一種煉鐵熔融還原爐(SRV)配套熱風(fēng)爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制實(shí)踐

吳經(jīng)緯

摘要：本文介紹了與HISMELT熔融還原爐配套的熱風(fēng)爐系統(tǒng)的工藝、控制系統(tǒng)配置、控制和操作策略以及和傳統(tǒng)高爐配套熱風(fēng)爐系統(tǒng)的差異。結(jié)合實(shí)例詳細(xì)說明了該熱風(fēng)爐系統(tǒng)在控制和操作上的應(yīng)用實(shí)踐及其與熔融還原爐生產(chǎn)操作的聯(lián)系和配合。

關(guān)鍵詞：SRV爐;HISMELT;熱風(fēng)爐

中圖分類號(hào)：TF325 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）02-0001-03

0 引言

煉鐵最主流的工藝為高爐煉鐵。高爐煉鐵經(jīng)過上百年的發(fā)展，已成為目前最為成熟的工藝過程，具有技術(shù)成熟、產(chǎn)量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)。另一方面，其缺點(diǎn)也是不容忽視的。一是高爐煉鐵離不開焦炭，然而焦炭資源越來越少，價(jià)格越來越高，造成煉鐵成本也不斷上漲;二是現(xiàn)代高爐的生產(chǎn)流程長(zhǎng)，能耗和排放量都比較高;三是能源的消耗率高。

熔融還原爐（Smelting Reduction Vessel，簡(jiǎn)稱SRV爐）是近幾十年開發(fā)出的非高爐煉鐵工藝。目前，有較大發(fā)展且已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的SRV爐工藝技術(shù)方案有HISMELT、COREX和FINEX等[1]。本文討論的熱風(fēng)爐系統(tǒng)配套SRV爐采用的工藝方案為HISMELT。HISMELT工藝對(duì)預(yù)熱處理后的鐵礦粉或其他合適的含鐵原料進(jìn)行處理，并噴吹煤粉以提供整個(gè)系統(tǒng)冶煉所需的還原劑及熱量。相比傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝，SRV爐方案省去了燒結(jié)和焦化兩個(gè)環(huán)節(jié)，原料適應(yīng)性強(qiáng)，操作靈活，在同樣產(chǎn)能下節(jié)省了大量的投資及運(yùn)行成本。作為SRV爐的配套系統(tǒng)，熱風(fēng)爐的作用是將鼓風(fēng)機(jī)站送來的冷風(fēng)持續(xù)加熱成熱風(fēng)后，送入SRV爐中。其配置類似于傳統(tǒng)高爐配套的熱風(fēng)爐系統(tǒng)，但在設(shè)備配備和自動(dòng)控制策略上針對(duì)SRV爐的操作和運(yùn)行特點(diǎn)也做出了一些調(diào)整。

本文以采用HISMELT技術(shù)的SRV爐（下文中的“SRV爐”均指采用HISMELT工藝方案的熔融還原爐）配套熱風(fēng)爐系統(tǒng)為基礎(chǔ)，介紹了該熱風(fēng)爐系統(tǒng)的主要工藝配置、自動(dòng)化配置和工藝過程的控制方案，并著重介紹了其與高爐配套熱風(fēng)爐系統(tǒng)的不同之處。

1 HISMELT熔融還原的工藝技術(shù)簡(jiǎn)介

SRV爐生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，采用N2作載體將含鐵原料、煤和熔劑等經(jīng)兩套噴吹系統(tǒng)直接注入到爐體內(nèi)部下方的鐵水熔池中。不同物料的噴槍間隔設(shè)置，噴槍以向下一定傾角的方式安裝在熔融還原爐的中部。隨著煤在鐵水熔池高溫渣鐵液中溶解和裂解，熱粉礦中的鐵氧化物也在熔池中迅速被碳素還原[2]。含鐵料中的脈石、煤中的灰分和熔劑在鐵水熔池中熔化形成熔渣。同時(shí)，經(jīng)熱風(fēng)爐加熱后的熱風(fēng)經(jīng)由SRV爐頂部的熱風(fēng)噴槍吹入爐中。風(fēng)溫約1200℃。

SRV爐的生產(chǎn)率由物料的噴吹量、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)富氧率、礦粉溫度及其預(yù)還原度來調(diào)節(jié)。SRV爐的富氧操作使用含O2≤95%的低純度氧氣，最高富氧率約為35%，要高于高爐生產(chǎn)通常3%-5%的富氧率。必要時(shí)，SRV爐也可以采取停止噴吹礦粉物料，只噴入少量煤并鼓入熱風(fēng)的方式停止冶煉過程進(jìn)行保溫操作。

按照生產(chǎn)操作的特點(diǎn)不同，SRV爐的生產(chǎn)狀態(tài)可劃分為“休風(fēng)”、“悶爐”、“正?！?、“故障”等四個(gè)狀態(tài)。SRV爐“休風(fēng)”與高爐類似，基本處于暫停生產(chǎn)的狀態(tài)。SRV爐在該狀態(tài)下時(shí)，熱風(fēng)爐不再給SRV爐送風(fēng)。SRV爐“悶爐”是SRV爐進(jìn)行爐內(nèi)保溫的操作狀態(tài)。在這一狀態(tài)下，熱風(fēng)爐送往SRV爐的風(fēng)量和風(fēng)溫都保持在低水平，且不進(jìn)行鼓風(fēng)富氧操作。SRV爐“正常”是SRV爐經(jīng)常性的生產(chǎn)狀態(tài)，這時(shí)，熱風(fēng)爐送風(fēng)的風(fēng)量、風(fēng)溫和摻混氧氣量等參數(shù)根據(jù)SRV爐對(duì)生產(chǎn)率的控制要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。SRV爐“故障”狀態(tài)顧名思義，該狀態(tài)下熱風(fēng)爐系統(tǒng)應(yīng)立即換爐至“悶爐”。

2 熱風(fēng)爐系統(tǒng)工藝配置

熱風(fēng)爐系統(tǒng)工藝設(shè)備配置與傳統(tǒng)熱風(fēng)爐基本相同，主要在燒爐的設(shè)備配置上針對(duì)SRV爐操作特點(diǎn)有所增減。

SRV爐的生產(chǎn)操作相比高爐要靈活，生產(chǎn)中會(huì)根據(jù)需求及物料、設(shè)備狀況隨時(shí)調(diào)整生產(chǎn)強(qiáng)度，使得SRV爐產(chǎn)出的煤氣具有煤氣量波動(dòng)大，煤氣熱值低的特點(diǎn)。為此，熱風(fēng)爐燒爐采用了兩套方案：混合煤氣（即SRV爐煤氣摻混天然氣）燒爐方案和純天然氣燒爐方案。因此，每座熱風(fēng)爐多設(shè)置有一組助燃空氣管路、一組天然氣燃燒器以及與之配套的天然氣燃燒閥。煙氣管道由兩套燒爐方案共用。從總管而來的天然氣至熱風(fēng)爐區(qū)域后，分為兩路：一路直接將天然氣送至每座熱風(fēng)爐的天然氣燃燒器;另一路則經(jīng)天然氣流量調(diào)節(jié)閥后，引入熱風(fēng)爐區(qū)域的SRV爐煤氣總管。

熱風(fēng)爐是否采用SRV爐煤氣燒爐取決于當(dāng)前SRV爐及配套系統(tǒng)的生產(chǎn)狀態(tài)。當(dāng)SRV爐狀態(tài)為“正常”且SRV爐煤氣量充足時(shí)，可采用SRV爐煤氣摻混天然氣進(jìn)行燒爐。摻混天然氣能顯著提升煤氣熱值，提高熱風(fēng)爐燒爐的升溫速率和拱頂溫度。天然氣摻混比例由控制程序依照實(shí)時(shí)檢測(cè)的SRV爐煤氣熱值自動(dòng)調(diào)節(jié)。不過，因天然氣的熱值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SRV爐煤氣熱值，為防止混合煤氣熱值過高對(duì)熱風(fēng)爐設(shè)備造成不利影響，控制程序自動(dòng)對(duì)摻混量進(jìn)行限制并在過量時(shí)發(fā)出報(bào)警。若SRV爐工藝條件不允許，則采用純天然氣燒爐方案。純天然氣燒爐方案所用的助燃空氣和天然氣的流量均為人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，不參與自動(dòng)控制。

3 熱風(fēng)爐PLC控制系統(tǒng)配置

熱風(fēng)爐系統(tǒng)設(shè)置有獨(dú)立的PLC。PLC系統(tǒng)采用Siemens S7-412H冗余熱備CPU，并設(shè)有7個(gè)ET200M遠(yuǎn)程I/O從站（RIO）。S7-400主CPU機(jī)架上安裝有供電模塊、CPU模塊和CP443-1以太網(wǎng)通訊模塊;其余I/O模塊全部配置在I/O從站上。I/O從站配置IM153-2接口模塊，通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)連接至PLC主站。

在PLC系統(tǒng)主站所在機(jī)柜中設(shè)有以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。交換機(jī)上配置有光纖接口，通過單模玻璃光纖連接至SRV爐主操作室的交換機(jī)上。此外，在熱風(fēng)爐PLC系統(tǒng)I/O從站上安裝了一臺(tái)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)耦合器（158-0AD01-0XA0），用于實(shí)現(xiàn)與SRV爐PLC系統(tǒng)之間Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)主站至主站的通訊[3]。與SRV爐控制系統(tǒng)之間的狀態(tài)交換信號(hào)和聯(lián)鎖控制信號(hào)都借助Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)完成。

熱風(fēng)爐HMI監(jiān)控設(shè)有三臺(tái)操作員站。其中兩臺(tái)操作員站放置在熱風(fēng)爐操作室，一臺(tái)操作員站放置在SRV爐主操作室。各操作員站用網(wǎng)線連接至以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上。PLC編程軟件使用SIEMENS的STEP 7 v5.5 SP3;操作員站選用單機(jī)授權(quán)的SIEMENS WinCC v7.0 SP2上位機(jī)監(jiān)控軟件。

4 熱風(fēng)爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制

4.1 熱風(fēng)爐的換爐控制

與高爐系統(tǒng)配套熱風(fēng)爐類似，熱風(fēng)爐系統(tǒng)的操作模式可劃分為“悶爐”、“煤氣燒爐”和“送風(fēng)”三種。另外，對(duì)應(yīng)于“純天然氣燒爐”燒爐方案，本熱風(fēng)爐系統(tǒng)還多出了一個(gè)“天然氣燒爐”操作模式。

熱風(fēng)爐系統(tǒng)換爐一般包括3種方式，即全自動(dòng)方式、半自動(dòng)方式和手動(dòng)方式。顧名思義，全自動(dòng)換爐方式根據(jù)預(yù)先在程序中設(shè)定的送風(fēng)時(shí)間、送風(fēng)溫度等條件自動(dòng)觸發(fā)，并由自動(dòng)程序控制實(shí)現(xiàn)換爐操作，無需人工干預(yù)。不過，全自動(dòng)換爐方式對(duì)SRV爐的操作和系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)也有比較高的要求。究其原因，主要是熱風(fēng)爐換爐過程中熱風(fēng)壓力和熱風(fēng)流量不穩(wěn)定的波動(dòng)造成的。換爐時(shí)，預(yù)送風(fēng)的熱風(fēng)爐必須先進(jìn)行充壓操作，這一過程中，部分冷風(fēng)分流至預(yù)送風(fēng)熱風(fēng)爐，導(dǎo)致風(fēng)量的迅速減少，進(jìn)而不可避免的會(huì)引起風(fēng)壓的波動(dòng)。風(fēng)壓、風(fēng)量的波動(dòng)勢(shì)必對(duì)SRV爐爐況和正常的生產(chǎn)操作造成不利影響。當(dāng)SRV爐況正好不順時(shí)，突然而至的熱風(fēng)爐換爐過程甚至?xí)斐蓢?yán)重后果。考慮到SRV爐的工藝操作還沒有完全成熟，處于試驗(yàn)和摸索階段，本系統(tǒng)在實(shí)踐中僅采用了半自動(dòng)甚至手動(dòng)方式換爐的操作畫面，但在控制程序中，仍預(yù)留了全自動(dòng)換爐的控制邏輯和接口。

當(dāng)某一熱風(fēng)爐具備換爐至送風(fēng)狀態(tài)的條件時(shí)，熱風(fēng)爐操作人員需先與SRV爐操作人員確認(rèn)，得到對(duì)方允許方能開始換爐操作;否則，預(yù)送風(fēng)熱風(fēng)爐應(yīng)維持在燒爐狀態(tài)做保溫操作，或轉(zhuǎn)至悶爐狀態(tài)。若悶爐期間拱頂溫度下降過多，熱風(fēng)爐還需重新進(jìn)行燒爐升溫操作。即使是采用半自動(dòng)方式換爐，也應(yīng)采取必要措施減少熱風(fēng)爐從悶爐轉(zhuǎn)至送風(fēng)過程中對(duì)風(fēng)溫和風(fēng)壓的擾動(dòng)。通常的充壓過程是首先打開充壓閥，并監(jiān)測(cè)充壓閥前后差壓（ΔP）變化。待充壓閥前后差壓（ΔP）下降至10kPa以下時(shí)，再依次打開熱風(fēng)閥和冷風(fēng)閥。一次性打開充壓閥的操作過程仍會(huì)對(duì)鼓風(fēng)風(fēng)壓和風(fēng)量造成沖擊，因而本熱風(fēng)爐系統(tǒng)在換爐過程中，應(yīng)用了步進(jìn)（或者稱為分步）充壓的方式?？刂七^程需利用到充壓閥閥體上設(shè)置的一個(gè)機(jī)械中間位。同時(shí)，在自動(dòng)控制程序中設(shè)置一個(gè)虛擬中間位，并添加定時(shí)開閥和停閥邏輯。充壓操作開始后，程序首先控制充壓閥開至機(jī)械中間位并停閥，待冷風(fēng)閥前后的壓差低于1#設(shè)定值時(shí)，繼續(xù)開至虛擬中間位并停閥，待冷風(fēng)閥前后壓差低于2#設(shè)定值時(shí)，將充壓閥全開。1#，2#設(shè)定值可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況在HMI畫面調(diào)整。充壓控制的流程如圖1所示：

熱風(fēng)爐“悶爐”與“煤氣燒爐”間的半自動(dòng)方式換爐過程與通常高爐配套熱風(fēng)爐的操作一致，本文不再贅述?！皭灎t”與“天然氣燒爐”間的換爐過程則全部由操作人員手動(dòng)操作完成。

4.2 熱風(fēng)爐的燒爐控制

熱風(fēng)爐的燒爐過程從本質(zhì)上說就是對(duì)蓄熱室的蓄熱過程。熱風(fēng)爐完整的燒爐自動(dòng)化控制包括煤氣流量控制、助燃空氣流量控制、空燃比控制、拱頂溫度控制和廢氣溫度控制，如圖2所示：

前文已述，SRV煤氣量和煤氣熱值在實(shí)際生產(chǎn)過程中均有較大波動(dòng)，對(duì)熱風(fēng)爐燒爐控制十分不利。為此，在燒爐控制策略上，本系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)的固定助燃空氣流量，由控制程序按照空燃比間接調(diào)整煤氣流量的方式。同時(shí)，用實(shí)際助燃空氣流量對(duì)煤氣流量PID控制器設(shè)定進(jìn)行限幅;用斜坡函數(shù)對(duì)煤氣流量PID控制器輸出進(jìn)行限幅。以上措施有效防止了煤氣流量階躍式的變化對(duì)燃燒過程穩(wěn)定性的影響和對(duì)安全生產(chǎn)的威脅。

整個(gè)燒爐過程可劃分為三個(gè)階段。在燒爐的第一個(gè)階段（燒爐初期），熱風(fēng)爐拱頂?shù)臏囟群艿?，煤氣燃燒的熱量大部分被拱頂?shù)男顭岵牧衔眨绊數(shù)臏囟妊杆偕仙?，蓄熱室中下部溫度則上升緩慢。在這一階段，操作人員根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)初始空燃比和助燃空氣流流量設(shè)定，以較大的煤氣量與助燃空氣量對(duì)拱頂進(jìn)行快速加熱，以期使拱頂溫度迅速上升至工藝操作的規(guī)定值。當(dāng)拱頂溫度上升到規(guī)定值附近后，就進(jìn)入了熱風(fēng)爐燒爐的第二個(gè)階段，即拱頂溫度管理期。這時(shí)，逐步增加空燃比，在維持助燃空氣流量基本不變的情況下，減小煤氣的流量以保持拱頂溫度維持在規(guī)定值基本不變。本階段的操作目的是要提高并穩(wěn)定廢氣的升溫速度。到第三階段也就是燒爐末期，熱風(fēng)爐的廢氣溫度已上升至設(shè)定值。在熱風(fēng)爐操作未下達(dá)換爐指令前，應(yīng)慢慢減少對(duì)熱風(fēng)爐的供熱量，以防止因拱頂或廢氣溫度超高對(duì)熱風(fēng)爐的服役壽命造成不利影響。這一階段的控制策略是同時(shí)降低空燃比和助燃空氣流量設(shè)定值，使助燃空氣和煤氣流量都維持在較低的水平。

應(yīng)用中，這套燒爐控制策略結(jié)合自動(dòng)程序的輔助控制顯示了對(duì)SRV爐煤氣波動(dòng)工況較好的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)爐燒爐的平穩(wěn)操作。

5 結(jié)語

（1）本熱風(fēng)爐系統(tǒng)與配套SRV爐于2016年投入使用。從幾年的運(yùn)行情況看，整體運(yùn)行穩(wěn)定可靠。（2）SRV爐作為新興的非高爐煉鐵技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景和價(jià)值。與之配套的熱風(fēng)爐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除借鑒傳統(tǒng)高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，還應(yīng)結(jié)合SRV爐自身操作特點(diǎn)，針對(duì)性地優(yōu)化自動(dòng)化系統(tǒng)和設(shè)備的配置，進(jìn)一步提升熱風(fēng)爐系統(tǒng)整體的自動(dòng)化水平和安全水平，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

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The Automation Control Practice of? the Hot Stove System Supporting a HISMELT Type SRV Furnace

WU Jing-wei

（WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited.， Wuhan? Hubei? 430223）

Abstract：The paper introduced the process & control system configuration， and control & operation strategies of a hot stove system supporting the HISMELT type SRV furnace， especially on the differences comparing with hot stove systems companied with traditional blast furnaces. A practical application is described to illustrate how the hot stove system works and cooperates with the SRV furnace in detail.

Key words：SRV furnace; HISMELT; hot stove