郎洪安

（建龍阿鋼技術(shù)中心）

1  獨立換爐工藝簡介

1.1  熱風(fēng)爐充壓和換爐工藝

熱風(fēng)爐是為高爐生產(chǎn)提供不間斷熱風(fēng)的重要崗位，其工作制度、流程均與高爐生產(chǎn)過程緊密結(jié)合，兩者相互影響，又協(xié)同工作，是高爐冶煉生產(chǎn)過程中必不可少的一個重要環(huán)節(jié)。在正常生產(chǎn)過程中，3座熱風(fēng)爐交替工作，可以實現(xiàn)高爐的不間斷輸送熱風(fēng)要求。

每座熱風(fēng)爐的工作流程都是一致的，即“燃燒”->“悶爐A”->“送風(fēng)”->“悶爐B”->“燃燒”，周期性的循環(huán)進行各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，其中，“悶爐A”與“悶爐B”狀態(tài)，即熱風(fēng)爐在送風(fēng)、燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)換前，進行必不可少的充、排壓過程，同時，相關(guān)各閥門進行開關(guān)的配合，實現(xiàn)以上各種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。

由“送風(fēng)”狀態(tài)轉(zhuǎn)換為“燃燒”狀態(tài)的熱風(fēng)爐，前一個狀態(tài)為“送風(fēng)”，熱風(fēng)爐內(nèi)處于給高爐鼓風(fēng)的高壓狀態(tài)，后一個狀態(tài)為“燃燒”，熱風(fēng)爐燃燒是在常壓下進行的，所以，在“悶爐B”階段要完成從高壓到常壓的排壓操作，即廢風(fēng)通過排壓管道排放到煙道，達到常壓狀態(tài)；而由“燃燒”狀態(tài)轉(zhuǎn)換為“送風(fēng)”狀態(tài)時，爐內(nèi)要從常壓狀態(tài)轉(zhuǎn)換為鼓風(fēng)高壓狀態(tài)，因此，在“悶爐A”階段要完成充壓操作，充至爐內(nèi)壓力達到（或略高于）熱風(fēng)主管的鼓風(fēng)壓力，才能打開冷風(fēng)閥、熱風(fēng)閥，使熱風(fēng)爐轉(zhuǎn)入“送風(fēng)”狀態(tài)。

阿鋼現(xiàn)有高爐（1260m³）熱風(fēng)爐由3座頂燃式熱風(fēng)爐組成，采用“兩燒一送”的送風(fēng)模式進行工作，送風(fēng)周期等于換爐周期與燃燒周期之和，用來保證高爐生產(chǎn)的正常用風(fēng)，其各爐換爐工藝流程如圖表 1所示：

1. 2  常規(guī)冷風(fēng)均壓工藝

目前熱風(fēng)爐常用的充壓方法，是通過高爐風(fēng)機往熱風(fēng)爐內(nèi)輸入空氣來實現(xiàn)的，即從高爐冷風(fēng)管道引出一根充壓管，為熱風(fēng)爐進行充壓。當(dāng)高爐風(fēng)機以恒定風(fēng)量向高爐供風(fēng)時，某一座熱風(fēng)爐需要進行充壓，必然要從高爐風(fēng)機分流出一部分空氣，進而引起高爐入爐風(fēng)壓突然下降。

目前大多數(shù)鼓風(fēng)機都采用了在換爐期間“定壓送風(fēng)”技術(shù)（調(diào)整靜葉），但這會增加鼓風(fēng)機的能耗，鼓風(fēng)機需保留15%-20%的裕量；另外，根據(jù)實用效果，采用“定壓送風(fēng)”技術(shù)后，可以將鼓風(fēng)波動控制在5kPa-10kPa，仍然無法完全消除這種波動影響。

熱風(fēng)爐采用冷風(fēng)充壓時需采用慢充壓方式，可保護熱風(fēng)爐內(nèi)襯。目前使用比較普遍的是冷風(fēng)閥小閥充壓、旁通閥充壓等。無論是哪種充壓過程，都要嚴格控制充壓過程中開閥動作慢而穩(wěn)，以實現(xiàn)緩慢充壓，來減少入爐風(fēng)壓周期性較大波動，但這就會延長充壓時間，降低熱風(fēng)爐有效作業(yè)時間。即使這樣，在換爐時，因風(fēng)壓波動造成高爐爐況失穩(wěn)的現(xiàn)象仍然時有發(fā)生；并且，高爐運行的穩(wěn)定性也會影響熱風(fēng)爐的正常運行，熱風(fēng)爐經(jīng)常被迫改變正常的換爐制度以適應(yīng)高爐生產(chǎn)的需要，對熱風(fēng)爐的生產(chǎn)穩(wěn)定性帶來很大影響。

2  采用熱風(fēng)爐獨立換爐技術(shù)目標及工藝要求

2.1  工程目標

建龍阿鋼1260m³高爐高爐現(xiàn)配置3座大拱頂熱風(fēng)爐，現(xiàn)有熱風(fēng)爐運行存在以下問題：

（1）現(xiàn)有熱風(fēng)爐風(fēng)溫較低（最好水平~1180℃）；

（2）基于前述的常見均壓工藝中存在的問題，如鼓風(fēng)壓力波動、均壓時間長等；

（3）現(xiàn)有鼓風(fēng)機裕量達15%-20%用于“定壓充壓”，影響高爐提產(chǎn)；（4）現(xiàn)有熱風(fēng)爐存在煤氣用量較高等問題；

（5）在現(xiàn)有工作制度下，當(dāng)一座熱風(fēng)爐維修的時候，風(fēng)溫可能會急劇下降影響生產(chǎn)。

建龍阿鋼熱風(fēng)爐提溫降本/節(jié)能降耗技改升級項目，增加爐外均壓、獨立換爐技術(shù)（專利技術(shù)）和卡盧金全自動化操作系統(tǒng)，徹底解決現(xiàn)有熱風(fēng)爐上述問題，在高爐擴容的前提下（風(fēng)量從2800nm³/min提高到3000nm³/min）提升風(fēng)溫≥1200℃，釋放風(fēng)機能力（現(xiàn)有風(fēng)機利舊），消除熱風(fēng)爐充壓對高爐鼓風(fēng)的影響，同時實現(xiàn)大幅度降低煤氣消耗量、大幅度碳減排的目標。

2.2  獨立換爐系統(tǒng)基本組成

獨立換爐系統(tǒng)，也就是爐外均壓系統(tǒng)，即為熱風(fēng)爐設(shè)置一套獨立的充壓裝置：包括獨立的高壓氣罐，為高壓氣罐充壓（間歇式）的空壓機，高壓氣罐通過（帶有充壓閥組的）高壓充壓管道與每座熱風(fēng)爐帶充壓切斷閥的充壓進氣管道相連接，通過這個獨立的高壓充壓裝置為每座熱風(fēng)爐進行快速充壓操作。由于是完全獨立于高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)的充壓氣源，所以，在每次充壓時不會對高爐風(fēng)壓產(chǎn)生影響。另外，獨立換爐系統(tǒng)配置自動減壓閥門，采用“小壓差大流量”安全充壓，比通常的充壓過程所花費的時間要縮短很多，提高熱風(fēng)爐的有效作業(yè)時間。

2.2.1  高壓氣源方案

視廠內(nèi)氮氣富裕情況，可以使用富裕的氮氣作為“臨時”外部氣源，“臨時”外部氣源的主要問題包括：

a、氮氣充壓會影響產(chǎn)鐵量。用氮氣充壓熱風(fēng)爐轉(zhuǎn)送風(fēng)后，要先鼓入熱風(fēng)爐爐內(nèi)氮氣，此時會降低鼓風(fēng)氧含量，影響高爐產(chǎn)量；

b、會影響熱風(fēng)爐換熱能力。用于充壓進入熱風(fēng)爐的冷氮氣（比冷風(fēng)溫度低）會使熱風(fēng)爐的有效蓄熱量降低；

C、相比壓縮空氣充壓，用氮氣充壓經(jīng)濟性不好；

D、廠內(nèi)軋鋼工序逐步完善后，氮氣需求量增加，會影響熱風(fēng)爐充壓氣源穩(wěn)定性。

本方案提出的工藝方案是為現(xiàn)有高爐熱風(fēng)爐增加爐外均壓系統(tǒng)和全自動化系統(tǒng)，外均壓系統(tǒng)包括一座高壓氣罐、空壓機組、一套自動減壓閥組、充壓管道。

2.2.2  主要工藝要求

  各爐均有獨立的外均壓裝置管線并行聯(lián)到原冷風(fēng)均壓系統(tǒng)管線上，保證兩套均壓系統(tǒng)都能正常切換與工作。

  外均壓系統(tǒng)實現(xiàn)總管充壓壓力調(diào)節(jié)、總管充壓閥前后壓差調(diào)節(jié)，以及相關(guān)設(shè)備與檢測點的監(jiān)控，對充壓操作進行分支控制。

3  基本工藝流程圖和設(shè)備布置圖

本項目是針對建龍阿鋼現(xiàn)有高爐熱風(fēng)爐增加一套獨立換爐系統(tǒng)（包括控制系統(tǒng)），根據(jù)上述工藝要求，工藝系統(tǒng)包括：增加三臺空壓機（二工一備，相比“一工一備”更經(jīng)濟），一座高壓儲氣罐（球罐或立式筒體），增加配置減壓閥組并連接到各熱風(fēng)爐的充壓管線，包括一根充壓總管線，為每座熱風(fēng)爐增加一根外均壓管線，包括手動切斷閥、氣動切斷閥、氣/電動調(diào)節(jié)閥、壓力、流量、溫度等檢控設(shè)備；同時，在主控室增加以上設(shè)備的上位監(jiān)控界面，實現(xiàn)設(shè)備的遠程集中實時控制功能，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。外均壓系統(tǒng)工藝流程圖見圖表 3。

圖表 3 工藝流程圖

  圖表3 外均壓系統(tǒng)工藝流程圖

外均壓系統(tǒng)工藝設(shè)備布置圖見圖表 4。

圖表4 爐外均壓系統(tǒng)工藝流程圖

4  熱風(fēng)爐工藝系統(tǒng)工藝設(shè)計

4.1  獨立換爐系統(tǒng)基本組成

獨立換爐系統(tǒng)，也就是爐外均壓系統(tǒng)（專利技術(shù)），即為熱風(fēng)爐設(shè)置一套獨立的充壓裝置：包括獨立的高壓氣罐，為高壓氣罐充壓（間歇式）的空壓機，高壓氣罐通過帶有充壓閥組的高壓充壓管道與每座熱風(fēng)爐帶充壓切斷閥的充壓進氣管道相連接，通過這個獨立的高壓充壓裝置為每座熱風(fēng)爐進行快速充壓操作。由于是完全獨立于高爐供風(fēng)系統(tǒng)的充壓氣源，所以，在每次充壓時不會對高爐風(fēng)壓產(chǎn)生影響。另外，由于該獨立充壓裝置為高壓設(shè)備，配置自動減壓閥門，可以實現(xiàn)“小壓差大流量”安全充壓，比通常的充壓過程所花費的時間要縮短很多，提高熱風(fēng)爐的有效作業(yè)時間。

建龍阿鋼高爐熱風(fēng)爐組由3座熱風(fēng)爐組成，在送風(fēng)過程中，熱風(fēng)爐組每間隔40-45min換爐一次，這就意味著外部高壓氣罐每間隔30min向爐內(nèi)充壓一次。

設(shè)定充壓時間為t，均壓管道直徑D；當(dāng)D越大時，充壓流量越大、充壓時間越短。在確定充壓時間（t）時要綜合考慮管道流速、換爐工藝時間等因素。

建龍阿鋼熱風(fēng)爐工藝參數(shù)為：設(shè)計熱風(fēng)溫度為≥1200℃，在燃燒完成后爐底的廢氣室溫度最高為450℃，拱頂溫度1320℃。

實際充入氣體的體積為:

                                 （8）

建龍阿鋼高爐“大拱頂”熱風(fēng)爐空腔內(nèi)容積V=1200m³，充壓后爐內(nèi)溫度按照溫度梯度分布取值：

P₂=4.2x10² kPa,

P₀=1.013x10² kPa,

M=28 g/mol,

ρ=1.25kg/m³,

R=8.314J/molK。

計算式（8）可得Vc=1020 m³，即為充滿一座熱風(fēng)爐所需標況下的空氣體積。

4.2  儲氣罐容積和空氣壓縮機的選型

以充入爐內(nèi)的氣體體積Vc為基本條件，來計算壓力罐容積V1與儲氣罐壓力P1的變化關(guān)系，進而為儲氣罐選型。

根據(jù)公式：

其中：t1為儲氣罐工作設(shè)計溫度，選取空氣壓縮機出口溫度50℃；

P1、P2分別為儲氣罐給熱風(fēng)爐充壓前后壓力：為了保證氣體的導(dǎo)入速度，縮短導(dǎo)入時間，P2選用0.42Mpa；M為空氣的摩爾質(zhì)量；

綜合考慮以上因素，本次系統(tǒng)設(shè)計采用P₁=1.0 MPa，罐體實際容積V₁取360m³。

為提升風(fēng)溫，適當(dāng)縮短熱風(fēng)爐送風(fēng)時長，換爐最短間隔時間可為30 min，則空壓機充滿儲氣罐的時間取t=30 min。

空壓機排量Q=Vc/t=34 m³/min。

取Q=46 m³/min，

因此，擬選用50 nm³/min，壓縮機型式為：噴油螺桿空壓機，出口壓力1,0MPa。

4.3  熱風(fēng)爐充壓過程控制

（1）熱風(fēng)爐充壓的方式，采用“分級降壓、分段充壓”的方式，所謂分級降壓，即通過閥門組的結(jié)構(gòu)，分兩級將高壓空氣的壓力降低到與冷風(fēng)壓力接近的水平；所謂分段充壓，是指優(yōu)化的充壓模式，即前期采用小的流量充壓、中后期則采用恒壓、恒定流量的充壓方式。

4.4  獨立換爐（爐外均壓）控制系統(tǒng)

4.4.1  主要配置及控制方式

現(xiàn)場增加三臺空壓機、一個高壓儲氣罐、各類閥門及一次檢測設(shè)備、管線等，空壓機和儲氣罐為獨立控制系統(tǒng)。系統(tǒng)工作前提條件為兩臺空壓機正常工作、儲氣罐充壓壓力低于1.0MPa才可以啟動系統(tǒng)，正常工作時，一臺空壓機獨立工作超過規(guī)定時間，系統(tǒng)關(guān)閉，轉(zhuǎn)為原充壓系統(tǒng)進行充壓并報警。

系統(tǒng)設(shè)置手動切斷閥無遠程控制功能，由人工現(xiàn)場操作控制，其開關(guān)狀態(tài)信號由系統(tǒng)自動采集，參與連鎖控制并在監(jiān)控界面顯示。

設(shè)置氣動切斷閥，采用遠程控制功能，可從監(jiān)控界面輸出控制信號或是由系統(tǒng)自動控制來實現(xiàn)，開關(guān)狀態(tài)由系統(tǒng)自動采集并顯示。

設(shè)置氣動調(diào)節(jié)閥，采用遠程控制功能，可從監(jiān)控界面輸出控制信號或是由系統(tǒng)自動控制來實現(xiàn)，閥狀態(tài)由系統(tǒng)自動采集并顯示。為氣動閥安裝電源供電柜以提供工作電源，為系統(tǒng)安裝模塊柜用于增加控制模塊，為新增氣動閥安裝氣源管線。

本系統(tǒng)下位增加手動與自動連鎖控制程序、上位增加監(jiān)控界面程序，以實現(xiàn)遠程集中控制功能。

4.4.2  控制網(wǎng)絡(luò)

完全利用現(xiàn)場原熱風(fēng)爐系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：下位PLC控制層網(wǎng)絡(luò)采用冗余ControlNet網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對一級設(shè)備的監(jiān)控與通訊。上位服務(wù)器則配合工業(yè)級以太網(wǎng)交換機與PLC構(gòu)成上位以太網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)具有100 兆通訊速率：即對每個具有IP 地址的設(shè)備，均有100 兆的通訊速率；信息傳輸是全雙工方式，收發(fā)同時進行；工業(yè)級的以太網(wǎng)具有高可靠性，高安全性；具有的冗余網(wǎng)絡(luò)功能，當(dāng)某一個網(wǎng)絡(luò)斷開，使得該網(wǎng)絡(luò)不能正常工作，系統(tǒng)會自動沿著另一網(wǎng)絡(luò)正常進行通訊，從而保障工業(yè)控制的可靠性與穩(wěn)定性。 

5  熱風(fēng)爐全自動化控制系統(tǒng)

5.1  卡盧金熱風(fēng)爐組自動化控制系統(tǒng)概述

熱風(fēng)爐工藝流程自動化控制系統(tǒng)用于自動化控制燒爐和送風(fēng)過程，包括：監(jiān)測、調(diào)節(jié)工作參數(shù)，基本工作制度下機械設(shè)備、部件和成套機組操作直觀化，為實現(xiàn)熱風(fēng)爐組的設(shè)計功能保駕護航。

卡盧金熱風(fēng)爐機組自動化系統(tǒng)由操作控制系統(tǒng)(KSS Process Control System)、儀表檢測系統(tǒng)(Instrumentation)和驅(qū)動系統(tǒng)(MCC)組成，保證對熱風(fēng)生產(chǎn)工藝進行全面檢測和控制。

卡盧金熱風(fēng)爐操作控制系統(tǒng)實施一級自動化控制，采用2個控制等級：監(jiān)控級和調(diào)度管理級。檢測儀表(Instrumentation)和驅(qū)動系統(tǒng)控制柜 (MCC)構(gòu)成了基礎(chǔ)自動化控制現(xiàn)場自動化(Field Level Automation)。

卡盧金熱風(fēng)爐1級控制系統(tǒng)( KSS Level1 System)保證熱風(fēng)爐工藝全部必要的功能、監(jiān)控操作過程要求的全部參數(shù)、工藝聯(lián)鎖與安全生產(chǎn)、操控轉(zhuǎn)換順序，包括故障和事故狀態(tài)信號。系統(tǒng)為操作人員提供調(diào)度控制工藝過程的方便工具，生成報告和實時文件。

6  項目實施過程及效果

該項目于2022年10月份開始施工，12月中旬進入調(diào)試階段，此時顯示高爐換爐波動小，風(fēng)溫提高到1200℃；

建龍阿鋼1260m³高爐熱風(fēng)爐外均壓和智控節(jié)能系統(tǒng)技術(shù)改造

建龍阿鋼現(xiàn)有熱風(fēng)爐（1260m³高爐）采用這項技術(shù)進行技改一年多來，換爐時間從原來的15~16分鐘縮短到5~6分鐘，節(jié)省10分鐘時間用于燒爐，風(fēng)溫從1180℃提高到1230℃，在風(fēng)量~2850nm³/min下的日消耗煤氣約190萬m³（節(jié)約煤氣8.5~10%），這些直接來自熱風(fēng)爐的節(jié)能效益在抵銷增加的運行成本后，仍然可在2年內(nèi)回收工藝設(shè)備投資，節(jié)能效益遠超現(xiàn)有的各種自動燒爐技術(shù)。因此我們可以說：熱風(fēng)爐全自動化、智能化技術(shù)是帶動“非鼓風(fēng)充壓”技術(shù)從消耗項目轉(zhuǎn)為節(jié)能收益項目的鑰匙。

而且高爐入爐風(fēng)量從2800m³/min最大增加到2960m³/min,高爐鼓風(fēng)機釋放出來的風(fēng)量增產(chǎn)效果明顯。2023年度完成鐵水產(chǎn)量133.77萬噸，鐵水月平均日產(chǎn)由3758噸逐步提高至4205噸，最高日產(chǎn)4444.609噸；平均風(fēng)溫達到1220℃，煤比達到165kg/t，均達到歷史最好水平。