郎洪安

（建龍阿鋼技術中心）

1  獨立換爐工藝簡介

1.1  熱風爐充壓和換爐工藝

熱風爐是為高爐生產提供不間斷熱風的重要崗位，其工作制度、流程均與高爐生產過程緊密結合，兩者相互影響，又協同工作，是高爐冶煉生產過程中必不可少的一個重要環節。在正常生產過程中，3座熱風爐交替工作，可以實現高爐的不間斷輸送熱風要求。

每座熱風爐的工作流程都是一致的，即“燃燒”->“悶爐A”->“送風”->“悶爐B”->“燃燒”，周期性的循環進行各狀態之間的轉換，其中，“悶爐A”與“悶爐B”狀態，即熱風爐在送風、燃燒狀態轉換前，進行必不可少的充、排壓過程，同時，相關各閥門進行開關的配合，實現以上各種狀態之間的轉換過程。

由“送風”狀態轉換為“燃燒”狀態的熱風爐，前一個狀態為“送風”，熱風爐內處于給高爐鼓風的高壓狀態，后一個狀態為“燃燒”，熱風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，即廢風通過排壓管道排放到煙道，達到常壓狀態；而由“燃燒”狀態轉換為“送風”狀態時，爐內要從常壓狀態轉換為鼓風高壓狀態，因此，在“悶爐A”階段要完成充壓操作，充至爐內壓力達到（或略高于）熱風主管的鼓風壓力，才能打開冷風閥、熱風閥，使熱風爐轉入“送風”狀態。

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

1. 2  常規冷風均壓工藝

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

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

熱風爐采用冷風充壓時需采用慢充壓方式，可保護熱風爐內襯。目前使用比較普遍的是冷風閥小閥充壓、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，以實現緩慢充壓，來減少入爐風壓周期性較大波動，但這就會延長充壓時間，降低熱風爐有效作業時間。即使這樣，在換爐時，因風壓波動造成高爐爐況失穩的現象仍然時有發生；并且，高爐運行的穩定性也會影響熱風爐的正常運行，熱風爐經常被迫改變正常的換爐制度以適應高爐生產的需要，對熱風爐的生產穩定性帶來很大影響。

2  采用熱風爐獨立換爐技術目標及工藝要求

2.1  工程目標

建龍阿鋼1260m³高爐高爐現配置3座大拱頂熱風爐，現有熱風爐運行存在以下問題：

（1）現有熱風爐風溫較低（最好水平~1180℃）；

（2）基于前述的常見均壓工藝中存在的問題，如鼓風壓力波動、均壓時間長等；

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

（5）在現有工作制度下，當一座熱風爐維修的時候，風溫可能會急劇下降影響生產。

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

2.2  獨立換爐系統基本組成

獨立換爐系統，也就是爐外均壓系統，即為熱風爐設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爐進行快速充壓操作。由于是完全獨立于高爐鼓風系統的充壓氣源，所以，在每次充壓時不會對高爐風壓產生影響。另外，獨立換爐系統配置自動減壓閥門，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，提高熱風爐的有效作業時間。

2.2.1  高壓氣源方案

視廠內氮氣富裕情況，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、氮氣充壓會影響產鐵量。用氮氣充壓熱風爐轉送風后，要先鼓入熱風爐爐內氮氣，此時會降低鼓風氧含量，影響高爐產量；

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

C、相比壓縮空氣充壓，用氮氣充壓經濟性不好；

D、廠內軋鋼工序逐步完善后，氮氣需求量增加，會影響熱風爐充壓氣源穩定性。

本方案提出的工藝方案是為現有高爐熱風爐增加爐外均壓系統和全自動化系統，外均壓系統包括一座高壓氣罐、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到原冷風均壓系統管線上，保證兩套均壓系統都能正常切換與工作。

  外均壓系統實現總管充壓壓力調節、總管充壓閥前后壓差調節，以及相關設備與檢測點的監控，對充壓操作進行分支控制。

3  基本工藝流程圖和設備布置圖

本項目是針對建龍阿鋼現有高爐熱風爐增加一套獨立換爐系統（包括控制系統），根據上述工藝要求，工藝系統包括：增加三臺空壓機（二工一備，相比“一工一備”更經濟），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爐的充壓管線，包括一根充壓總管線，為每座熱風爐增加一根外均壓管線，包括手動切斷閥、氣動切斷閥、氣/電動調節閥、壓力、流量、溫度等檢控設備；同時，在主控室增加以上設備的上位監控界面，實現設備的遠程集中實時控制功能，提高系統的安全性和穩定性。外均壓系統工藝流程圖見圖表 3。

圖表 3 工藝流程圖

  圖表3 外均壓系統工藝流程圖

外均壓系統工藝設備布置圖見圖表 4。

圖表4 爐外均壓系統工藝流程圖

4  熱風爐工藝系統工藝設計

4.1  獨立換爐系統基本組成

獨立換爐系統，也就是爐外均壓系統（專利技術），即為熱風爐設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爐進行快速充壓操作。由于是完全獨立于高爐供風系統的充壓氣源，所以，在每次充壓時不會對高爐風壓產生影響。另外，由于該獨立充壓裝置為高壓設備，配置自動減壓閥門，可以實現“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，提高熱風爐的有效作業時間。

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

設定充壓時間為t，均壓管道直徑D；當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。

建龍阿鋼熱風爐工藝參數為：設計熱風溫度為≥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”熱風爐空腔內容積V=1200m³，充壓后爐內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的變化關系，進而為儲氣罐選型。

根據公式：

其中：t1為儲氣罐工作設計溫度，選取空氣壓縮機出口溫度50℃；

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

綜合考慮以上因素，本次系統設計采用P₁=1.0 MPa，罐體實際容積V₁取360m³。

為提升風溫，適當縮短熱風爐送風時長，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  熱風爐充壓過程控制

（1）熱風爐充壓的方式，采用“分級降壓、分段充壓”的方式，所謂分級降壓，即通過閥門組的結構，分兩級將高壓空氣的壓力降低到與冷風壓力接近的水平；所謂分段充壓，是指優化的充壓模式，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

4.4.1  主要配置及控制方式

現場增加三臺空壓機、一個高壓儲氣罐、各類閥門及一次檢測設備、管線等，空壓機和儲氣罐為獨立控制系統。系統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，正常工作時，一臺空壓機獨立工作超過規定時間，系統關閉，轉為原充壓系統進行充壓并報警。

系統設置手動切斷閥無遠程控制功能，由人工現場操作控制，其開關狀態信號由系統自動采集，參與連鎖控制并在監控界面顯示。

設置氣動切斷閥，采用遠程控制功能，可從監控界面輸出控制信號或是由系統自動控制來實現，開關狀態由系統自動采集并顯示。

設置氣動調節閥，采用遠程控制功能，可從監控界面輸出控制信號或是由系統自動控制來實現，閥狀態由系統自動采集并顯示。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。

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

4.4.2  控制網絡

完全利用現場原熱風爐系統網絡：下位PLC控制層網絡采用冗余ControlNet網絡，實現對一級設備的監控與通訊。上位服務器則配合工業級以太網交換機與PLC構成上位以太網。該網絡具有100 兆通訊速率：即對每個具有IP 地址的設備，均有100 兆的通訊速率；信息傳輸是全雙工方式，收發同時進行；工業級的以太網具有高可靠性，高安全性；具有的冗余網絡功能，當某一個網絡斷開，使得該網絡不能正常工作，系統會自動沿著另一網絡正常進行通訊，從而保障工業控制的可靠性與穩定性。 

5  熱風爐全自動化控制系統

5.1  卡盧金熱風爐組自動化控制系統概述

熱風爐工藝流程自動化控制系統用于自動化控制燒爐和送風過程，包括：監測、調節工作參數，基本工作制度下機械設備、部件和成套機組操作直觀化，為實現熱風爐組的設計功能保駕護航。

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

卡盧金熱風爐操作控制系統實施一級自動化控制，采用2個控制等級：監控級和調度管理級。檢測儀表(Instrumentation)和驅動系統控制柜 (MCC)構成了基礎自動化控制現場自動化(Field Level Automation)。

卡盧金熱風爐1級控制系統( KSS Level1 System)保證熱風爐工藝全部必要的功能、監控操作過程要求的全部參數、工藝聯鎖與安全生產、操控轉換順序，包括故障和事故狀態信號。系統為操作人員提供調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月中旬進入調試階段，此時顯示高爐換爐波動小，風溫提高到1200℃；

建龍阿鋼1260m³高爐熱風爐外均壓和智控節能系統技術改造

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

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