符政學,劉力銘,劉力源,艾水生

(河南省豫興熱風爐工程技術有限公司,河南鄭州450008)

摘要:對熱風爐無波動換爐技術優(yōu)勢及應用效果進行了闡述。針對熱風爐傳統換爐方式存在的弊端,提出了一種熱風爐無波動換爐技術,采用獨立的供風系統,由空壓機供風對熱風爐進行充壓。熱風爐無波動換爐技術除了不會引起風壓波動外,還具有可避免風口倒灌、可實現全自動換爐、可提高風溫、可提高生鐵產量,可降低投資等技術優(yōu)勢。采用無波動換爐技術后,熱風爐換爐時間縮短、風溫提高,以呂梁建龍1800m高爐為例,熱風爐換爐時間從18min縮短到5min,風溫從1170℃提高到1210℃,改造投資額為350萬元,回收期僅4個月。

關鍵詞:高爐;熱風爐;充壓;風壓波動;換爐時間

目前,國內高爐配套的熱風爐絕大部分都是用鼓風機的風進行充壓。在實際操作中,熱風爐充壓造成風壓突然降低及高爐操作參數波動,影響爐況的穩(wěn)定,不僅會導致高爐能耗增加、產量下降,還會降低風溫和熱風爐的使用壽命。

為此,針對熱風爐傳統換爐方式存在的弊端,提出了一種熱風爐無波動換爐技術,采用獨立的供風系統,由空壓機供風對熱風爐進行充壓。生產實踐表明,熱風爐無波動換爐技術不會引起風壓波動,有利于穩(wěn)定高爐爐況、增加產量、提升風溫、提高熱風爐壽命。

1 傳統換爐方式

1.1 換爐現狀

熱風爐是為高爐提供持續(xù)、穩(wěn)定高風溫的關鍵設備1。熱風爐常用的配置及運行方式主要有3種:一是配置兩座熱風爐,實施一燒一送;二是配置三座熱風爐,實施兩燒一送;三是,配置四座熱風爐，實施兩燒兩送。熱風爐由燒爐轉為送風,必然有一個換爐環(huán)節(jié)。換爐前,熱風爐內是低壓,而熱風主管、冷風管道內則是高壓。冷風閥、熱風閥靠熱風爐側為低壓,靠近熱風主管、冷風管道側為高壓,冷風閥、熱風閥兩側壓力相差幾十倍而無法打開。因此，必須對熱風爐進行充壓,使熱風爐和冷熱風管道壓力相等,才能打開冷風閥、熱風閥進行換爐。

熱風爐傳統換爐用鼓風機的風進行充壓,當打開充壓閥(均壓閥)時,由于分流了部分冷風,且熱風爐容積較大,風壓突然降低,會造成風量、透氣性指數、爐頂壓力等參數波動[2]。我國部分高爐熱風爐換爐主要參數見表1,其中滄州中鐵1、2、3號高爐,山西建龍6號高爐,呂梁建龍1號高爐,當滿負荷生產時,充壓3min的風壓波動值都在60kPa以上,因而爐況很難保持穩(wěn)定。

為了減小熱風爐換爐充壓時的波動,通行的做法是將高爐鼓風機預留15%~25%的風量。如縱橫豐南1、2、3、4號高爐,滄州中鐵4號高爐,山西通才1號高爐,山西建龍1、5號高爐,熱風爐充壓3~5 min,風壓波動值能控制在5kPa以內。

圖1 高爐5帶示意圖

如果無法更換高爐鼓風機,也可減小充壓閥開度,以限流充壓的方式避免風壓波動過大。如滄州中鐵1、2、3號高爐,充壓13min,風壓波動值在8~17kPa;山西通才2號高爐充壓15min,呂梁建龍1號高爐充壓 14min,風壓波動在10kPa 左右。

1.2 存在的弊端

(1)影響高爐爐況。高爐生產時,軟熔帶對冶煉過程最為關鍵,是決定爐況穩(wěn)定順行、高產低耗的關鍵部位[3-4]。如果不采用任何技術措施,在滿負荷生產條件下對熱風爐進行充壓,風壓波動值在60kPa以上,會破壞高爐的軟熔帶,必須經過一段時間運行,才能重新形成穩(wěn)定的軟熔帶[5]。如此一來,必然會增加高爐的燃料消耗、降低產量。

(2)增加用電成本。以縱橫豐南1號高爐為例,正常風量為5 250 m3/min,預留 13% 為6000m/min,風壓440kPa，鼓風機配套電機38000kW,60min換一次爐,且鼓風機配有變頻器(理論上可節(jié)電40%)。則每小時鼓風機電機浪費的電量為38000x0.13x0.6=2964kW·h,而生產中變頻器節(jié)電40%很難達到,實際浪費的電量超過3000kW·h。即便如此,縱橫豐南1號高爐在充壓3 min時,風壓降低26kPa,仍然會對爐況產生較大的影響。如果要降低這種影響,需要進一步增加預留風量,浪費的電量會更多。

(3)減少燒爐時間。熱風爐換爐采用限流充壓,雖然能減小風壓波動,但會延長充壓時間,縮短有效燒爐時間,不但對風溫影響較大,還會降低熱風

爐的使用效率。

(4)換爐操作受限。由于高爐生產過程中要求風量和風壓處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),傳統熱風爐的換爐操作受到嚴格控制,操作前必須得到主控室認可。并且,換爐操作需按照既定程序,根據每次換爐時的具體情況準確控制閥門開度,包括調節(jié)風機靜葉開度、調節(jié)充壓閥開度、觀察熱風爐內壓力變化、控制充壓時間、開關冷熱風閥門等多個步驟。

(5)容易造成設備故障。一方面,熱風爐充壓時,鼓風機負荷提升,會對機械及電氣系統造成沖擊,容易造成電網波動;另一方面,熱風爐換爐操作中,需頻繁調整靜葉和防喘閥,容易造成靜葉磨損和防喘閥損壞。此外,在出鐵前進行熱風爐換爐,有可能造成風口倒灌事故。

2 無波動換爐技術

2.1工藝流程

針對熱風爐傳統換爐方式存在的弊端,河南豫興提出一種熱風爐無波動換爐技術[6],采用獨立的供風系統,由高壓氣罐、空壓機、調壓閥組及相關管道閥門組成。熱風爐換爐充壓不用鼓風機的風，而是由空壓機供風,對熱風爐進行充壓,充壓介質還是壓縮空氣。改造時,熱風爐原工藝及管道可不做調整,只需將壓縮空氣管連接在冷風支管上(冷風閥與熱風爐之間),在管道上增加1個液動閥或氣動閥,即可滿足充壓要求。

圖2  熱風爐無波動換爐安裝原理圖

熱風爐無波動換爐工藝流程如圖1所示。灰色為無波動換爐新增的管道和設備,空壓機12、貯氣罐與冷風支管相連,在空壓機12與2號貯氣罐之間有進氣閥1,貯氣罐上有安全閥2和排污閥3,在貯氣罐與冷風支管之間有減壓閥4、流量計5和充壓閥8;冷風管道上的冷風閥10和旁通的充壓閥9不動;在熱風爐與冷風閥之間的冷風支管上設有壓力傳感器6。

改用熱風爐無波動換爐技術后,傳統換爐方式(鼓風機充壓)仍可保留作為備用。即當1號熱風爐燒完爐需換爐,其冷風閥 10 、原均壓閥9為關閉狀態(tài),打開充壓閥8向1號熱風爐向1號熱風爐充壓。

2.2 操作步驟

無波動換爐的操作步驟如下:

①將貯氣罐安全閥壓力調整為1.3MPa,調整貯氣罐出口減壓閥后的壓力,比冷風壓力高0.05 MPa。

②空壓機連續(xù)工作,對兩個貯氣罐進行充壓,當貯氣罐壓力達到1.3MPa時,具備充壓條件。

③充壓前,進氣閥1、安全閥2、減壓閥4是常開狀態(tài),充壓閥8保持關閉狀態(tài)。

④當熱風爐需要充壓時,打開氣動或液動充壓閥,用貯氣罐中的壓縮空氣進行充壓,充壓期間空壓機保持工作。即當1號熱風爐燒完爐準備換爐時，其冷風閥10 為關閉狀態(tài),由于閥門兩側壓力相差大而打不開,此時原均壓閥9 關閉,打開壓縮空氣管上的充壓閥8,向1號熱風爐充壓。

⑤當熱風爐內壓力與冷風壓力相等時,停止充壓,關閉氣動或液動充壓閥,熱風爐進行相關操作。

⑥熱風爐充壓后,貯氣罐壓力降低,空壓機繼續(xù)工作,準備下一次充壓。

2.3 技術優(yōu)勢

熱風爐無波動換爐技術除了不會引起風壓波動外,還具有以下優(yōu)勢:

(1)可避免風口倒灌。熱風爐換爐采用鼓風機充壓會引起風壓突然降低,如果鐵水罐未到位,在高爐快出鐵時換爐,風壓突然降低會引起風口倒灌[7]。因此,目前的熱風爐換爐必須受高爐主控室控制。采用無波動換爐技術后,熱風爐換爐不會引起風壓突然降低,從而可避免風口倒灌事故的發(fā)生。

(2)可實現全自動換爐。采用熱風爐無波動換爐不會引起風壓波動,混風調節(jié)閥和風量調節(jié)閥可由高爐主控室直接控制。熱風爐可采用定時或定溫全自動換爐,全自動操作保證按時換爐,以實現熱風溫度的穩(wěn)定。比如:高爐要求風溫1250℃,熱風爐拱頂溫度燒到1350℃開始送風,混風閥自動開大以保證風溫,在送風過程中混風閥自動關小,當混風閥關閉且無法滿足風溫時,進行自動換爐,確保送風后期的風溫,不會出現延時換爐的情況。無波動換爐有利于穩(wěn)定熱風溫度,延長熱風爐的壽命。

(3)可提高風溫。對于滿負荷生產的高爐,熱風爐傳統換爐需要13 ~15min充壓,占用了熱風爐的燒爐時間,降低了其蓄熱能力,采用無波動換爐技術可增加燒爐時間,提高送風溫度。

(4)可提高生鐵產量。采用熱風爐無波動換爐技術后,高爐穩(wěn)定順行,有利于提產降耗。對于已建成的高爐,如果已經滿負荷運行,熱風爐采用熱風爐無波動換爐技術,可將充壓的富余風量用于煉鐵,風量與熱風爐的大小、數量有關,一般可增產0.3%~0.5%。對于富余15%~25%風量的高爐,產量可提高很多。

(5)可降低投資。對于新建高爐,采用熱風爐無波動換爐技術,鼓風機不用考慮富余風量,其設備投資在扣除空壓機費用后,可減少投資10%以上。以縱橫豐南1號高爐為例,原鼓風機裝機容量為38000kW,若采用熱風爐無波動換爐技術,裝機容量僅需 33250+400=33650kW,加上變頻器等配套設備,至少可節(jié)約投資11%。

3 應用案例
 

以呂梁建龍1800m高爐為例,配套的3座熱風爐采用“兩燒一送”運行方式,單爐送風時間45min，熱風爐換爐使用高爐冷風進行充壓,為降低充壓時對風壓的影響(<10kPa),減小充壓閥開度,充壓時間 14min,換爐時間約18min。極大地縮短了熱風爐的蓄熱時間,導致熱風爐不能發(fā)揮最佳狀態(tài),嚴重制約了高爐節(jié)能降耗。采用熱風爐無波動換爐技術后,換爐時間從18min 縮短到5min,風溫從1170℃提高到1210℃,高爐運行數據曲線的波動明顯減少(見圖2),生鐵質量得到明顯提高[8]。

無波動換爐系統使用前高爐運行數據曲線               無波動換爐系統使用后高爐運行數據曲線

圖4 無波動換爐系統使用前后高爐運行數據曲線圖

呂梁建龍1800m高爐采用熱風爐無波動換爐技術后,每年新增利潤計算如下。

一是,延長了熱風爐的燒爐時間,可提高風溫20℃,降低焦比05%,以焦比520kg/t計算,焦比降低2.6 kg/t;以日產量4500t/d計算,可節(jié)焦11.7t/d,年節(jié)焦4095t/a,按焦炭價格2500元/t,每年節(jié)約焦炭價格1023.75萬元。

二是,用壓縮空氣代替冷風充壓,相當于增大了風量，可增加日產量44 t/d,可增加產鐵量15400t/a,生鐵利潤按150元/t,每年可增加利潤

231萬無。

三是,利用壓縮空氣進行充壓,每次充壓需要壓縮空氣1600m,壓縮空氣成本為0.1元/m。熱風爐每次充壓成本為160元,每40min換一次爐,每年壓縮空氣花費201.6萬元。

綜上所述,每年利潤合計為1023.75+231-201.6=1053.15萬元。而熱風爐無波動換爐技術改造投資額為350萬元(空壓站利舊),回收期僅4個月。

4 參考文獻

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[3] 劉云彩.現代高爐操作.北京：冶金工業(yè)出版社，2016:79-108

[4] 楊志榮,王紅斌,淺談操作爐型在高爐生產穩(wěn)定運行中的作用[J].煉鐵,2012,31(3):1-5.

[5] 傅世敏.高爐過程氣體動力學[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1990:113-152

[6]馬茜,呂艷玲,劉力銘,等.一種熱風爐無波動換爐高效轉換裝置及控制方法:中國專利,ZL 202110862040.7[P].2021-10-29.

[7]鄧新民.馬鋼2500m高爐爐況失常的處理[J].煉鐵，2002,21(4):41-42.

[8]夏杰生.熱風爐無波動換爐技術前程似錦[N].中國冶金報,2023-07-20(05版).