李長武，張文政
（天津市新天鋼聯合特鋼有限公司，天津301500）
[摘 要] 熱風爐是一種為高爐生產提供連續高溫風的裝置。為了保證持續的高風溫，熱風爐需要在燃燒和供風之間連續切換，但傳統的熱風爐換爐工藝容易造成高爐送風壓力、流量出現波動。本文分析了天鋼聯合特鋼的熱風爐冷風充壓換爐操作對高爐生產造成的不利影響，介紹了一種新的熱風充壓爐換爐工藝。通過實施獨立氣源進行熱風爐充壓換爐、優化送風制度以及升級熱風爐控制系統軟件等措施，在高爐入爐原燃料結構不變的基礎上，實現了提高風溫、富氧率、噴煤量及降低熱風爐換爐波動的目的。
[關鍵詞] 熱風爐；換爐工藝；充壓；高風溫；送風制度
0 引言
熱風爐是高爐煉鐵工藝中的關鍵設施，其主要作用是不間斷的向高爐提供溫度盡可能高的熱風。為了能向高爐提供工況穩定的熱風，每座高爐需要有三至四座熱風爐配合送風，我國中小高爐一般配備三座熱風爐，可保證至少有一座熱風爐處于送風期。熱風爐交替并聯送風就需要進行換爐操作，換爐過程一個關鍵操作是將按要求燒熱好的熱風爐由燒爐狀態轉為送風狀態。燒好的熱風爐向高爐送風需要與高爐平衡壓力，因此熱風爐送風前首先要對其爐內進行沖壓操作。傳統的熱風爐換爐工藝有定風量換爐和定風壓換爐，但兩種換爐工藝沖壓所需的風都是來自同一高爐送風系統，前者會減少熱風爐換爐期間的高爐實際進風量，后者也存在調節滯后和風機頻繁動作的問題。
為了消除熱風爐換爐期間高爐送風壓力、流量出現波動現象，天鋼聯合特鋼研發了一種全新的熱風爐充壓換爐工藝，其主要特點是充壓過程對高爐送風狀況無干擾。本文介紹了天鋼聯合特鋼研發的熱風爐獨立充壓爐換爐工藝，對新換爐工藝試驗過程及實驗結果進行了分析總結。
1 熱風爐現狀及存在問題
天鋼聯合特鋼煉鐵廠每座高爐設有 3 座熱風爐，高爐生產過程中需要不斷更換熱風爐進行燃燒期和送風期的操作。以前熱風爐換爐采用冷風沖壓方式，熱風爐沖壓換爐的冷風是來高爐鼓風系統的冷風管道，這樣會造成高爐在熱風爐換爐期間的供風壓力和流量出現波動，換爐期間高爐的鼓風動能有所降低，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波動的時候，熱風爐換爐波動對高爐爐況恢復會造成負面影響，有時為了更快恢復爐況，被動降低換爐次數，影響了熱風爐的輸出風溫。
2 熱風爐換爐工藝分類及特點
熱風爐生產操作是通過切換各種閥門的工作狀態來實現的，通常稱為換爐。換爐操作由兩個步驟完成，一是熱風爐由燃燒狀態轉為送風狀態，二是由送風狀態轉為燃燒狀態。熱風爐由燃燒狀態轉為送風狀態是要進行充壓操作，以使熱風爐壓力與高爐壓力趨于平衡。目前有兩種充壓工藝，即定風量換爐和定風壓換爐。
2.1 定風量換爐工藝
一般熱風爐換爐常采用定風量方式，即原風機風量固定，高爐熱風爐充壓換爐采取冷風調節閥控制進入熱風爐的風量，用閥門的開度大小控制高爐風量和風壓的波動大小，由于源頭風量固定，但原本進入一座熱風爐的風量在充壓時分供兩座，因此會造成高爐出現減風現象，而風機不能自動補償充壓換爐過程中損失的風量，最終造成大量的風量損失。
2.2 定風壓換爐工藝
為解決熱風爐換爐與高爐穩定生產相互制約的問題，煉鐵研究者曾提出熱風爐定壓換爐操作技術。在實現熱風爐定風壓換爐過程中，根據高爐進風量的變化，高爐控制系統及時將風量變化數據反饋給風機控制系統，使高爐風機按照反饋情況自動補償風壓和風量。這種操作相當于熱風爐換爐的過程，高爐風機變頻自動進行加風，以保持高爐風量和風壓相對穩定。這種換爐工藝要求高爐配備的風機要適當大些，具備加風條件，從而減少了熱風爐換爐過程對高爐風量、風壓的影響，但該種換爐技術也存在調節響應滯后和風機頻繁動作的問題。
3 熱風爐獨立充壓系統的研發
熱風爐換爐技術發展已經有幾十年的歷史，傳統熱風爐換爐工藝均采用同一介質系統同時進行熱風爐的送風和均壓操作，不可避免地將造成換爐過程中高爐爐況的波動。天鋼聯合特鋼研發了一種全新的熱風爐充壓換爐工藝，將熱風爐的送風和均壓系統的介質分開，采用獨立的壓縮空氣系統作為熱風爐充壓換爐的氣源，以減少熱風爐送風和均壓的相互干擾。
3.1 熱風爐獨立充壓系統工藝設計
為了滿足生產的發展需要，經過分析和研究，確定在高爐熱風爐區域增設壓縮空氣氣源，利用壓縮空氣來實現熱風爐充壓換爐操作，從而避免冷風沖壓造成的高爐送風壓力的波動，保證高爐風量和風壓的穩定，實現高爐爐況穩定順行。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；每座高爐設置 DN125mm 壓縮空氣分支管線，分支管線設手動截止球閥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爐，每座熱風爐設置手動截止閥、電動調節閥、液動充壓閥、氣動快切閥各一個；經計算在每座高爐新建的壓縮空氣支管上設置2個150m3 緩沖儲氣罐[1]；新增充壓裝置液壓系統與原有充壓裝置液壓系統公用。圖 1 為熱風爐獨立充壓換爐系統示意圖，圖中：1- 熱風爐，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-調節閥，10-電控裝置。
3.2熱風爐獨立充壓系統控制參數設計
利用壓縮空氣總網作為氣源對熱風爐進行獨立充壓操作時，必須考慮總網內部氣體壓力的波動情況，保障熱風爐在充壓換爐的過程中，總網壓力不發生波動。因此對新的充壓換爐系統工藝參數進行了計算，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、管道規格選擇、氣體充壓加熱后膨脹倍數等等，以期實現新型充壓換爐體系正常運行。熱風爐新型充壓換爐工藝控制標準及基本參數如表 1所示。
3.3 熱風爐充壓系統工藝保障設計
（1）熱風爐新型充壓換爐控制系統是在原熱風爐換爐控制系統的基礎上，按照新的功能要求改造而來改造，新換爐系統增設了氣動快切閥門、自動充壓等自動控制功能。若在利用壓縮空氣對熱風爐進行充壓的操作過程中出現異常，液動充壓球閥不能完全關閉或存在泄漏問題時，可迅速點擊緊急切斷按鈕，關閉氣動快切球閥，待問題處理好后，再解除緊急按鈕，恢復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備裝置如圖 2 和 3所示。
（2）新型獨立氣源充壓換爐液壓控制系統利用原有冷風充壓閥門的液壓管路，進行了分支改造，利用原液壓系統并聯控制了新型充壓換爐工藝管道上的充壓閥門。原有冷風充壓閥門和新型換爐系統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互為備用。當壓縮空氣充壓換爐系統出現異常和故障時，液壓充壓閥門會自動轉換，壓縮空氣充壓系統自動轉換至原冷風充壓系統。新老兩套充壓裝置作為互備系統，降低了因換爐充壓系統故障而影響高爐生產的風險，這為高爐順行、穩產、高產創造了有利條件，兩套互備系統切換僅需 1～2min，系統切換對熱風爐供風影響幾乎可以忽略不計。
3.4 熱風爐獨立充壓系統智能控制設計
天鋼聯合特鋼利用熱風爐壓縮空氣沖壓換爐技術改造時機，對熱風爐充壓換爐控制系統進行了升級改造，采用了熱風爐智能沖壓換爐控制和新、老沖壓系統智能互保控制等技術，提高了熱風爐沖壓換爐過程的安全性和可靠性。通過流量計和調節閥連鎖，可根據壓縮空氣外網壓力智能調節充壓系統壓縮空氣流量，以減少對壓縮空氣外網壓力的影響；當外網壓縮空氣壓力低于規定值或熱風爐充壓過高時，系統設置的氣動快切閥自動切斷充壓系統與壓縮空氣外網的連接，以減少壓縮空氣管網壓力的波動；根據高爐熱風實際供風壓力智能控制熱風爐充壓壓力，確保系統不過沖。
4 熱風爐獨立充壓換爐試驗及效果
4.1 熱風爐獨立充壓換爐試驗
2020 年在天鋼聯合特鋼 1 號高爐進行了熱風爐獨立充壓換爐工藝的生產試驗，實驗初期設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。根據生產現狀計算，當三座高爐交替使用并存在同時換爐的情況時，極有可能造成外網壓縮空氣壓力過低。經過反復推敲、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，此設定即不影響管網壓力，又能保證三座高爐熱風爐交替換爐。
4.2 熱風爐獨立充壓換爐試驗效果
壓縮空氣沖壓換爐技術的實施，使 1號高爐熱風爐供風質量出現了較大改善，為高爐操作的后續調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實施后，熱風爐熱風溫波動較于之前明顯縮小，熱風爐換爐過程中高爐供風壓力波動降到 1kPa以內；風溫由 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；而風量從由改造前的 2765m3 /min 上升至由改造后的2851m3 /min；因熱風品質和量的提高，目前1號高爐平均單日增產生鐵66.78噸左右 [2]。
5 結語
天鋼聯合特鋼通過采用壓縮空氣沖壓換爐替換原冷風沖壓換爐工藝，避免了熱風爐換爐過程對高爐送風質量的影響，換爐過程中高爐的送風壓力和流量幾乎沒有波動；同時也降到了冷風沖壓對熱風爐供風溫度的不利影響，熱風爐供風溫度曲線比較均勻，有效保障了高爐的供風質量。獨立充壓換爐系統投運后，熱風爐換爐過程中的高爐送風壓力波動降低至1kPa以內，高爐風溫上升了 34℃，風量上升了 86m3 /min，富氧率提高至4.95%，噴煤量提高了約17kg/t，高爐平均日產增加了 66.78t 左右。實現了高爐增產、降耗的預期目標，極大提升企業的經濟效益和市場競爭力。
參考文獻
[1] 闞永海，商振才，張建良，高爽，劉征建，康健 . 天鋼聯合特鋼 降低熱風爐換爐波動爐技術應用實踐[J].天津冶金，2020（6）： 1-3.
[2] 任玉明，黃曉江，張建良，韓陶然，王振陽，周新富 .熱風爐換爐智能操控系統的開發[J].天津冶金，2020（6）：63-65.