轉爐投料系統下料口密封優化設計

黃光永，謝國進，黃就軍

（1.廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州545006；2.廣西柳州鋼鐵集團公司，廣西柳州545002）

轉爐投料系統下料口密封優化設計

黃光永1，謝國進1，黃就軍2

（1.廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州545006；2.廣西柳州鋼鐵集團公司，廣西柳州545002）

介紹了柳鋼轉爐投料系統下料口密封改進方法。針對原投料系統下料口密封方式的不足，采用氮氣與雙層翻板組合方式密封并用PLC聯鎖控制下料過程，其優勢在于：密封性好，減少氮氣消耗，降低成本，提高煤氣回收。

氮氣密封；翻板；PLC；煤氣回收

轉爐煤氣是轉爐煉鋼中產生的重要二次能源，轉爐煤氣主要成分:w（CO）60%~70%，w（CO2）15%~20%，w（N2）10%~20%[1]。在環境問題日益突出及鋼鐵危機雙重壓力下，提高轉爐煤氣回收，可減少污染、降低成本。轉爐煤氣回收占整個轉爐工序能源回收部分的80%以上，是實現負能煉鋼的關鍵環節[2]。因此，提高轉爐煤氣回收各項指標可以降低成本，提高企業競爭力。轉爐工序設備條件、原料條件、空氣吸入量、回收條件、供氧強度等因素對轉爐煤氣回收量產生影響[3]。其中轉爐上方的輔原料投料系統下料口氮封的好壞會對煤氣回收產生影響，優化下料口密封裝置可以降低氮氣消耗，同時提高煤氣回收。

1 原投料系統下料口密封方式不足

原投料系統是在煉鋼過程中完成加料功能的系統，是轉爐煉鋼主要的組成部分[4]。投料過程中需要根據煉鋼情況不斷添加燒結礦、冶金石灰、化渣劑、白云石等輔原料到轉爐內。在煉鋼過程產生的高溫煙氣會從下料管道竄出，竄出的火苗會點燃輔原料甚至燒損料倉的設備，特別是高溫煙氣中的煤氣大量逸出嚴重影響安全生產。為防止上述現象發生，原投料系統下料溜管采用氮氣密封方式，即在與水平面成60°的下料溜管均布與下料方向成一定角度的氣孔，用高壓氮氣從氣孔吹入下料溜管中壓制往上竄的高溫煙氣，結構如圖1所示。

圖1 原投料系統下料口密封方式結構

目前150 t轉爐下料溜管氮氣密封壓力為1.6 MPa，最大流量達到1 600 Nm3/h.2015年7~12月份柳鋼7#轉爐氮氣密封所消耗氮氣量如表1所示。

表1 7#轉爐氮月消耗氮氣量

表1僅僅是氮氣密封所消耗氮氣量，由于氮氣價格為0.3元/Nm3，降低氮氣消耗對企業降低成本潛力很大。由于縮空氣價格0.12元/Nm3，在不影響安全生產的前提下可部分取代氮氣。目前氮氣只是在煉鋼吹煉過程使用；在未吹煉時使用壓縮空氣密封，其流量為170 Nm3/h.然而，原氮封方式仍存在以下不足：

（1）氮封氮氣量較小時，由于轉爐反應劇烈，產生的高溫煙氣迅速增加并沿下料溜管逸出，嚴重時燒損投料設備，同時轉爐吹煉產生煤氣在投料閥門處聚集，存在嚴重的安全隱患，影響安全生產。

（2）出于安全考慮，氮封氮氣流量取值比安全值偏大，防止轉爐內反應劇烈時煙氣沖破氮封逸出。氮封氮氣量過大時又存在以下問題：1）在整個吹煉過程需要一直吹入高壓氮氣保證生產安全，導致生產成本較高；2）增加轉爐除塵系統除塵壓力，影響除塵效果；3）多余的氮氣經下料溜管進入冷卻煙道，導致回收的轉爐煤氣中氮氣含量過高，根據煤氣回收條件要求煤氣分析檢測CO的濃度要大于一定值，而過多氮氣進入冷卻煙道會降低CO濃度影響煤氣回收[5]。因此，原氮氣密封方式消耗氮氣量較大，影響煤氣回收，降低了單位煤氣熱值，影響了煤氣品質，需改進密封方式以降低氮氣消耗、提高煤氣回收。

2 優化設計方案

2.1 下料口密封結構

為解決上述問題，在保證生產安全的前提下氮封氮氣量盡可能降低。在實際煉鋼過程中，產生的高溫煙氣量時刻變化，僅采用氮氣密封很難達到最佳的效果，因此，需要改進原方案存在的不足。現采用氮氣密封與雙層翻板組合方式密封的結構方式，降低氮氣消耗，同時提高煤氣回收。

下料口密封結構是在原氮封的溜管上下各加一個翻板，其結構如圖2所示。

圖2 投料系統下料口密封方式結構

下料口密封結構包括：下料溜管1，雙層翻板2，氣缸3，杠桿4、6、7，以及溜管中部圓周均布的氣孔5，通過PLC控制氣缸3翻轉雙層翻板2，控制切斷閥9、10、11氣體流入，氣體與雙層翻板2組合方式密封高溫煙氣上竄，該結構緊湊，密封良好，安全可靠。

其中氣孔5圓周均布在溜管中部，且所有氣孔5軸線與下料溜管1軸線向下傾斜一個角度，并與下料溜管1軸線相交于一點，讓氣體通過氣孔5匯聚于該點處。雙層翻板2旋轉軸分別固定有桿件6，桿件7，最后與桿件4鉸接；氣缸推桿8與桿件4鉸接，氣缸3控制雙層翻板2同時打開或同時關閉。采用雙層翻板主要考慮到進入溜管的煙氣溫度高，容易使翻板受熱變形，采用雙層結構同時在兩層閥板中間部分通入氮氣密封，防止轉爐煤氣從閥口逸出，此方案只需少量的氮氣可以達到很好的密封效果。由于下料過程中翻板一直受到原料的沖刷磨損而穿孔，因此在翻板上增加一層耐磨板延長翻板使用壽命。翻板的動力源選擇主要從容易控制、可靠性高角度考慮。由于重錘翻板在翻板受磨損使平衡系統失衡容易引起翻板堆積原料，同時重錘翻板的動作不能與控制系統聯鎖。從本廠的實際選擇氣缸做動力源可靠性較高又易與控制系統聯鎖，同時現場已有高壓氣體管道為氣缸提供高壓氣體作為動力介質。

2.2 下料口密封控制系統

下料口密封控制系統主要是通過控制各種切斷閥實現下料過程的自動，優化下料過程的動作。采用高可靠性的西門子S7系列的PLC控制，控制系統是在原來的基礎上增加控制翻板動作及氣體的通斷，結合轉爐煉鋼的工藝過程，其控制流程如圖3所示。煉鋼工藝分為吹煉下料、吹煉不下料、不吹煉三種模式，由PLC控制切斷閥9、10、11開關、雙層翻板2翻轉，實現與三種模式相符的密封方式。在吹煉下料階段，切斷閥9開、切斷閥10關，切斷閥11關，雙層翻板2打開，采用較大的氮氣量密封，保證下料過程安全順利的進行；吹煉不下料階段，切斷閥9關、切斷閥10開，切斷閥11關，雙層翻板2關閉，同時采用較小的氮氣量即可密封下料口；不吹煉階段，切斷閥9關、切斷閥10關，切斷閥11開，雙層翻板2關閉，只需少量氣體壓住高溫煙氣從溜管逸出，此時采用較便宜的壓縮空氣密封即可。在改進原下料系統結構基礎上運用PLC優化控制下料過程，結合實際下料情況調節切斷閥打開關閉時間，進一步降低氮氣消耗。2016年1~6月份柳鋼7#轉爐氮氣密封所消耗氮氣量如表2所示。從表2可知，下料口采用新的密封方式，氮氣消耗明顯減少。該密封方式的優勢還在于具有比原方式更好的密封效果，減少氮氣進入冷卻煙道，煤氣回收時間提前，提高煤氣品質。

TH138

A

1672-545X（2016）11-0034-02

2016-08-05

黃光永（1985-），男，廣西賀州人，工學碩士，助理工程師，研究生方向為機電液一體化。