任玉明 1，黄晓江 1，张建良 2，韩陶然 1，王振阳 2，周新富 2
（1.天津天钢联合特钢有限公司，天津301500; 2.北京科技大学，北京 100083）
[摘 要] 天钢联合特钢采用压缩空气冲压换炉方式替代了传统的冷风冲压换炉方式,为实现热风炉无扰动换炉创造了良好的条件。而热风炉控制系统智能化水平同样决定了换炉操作的质量。为了更好实现热风炉无扰动换炉，天钢联合特钢同时对热风炉控制系统进行了升级改造，采用了智能冲压换炉和新、老系统智能互保等智能化控制技术，使压缩空气冲压换炉技术的优势得到充分发挥。高炉入炉风压、流量更加平稳，波动几乎为零，热风炉烧炉曲线和热风温度曲线平滑稳定。
[关键词] 热风炉；自动控制；压缩空气冲压
0 引言
在炼铁工艺中热风炉是高炉的辅助设备，也是长流程炼铁工艺中的重要环节，采用蓄热工作方式为高炉提供连续不断的热风。在炼铁生产过程中消耗的热量，其中大约四分之一是热风炉供给高炉的热风提供的[1]，其提供的风温也是提高高炉冶炼强度、降低焦比和燃料比的重要手段[2-3]。 在我国，大多数的高炉配备了三座热风炉，主要操作方式为“两烧一送”[4]，且热风炉工作状态可分为燃烧状态、送风状态以及焖炉状态[5]。换炉操作是指在燃烧状态、送风状态及闷炉状态的各热风炉之间的转换操作。当需要换炉时，需先给将要送风的热风炉充压，这时一部分冷风会进入将要送风的热风炉，导致入炉的风压由于风量的快速降低而波动[6]，目前炼铁行业高炉热风炉换炉处理波动的主流模式是采用冷风冲压方式或采用风机恒压鼓风方式换炉，但这些方式均存在风压、风量调节的滞后性，入炉的风温、风压和流量波动较大，会给高炉的顺行和稳定带来一定的影响。
2020 年 6 月 20 日，天钢联合特钢采用压缩空气冲压换炉方式替代了传统的冷风冲压换炉方式,实现换炉技术的硬件升级，但为了更好实现热风炉无扰动换炉，同时对热风炉控制系统软件也进行了升级改造，采用了智能冲压换炉和新、老系统智能互保等智能化控制技术，使压缩空气冲压换炉技术的优势得到充分发挥。高炉入炉风压、流量更加平稳，波动几乎为零，从而促进了高炉的顺行稳定。
1 压缩空气冲压换炉
1.1 压缩空气冲压换炉技术点
相对于目前普遍采用的主流热风炉冷风冲压换炉方式，天钢联合特钢新进开发的压缩空气冲压热风炉换炉技术真正实现了无扰动换炉。该技术的主要配套设施和工艺特点是：在各高炉热风炉分支管线且设置冲压用压缩空气总阀、气动快速切断阀、液动冲压阀、调整阀等相应管件；在热风炉换炉时，提前将压缩空气充入即将使用的热风炉内，达到设定压力后进行换炉操作。采用压缩空气冲压换炉技术与冷风冲压换炉技术示意图分别如图 1、图2 所示。
1.2 压缩空气冲压换炉技优势
（1）采用冷风冲压方式或风机恒压鼓风换炉需要考虑煤气、热风温度及高炉操作三个条件，大约每四十分钟换一次炉，换炉过程大概需要 10～15 分钟，这个时候高炉的操作是最大限制环节。而采用压缩空气冲压换炉操作时，不受高炉操作和炉况条件限制，当需要倒炉作业时，不需要考虑高炉出铁和恶劣炉况的影响，随时可以进行充压换炉。
（2）在采用压缩空气冲压换炉技术后，可以避免每次换炉时的相对减风过程，图 3、图 4 分别为压缩空气冲压换炉系统应用前、后高炉各参数的实时概况曲线图。图 3 可以从波动上判断出什么时候进行了换炉，而图 4 是采用压缩空气冲压换炉系统的炉况曲线，其曲线较平滑，波动几乎为零，无法从波动情况判断出是否存在换炉操作。
2 换炉智能化控制技术
对于热风炉自动化控制要求，热风炉智能化换炉水平的先进与否决定了热风炉的控制质量的高低。为了更好实现入炉风量、风压零波动，天钢联合特钢在实现压缩空气冲压换炉技术的基础上，对热风炉控制系统进行了升级改造，采用了智能冲压换炉和新、老系统智能互保等智能化控制技术，使得该换炉技术在保持先进性的同时更加完善可靠。
2.1 阀门智能联锁动作
天钢联合特钢压缩空气充压换炉技术是在原换炉体系基础上增加了部分设备、改造创新而成的，改造部分如图 5、图 6 所示。各阀门的设置使得压缩空气冲压换炉方式实现了计算机全自动控制。
通过流量计可以智能化检测和控制压缩空气的充压流量，并可以根据压缩空气总网的压力动态控制进入充压系统的压缩空气流量。当外网压力低于 8 kPa 时就自动切断充压系统与外网的阀门，保证压缩空气管网的压力不会降低；而当充压过高时，造成热风炉压力超过冷风压力或外管网压力过低时，快切阀会自动切断；流量计与快切阀的协同配合，保证了压缩空气外管网压力无波动。截止阀的设置便于日后系统的检修，当系统有问题可随时截止系统，有效阻止系统损坏而进一步的影响下一 道工序。
2.2 双体系保障系统
天钢联合特钢热风炉换炉智能操控系统增设了压缩空气液压控制阀，控制系统在原基础上按照新的功能要求进行升级改造，操作画面增加了过压、泄漏等异常故障快速切断控制介面。由图 5 可直观看出，液压控制阀可实现原换炉体系与无扰动换炉体系任意切换的智能保障功能，当压缩空气方法出现故障，无法顺利运行时，液压阀门会连锁自动转换，换炉充压体系返回原冷风冲压换炉系统。
该系统是唯一的保护系统，降低了由换炉送风系统故障而影响高炉生产的风险，从而促进高炉顺行稳产高产。生产实践证明，两系统切换仅需 1～2 分钟，系统切换对高炉生产的影响几乎可以忽略。
2.3 智能充压设计
自动充压阀根据流量情况自动调节，在保证换炉冲压完成的情况下，其不影响到压缩空气外管网流量，当冷风压力和热风炉压力相差 2 kPa 时充压阀就会自动关闭。智能充压系统的设计，使冷风压力和热风炉压力相差从 5 kPa 降低到 2 kPa。整个系统控制简单、便捷，解决了控制滞后的问题，进一步促进了高炉生产效率。由于压差缩小之后，对热风阀门的寿命影响也减少了，从而增加阀门预期寿命，从长远来看降低了维修成本。
2.4 储气罐与压缩机
压缩空气充压系统设置一压气储罐，压气储罐是充压系统稳定运行的保障设施。当压力波动大时，能够稳定管网压力，起到稳压缓冲的作用，相当于电路中电容的作用，提高压缩空气充压换炉技术的可靠性与稳定性。
为了确保压缩空气充压系统可靠、稳定运行，减少压缩空气外网压力变化的影响，天钢联合特钢计划为此系统建设一个空压缩机站，供炼铁厂单独使用。由于用户单一，进而可以实现换炉快速充压，充压过程可从 10～12 min 缩短到 6 min，从而降低了空压机运行功率，放大了企业技术改造带来的效益。
3 结语
天钢联合特钢热风炉压缩空气智能化冲压换炉控制技术投入运行以来，使热风炉换炉系统运行的稳定性和可靠性得到了进一步的提高。
（1）该控制技术使压缩空气冲压换炉工艺的优势得到充分发挥，热风炉换炉时间不受外部条件影响，高炉入炉风压、流量更加平稳，波动几乎为零，热风炉烧炉曲线和热风温度曲线平滑稳定。
（2）该控制技术整个系统简单、响应快速，解决了控制相对滞后的问题，热风炉向高炉供应热风的品质显著提高，为高炉生产稳定顺行、增产降耗创 造了有利条件，达到了改造的预期目标。
（3）由于热风炉内与冷风压差缩小，减少了对热风阀门的寿命影响，增加了阀门预期寿命，从长远来看降低了维修成本。
参考文献
[1] 张惠荣. 基于专家系统的钢厂热风炉智能控制策略研究[D].河北科技大学,2016.
[2] 张冰,牛洪海,耿欣,娄清辉.高炉热风炉热效率计算模块设计及应用[J].冶金自动化,2019,43（04）:34-38+57.
[3] 张子蒙,章家岩,冯旭刚.基于 RBF 神经网络整定的热风炉温控系统设计[J].河北科技大学学报,2019,40（06）:503-511.
[4] 冯燕波,唐文权,陈秀娟.三座热风炉采用“一烧两送热并联”创新工艺[J].天津冶金,2020（02）:13-15.
[5] 谭飞. 高炉热风炉燃烧智能控制系统设计[D].大连理工大学,2018.
[6] 孟凡双,付华,李仲.鞍钢热风炉无波动换炉系统的应用实践[J].冶金丛刊,2009（06）:17-18+26.