一種煉鐵熔融還原爐(SRV)配套熱風爐系統的自動控制實踐

吳經緯

摘要：本文介紹了與HISMELT熔融還原爐配套的熱風爐系統的工藝、控制系統配置、控制和操作策略以及和傳統高爐配套熱風爐系統的差異。結合實例詳細說明了該熱風爐系統在控制和操作上的應用實踐及其與熔融還原爐生產操作的聯系和配合。

關鍵詞：SRV爐;HISMELT;熱風爐

中圖分類號：TF325 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0001-03

0 引言

煉鐵最主流的工藝為高爐煉鐵。高爐煉鐵經過上百年的發展，已成為目前最為成熟的工藝過程，具有技術成熟、產量大、效率高等優點。另一方面，其缺點也是不容忽視的。一是高爐煉鐵離不開焦炭，然而焦炭資源越來越少，價格越來越高，造成煉鐵成本也不斷上漲;二是現代高爐的生產流程長，能耗和排放量都比較高;三是能源的消耗率高。

熔融還原爐（Smelting Reduction Vessel，簡稱SRV爐）是近幾十年開發出的非高爐煉鐵工藝。目前，有較大發展且已實現工業化的SRV爐工藝技術方案有HISMELT、COREX和FINEX等[1]。本文討論的熱風爐系統配套SRV爐采用的工藝方案為HISMELT。HISMELT工藝對預熱處理后的鐵礦粉或其他合適的含鐵原料進行處理，并噴吹煤粉以提供整個系統冶煉所需的還原劑及熱量。相比傳統的高爐煉鐵工藝，SRV爐方案省去了燒結和焦化兩個環節，原料適應性強，操作靈活，在同樣產能下節省了大量的投資及運行成本。作為SRV爐的配套系統，熱風爐的作用是將鼓風機站送來的冷風持續加熱成熱風后，送入SRV爐中。其配置類似于傳統高爐配套的熱風爐系統，但在設備配備和自動控制策略上針對SRV爐的操作和運行特點也做出了一些調整。

本文以采用HISMELT技術的SRV爐（下文中的“SRV爐”均指采用HISMELT工藝方案的熔融還原爐）配套熱風爐系統為基礎，介紹了該熱風爐系統的主要工藝配置、自動化配置和工藝過程的控制方案，并著重介紹了其與高爐配套熱風爐系統的不同之處。

1 HISMELT熔融還原的工藝技術簡介

SRV爐生產作業時，采用N2作載體將含鐵原料、煤和熔劑等經兩套噴吹系統直接注入到爐體內部下方的鐵水熔池中。不同物料的噴槍間隔設置，噴槍以向下一定傾角的方式安裝在熔融還原爐的中部。隨著煤在鐵水熔池高溫渣鐵液中溶解和裂解，熱粉礦中的鐵氧化物也在熔池中迅速被碳素還原[2]。含鐵料中的脈石、煤中的灰分和熔劑在鐵水熔池中熔化形成熔渣。同時，經熱風爐加熱后的熱風經由SRV爐頂部的熱風噴槍吹入爐中。風溫約1200℃。

SRV爐的生產率由物料的噴吹量、熱風溫度、熱風富氧率、礦粉溫度及其預還原度來調節。SRV爐的富氧操作使用含O2≤95%的低純度氧氣，最高富氧率約為35%，要高于高爐生產通常3%-5%的富氧率。必要時，SRV爐也可以采取停止噴吹礦粉物料，只噴入少量煤并鼓入熱風的方式停止冶煉過程進行保溫操作。

按照生產操作的特點不同，SRV爐的生產狀態可劃分為“休風”、“悶爐”、“正常”、“故障”等四個狀態。SRV爐“休風”與高爐類似，基本處于暫停生產的狀態。SRV爐在該狀態下時，熱風爐不再給SRV爐送風。SRV爐“悶爐”是SRV爐進行爐內保溫的操作狀態。在這一狀態下，熱風爐送往SRV爐的風量和風溫都保持在低水平，且不進行鼓風富氧操作。SRV爐“正常”是SRV爐經常性的生產狀態，這時，熱風爐送風的風量、風溫和摻混氧氣量等參數根據SRV爐對生產率的控制要求進行動態調節。SRV爐“故障”狀態顧名思義，該狀態下熱風爐系統應立即換爐至“悶爐”。

2 熱風爐系統工藝配置

熱風爐系統工藝設備配置與傳統熱風爐基本相同，主要在燒爐的設備配置上針對SRV爐操作特點有所增減。

SRV爐的生產操作相比高爐要靈活，生產中會根據需求及物料、設備狀況隨時調整生產強度，使得SRV爐產出的煤氣具有煤氣量波動大，煤氣熱值低的特點。為此，熱風爐燒爐采用了兩套方案：混合煤氣（即SRV爐煤氣摻混天然氣）燒爐方案和純天然氣燒爐方案。因此，每座熱風爐多設置有一組助燃空氣管路、一組天然氣燃燒器以及與之配套的天然氣燃燒閥。煙氣管道由兩套燒爐方案共用。從總管而來的天然氣至熱風爐區域后，分為兩路：一路直接將天然氣送至每座熱風爐的天然氣燃燒器;另一路則經天然氣流量調節閥后，引入熱風爐區域的SRV爐煤氣總管。

熱風爐是否采用SRV爐煤氣燒爐取決于當前SRV爐及配套系統的生產狀態。當SRV爐狀態為“正常”且SRV爐煤氣量充足時，可采用SRV爐煤氣摻混天然氣進行燒爐。摻混天然氣能顯著提升煤氣熱值，提高熱風爐燒爐的升溫速率和拱頂溫度。天然氣摻混比例由控制程序依照實時檢測的SRV爐煤氣熱值自動調節。不過，因天然氣的熱值遠遠高于SRV爐煤氣熱值，為防止混合煤氣熱值過高對熱風爐設備造成不利影響，控制程序自動對摻混量進行限制并在過量時發出報警。若SRV爐工藝條件不允許，則采用純天然氣燒爐方案。純天然氣燒爐方案所用的助燃空氣和天然氣的流量均為人工現場調節，不參與自動控制。

3 熱風爐PLC控制系統配置

熱風爐系統設置有獨立的PLC。PLC系統采用Siemens S7-412H冗余熱備CPU，并設有7個ET200M遠程I/O從站（RIO）。S7-400主CPU機架上安裝有供電模塊、CPU模塊和CP443-1以太網通訊模塊;其余I/O模塊全部配置在I/O從站上。I/O從站配置IM153-2接口模塊，通過Profibus-DP網絡連接至PLC主站。

在PLC系統主站所在機柜中設有以太網絡交換機。交換機上配置有光纖接口，通過單模玻璃光纖連接至SRV爐主操作室的交換機上。此外，在熱風爐PLC系統I/O從站上安裝了一臺Profibus-DP網絡耦合器（158-0AD01-0XA0），用于實現與SRV爐PLC系統之間Profibus-DP網絡主站至主站的通訊[3]。與SRV爐控制系統之間的狀態交換信號和聯鎖控制信號都借助Profibus-DP網絡完成。

熱風爐HMI監控設有三臺操作員站。其中兩臺操作員站放置在熱風爐操作室，一臺操作員站放置在SRV爐主操作室。各操作員站用網線連接至以太網絡交換機上。PLC編程軟件使用SIEMENS的STEP 7 v5.5 SP3;操作員站選用單機授權的SIEMENS WinCC v7.0 SP2上位機監控軟件。

4 熱風爐系統的自動控制

4.1 熱風爐的換爐控制

與高爐系統配套熱風爐類似，熱風爐系統的操作模式可劃分為“悶爐”、“煤氣燒爐”和“送風”三種。另外，對應于“純天然氣燒爐”燒爐方案，本熱風爐系統還多出了一個“天然氣燒爐”操作模式。

熱風爐系統換爐一般包括3種方式，即全自動方式、半自動方式和手動方式。顧名思義，全自動換爐方式根據預先在程序中設定的送風時間、送風溫度等條件自動觸發，并由自動程序控制實現換爐操作，無需人工干預。不過，全自動換爐方式對SRV爐的操作和系統間的協調也有比較高的要求。究其原因，主要是熱風爐換爐過程中熱風壓力和熱風流量不穩定的波動造成的。換爐時，預送風的熱風爐必須先進行充壓操作，這一過程中，部分冷風分流至預送風熱風爐，導致風量的迅速減少，進而不可避免的會引起風壓的波動。風壓、風量的波動勢必對SRV爐爐況和正常的生產操作造成不利影響。當SRV爐況正好不順時，突然而至的熱風爐換爐過程甚至會造成嚴重后果。考慮到SRV爐的工藝操作還沒有完全成熟，處于試驗和摸索階段，本系統在實踐中僅采用了半自動甚至手動方式換爐的操作畫面，但在控制程序中，仍預留了全自動換爐的控制邏輯和接口。

當某一熱風爐具備換爐至送風狀態的條件時，熱風爐操作人員需先與SRV爐操作人員確認，得到對方允許方能開始換爐操作;否則，預送風熱風爐應維持在燒爐狀態做保溫操作，或轉至悶爐狀態。若悶爐期間拱頂溫度下降過多，熱風爐還需重新進行燒爐升溫操作。即使是采用半自動方式換爐，也應采取必要措施減少熱風爐從悶爐轉至送風過程中對風溫和風壓的擾動。通常的充壓過程是首先打開充壓閥，并監測充壓閥前后差壓（ΔP）變化。待充壓閥前后差壓（ΔP）下降至10kPa以下時，再依次打開熱風閥和冷風閥。一次性打開充壓閥的操作過程仍會對鼓風風壓和風量造成沖擊，因而本熱風爐系統在換爐過程中，應用了步進（或者稱為分步）充壓的方式。控制過程需利用到充壓閥閥體上設置的一個機械中間位。同時，在自動控制程序中設置一個虛擬中間位，并添加定時開閥和停閥邏輯。充壓操作開始后，程序首先控制充壓閥開至機械中間位并停閥，待冷風閥前后的壓差低于1#設定值時，繼續開至虛擬中間位并停閥，待冷風閥前后壓差低于2#設定值時，將充壓閥全開。1#，2#設定值可根據實際生產情況在HMI畫面調整。充壓控制的流程如圖1所示：

熱風爐“悶爐”與“煤氣燒爐”間的半自動方式換爐過程與通常高爐配套熱風爐的操作一致，本文不再贅述。“悶爐”與“天然氣燒爐”間的換爐過程則全部由操作人員手動操作完成。

4.2 熱風爐的燒爐控制

熱風爐的燒爐過程從本質上說就是對蓄熱室的蓄熱過程。熱風爐完整的燒爐自動化控制包括煤氣流量控制、助燃空氣流量控制、空燃比控制、拱頂溫度控制和廢氣溫度控制，如圖2所示：

前文已述，SRV煤氣量和煤氣熱值在實際生產過程中均有較大波動，對熱風爐燒爐控制十分不利。為此，在燒爐控制策略上，本系統采用了傳統的固定助燃空氣流量，由控制程序按照空燃比間接調整煤氣流量的方式。同時，用實際助燃空氣流量對煤氣流量PID控制器設定進行限幅;用斜坡函數對煤氣流量PID控制器輸出進行限幅。以上措施有效防止了煤氣流量階躍式的變化對燃燒過程穩定性的影響和對安全生產的威脅。

整個燒爐過程可劃分為三個階段。在燒爐的第一個階段（燒爐初期），熱風爐拱頂的溫度很低，煤氣燃燒的熱量大部分被拱頂的蓄熱材料吸收，拱頂的溫度迅速上升，蓄熱室中下部溫度則上升緩慢。在這一階段，操作人員根據生產經驗設置一個初始空燃比和助燃空氣流流量設定，以較大的煤氣量與助燃空氣量對拱頂進行快速加熱，以期使拱頂溫度迅速上升至工藝操作的規定值。當拱頂溫度上升到規定值附近后，就進入了熱風爐燒爐的第二個階段，即拱頂溫度管理期。這時，逐步增加空燃比，在維持助燃空氣流量基本不變的情況下，減小煤氣的流量以保持拱頂溫度維持在規定值基本不變。本階段的操作目的是要提高并穩定廢氣的升溫速度。到第三階段也就是燒爐末期，熱風爐的廢氣溫度已上升至設定值。在熱風爐操作未下達換爐指令前，應慢慢減少對熱風爐的供熱量，以防止因拱頂或廢氣溫度超高對熱風爐的服役壽命造成不利影響。這一階段的控制策略是同時降低空燃比和助燃空氣流量設定值，使助燃空氣和煤氣流量都維持在較低的水平。

應用中，這套燒爐控制策略結合自動程序的輔助控制顯示了對SRV爐煤氣波動工況較好的適應性，實現了熱風爐燒爐的平穩操作。

5 結語

（1）本熱風爐系統與配套SRV爐于2016年投入使用。從幾年的運行情況看，整體運行穩定可靠。（2）SRV爐作為新興的非高爐煉鐵技術，具有廣闊的應用前景和價值。與之配套的熱風爐系統的設計除借鑒傳統高爐熱風爐系統設計外，還應結合SRV爐自身操作特點，針對性地優化自動化系統和設備的配置，進一步提升熱風爐系統整體的自動化水平和安全水平，降低操作人員的勞動強度。

參考文獻

[1] 張向國，賈利軍.我國熔融還原煉鐵技術發展現狀及生產實踐[J].冶金與材料，2019，39（4）：90-91.

[2] 唐恩，臧中海，喻道明，等.HIsmelt 熔融還原煉鐵技術的新進展[J].煉鐵，2010，29（2）：60-62.

[3] 崔堅.西門子工業網絡通信指南[M].北京：機械工業出版社，2005.

The Automation Control Practice of? the Hot Stove System Supporting a HISMELT Type SRV Furnace

WU Jing-wei

（WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited.， Wuhan? Hubei? 430223）

Abstract：The paper introduced the process & control system configuration， and control & operation strategies of a hot stove system supporting the HISMELT type SRV furnace， especially on the differences comparing with hot stove systems companied with traditional blast furnaces. A practical application is described to illustrate how the hot stove system works and cooperates with the SRV furnace in detail.

Key words：SRV furnace; HISMELT; hot stove