熱風爐換爐智能操控系統的開發

任玉明，黃曉江，張建良，韓陶然，王振陽，周新富

（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

在煉鐵工藝中熱風爐是高爐的輔助設備，也是長流程煉鐵工藝中的重要環節，采用蓄熱工作方式為高爐提供連續不斷的熱風。在煉鐵生產過程中消耗的熱量，其中大約四分之一是熱風爐供給高爐的熱風提供的[1]，其提供的風溫也是提高高爐冶煉強度、降低焦比和燃料比的重要手段[2-3]。

在我國，大多數的高爐配備了三座熱風爐，主要操作方式為“兩燒一送”[4]，且熱風爐工作狀態可分為燃燒狀態、送風狀態以及燜爐狀態[5]。換爐操作是指在燃燒狀態、送風狀態及悶爐狀態的各熱風爐之間的轉換操作。當需要換爐時，需先給將要送風的熱風爐充壓，這時一部分冷風會進入將要送風的熱風爐，導致入爐的風壓由于風量的快速降低而波動[6]，目前煉鐵行業高爐熱風爐換爐處理波動的主流模式是采用冷風沖壓方式或采用風機恒壓鼓風方式換爐，但這些方式均存在風壓、風量調節的滯后性，入爐的風溫、風壓和流量波動較大，會給高爐的順行和穩定帶來一定的影響。

2020年6月20日，天鋼聯合特鋼采用壓縮空氣沖壓換爐方式替代了傳統的冷風沖壓換爐方式，實現換爐技術的硬件升級，但為了更好實現熱風爐無擾動換爐，同時對熱風爐控制系統軟件也進行了升級改造，采用了智能沖壓換爐和新、老系統智能互保等智能化控制技術，使壓縮空氣沖壓換爐技術的優勢得到充分發揮。高爐入爐風壓、流量更加平穩，波動幾乎為零，從而促進了高爐的順行穩定。

1 壓縮空氣沖壓換爐

1.1 壓縮空氣沖壓換爐技術點

相對于目前普遍采用的主流熱風爐冷風沖壓換爐方式，天鋼聯合特鋼新進開發的壓縮空氣沖壓熱風爐換爐技術真正實現了無擾動換爐。該技術的主要配套設施和工藝特點是：在各高爐熱風爐分支管線且設置沖壓用壓縮空氣總閥、氣動快速切斷閥、液動沖壓閥、調整閥等相應管件；在熱風爐換爐時，提前將壓縮空氣充入即將使用的熱風爐內，達到設定壓力后進行換爐操作。采用壓縮空氣沖壓換爐技術與冷風沖壓換爐技術示意圖分別如圖1、圖2所示。

圖1壓縮空氣沖壓換爐技術示意圖

圖2 冷風沖壓換爐技術示意圖

1.2 壓縮空氣沖壓換爐技優勢

（1）采用冷風沖壓方式或風機恒壓鼓風換爐需要考慮煤氣、熱風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節。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，當需要倒爐作業時，不需要考慮高爐出鐵和惡劣爐況的影響，隨時可以進行充壓換爐。

（2）在采用壓縮空氣沖壓換爐技術后，可以避免每次換爐時的相對減風過程，圖3、圖4分別為壓縮空氣沖壓換爐系統應用前、后高爐各參數的實時概況曲線圖。圖3可以從波動上判斷出什么時候進行了換爐，而圖4是采用壓縮空氣沖壓換爐系統的爐況曲線，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。

圖3 壓縮空氣沖壓換爐系統應用前高爐各參數的實時情況

圖4 壓縮空氣沖壓換爐系統應用后高爐各參數的實時情況

2 換爐智能化控制技術

對于熱風爐自動化控制要求，熱風爐智能化換爐水平的先進與否決定了熱風爐的控制質量的高低。為了更好實現入爐風量、風壓零波動，天鋼聯合特鋼在實現壓縮空氣沖壓換爐技術的基礎上，對熱風爐控制系統進行了升級改造，采用了智能沖壓換爐和新、老系統智能互保等智能化控制技術，使得該換爐技術在保持先進性的同時更加完善可靠。

2.1 閥門智能聯鎖動作

天鋼聯合特鋼壓縮空氣充壓換爐技術是在原換爐體系基礎上增加了部分設備、改造創新而成的，改造部分如圖5、圖6所示。各閥門的設置使得壓縮空氣沖壓換爐方式實現了計算機全自動控制。

通過流量計可以智能化檢測和控制壓縮空氣的充壓流量，并可以根據壓縮空氣總網的壓力動態控制進入充壓系統的壓縮空氣流量。當外網壓力低于8 kPa時就自動切斷充壓系統與外網的閥門，保證壓縮空氣管網的壓力不會降低；而當充壓過高時，造成熱風爐壓力超過冷風壓力或外管網壓力過低時，快切閥會自動切斷；流量計與快切閥的協同配合，保證了壓縮空氣外管網壓力無波動。截止閥的設置便于日后系統的檢修，當系統有問題可隨時截止系統，有效阻止系統損壞而進一步的影響下一道工序。

圖5 壓縮空氣沖壓換爐技術整體示意圖

圖6 壓縮空氣沖壓換爐技術新增部分示意圖

2.2 雙體系保障系統

天鋼聯合特鋼熱風爐換爐智能操控系統增設了壓縮空氣液壓控制閥，控制系統在原基礎上按照新的功能要求進行升級改造，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，液壓控制閥可實現原換爐體系與無擾動換爐體系任意切換的智能保障功能，當壓縮空氣方法出現故障，無法順利運行時，液壓閥門會連鎖自動轉換，換爐充壓體系返回原冷風沖壓換爐系統。該系統是唯一的保護系統，降低了由換爐送風系統故障而影響高爐生產的風險，從而促進高爐順行穩產高產。生產實踐證明，兩系統切換僅需1～2分鐘，系統切換對高爐生產的影響幾乎可以忽略。

2.3 智能充壓設計

自動充壓閥根據流量情況自動調節，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流量，當冷風壓力和熱風爐壓力相差2 kPa時充壓閥就會自動關閉。智能充壓系統的設計，使冷風壓力和熱風爐壓力相差從5 kPa降低到2 kPa。整個系統控制簡單、便捷，解決了控制滯后的問題，進一步促進了高爐生產效率。由于壓差縮小之后，對熱風閥門的壽命影響也減少了，從而增加閥門預期壽命，從長遠來看降低了維修成本。

2.4 儲氣罐與壓縮機

壓縮空氣充壓系統設置一壓氣儲罐，壓氣儲罐是充壓系統穩定運行的保障設施。當壓力波動大時，能夠穩定管網壓力，起到穩壓緩沖的作用，相當于電路中電容的作用，提高壓縮空氣充壓換爐技術的可靠性與穩定性。

為了確保壓縮空氣充壓系統可靠、穩定運行，減少壓縮空氣外網壓力變化的影響，天鋼聯合特鋼計劃為此系統建設一個空壓縮機站，供煉鐵廠單獨使用。由于用戶單一，進而可以實現換爐快速充壓，充壓過程可從10～12 min縮短到6 min，從而降低了空壓機運行功率，放大了企業技術改造帶來的效益。

3 結語

天鋼聯合特鋼熱風爐壓縮空氣智能化沖壓換爐控制技術投入運行以來，使熱風爐換爐系統運行的穩定性和可靠性得到了進一步的提高。

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

（2）該控制技術整個系統簡單、響應快速，解決了控制相對滯后的問題，熱風爐向高爐供應熱風的品質顯著提高，為高爐生產穩定順行、增產降耗創造了有利條件，達到了改造的預期目標。

（3）由于熱風爐內與冷風壓差縮小，減少了對熱風閥門的壽命影響，增加了閥門預期壽命，從長遠來看降低了維修成本。