(yù)期目標(biāo)。

（3）由于熱風(fēng)爐內(nèi)與冷風(fēng)壓差縮小，減少了對熱風(fēng)閥門的壽命影響，增加了閥門預(yù)期壽命，從長遠(yuǎn)來看降低了維修成本。

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