無擾動熱風(fēng)爐換爐技術(shù)的研究與開發(fā)

王志良，黃曉江，王廣偉，張洪嶺，張 楠

（1.天津市新天鋼聯(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)、穩(wěn)定的高溫?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(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)，以上過程需要在多個熱風(fēng)爐同時進(jìn)行。高爐生產(chǎn)過程中要求風(fēng)量和壓力都處于穩(wěn)定狀態(tài)，冷風(fēng)機(jī)將冷風(fēng)送到熱風(fēng)爐，冷風(fēng)在熱風(fēng)爐內(nèi)獲得熱量、溫度升高，一般進(jìn)入到高爐內(nèi)的熱風(fēng)溫度在1000～1300 ℃之間[1-3]。 國內(nèi)單座高爐配備的熱風(fēng)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(fēng)。

燒好的熱風(fēng)爐在向高爐送風(fēng)換爐前，首先要對其爐內(nèi)進(jìn)行沖壓操作，以平衡與高爐爐內(nèi)的壓差。熱風(fēng)爐傳統(tǒng)沖壓換爐過程中所需的風(fēng)量是來自正常送風(fēng)的冷風(fēng)管道，這樣會使得高爐在熱風(fēng)爐換爐期間實際進(jìn)風(fēng)量降低，造成爐溫、 爐壓的波動，崩料，出鐵不全[4，5]，尤其當(dāng)高爐滿載運(yùn)行，換爐帶來的波動將會更加明顯。 因此天鋼聯(lián)合特鋼在1080 m3高爐進(jìn)行了無擾動熱風(fēng)爐換爐技術(shù)的研究與開發(fā)，通過配送單獨(dú)壓縮空氣在熱風(fēng)爐換爐時進(jìn)行加壓操作，保證了熱風(fēng)爐的壓力穩(wěn)定，從而有利于高爐的穩(wěn)定順行，提高高爐產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[6，7]。

1 傳統(tǒng)熱風(fēng)爐換爐技術(shù)的特點(diǎn)和不足

1.1 傳統(tǒng)熱風(fēng)爐換爐操作

操作人員在進(jìn)行熱風(fēng)爐換風(fēng)操作時，需要先和高爐及燃?xì)庵鞴懿块T報備，各項手續(xù)完成之后方可進(jìn)行下一步操作。

（1）撤掉燃燒爐的操作步驟：關(guān)閉或者減小高爐煤氣的用量；降低助燃風(fēng)機(jī)的氣體流量；關(guān)掉煤氣調(diào)節(jié)開關(guān)和煤氣閘板；關(guān)掉助燃風(fēng)機(jī)的電源或者集中鼓風(fēng)爐的空氣調(diào)節(jié)開關(guān)；關(guān)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(fēng)的操作步驟：緩慢開啟冷風(fēng)口以控制熱風(fēng)和冷風(fēng)管道之間的壓力平衡；待爐內(nèi)充滿風(fēng)后依次開熱風(fēng)，冷風(fēng)和冷風(fēng)大閘閥門并平衡風(fēng)溫。

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

傳統(tǒng)的熱風(fēng)爐換爐技術(shù)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(fēng)量；換爐時控制風(fēng)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(xiàn)的風(fēng)溫波動[8]。

1.2 傳統(tǒng)的熱風(fēng)爐換爐存在的問題

（1） 熱風(fēng)爐換爐過程中會出現(xiàn)高爐風(fēng)壓波動，會使得風(fēng)量減小，爐內(nèi)壓力減小，造成爐料異常。

（2）換爐結(jié)束后，高爐壓力會出現(xiàn)上升情況，導(dǎo)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(dǎo)致出鐵不完全。

（4） 當(dāng)前雖然有采用風(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，仍存在約5 kPa左右風(fēng)壓波動，以及風(fēng)機(jī)高頻次模式轉(zhuǎn)換帶來的隱患問題[9，10]。

2 天鋼聯(lián)合特鋼無擾動換爐技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢

2.1 無擾動換爐系統(tǒng)及工作原理

2.1.1 無擾動換爐系統(tǒng)組成

無擾動換爐系統(tǒng)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(diào)節(jié)閥、液壓轉(zhuǎn)換管路、沖壓轉(zhuǎn)換控制箱。 零擾動換爐技術(shù)原理如1 所示，零擾動換爐設(shè)備實物如圖2 所示。

圖1 零擾動換爐技術(shù)原理圖

圖2 零擾動換爐設(shè)備實物圖

2.1.2 無擾動換爐技術(shù)原理

無擾動換爐技術(shù)是利用獨(dú)立的壓縮空氣管路在熱風(fēng)爐換爐時進(jìn)行沖壓操作，從而降低原冷風(fēng)沖壓對高爐造成的風(fēng)壓、風(fēng)量的波動。

2.1.3 無擾動換爐操作工藝

（1） 確認(rèn)壓縮空氣總管壓力大于0.6 MPa；熱風(fēng)爐現(xiàn)場沖壓液動球閥、 液壓管路控制閥門手動轉(zhuǎn)換到無擾換爐控制狀態(tài)； 關(guān)閉原冷風(fēng)系統(tǒng)沖壓液動球閥。

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

（3）換爐完畢后，等待下一換爐操作；當(dāng)該系統(tǒng)出現(xiàn)問題時可以隨時轉(zhuǎn)換到原冷風(fēng)沖壓模式，對高爐煉鐵生產(chǎn)不造成任何影響。

2.2 無擾動換爐技術(shù)優(yōu)勢

天鋼聯(lián)合特鋼無擾動換爐技術(shù)的特點(diǎn)及意義如表1 所示。

3 無擾動換爐技術(shù)實施效果

表1 天鋼聯(lián)合無擾動換爐技術(shù)的特點(diǎn)及意義

3.1 高爐爐內(nèi)情況變化

熱風(fēng)爐原冷風(fēng)沖壓換爐時，會出現(xiàn)高爐風(fēng)壓、風(fēng)量的波動，風(fēng)壓降低可達(dá)到12 kPa 以上，相應(yīng)入爐風(fēng)量減少約2400 m3。鼓風(fēng)動能的減少，爐內(nèi)氣流的變化，將影響高爐穩(wěn)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(fēng)過程，風(fēng)壓風(fēng)量平穩(wěn)，有利于高爐穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、降低燃料比等。 原冷風(fēng)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(fēng)沖壓時，風(fēng)量、風(fēng)壓曲線在換爐時出現(xiàn)了明顯的波動；而無擾動沖壓后，風(fēng)量、風(fēng)壓曲線在換爐時無明顯的波動。

圖3 原冷風(fēng)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(fēng)沖壓換爐，每次需要約2400 m3的冷風(fēng)，按現(xiàn)有高爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行費(fèi)用0.05 元/m3計算，每次沖壓約需費(fèi)用0.05 元/m3×2400 m3=120 元。 現(xiàn)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(fèi)用0.10 元/m3×2400 m3=240 元。 用壓縮空氣替代冷風(fēng)實施熱風(fēng)爐沖壓換爐，每次換爐費(fèi)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(fèi)用增加32×120=3840 元。

根據(jù)目前每消耗1100 m3風(fēng)產(chǎn)出1 t 鐵水的換算指標(biāo)計算，單高爐日可增加鐵水產(chǎn)量約70 t。 按最低每座高爐日增產(chǎn)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(chuàng)效益670 萬元以上。

4 結(jié)語

天鋼聯(lián)合特鋼通過采用壓縮空氣沖壓換爐方式，可實現(xiàn)真正意義上的無擾動換爐。 避免了每次熱風(fēng)爐換爐時，高爐的相對減風(fēng)過程；高爐風(fēng)壓風(fēng)量平穩(wěn)、波動幾乎為零；將冷風(fēng)沖壓對熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫度的影響降到最低，熱風(fēng)爐供風(fēng)溫度曲線較平滑，有效保障了高爐送風(fēng)的質(zhì)量。 達(dá)到了高爐穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、降低燃料消耗的預(yù)期目標(biāo)，綜合效益可觀。