天鋼聯合特鋼熱風爐零擾動換爐技術應用實踐

闞永海，商振才，張建良，高 爽，劉征建，康 健

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

0 引言

熱風爐作為一種熱交換設備，目的是為高爐冶煉提供持續的高溫熱風。目前被廣泛采用的是蓄熱式熱風爐，其工作過程包括：高爐煤氣燃燒放熱、蓄熱室格子磚蓄熱、格子磚的儲熱對冷風加熱并為高爐送風。為保證高爐能夠獲得持續穩定的熱風，以上過程需要同時進行[1]。現代高爐通常配三到四座熱風爐，采用“兩燒一送”或者“兩燒兩送”的方式實現交叉并聯送風，要保持連續送風就需要進行換爐操作。目前煉鐵行業普遍利用鼓風機冷風充壓方式進行熱風爐換爐操作，這會造成高爐送風壓力、風量和溫度的波動，影響高爐順行[2-5]。所以真正實現熱風爐風壓零擾動換爐操作仍為煉鐵工作者的主要研究課題[6-8]。

天津天鋼聯合特鋼有限公司（后稱天鋼聯合特鋼）煉鐵廠現有3座1 080 m3高爐，每座高爐配備3座熱風爐，采取“兩燒一送”的送風制度。技改前未采用特殊的換爐技術，造成風壓波動嚴重，影響高爐穩產順行。經過聯合特鋼煉鐵廠努力創新，自主研發設計了熱風爐零擾動換爐新技術，即采用廠區壓縮空氣對熱風爐進行換爐充壓，該技術真正實現了換爐風壓無波動，消除了風壓、風量波動對高爐造成的不利影響，保證高爐爐況穩定。自投入運行以來，高爐持續穩定順行，為高爐強化冶煉奠定了基礎，高爐生產指標得到改善和提高。

1 熱風爐零擾動換爐技改方案及措施

1.1 換爐現存問題

天鋼聯合特鋼煉鐵廠熱風爐之前采用的是主流的冷風充壓換爐方式，而鼓風機有個定壓模式，風壓減少時風量會增加總流量，在采用這種方式時，高爐風壓會有5 kPa的波動。根據現場數據，在充壓換爐過程中，冷風風壓下降約12 kPa左右，每次在執行換爐操作時，入爐熱風總量都要相應減少約2 400 m3，鼓風動能減少，引起爐內氣流變化，影響了高爐的穩定順行，并伴隨料速降低。所以在此過程中對高爐產生的不利影響相當于高爐減風生產，而高爐每日平均進行換爐操作達30次以上，累計對高爐穩定順行產生的影響較大，因此一旦遇到爐況異常，將會使得爐內操作更加困難。

1.2 零擾動換爐技改方案

當前也有鋼廠采用風機恒壓鼓風換爐模式，但也存在風壓、風量調節的滯后性，以及風機高頻次模式轉換帶來的隱患問題[9-11]。為真正實現熱風爐無擾動充壓換爐，天鋼聯合特鋼煉鐵廠開創性的采用了壓縮空氣充壓換爐方式。由于原冷風充壓所用鼓風機的定壓模式有個風壓自動補償功能，自動補償時，風機會加大功率，經計算其造成的成本上升和使用壓縮空氣充壓換爐的成本相差不多。圖1為技術改造后的壓縮空氣充壓換爐示意簡圖，表1為實現無擾換爐工藝標準化控制。

圖1 壓縮空氣充壓換爐方式流程圖

表1 無擾換爐工藝控制標準

1.3 零擾動換爐技改的具體措施

1.3.1 壓縮空氣管道接口

以1#高爐熱風爐技術改造為例，首先針對壓縮空氣管道接口設計了熱風爐充壓零擾動換爐氣源方案，利用熱風爐南側壓縮空氣總管網，取點閥門設置在1#高爐熱風爐南側去往噴煤的管線上。在安裝閥門時，涉及到高爐的爐前空壓風使用，包括高爐爐前除塵器空壓風使用。

1.3.2 熱風爐壓縮空氣充壓裝置

在高爐熱風爐管線支架總管安裝DN150閥門，布置管線進入穩壓儲氣罐，再沿熱風爐對側支架鋪設去往高爐熱風爐的空壓總管線。每座熱風爐分支管線，設置手動DN125截止閥1個，電動調節閥1個，液動充壓閥1個，氣源流量計1個。其中液動充壓閥的液壓動力源自于原充壓閥動力，通過分支改造，實現了兩個系統的互備轉換。截止閥的作用是便于檢修，一旦遇到問題隨時截止。

1.3.3 熱風爐充壓換爐控制系統

熱風爐壓縮空氣充壓換爐控制系統仍使用原換爐操作系統不變，操作過程中出現如過壓、泄漏等異常時可以快速切斷控制界面，此舉措目的是防止充壓過高問題。另外每座高爐均設置壓力調控系統和壓縮空氣儲罐，目的是降低熱風爐充壓時對壓縮空氣外管網的沖擊。

1.4 技改工藝操作與安全措施

技改工藝操作與安全措施建設做到三同步，即同步設計、同步施工、同步制定操作規定與突發事故預案，該舉措保障了工藝與安全要求。技改措施實施時為保障正常生產需特別確定：噴煤空壓罐前空壓管網進氣閥門處于關閉狀態；爐前空壓氣包排泄閥門使用正常；確認總管切改管線控制閥門正常狀態。同時建設的安全措施包括，管線必須經耐壓檢測合格；試驗時安排專人指揮，操作人員絕對服從指揮指令；一旦發現異常立即關閉閥門，停止運行。

2 熱風爐零擾動換爐技術的優勢

2.1 換爐條件只考慮高爐送風溫度

普通熱風爐換爐需要考慮煤氣質量、熱風溫度及高爐操作三個條件。熱風爐大概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限制環節。當高爐處在出鐵、懸料或特殊情況時，寧可保持低風溫送風，也不能執行換爐操作，不能加減風壓，因為一旦進行換爐，風壓將會出現波動，鐵口也會出現波動。一般情況下，出鐵時換爐需延遲8～10分鐘，懸料的話會更久，這是最制約熱風爐換爐的條件。而零擾動換爐只需要考慮熱風溫度，當熱風溫度降低到設置溫度時，就可以直接進行充壓換爐，不再受高爐出鐵、懸料等情況的制約。

2.2 換爐操作風壓、風量波動幾乎為零

每次冷風充壓后出現冷、熱風壓力和流量的較大波動，影響了高爐的穩定順行。采用壓縮空氣充壓后，換爐操作風壓、風量波動幾乎為零冷，高爐的風壓、風量和料速幾乎沒有變化。

2.3 換爐操作工藝更加完善

零擾動換爐操作工藝見表2。需要特別注意的是第3步，控制系統發出充壓閥打開指令，電動充壓閥打開后，充壓調節閥按比例緩慢打開閥門進行充壓，壓力跟蹤，接近最終壓力時按比例調節逐漸關閉閥門，直至壓力與設定壓力一致。

表2 零擾動換爐時操作工藝

2.4 潛在的智能化創新

（1）保證壓縮空氣管網壓力無波動。流量計和快切閥的智能化協同配合，智能檢測充壓流量，使充壓過程不能影響壓縮空氣總體的流量，保證全網絡壓力維持在一定水準，實現自動控制。另外當壓縮空氣總網壓力降低到一定程度時，快切閥就會自動切斷，自動轉換充壓方式。當充壓過程熱風爐壓力超過冷風壓力時，快切閥會自動切斷，確保冷風壓力的穩定。

（2）零擾動換爐體系與原換爐體系的智能保障系統。設計了一套保護系統，開關閥是液壓控制的，即轉換控制和液壓閥門開關控制。當零擾動換爐體系出現故障，液壓閥門會自動轉換，換爐送風體系會返回至原始換爐系統，整個過程僅需1～2分鐘。

（3）智能充壓設計。充壓閥采用自動調節閥，根據流量情況自動調節，要做到不影響外部管網壓力降低，充壓閥的智能化是必須用到的。充壓閥的智能化控制，可以保證充壓過程中，冷風壓力和熱風爐壓力相差2 kPa時自動關閉。

（4）未來仍有待開發的智能設計項目，目前使用的是壓縮空氣管網進行充壓換爐，如果能單獨建設一個壓縮機站供煉鐵廠單獨使用，使用單獨壓力控制，可實現熱風爐快速充壓，充壓過程可從10～12分鐘縮短到6分鐘，但是成本投入會升高，現在還沒確定。

3 熱風爐零擾動換爐技術應用實踐

通過熱風爐零擾動換爐技術應用實踐，天鋼聯合特鋼煉鐵廠高爐熱風的實際壓力和風溫的波動率得到了顯著的下降，零擾動換爐系統投用前后熱風爐各項指標變化情況如表3所示。

表3 零擾動換爐系統投用前后熱風爐指標變化情況

從表3可以看出，在生產實踐中，零擾動換爐技術投用后，熱風爐整體運行相對較為穩定，高爐運行狀態也較為良好，真正的做到了高爐富氧率和鼓風量的提高，同時熱風溫度提高了約10℃，焦比基于原有數據有一定程度下降，由于實際上焦比的變化并非只受熱風爐影響，因此出現波動。總之，平均風溫是升高的，燃料消耗下降的，該技術帶來的整體效果非常顯著。

4 結語

天鋼聯合特鋼煉鐵廠自主、創新研發了熱風爐零擾動換爐新技術，該技術徹底消除了熱風爐換爐風壓波動對高爐冶煉造成的不利影響，并取得很好成效。

（1）零擾動換爐新技術投入運行后，熱風爐整體運行比較穩定，高爐運行狀態也較為良好，在高爐生產過程中真正實現了熱風爐無擾動換爐，達到預期效果。

（2）熱風爐無擾動換爐，有利于高爐順產、穩產、高產，預計可使單爐日增產量50噸以上，高爐指標得到改善。

（3）此次1#高爐熱風爐零擾動換爐體系的順利投運，為后續高爐的技術改進工作奠定了基礎，提供了良好的借鑒作用。