无扰动热风炉换炉技术的研究与开发

王志良，黄晓江，王广伟，张洪岭，张 楠

（1.天津市新天钢联合特钢有限公司，天津301500；2.北京科技大学，北京100083）

0 引言

热风炉作为一种热交换设备，目的是为高炉冶炼提供持续、稳定的高温热风。 目前被广泛采用的是蓄热式热风炉，其工作过程包括：高炉煤气燃烧放热、蓄热室格子砖蓄热、蓄热室格子砖对冷风加热并为高炉送风。 为保证高炉能够获得持续、稳定的热风，以上过程需要在多个热风炉同时进行。高炉生产过程中要求风量和压力都处于稳定状态，冷风机将冷风送到热风炉，冷风在热风炉内获得热量、温度升高，一般进入到高炉内的热风温度在1000～1300 ℃之间[1-3]。 国内单座高炉配备的热风炉为3 或4 座，工作时有两个炉子燃烧蓄热，另外一个或两个来送风。

烧好的热风炉在向高炉送风换炉前，首先要对其炉内进行冲压操作，以平衡与高炉炉内的压差。热风炉传统冲压换炉过程中所需的风量是来自正常送风的冷风管道，这样会使得高炉在热风炉换炉期间实际进风量降低，造成炉温、 炉压的波动，崩料，出铁不全[4，5]，尤其当高炉满载运行，换炉带来的波动将会更加明显。 因此天钢联合特钢在1080 m3高炉进行了无扰动热风炉换炉技术的研究与开发，通过配送单独压缩空气在热风炉换炉时进行加压操作，保证了热风炉的压力稳定，从而有利于高炉的稳定顺行，提高高炉产量和经济效益[6，7]。

1 传统热风炉换炉技术的特点和不足

1.1 传统热风炉换炉操作

操作人员在进行热风炉换风操作时，需要先和高炉及燃气主管部门报备，各项手续完成之后方可进行下一步操作。

（1）撤掉燃烧炉的操作步骤：关闭或者减小高炉煤气的用量；降低助燃风机的气体流量；关掉煤气调节开关和煤气闸板；关掉助燃风机的电源或者集中鼓风炉的空气调节开关；关掉燃烧闸板并开启煤气安全放散阀门。

（2）撤掉燃烧炉之后，开始送风的操作步骤：缓慢开启冷风口以控制热风和冷风管道之间的压力平衡；待炉内充满风后依次开热风，冷风和冷风大闸阀门并平衡风温。

（3）停止送风，再次进行点火烧炉的操作步骤：依次关闭冷风阀门和小门，热风阀门，然后开启废风控制阀排出废风，以调节炉子和管道之间的压差；再开启烟气管道阀并关闭废风控制阀；之后开空气阀进气并打开燃烧闸板和煤气闸板。

传统的热风炉换炉技术主要遵循的原则：换炉时尽量减小造成的波动，提高换炉速度从而降低跑风量；换炉时控制风压的波动，一般来说，大高炉波动低于20 kPa，小高炉波动低于10 kPa；控制换炉过程中可能出现的风温波动[8]。

1.2 传统的热风炉换炉存在的问题

（1） 热风炉换炉过程中会出现高炉风压波动，会使得风量减小，炉内压力减小，造成炉料异常。

（2）换炉结束后，高炉压力会出现上升情况，导致气流不通畅，压差增大，这时会造成局部崩料或者滑料。

（3）若换炉时正处于高炉出铁，可能会引起铁口提前喷出铁水花，导致出铁不完全。

（4） 当前虽然有采用风机恒压鼓风换炉模式，但也存在风压、风量调节的滞后性，仍存在约5 kPa左右风压波动，以及风机高频次模式转换带来的隐患问题[9，10]。

2 天钢联合特钢无扰动换炉技术特点及优势

2.1 无扰动换炉系统及工作原理

2.1.1 无扰动换炉系统组成

无扰动换炉系统包括：压空气储罐、冲压管路、气动快切阀、液动冲压控制球阀、手动冲压调节阀、液压转换管路、冲压转换控制箱。 零扰动换炉技术原理如1 所示，零扰动换炉设备实物如图2 所示。

图1 零扰动换炉技术原理图

图2 零扰动换炉设备实物图

2.1.2 无扰动换炉技术原理

无扰动换炉技术是利用独立的压缩空气管路在热风炉换炉时进行冲压操作，从而降低原冷风冲压对高炉造成的风压、风量的波动。

2.1.3 无扰动换炉操作工艺

（1） 确认压缩空气总管压力大于0.6 MPa；热风炉现场冲压液动球阀、 液压管路控制阀门手动转换到无扰换炉控制状态； 关闭原冷风系统冲压液动球阀。

（2）机旁电控箱选择转换到无扰换炉状态；PLC操作界面选择无扰换炉模式并点击操作画面，打开支管气动球阀；PLC 按原自动换炉程序进行自动换炉操作。

（3）换炉完毕后，等待下一换炉操作；当该系统出现问题时可以随时转换到原冷风冲压模式，对高炉炼铁生产不造成任何影响。

2.2 无扰动换炉技术优势

天钢联合特钢无扰动换炉技术的特点及意义如表1 所示。

3 无扰动换炉技术实施效果

表1 天钢联合无扰动换炉技术的特点及意义

3.1 高炉炉内情况变化

热风炉原冷风冲压换炉时，会出现高炉风压、风量的波动，风压降低可达到12 kPa 以上，相应入炉风量减少约2400 m3。鼓风动能的减少，炉内气流的变化，将影响高炉稳定顺行，如遇异常炉况，影响将加剧。 采用零扰动换炉后，避免了每次换炉时的相对减风过程，风压风量平稳，有利于高炉稳产高产、降低燃料比等。 原冷风冲压曲线如图3 所示，采用压缩空气冲压后曲线如图4 所示。由图3、图4 可以看出，原冷风冲压时，风量、风压曲线在换炉时出现了明显的波动；而无扰动冲压后，风量、风压曲线在换炉时无明显的波动。

图3 原冷风冲压曲线图

图4 采用压缩空气后冲压曲线图

3.2 无扰动换炉实施效益分析

原冷风冲压换炉，每次需要约2400 m3的冷风，按现有高炉风机运行费用0.05 元/m3计算，每次冲压约需费用0.05 元/m3×2400 m3=120 元。 现有压缩空气价格为0.10 元/m3，采用压缩空气冲压换炉，每次需要需费用0.10 元/m3×2400 m3=240 元。 用压缩空气替代冷风实施热风炉冲压换炉，每次换炉费用增加240-120=120 元。以每座高炉日换炉冲压32次计算，单座高炉日费用增加32×120=3840 元。

根据目前每消耗1100 m3风产出1 t 铁水的换算指标计算，单高炉日可增加铁水产量约70 t。 按最低每座高炉日增产铁水50 t，每吨铁水200 元利润计算，单高炉日可增加效益50t×200 元/t=10000 元。

终上所述，实际每座高炉日可增加效益为10000-3840=6160 元，三座高炉年创效益670 万元以上。

4 结语

天钢联合特钢通过采用压缩空气冲压换炉方式，可实现真正意义上的无扰动换炉。 避免了每次热风炉换炉时，高炉的相对减风过程；高炉风压风量平稳、波动几乎为零；将冷风冲压对热风炉热风温度的影响降到最低，热风炉供风温度曲线较平滑，有效保障了高炉送风的质量。 达到了高炉稳产高产、降低燃料消耗的预期目标，综合效益可观。