無擾動熱風爐換爐技術的研究與開發

王志良，黃曉江，王廣偉，張洪嶺，張 楠

（1.天津市新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、穩定的高溫熱風。 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、蓄熱室格子磚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，以上過程需要在多個熱風爐同時進行。高爐生產過程中要求風量和壓力都處于穩定狀態，冷風機將冷風送到熱風爐，冷風在熱風爐內獲得熱量、溫度升高，一般進入到高爐內的熱風溫度在1000～1300 ℃之間[1-3]。 國內單座高爐配備的熱風爐為3 或4 座，工作時有兩個爐子燃燒蓄熱，另外一個或兩個來送風。

燒好的熱風爐在向高爐送風換爐前，首先要對其爐內進行沖壓操作，以平衡與高爐爐內的壓差。熱風爐傳統沖壓換爐過程中所需的風量是來自正常送風的冷風管道，這樣會使得高爐在熱風爐換爐期間實際進風量降低，造成爐溫、 爐壓的波動，崩料，出鐵不全[4，5]，尤其當高爐滿載運行，換爐帶來的波動將會更加明顯。 因此天鋼聯合特鋼在1080 m3高爐進行了無擾動熱風爐換爐技術的研究與開發，通過配送單獨壓縮空氣在熱風爐換爐時進行加壓操作，保證了熱風爐的壓力穩定，從而有利于高爐的穩定順行，提高高爐產量和經濟效益[6，7]。

1 傳統熱風爐換爐技術的特點和不足

1.1 傳統熱風爐換爐操作

操作人員在進行熱風爐換風操作時，需要先和高爐及燃氣主管部門報備，各項手續完成之后方可進行下一步操作。

（1）撤掉燃燒爐的操作步驟：關閉或者減小高爐煤氣的用量；降低助燃風機的氣體流量；關掉煤氣調節開關和煤氣閘板；關掉助燃風機的電源或者集中鼓風爐的空氣調節開關；關掉燃燒閘板并開啟煤氣安全放散閥門。

（2）撤掉燃燒爐之后，開始送風的操作步驟：緩慢開啟冷風口以控制熱風和冷風管道之間的壓力平衡；待爐內充滿風后依次開熱風，冷風和冷風大閘閥門并平衡風溫。

（3）停止送風，再次進行點火燒爐的操作步驟：依次關閉冷風閥門和小門，熱風閥門，然后開啟廢風控制閥排出廢風，以調節爐子和管道之間的壓差；再開啟煙氣管道閥并關閉廢風控制閥；之后開空氣閥進氣并打開燃燒閘板和煤氣閘板。

傳統的熱風爐換爐技術主要遵循的原則：換爐時盡量減小造成的波動，提高換爐速度從而降低跑風量；換爐時控制風壓的波動，一般來說，大高爐波動低于20 kPa，小高爐波動低于10 kPa；控制換爐過程中可能出現的風溫波動[8]。

1.2 傳統的熱風爐換爐存在的問題

（1） 熱風爐換爐過程中會出現高爐風壓波動，會使得風量減小，爐內壓力減小，造成爐料異常。

（2）換爐結束后，高爐壓力會出現上升情況，導致氣流不通暢，壓差增大，這時會造成局部崩料或者滑料。

（3）若換爐時正處于高爐出鐵，可能會引起鐵口提前噴出鐵水花，導致出鐵不完全。

（4） 當前雖然有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，仍存在約5 kPa左右風壓波動，以及風機高頻次模式轉換帶來的隱患問題[9，10]。

2 天鋼聯合特鋼無擾動換爐技術特點及優勢

2.1 無擾動換爐系統及工作原理

2.1.1 無擾動換爐系統組成

無擾動換爐系統包括：壓空氣儲罐、沖壓管路、氣動快切閥、液動沖壓控制球閥、手動沖壓調節閥、液壓轉換管路、沖壓轉換控制箱。 零擾動換爐技術原理如1 所示，零擾動換爐設備實物如圖2 所示。

圖1 零擾動換爐技術原理圖

圖2 零擾動換爐設備實物圖

2.1.2 無擾動換爐技術原理

無擾動換爐技術是利用獨立的壓縮空氣管路在熱風爐換爐時進行沖壓操作，從而降低原冷風沖壓對高爐造成的風壓、風量的波動。

2.1.3 無擾動換爐操作工藝

（1） 確認壓縮空氣總管壓力大于0.6 MPa；熱風爐現場沖壓液動球閥、 液壓管路控制閥門手動轉換到無擾換爐控制狀態； 關閉原冷風系統沖壓液動球閥。

（2）機旁電控箱選擇轉換到無擾換爐狀態；PLC操作界面選擇無擾換爐模式并點擊操作畫面，打開支管氣動球閥；PLC 按原自動換爐程序進行自動換爐操作。

（3）換爐完畢后，等待下一換爐操作；當該系統出現問題時可以隨時轉換到原冷風沖壓模式，對高爐煉鐵生產不造成任何影響。

2.2 無擾動換爐技術優勢

天鋼聯合特鋼無擾動換爐技術的特點及意義如表1 所示。

3 無擾動換爐技術實施效果

表1 天鋼聯合無擾動換爐技術的特點及意義

3.1 高爐爐內情況變化

熱風爐原冷風沖壓換爐時，會出現高爐風壓、風量的波動，風壓降低可達到12 kPa 以上，相應入爐風量減少約2400 m3。鼓風動能的減少，爐內氣流的變化，將影響高爐穩定順行，如遇異常爐況，影響將加劇。 采用零擾動換爐后，避免了每次換爐時的相對減風過程，風壓風量平穩，有利于高爐穩產高產、降低燃料比等。 原冷風沖壓曲線如圖3 所示，采用壓縮空氣沖壓后曲線如圖4 所示。由圖3、圖4 可以看出，原冷風沖壓時，風量、風壓曲線在換爐時出現了明顯的波動；而無擾動沖壓后，風量、風壓曲線在換爐時無明顯的波動。

圖3 原冷風沖壓曲線圖

圖4 采用壓縮空氣后沖壓曲線圖

3.2 無擾動換爐實施效益分析

原冷風沖壓換爐，每次需要約2400 m3的冷風，按現有高爐風機運行費用0.05 元/m3計算，每次沖壓約需費用0.05 元/m3×2400 m3=120 元。 現有壓縮空氣價格為0.10 元/m3，采用壓縮空氣沖壓換爐，每次需要需費用0.10 元/m3×2400 m3=240 元。 用壓縮空氣替代冷風實施熱風爐沖壓換爐，每次換爐費用增加240-120=120 元。以每座高爐日換爐沖壓32次計算，單座高爐日費用增加32×120=3840 元。

根據目前每消耗1100 m3風產出1 t 鐵水的換算指標計算，單高爐日可增加鐵水產量約70 t。 按最低每座高爐日增產鐵水50 t，每噸鐵水200 元利潤計算，單高爐日可增加效益50t×200 元/t=10000 元。

終上所述，實際每座高爐日可增加效益為10000-3840=6160 元，三座高爐年創效益670 萬元以上。

4 結語

天鋼聯合特鋼通過采用壓縮空氣沖壓換爐方式，可實現真正意義上的無擾動換爐。 避免了每次熱風爐換爐時，高爐的相對減風過程；高爐風壓風量平穩、波動幾乎為零；將冷風沖壓對熱風爐熱風溫度的影響降到最低，熱風爐供風溫度曲線較平滑，有效保障了高爐送風的質量。 達到了高爐穩產高產、降低燃料消耗的預期目標，綜合效益可觀。