降低熱風(fēng)爐換爐波動的生產(chǎn)實踐

李長武，張文政

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

0 引言

熱風(fēng)爐是高爐煉鐵工藝中的關(guān)鍵設(shè)施，其主要作用是不間斷的向高爐提供溫度盡可能高的熱風(fēng)。為了能向高爐提供工況穩(wěn)定的熱風(fēng)，每座高爐需要有三至四座熱風(fēng)爐配合送風(fēng)，我國中小高爐一般配備三座熱風(fēng)爐，可保證至少有一座熱風(fēng)爐處于送風(fēng)期。熱風(fēng)爐交替并聯(lián)送風(fēng)就需要進行換爐操作，換爐過程一個關(guān)鍵操作是將按要求燒熱好的熱風(fēng)爐由燒爐狀態(tài)轉(zhuǎn)為送風(fēng)狀態(tài)。燒好的熱風(fēng)爐向高爐送風(fēng)需要與高爐平衡壓力，因此熱風(fēng)爐送風(fēng)前首先要對其爐內(nèi)進行沖壓操作。傳統(tǒng)的熱風(fēng)爐換爐工藝有定風(fēng)量換爐和定風(fēng)壓換爐，但兩種換爐工藝沖壓所需的風(fēng)都是來自同一高爐送風(fēng)系統(tǒng)，前者會減少熱風(fēng)爐換爐期間的高爐實際進風(fēng)量，后者也存在調(diào)節(jié)滯后和風(fēng)機頻繁動作的問題。

為了消除熱風(fēng)爐換爐期間高爐送風(fēng)壓力、流量出現(xiàn)波動現(xiàn)象，天鋼聯(lián)合特鋼研發(fā)了一種全新的熱風(fēng)爐充壓換爐工藝，其主要特點是充壓過程對高爐送風(fēng)狀況無干擾。本文介紹了天鋼聯(lián)合特鋼研發(fā)的熱風(fēng)爐獨立充壓爐換爐工藝，對新?lián)Q爐工藝試驗過程及實驗結(jié)果進行了分析總結(jié)。

1 熱風(fēng)爐現(xiàn)狀及存在問題

天鋼聯(lián)合特鋼煉鐵廠每座高爐設(shè)有3 座熱風(fēng)爐，高爐生產(chǎn)過程中需要不斷更換熱風(fēng)爐進行燃燒期和送風(fēng)期的操作。以前熱風(fēng)爐換爐采用冷風(fēng)沖壓方式，熱風(fēng)爐沖壓換爐的冷風(fēng)是來高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)的冷風(fēng)管道，這樣會造成高爐在熱風(fēng)爐換爐期間的供風(fēng)壓力和流量出現(xiàn)波動，換爐期間高爐的鼓風(fēng)動能有所降低，每天每座高爐換爐約32 次左右，對高爐操作帶來了較大影響，特別是高爐爐況出現(xiàn)波動的時候，熱風(fēng)爐換爐波動對高爐爐況恢復(fù)會造成負面影響，有時為了更快恢復(fù)爐況，被動降低換爐次數(shù)，影響了熱風(fēng)爐的輸出風(fēng)溫。

2 熱風(fēng)爐換爐工藝分類及特點

熱風(fēng)爐生產(chǎn)操作是通過切換各種閥門的工作狀態(tài)來實現(xiàn)的，通常稱為換爐。換爐操作由兩個步驟完成，一是熱風(fēng)爐由燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)為送風(fēng)狀態(tài)，二是由送風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為燃燒狀態(tài)。熱風(fēng)爐由燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)為送風(fēng)狀態(tài)是要進行充壓操作，以使熱風(fēng)爐壓力與高爐壓力趨于平衡。目前有兩種充壓工藝，即定風(fēng)量換爐和定風(fēng)壓換爐。

2.1 定風(fēng)量換爐工藝

一般熱風(fēng)爐換爐常采用定風(fēng)量方式，即原風(fēng)機風(fēng)量固定，高爐熱風(fēng)爐充壓換爐采取冷風(fēng)調(diào)節(jié)閥控制進入熱風(fēng)爐的風(fēng)量，用閥門的開度大小控制高爐風(fēng)量和風(fēng)壓的波動大小，由于源頭風(fēng)量固定，但原本進入一座熱風(fēng)爐的風(fēng)量在充壓時分供兩座，因此會造成高爐出現(xiàn)減風(fēng)現(xiàn)象，而風(fēng)機不能自動補償充壓換爐過程中損失的風(fēng)量，最終造成大量的風(fēng)量損失。

2.2 定風(fēng)壓換爐工藝

為解決熱風(fēng)爐換爐與高爐穩(wěn)定生產(chǎn)相互制約的問題，煉鐵研究者曾提出熱風(fēng)爐定壓換爐操作技術(shù)。在實現(xiàn)熱風(fēng)爐定風(fēng)壓換爐過程中，根據(jù)高爐進風(fēng)量的變化，高爐控制系統(tǒng)及時將風(fēng)量變化數(shù)據(jù)反饋給風(fēng)機控制系統(tǒng)，使高爐風(fēng)機按照反饋情況自動補償風(fēng)壓和風(fēng)量。這種操作相當于熱風(fēng)爐換爐的過程，高爐風(fēng)機變頻自動進行加風(fēng)，以保持高爐風(fēng)量和風(fēng)壓相對穩(wěn)定。這種換爐工藝要求高爐配備的風(fēng)機要適當大些，具備加風(fēng)條件，從而減少了熱風(fēng)爐換爐過程對高爐風(fēng)量、風(fēng)壓的影響，但該種換爐技術(shù)也存在調(diào)節(jié)響應(yīng)滯后和風(fēng)機頻繁動作的問題。

3 熱風(fēng)爐獨立充壓系統(tǒng)的研發(fā)

熱風(fēng)爐換爐技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有幾十年的歷史，傳統(tǒng)熱風(fēng)爐換爐工藝均采用同一介質(zhì)系統(tǒng)同時進行熱風(fēng)爐的送風(fēng)和均壓操作，不可避免地將造成換爐過程中高爐爐況的波動。天鋼聯(lián)合特鋼研發(fā)了一種全新的熱風(fēng)爐充壓換爐工藝，將熱風(fēng)爐的送風(fēng)和均壓系統(tǒng)的介質(zhì)分開，采用獨立的壓縮空氣系統(tǒng)作為熱風(fēng)爐充壓換爐的氣源，以減少熱風(fēng)爐送風(fēng)和均壓的相互干擾。

3.1 熱風(fēng)爐獨立充壓系統(tǒng)工藝設(shè)計

為了滿足生產(chǎn)的發(fā)展需要，經(jīng)過分析和研究，確定在高爐熱風(fēng)爐區(qū)域增設(shè)壓縮空氣氣源，利用壓縮空氣來實現(xiàn)熱風(fēng)爐充壓換爐操作，從而避免冷風(fēng)沖壓造成的高爐送風(fēng)壓力的波動，保證高爐風(fēng)量和風(fēng)壓的穩(wěn)定，實現(xiàn)高爐爐況穩(wěn)定順行。項目新建了DN150mm 壓縮空氣管道作為三座高爐充壓換爐的總氣源；每座高爐設(shè)置DN125mm 壓縮空氣分支管線，分支管線設(shè)手動截止球閥1 個，氣動快切球閥1個；新壓縮空氣分支管線分別連接三座熱風(fēng)爐，每座熱風(fēng)爐設(shè)置手動截止閥、電動調(diào)節(jié)閥、液動充壓閥、氣動快切閥各一個；經(jīng)計算在每座高爐新建的壓縮空氣支管上設(shè)置2 個150m3緩沖儲氣罐[1]；新增充壓裝置液壓系統(tǒng)與原有充壓裝置液壓系統(tǒng)公用。圖1 為熱風(fēng)爐獨立充壓換爐系統(tǒng)示意圖，圖中：1-熱風(fēng)爐，2-儲氣罐，3-新建壓縮空氣輸送管道，4-輸送支路，5-流量計，6-截止閥，7-快切閥，8-充壓閥，9-調(diào)節(jié)閥，10-電控裝置。

圖1 熱風(fēng)爐獨立充壓換爐系統(tǒng)示意圖

3.2 熱風(fēng)爐獨立充壓系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)計

利用壓縮空氣總網(wǎng)作為氣源對熱風(fēng)爐進行獨立充壓操作時，必須考慮總網(wǎng)內(nèi)部氣體壓力的波動情況，保障熱風(fēng)爐在充壓換爐的過程中，總網(wǎng)壓力不發(fā)生波動。因此對新的充壓換爐系統(tǒng)工藝參數(shù)進行了計算，尤其對充壓緩沖裝置的選擇進行了理論計算，其他還包括了充壓氣體流量、管道規(guī)格選擇、氣體充壓加熱后膨脹倍數(shù)等等，以期實現(xiàn)新型充壓換爐體系正常運行。熱風(fēng)爐新型充壓換爐工藝控制標準及基本參數(shù)如表1所示。

表1 熱風(fēng)爐新型充壓換爐工藝控制標準及基本參數(shù)

3.3 熱風(fēng)爐充壓系統(tǒng)工藝保障設(shè)計

（1）熱風(fēng)爐新型充壓換爐控制系統(tǒng)是在原熱風(fēng)爐換爐控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，按照新的功能要求改造而來改造，新?lián)Q爐系統(tǒng)增設(shè)了氣動快切閥門、自動充壓等自動控制功能。若在利用壓縮空氣對熱風(fēng)爐進行充壓的操作過程中出現(xiàn)異常，液動充壓球閥不能完全關(guān)閉或存在泄漏問題時，可迅速點擊緊急切斷按鈕，關(guān)閉氣動快切球閥，待問題處理好后，再解除緊急按鈕，恢復(fù)正常新型獨立氣源充壓換爐操作。氣動快切閥及液動充壓閥門設(shè)備裝置如圖2和3所示。

圖2 截止閥與氣動快切閥門裝置圖

（2）新型獨立氣源充壓換爐液壓控制系統(tǒng)利用原有冷風(fēng)充壓閥門的液壓管路，進行了分支改造，利用原液壓系統(tǒng)并聯(lián)控制了新型充壓換爐工藝管道上的充壓閥門。原有冷風(fēng)充壓閥門和新型換爐系統(tǒng)充壓閥門可獨立控制，并可做到有選擇性啟閉，可使兩套充壓換爐系統(tǒng)互為備用。當壓縮空氣充壓換爐系統(tǒng)出現(xiàn)異常和故障時，液壓充壓閥門會自動轉(zhuǎn)換，壓縮空氣充壓系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換至原冷風(fēng)充壓系統(tǒng)。新老兩套充壓裝置作為互備系統(tǒng)，降低了因換爐充壓系統(tǒng)故障而影響高爐生產(chǎn)的風(fēng)險，這為高爐順行、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件，兩套互備系統(tǒng)切換僅需1～2min，系統(tǒng)切換對熱風(fēng)爐供風(fēng)影響幾乎可以忽略不計。

圖3 液動充壓閥及調(diào)節(jié)閥門裝置圖

3.4 熱風(fēng)爐獨立充壓系統(tǒng)智能控制設(shè)計

天鋼聯(lián)合特鋼利用熱風(fēng)爐壓縮空氣沖壓換爐技術(shù)改造時機，對熱風(fēng)爐充壓換爐控制系統(tǒng)進行了升級改造，采用了熱風(fēng)爐智能沖壓換爐控制和新、老沖壓系統(tǒng)智能互?？刂频燃夹g(shù)，提高了熱風(fēng)爐沖壓換爐過程的安全性和可靠性。通過流量計和調(diào)節(jié)閥連鎖，可根據(jù)壓縮空氣外網(wǎng)壓力智能調(diào)節(jié)充壓系統(tǒng)壓縮空氣流量，以減少對壓縮空氣外網(wǎng)壓力的影響；當外網(wǎng)壓縮空氣壓力低于規(guī)定值或熱風(fēng)爐充壓過高時，系統(tǒng)設(shè)置的氣動快切閥自動切斷充壓系統(tǒng)與壓縮空氣外網(wǎng)的連接，以減少壓縮空氣管網(wǎng)壓力的波動；根據(jù)高爐熱風(fēng)實際供風(fēng)壓力智能控制熱風(fēng)爐充壓壓力，確保系統(tǒng)不過沖。

4 熱風(fēng)爐獨立充壓換爐試驗及效果

4.1 熱風(fēng)爐獨立充壓換爐試驗

2020 年在天鋼聯(lián)合特鋼1 號高爐進行了熱風(fēng)爐獨立充壓換爐工藝的生產(chǎn)試驗，實驗初期設(shè)定的換爐充壓時間為15min，此時壓縮空氣氣最大流量為8000m3/h，壓縮空氣壓力由0.65MPa 降低到0.57MPa。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)狀計算，當三座高爐交替使用并存在同時換爐的情況時，極有可能造成外網(wǎng)壓縮空氣壓力過低。經(jīng)過反復(fù)推敲、試壓及計算，選擇充壓流量約為10000m3/h，將充壓時間縮短到12分鐘以下，此時壓縮空氣壓力波動為0.65～0.55MPa，此設(shè)定即不影響管網(wǎng)壓力，又能保證三座高爐熱風(fēng)爐交替換爐。

4.2 熱風(fēng)爐獨立充壓換爐試驗效果

壓縮空氣沖壓換爐技術(shù)的實施，使1 號高爐熱風(fēng)爐供風(fēng)質(zhì)量出現(xiàn)了較大改善，為高爐操作的后續(xù)調(diào)整提供有力有利的條件。2020 年1 月到2020 年9 月壓縮空氣沖壓換爐技術(shù)實施后，熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫波動較于之前明顯縮小，熱風(fēng)爐換爐過程中高爐供風(fēng)壓力波動降到1kPa 以內(nèi)；風(fēng)溫由2019 年12 月改造前的1152℃上升至2020 年9 月的1186℃；富氧率提高至4.95%；煤比提高至147.14kg/t，提高約17kg/t；而風(fēng)量從由改造前的2765m3/min 上升至由改造后的2851m3/min；因熱風(fēng)品質(zhì)和量的提高，目前1號高爐平均單日增產(chǎn)生鐵66.78噸左右[2]。

5 結(jié)語

天鋼聯(lián)合特鋼通過采用壓縮空氣沖壓換爐替換原冷風(fēng)沖壓換爐工藝，避免了熱風(fēng)爐換爐過程對高爐送風(fēng)質(zhì)量的影響，換爐過程中高爐的送風(fēng)壓力和流量幾乎沒有波動；同時也降到了冷風(fēng)沖壓對熱風(fēng)爐供風(fēng)溫度的不利影響，熱風(fēng)爐供風(fēng)溫度曲線比較均勻，有效保障了高爐的供風(fēng)質(zhì)量。

獨立充壓換爐系統(tǒng)投運后，熱風(fēng)爐換爐過程中的高爐送風(fēng)壓力波動降低至1kPa 以內(nèi)，高爐風(fēng)溫上升了34℃，風(fēng)量上升了86m3/min，富氧率提高至4.95%，噴煤量提高了約17kg/t，高爐平均日產(chǎn)增加了66.78t 左右。實現(xiàn)了高爐增產(chǎn)、降耗的預(yù)期目標，極大提升企業(yè)的經(jīng)濟效益和市場競爭力。