闞永海，商振才，張建良，高 爽，劉征建，康 健

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

0 引言

熱風(fēng)爐作為一種熱交換設(shè)備，目的是為高爐冶煉提供持續(xù)的高溫?zé)犸L(fēng)。目前被廣泛采用的是蓄熱式熱風(fēng)爐，其工作過(guò)程包括：高爐煤氣燃燒放熱、蓄熱室格子磚蓄熱、格子磚的儲(chǔ)熱對(duì)冷風(fēng)加熱并為高爐送風(fēng)。為保證高爐能夠獲得持續(xù)穩(wěn)定的熱風(fēng)，以上過(guò)程需要同時(shí)進(jìn)行[1]。現(xiàn)代高爐通常配三到四座熱風(fēng)爐，采用“兩燒一送”或者“兩燒兩送”的方式實(shí)現(xiàn)交叉并聯(lián)送風(fēng)，要保持連續(xù)送風(fēng)就需要進(jìn)行換爐操作。目前煉鐵行業(yè)普遍利用鼓風(fēng)機(jī)冷風(fēng)充壓方式進(jìn)行熱風(fēng)爐換爐操作，這會(huì)造成高爐送風(fēng)壓力、風(fēng)量和溫度的波動(dòng)，影響高爐順行[2-5]。所以真正實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐風(fēng)壓零擾動(dòng)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(lián)合特鋼有限公司（后稱天鋼聯(lián)合特鋼）煉鐵廠現(xiàn)有3座1 080 m3高爐，每座高爐配備3座熱風(fēng)爐，采取“兩燒一送”的送風(fēng)制度。技改前未采用特殊的換爐技術(shù)，造成風(fēng)壓波動(dòng)嚴(yán)重，影響高爐穩(wěn)產(chǎn)順行。經(jīng)過(guò)聯(lián)合特鋼煉鐵廠努力創(chuàng)新，自主研發(fā)設(shè)計(jì)了熱風(fēng)爐零擾動(dòng)換爐新技術(shù)，即采用廠區(qū)壓縮空氣對(duì)熱風(fēng)爐進(jìn)行換爐充壓，該技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了換爐風(fēng)壓無(wú)波動(dòng)，消除了風(fēng)壓、風(fēng)量波動(dòng)對(duì)高爐造成的不利影響，保證高爐爐況穩(wěn)定。自投入運(yùn)行以來(lái)，高爐持續(xù)穩(wěn)定順行，為高爐強(qiáng)化冶煉奠定了基礎(chǔ)，高爐生產(chǎn)指標(biāo)得到改善和提高。

1 熱風(fēng)爐零擾動(dòng)換爐技改方案及措施

1.1 換爐現(xiàn)存問(wèn)題

天鋼聯(lián)合特鋼煉鐵廠熱風(fēng)爐之前采用的是主流的冷風(fēng)充壓換爐方式，而鼓風(fēng)機(jī)有個(gè)定壓模式，風(fēng)壓減少時(shí)風(fēng)量會(huì)增加總流量，在采用這種方式時(shí)，高爐風(fēng)壓會(huì)有5 kPa的波動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在充壓換爐過(guò)程中，冷風(fēng)風(fēng)壓下降約12 kPa左右，每次在執(zhí)行換爐操作時(shí)，入爐熱風(fēng)總量都要相應(yīng)減少約2 400 m3，鼓風(fēng)動(dòng)能減少，引起爐內(nèi)氣流變化，影響了高爐的穩(wěn)定順行，并伴隨料速降低。所以在此過(guò)程中對(duì)高爐產(chǎn)生的不利影響相當(dāng)于高爐減風(fēng)生產(chǎn)，而高爐每日平均進(jìn)行換爐操作達(dá)30次以上，累計(jì)對(duì)高爐穩(wěn)定順行產(chǎn)生的影響較大，因此一旦遇到爐況異常，將會(huì)使得爐內(nèi)操作更加困難。

1.2 零擾動(dòng)換爐技改方案

當(dāng)前也有鋼廠采用風(fēng)機(jī)恒壓鼓風(fēng)換爐模式，但也存在風(fēng)壓、風(fēng)量調(diào)節(jié)的滯后性，以及風(fēng)機(jī)高頻次模式轉(zhuǎn)換帶來(lái)的隱患問(wèn)題[9-11]。為真正實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐無(wú)擾動(dòng)充壓換爐，天鋼聯(lián)合特鋼煉鐵廠開(kāi)創(chuàng)性的采用了壓縮空氣充壓換爐方式。由于原冷風(fēng)充壓所用鼓風(fēng)機(jī)的定壓模式有個(gè)風(fēng)壓自動(dòng)補(bǔ)償功能，自動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)加大功率，經(jīng)計(jì)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(shù)改造后的壓縮空氣充壓換爐示意簡(jiǎn)圖，表1為實(shí)現(xiàn)無(wú)擾換爐工藝標(biāo)準(zhǔn)化控制。

圖1 壓縮空氣充壓換爐方式流程圖

表1 無(wú)擾換爐工藝控制標(biāo)準(zhǔn)

1.3 零擾動(dòng)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(fēng)爐技術(shù)改造為例，首先針對(duì)壓縮空氣管道接口設(shè)計(jì)了熱風(fēng)爐充壓零擾動(dòng)換爐氣源方案，利用熱風(fēng)爐南側(cè)壓縮空氣總管網(wǎng)，取點(diǎn)閥門設(shè)置在1#高爐熱風(fēng)爐南側(cè)去往噴煤的管線上。在安裝閥門時(shí)，涉及到高爐的爐前空壓風(fēng)使用，包括高爐爐前除塵器空壓風(fēng)使用。

1.3.2 熱風(fēng)爐壓縮空氣充壓裝置

在高爐熱風(fēng)爐管線支架總管安裝DN150閥門，布置管線進(jìn)入穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐，再沿?zé)犸L(fēng)爐對(duì)側(cè)支架鋪設(shè)去往高爐熱風(fēng)爐的空壓總管線。每座熱風(fēng)爐分支管線，設(shè)置手動(dòng)DN125截止閥1個(gè)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1個(gè)，液動(dòng)充壓閥1個(gè)，氣源流量計(jì)1個(gè)。其中液動(dòng)充壓閥的液壓動(dòng)力源自于原充壓閥動(dòng)力，通過(guò)分支改造，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)系統(tǒng)的互備轉(zhuǎn)換。截止閥的作用是便于檢修，一旦遇到問(wèn)題隨時(shí)截止。

1.3.3 熱風(fēng)爐充壓換爐控制系統(tǒng)

熱風(fēng)爐壓縮空氣充壓換爐控制系統(tǒng)仍使用原換爐操作系統(tǒng)不變，操作過(guò)程中出現(xiàn)如過(guò)壓、泄漏等異常時(shí)可以快速切斷控制界面，此舉措目的是防止充壓過(guò)高問(wèn)題。另外每座高爐均設(shè)置壓力調(diào)控系統(tǒng)和壓縮空氣儲(chǔ)罐，目的是降低熱風(fēng)爐充壓時(shí)對(duì)壓縮空氣外管網(wǎng)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(shè)做到三同步，即同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步制定操作規(guī)定與突發(fā)事故預(yù)案，該舉措保障了工藝與安全要求。技改措施實(shí)施時(shí)為保障正常生產(chǎn)需特別確定：噴煤空壓罐前空壓管網(wǎng)進(jìn)氣閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；爐前空壓氣包排泄閥門使用正常；確認(rèn)總管切改管線控制閥門正常狀態(tài)。同時(shí)建設(shè)的安全措施包括，管線必須經(jīng)耐壓檢測(cè)合格；試驗(yàn)時(shí)安排專人指揮，操作人員絕對(duì)服從指揮指令；一旦發(fā)現(xiàn)異常立即關(guān)閉閥門，停止運(yùn)行。

2 熱風(fēng)爐零擾動(dòng)換爐技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2.1 換爐條件只考慮高爐送風(fēng)溫度

普通熱風(fēng)爐換爐需要考慮煤氣質(zhì)量、熱風(fēng)溫度及高爐操作三個(gè)條件。熱風(fēng)爐大概每四十分鐘換一次爐，換爐過(guò)程大概需要10～15分鐘，這個(gè)時(shí)候高爐的操作是限制環(huán)節(jié)。當(dāng)高爐處在出鐵、懸料或特殊情況時(shí)，寧可保持低風(fēng)溫送風(fēng)，也不能執(zhí)行換爐操作，不能加減風(fēng)壓，因?yàn)橐坏┻M(jìn)行換爐，風(fēng)壓將會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，鐵口也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。一般情況下，出鐵時(shí)換爐需延遲8～10分鐘，懸料的話會(huì)更久，這是最制約熱風(fēng)爐換爐的條件。而零擾動(dòng)換爐只需要考慮熱風(fēng)溫度，當(dāng)熱風(fēng)溫度降低到設(shè)置溫度時(shí)，就可以直接進(jìn)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(fēng)壓、風(fēng)量波動(dòng)幾乎為零

每次冷風(fēng)充壓后出現(xiàn)冷、熱風(fēng)壓力和流量的較大波動(dòng)，影響了高爐的穩(wěn)定順行。采用壓縮空氣充壓后，換爐操作風(fēng)壓、風(fēng)量波動(dòng)幾乎為零冷，高爐的風(fēng)壓、風(fēng)量和料速幾乎沒(méi)有變化。

2.3 換爐操作工藝更加完善

零擾動(dòng)換爐操作工藝見(jiàn)表2。需要特別注意的是第3步，控制系統(tǒng)發(fā)出充壓閥打開(kāi)指令，電動(dòng)充壓閥打開(kāi)后，充壓調(diào)節(jié)閥按比例緩慢打開(kāi)閥門進(jìn)行充壓，壓力跟蹤，接近最終壓力時(shí)按比例調(diào)節(jié)逐漸關(guān)閉閥門，直至壓力與設(shè)定壓力一致。

表2 零擾動(dòng)換爐時(shí)操作工藝

2.4 潛在的智能化創(chuàng)新

（1）保證壓縮空氣管網(wǎng)壓力無(wú)波動(dòng)。流量計(jì)和快切閥的智能化協(xié)同配合，智能檢測(cè)充壓流量，使充壓過(guò)程不能影響壓縮空氣總體的流量，保證全網(wǎng)絡(luò)壓力維持在一定水準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。另外當(dāng)壓縮空氣總網(wǎng)壓力降低到一定程度時(shí)，快切閥就會(huì)自動(dòng)切斷，自動(dòng)轉(zhuǎn)換充壓方式。當(dāng)充壓過(guò)程熱風(fēng)爐壓力超過(guò)冷風(fēng)壓力時(shí)，快切閥會(huì)自動(dòng)切斷，確保冷風(fēng)壓力的穩(wěn)定。

（2）零擾動(dòng)換爐體系與原換爐體系的智能保障系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了一套保護(hù)系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)閥是液壓控制的，即轉(zhuǎn)換控制和液壓閥門開(kāi)關(guān)控制。當(dāng)零擾動(dòng)換爐體系出現(xiàn)故障，液壓閥門會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，換爐送風(fēng)體系會(huì)返回至原始換爐系統(tǒng)，整個(gè)過(guò)程僅需1～2分鐘。

（3）智能充壓設(shè)計(jì)。充壓閥采用自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，根據(jù)流量情況自動(dòng)調(diào)節(jié)，要做到不影響外部管網(wǎng)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(guò)程中，冷風(fēng)壓力和熱風(fēng)爐壓力相差2 kPa時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。

（4）未來(lái)仍有待開(kāi)發(fā)的智能設(shè)計(jì)項(xiàng)目，目前使用的是壓縮空氣管網(wǎng)進(jìn)行充壓換爐，如果能單獨(dú)建設(shè)一個(gè)壓縮機(jī)站供煉鐵廠單獨(dú)使用，使用單獨(dú)壓力控制，可實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐快速充壓，充壓過(guò)程可從10～12分鐘縮短到6分鐘，但是成本投入會(huì)升高，現(xiàn)在還沒(méi)確定。

3 熱風(fēng)爐零擾動(dòng)換爐技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

通過(guò)熱風(fēng)爐零擾動(dòng)換爐技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐，天鋼聯(lián)合特鋼煉鐵廠高爐熱風(fēng)的實(shí)際壓力和風(fēng)溫的波動(dòng)率得到了顯著的下降，零擾動(dòng)換爐系統(tǒng)投用前后熱風(fēng)爐各項(xiàng)指標(biāo)變化情況如表3所示。

表3 零擾動(dòng)換爐系統(tǒng)投用前后熱風(fēng)爐指標(biāo)變化情況

從表3可以看出，在生產(chǎn)實(shí)踐中，零擾動(dòng)換爐技術(shù)投用后，熱風(fēng)爐整體運(yùn)行相對(duì)較為穩(wěn)定，高爐運(yùn)行狀態(tài)也較為良好，真正的做到了高爐富氧率和鼓風(fēng)量的提高，同時(shí)熱風(fēng)溫度提高了約10℃，焦比基于原有數(shù)據(jù)有一定程度下降，由于實(shí)際上焦比的變化并非只受熱風(fēng)爐影響，因此出現(xiàn)波動(dòng)。總之，平均風(fēng)溫是升高的，燃料消耗下降的，該技術(shù)帶來(lái)的整體效果非常顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

天鋼聯(lián)合特鋼煉鐵廠自主、創(chuàng)新研發(fā)了熱風(fēng)爐零擾動(dòng)換爐新技術(shù)，該技術(shù)徹底消除了熱風(fēng)爐換爐風(fēng)壓波動(dòng)對(duì)高爐冶煉造成的不利影響，并取得很好成效。

（1）零擾動(dòng)換爐新技術(shù)投入運(yùn)行后，熱風(fēng)爐整體運(yùn)行比較穩(wěn)定，高爐運(yùn)行狀態(tài)也較為良好，在高爐生產(chǎn)過(guò)程中真正實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)爐無(wú)擾動(dòng)換爐，達(dá)到預(yù)期效果。

（2）熱風(fēng)爐無(wú)擾動(dòng)換爐，有利于高爐順產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，預(yù)計(jì)可使單爐日增產(chǎn)量50噸以上，高爐指標(biāo)得到改善。

（3）此次1#高爐熱風(fēng)爐零擾動(dòng)換爐體系的順利投運(yùn)，為后續(xù)高爐的技術(shù)改進(jìn)工作奠定了基礎(chǔ)，提供了良好的借鑒作用。