軋鋼企業(yè)工業(yè)爐安全環(huán)保智能化研究與應(yīng)用

作者：劉洋洋，男，35歲，工程師，注冊安全工程師

收稿日期：2024-03-14

摘 要：目前，工業(yè)爐的排煙系統(tǒng)多采用壓差法或強(qiáng)制排煙法，排煙系統(tǒng)有故障時，只能停爐停風(fēng)機(jī)維護(hù)，工時損失大；爐門信號檢測裝置不智能，運(yùn)行可靠性差；保護(hù)性氣氛隨著煙氣排到大氣，熱效率不高，以上因素均制約著產(chǎn)線智慧升級和安全環(huán)保生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)制排煙法；熱效率；智慧升級；安全環(huán)保生產(chǎn)

RESEARCH AND APPLICATION OF INTELLIGENT SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION FOR INDUSTRIAL FURNACES IN STEEL ROLLING ENTERPRISES

Liu Yangyang

（Shandong Iron and Steel Group Rizhao Co.， Ltd.? ? Rizhao? ? 276800， China）

Abstract：At present， the smoke exhaust system of industrial furnaces mostly adopts pressure difference method or forced smoke exhaust method. When the smoke exhaust system fails， it can only shut down the furnace and fan for maintenance， resulting in significant loss of working hours; The furnace door signal detection device is not intelligent and has poor operational reliability; The protective atmosphere is discharged into the atmosphere with smoke， and the thermal efficiency is not high， all of which restrict the intelligent upgrading of the production line and safe and environmentally friendly production.

Keywords： forced smoke exhaust method; thermal efficiency; smart upgrade; safe and environmentally friendly production

0? ? 引? ? 言

國內(nèi)工業(yè)爐的排煙裝置，一般是通過喇叭口吸入冷空氣降溫來實現(xiàn)防止煙氣爆鳴，無防爆膜等安全泄壓裝置[1]。及時存在防爆膜等安全泄壓裝置，在防爆膜破裂或銹蝕后，需要更換時，防爆膜附近仍是產(chǎn)生廢氣爆鳴的高發(fā)地點(diǎn)，極易對周圍作業(yè)人和設(shè)備設(shè)施造成危害。

工業(yè)爐爐門的定位基本只靠兩個光電開關(guān)進(jìn)行開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)定位，在光電開關(guān)失準(zhǔn)或暫時失效時，起不到定位作用，從而很容易造成爐門定位偏差，甚至造成嚴(yán)重的設(shè)備事故。通過近幾年的改進(jìn)，有些設(shè)備增加了開狀態(tài)極上限位，但控制上是爐門實際位置到達(dá)極上限位，驅(qū)動機(jī)構(gòu)便會反向移動，使信號檢測不準(zhǔn)確造成爐門位置失準(zhǔn)。且該方法不利于遠(yuǎn)程判斷爐門實際位置和故障，因此沒有大規(guī)模應(yīng)用[2]。

現(xiàn)階段國內(nèi)具有保護(hù)性氣氛的工業(yè)爐大多采用輻射管加熱方式對工件進(jìn)行加熱，保護(hù)性氣氛不采用循環(huán)再生方式處理，而是直接排放掉，這樣不僅造成了保護(hù)性氣體使用量增大，而且在排放保護(hù)性氣體的同時，也使保護(hù)性氣體帶走大量的熱量，增加了能源使用量[3]。

以上是工業(yè)爐實現(xiàn)節(jié)能安全環(huán)保生產(chǎn)的主要制約因素。

1? ? 總體研究思路

基于資源理論，人的體力屬于資源的一部分[4]，通過分析目前行業(yè)現(xiàn)狀及生產(chǎn)實踐中存在的制約自動化和能降低人工勞動量的突出點(diǎn)，通過工藝改進(jìn)和設(shè)備改造的方式[5]，逐個解決存在的問題。

1.1? ? 排煙裝置安全升級

在工業(yè)爐煙道防爆膜兩側(cè)增設(shè)風(fēng)閥；增設(shè)與防爆膜并聯(lián)的旁通排煙管道，并在進(jìn)出口兩側(cè)各設(shè)置風(fēng)閥，風(fēng)閥能夠獨(dú)立開啟與關(guān)閉，以實現(xiàn)防爆膜及排煙管道、旁通側(cè)排煙管道獨(dú)立工作的目的，滿足安全防爆排煙的需求[6]。

1.2? ? 爐門定位系統(tǒng)升級

工業(yè)爐爐門方面，通過在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上增加兩個極上、極下光電開關(guān)和優(yōu)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)程序控制，使?fàn)t門可允許的極限位置得到固定，起到保護(hù)爐門等設(shè)備的作用。通過增加爐門中間位置光電開關(guān)，爐門上開關(guān)就相當(dāng)于保護(hù)開關(guān)，可使?fàn)t門運(yùn)行更加安全可靠。將五個光電開關(guān)信號檢測通過一級直接傳送至操作界面，做到現(xiàn)場情況可觀可控可調(diào)節(jié)。

1.3? ? 保護(hù)性氣氛循環(huán)利用

1）創(chuàng)新提出工業(yè)爐保護(hù)性氣氛的運(yùn)行方式，爐膛氣體余熱利用方式及保護(hù)性氣氛循環(huán)利用方式方法，是一種能充分利用保護(hù)性氣體余熱、減少保護(hù)性氣體使用量的新方法[7]。

2）實施爐膛保護(hù)性氣體再回收利用，其主要流程為：a.通過廢氣回收裝置將爐膛保護(hù)性氣體收集，收集動力來源于氣體在不同溫度下的壓強(qiáng)，溫將由外界冷卻介質(zhì)產(chǎn)生；b.冷卻介質(zhì)與保護(hù)性氣體一同進(jìn)入熱交換器進(jìn)行充分換熱，形成二次冷卻。換熱后冷卻介質(zhì)為可利用性介質(zhì)，可利用其本身熱能進(jìn)行一切可以進(jìn)行的活動，換熱后保護(hù)性氣體為常溫保護(hù)性氣體；c.常溫氣體通過過濾、除塵、加壓形成能滿足工業(yè)爐生產(chǎn)需求的保護(hù)性氣體，重新進(jìn)入工業(yè)爐，形成閉合回路，符合創(chuàng)建環(huán)保節(jié)約型社會的要求[8]。

2? ? 具體實施與分析

2.1? ? 工業(yè)爐安全防爆排煙系統(tǒng)的應(yīng)用

1）通過在排煙管道上增設(shè)防爆膜，通過改變其材質(zhì)、連接方式和機(jī)械強(qiáng)度等方式，使之成為整個排煙管道上的薄弱點(diǎn)即卸爆點(diǎn)，起到保護(hù)排煙管道、排煙風(fēng)機(jī)、煙囪等整個排煙系統(tǒng)的作用。防爆膜為實現(xiàn)防爆作用，必須壁厚遠(yuǎn)小于排煙管道壁厚，且材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)小于管道材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度。降低防爆膜強(qiáng)度，防爆膜采用純鋁板制作，壁厚情況根據(jù)管道壁厚和工作壓力確定，一般壁厚選擇在管道壁厚的十分之一至五分之一，與管道連接方式為法蘭連接，防爆膜開口必須朝向無人區(qū)域，一般選擇開口垂直向上。

2）旁通排煙管道在進(jìn)出口兩側(cè)各設(shè)一閥門，通過閥門的開啟與關(guān)閉來實現(xiàn)旁通排煙管道的開啟與關(guān)閉。在正常生產(chǎn)過程中，旁通排煙管道關(guān)閉，帶有防爆膜的排煙管道開啟，防爆膜起到防爆作用；在檢修過程中，包括停爐檢修和防爆膜檢修時，旁通排煙管道開啟，防爆膜兩側(cè)閥門關(guān)閉，這樣就保證了防爆膜附近作業(yè)環(huán)境的絕對安全。

3）通過增設(shè)旁通排煙管道和四個風(fēng)閥，使得防爆膜在需要檢修更換的時候能夠單獨(dú)的與排煙系統(tǒng)隔離開來，真正起到安全隔離的作用。

4）防爆排煙系統(tǒng)的應(yīng)用模擬如圖1所示。正常生產(chǎn)過程中，風(fēng)閥1、風(fēng)閥2開啟，風(fēng)閥3、風(fēng)閥4關(guān)閉，防爆膜工作，旁通排煙管道被隔離。當(dāng)因管道爆鳴或排煙系統(tǒng)故障造成管道壓力突然升高時，會使防爆膜破裂來泄壓。壓力釋放后，系統(tǒng)壓力恢復(fù)正常，排煙管道的負(fù)壓會使大量空氣進(jìn)入排煙管道，導(dǎo)致爐內(nèi)積壓，造成排煙不暢，更換防爆膜必須停爐停風(fēng)機(jī)，且停爐停風(fēng)機(jī)后，爐內(nèi)溫度較高，可燃?xì)怏w仍有部分殘余，仍然有可能在防爆膜處產(chǎn)生爆鳴，會對周圍檢修人員和設(shè)備設(shè)施造成影響。通過增設(shè)部分裝置，在防爆膜破裂后，不需要停爐停風(fēng)機(jī)，只需要倒換風(fēng)閥，風(fēng)閥1、風(fēng)閥2關(guān)閉，風(fēng)閥3、風(fēng)閥4開啟，使煙氣走旁通排煙管路，對防爆膜附近管路加以隔離，使之成為安全區(qū)域。防爆膜更換完畢后，風(fēng)閥1、風(fēng)閥2開啟，風(fēng)閥3、風(fēng)閥4關(guān)閉，對旁通排煙管道加以隔離，使排煙管道和防爆膜正常工作。通過以上排煙防爆系統(tǒng)，工業(yè)爐防排煙系統(tǒng)安全性能大幅提高[9]。

2.2? ? 工業(yè)爐爐門系統(tǒng)升級

1）保證爐門安全穩(wěn)定運(yùn)行，檢測定位裝置至關(guān)重要。為滿足初步方案要求，設(shè)計的五個光電開關(guān)，其中爐門三個光電開關(guān)為常規(guī)檢測開關(guān)，不具備連鎖控制功能，只檢測、定位爐門實際位置，極上、極下光電開關(guān)具備連鎖控制功能，一旦觸發(fā)便會連鎖控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如當(dāng)極上開關(guān)觸發(fā)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)立即停止運(yùn)行，且切換為手動操作模式，也只允許執(zhí)行機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動；反之極下開關(guān)觸發(fā)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)立即停止運(yùn)行，且切換為手動操作模式，也只允許執(zhí)行機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動。

2）通過在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上增加兩個極上、極下光電開關(guān)和優(yōu)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)程序控制，使?fàn)t門可允許的極限位置得到固定，起到保護(hù)爐門等設(shè)備的作用。通過增加爐門中間位置光電開關(guān)，這樣爐門上開關(guān)就相當(dāng)于保護(hù)開關(guān)，可使?fàn)t門運(yùn)行更加安全可靠。將五個光電開關(guān)信號檢測通過一級直接傳送至操作界面，做到現(xiàn)場情況可觀可控可調(diào)節(jié)。

3）在兩側(cè)固定門梁上安裝上中下三組檢測開關(guān)，實現(xiàn)對爐門的位置定位，左右兩端檢測開關(guān)平行放置，可有效檢測爐門平行度；在執(zhí)行機(jī)構(gòu)或固定齒輪或牽引工具上安裝檢測點(diǎn)，并且在合適的位置安裝極上、極下檢測開關(guān)，可有效控制爐門運(yùn)動范圍，起到保護(hù)設(shè)備的作用。

4）工業(yè)爐爐門系統(tǒng)升級后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合方式如圖2所示。

2.3? ? 保護(hù)性氣氛循環(huán)利用的實踐

1）在排煙口處設(shè)置收集裝置，利用氣體在不同溫度處壓差作動力，通過耐高溫密封收集管道將高溫保護(hù)性氣體收集到熱交換器中，在收集和運(yùn)輸過程中采用多級冷卻方式，將保護(hù)性氣體熱量轉(zhuǎn)移至冷卻介質(zhì)中，冷卻介質(zhì)充分吸收保護(hù)性氣體熱量后，冷卻介質(zhì)溫度升高，可直接利用于民用與工業(yè)采暖、洗浴等需要加熱的地方。

2）保護(hù)性氣體溫度降低后，需要通過過濾、除塵等凈化設(shè)施，使之成為純凈的氣體成分，在經(jīng)壓縮機(jī)加壓，形成具有一定壓力的純凈的保護(hù)性氣體，在按照工業(yè)爐工藝要求，將保護(hù)性氣體通向爐內(nèi)，形成閉合回路。主要流程為：a.通過廢氣回收裝置將爐膛保護(hù)性氣體收集，收集動力來源于氣體在不同溫度下的壓強(qiáng)，溫將由外界冷卻介質(zhì)產(chǎn)生。b.冷卻介質(zhì)與保護(hù)性氣體一同進(jìn)入熱交換器進(jìn)行充分換熱，形成二次冷卻。換熱后冷卻介質(zhì)為可利用性介質(zhì)，可利用其本身熱能進(jìn)行一切可以進(jìn)行的活動，換熱后保護(hù)性氣體為常溫保護(hù)性氣體。c.常溫氣體通過過濾、除塵、加壓形成能滿足工業(yè)爐生產(chǎn)需求的保護(hù)性氣體，重新進(jìn)入工業(yè)爐，形成閉合回路。

3）由于加熱爐生產(chǎn)效率正常工作范圍在50％～90％，而且隨著生產(chǎn)品種變化而變化，這樣就造成煙氣溫度、流量經(jīng)常發(fā)生變化。生產(chǎn)實踐中，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，實施爐膛保護(hù)性氣體再回收利用的流程如圖3所示。

2.4? ? 應(yīng)用檢驗情況

通過以上工藝、設(shè)備和布局的優(yōu)化改進(jìn)，使工業(yè)爐產(chǎn)量、效益、安全、環(huán)保等指標(biāo)得到有效的提升，其主要改進(jìn)有：

1）優(yōu)化了防爆膜的安裝位置、連接方式等，為實現(xiàn)防爆膜的安全更換提供了一種全新的煙氣走向調(diào)節(jié)裝置，對周圍作業(yè)人員起到保護(hù)作用；在不停爐停風(fēng)機(jī)的情況下實現(xiàn)防爆膜的安全可靠更換，降低故障時間，提高生產(chǎn)效率。

2）爐門系統(tǒng)優(yōu)化升級后具有以下優(yōu)點(diǎn)：五個檢測開關(guān)中，兩個是正常工作檢測開關(guān)，其余三個都屬于保護(hù)性檢測開關(guān)，可有效防止?fàn)t門位置偏差引起的設(shè)備損壞；現(xiàn)場情況可有效傳送至操作界面，通過界面能夠?qū)ΜF(xiàn)場進(jìn)行了解和掌控；通過優(yōu)化程序控制，可有效防止誤操作引起的二次設(shè)備損壞。工業(yè)爐爐門光電開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合方式優(yōu)化后，不僅使現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況一目了然，而且使設(shè)備故障率大幅降低，減少了設(shè)備維護(hù)成本和設(shè)備故障時間，保障了生產(chǎn)節(jié)奏連貫順行。

3）保護(hù)性氣氛循環(huán)利用中，所需動力少，更多采用利用氣體在不同溫度下產(chǎn)生的壓強(qiáng)差做動力，且采用該方法，能夠有效減少保護(hù)性氣體使用量、能增加工業(yè)爐熱效率，使能量更多的轉(zhuǎn)化為有效能量和有效降低能源消耗，減少排往大氣的廢氣量，符合創(chuàng)建環(huán)保節(jié)約型社會的要求。

3? ? 結(jié)? ? 論

本文介紹的工業(yè)爐實現(xiàn)智能安全環(huán)保生產(chǎn)的應(yīng)用與實踐方法，已應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中，近年來為產(chǎn)線高質(zhì)量發(fā)展做出了一定貢獻(xiàn)，為軋鋼系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了基礎(chǔ)保障，在增產(chǎn)增效中發(fā)揮了不可替代的作用，具有全行業(yè)推廣應(yīng)用的價值。

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