符政学,刘力铭,刘力源,艾水生

(河南省豫兴热风炉工程技术有限公司,河南郑州450008)

摘要:对热风炉无波动换炉技术优势及应用效果进行了阐述。针对热风炉传统换炉方式存在的弊端,提出了一种热风炉无波动换炉技术,采用独立的供风系统,由空压机供风对热风炉进行充压。热风炉无波动换炉技术除了不会引起风压波动外,还具有可避免风口倒灌、可实现全自动换炉、可提高风温、可提高生铁产量,可降低投资等技术优势。采用无波动换炉技术后,热风炉换炉时间缩短、风温提高,以吕梁建龙1800m高炉为例,热风炉换炉时间从18min缩短到5min,风温从1170℃提高到1210℃,改造投资额为350万元,回收期仅4个月。

关键词:高炉;热风炉;充压;风压波动;换炉时间

目前,国内高炉配套的热风炉绝大部分都是用鼓风机的风进行充压。在实际操作中,热风炉充压造成风压突然降低及高炉操作参数波动,影响炉况的稳定,不仅会导致高炉能耗增加、产量下降,还会降低风温和热风炉的使用寿命。

为此,针对热风炉传统换炉方式存在的弊端,提出了一种热风炉无波动换炉技术,采用独立的供风系统,由空压机供风对热风炉进行充压。生产实践表明,热风炉无波动换炉技术不会引起风压波动,有利于稳定高炉炉况、增加产量、提升风温、提高热风炉寿命。

1 传统换炉方式

1.1 换炉现状

热风炉是为高炉提供持续、稳定高风温的关键设备1。热风炉常用的配置及运行方式主要有3种:一是配置两座热风炉,实施一烧一送;二是配置三座热风炉,实施两烧一送;三是,配置四座热风炉，实施两烧两送。热风炉由烧炉转为送风,必然有一个换炉环节。换炉前,热风炉内是低压,而热风主管、冷风管道内则是高压。冷风阀、热风阀靠热风炉侧为低压,靠近热风主管、冷风管道侧为高压,冷风阀、热风阀两侧压力相差几十倍而无法打开。因此，必须对热风炉进行充压,使热风炉和冷热风管道压力相等,才能打开冷风阀、热风阀进行换炉。

热风炉传统换炉用鼓风机的风进行充压,当打开充压阀(均压阀)时,由于分流了部分冷风,且热风炉容积较大,风压突然降低,会造成风量、透气性指数、炉顶压力等参数波动[2]。我国部分高炉热风炉换炉主要参数见表1,其中沧州中铁1、2、3号高炉,山西建龙6号高炉,吕梁建龙1号高炉,当满负荷生产时,充压3min的风压波动值都在60kPa以上,因而炉况很难保持稳定。

为了减小热风炉换炉充压时的波动,通行的做法是将高炉鼓风机预留15%~25%的风量。如纵横丰南1、2、3、4号高炉,沧州中铁4号高炉,山西通才1号高炉,山西建龙1、5号高炉,热风炉充压3~5 min,风压波动值能控制在5kPa以内。

图1 高炉5带示意图

如果无法更换高炉鼓风机,也可减小充压阀开度,以限流充压的方式避免风压波动过大。如沧州中铁1、2、3号高炉,充压13min,风压波动值在8~17kPa;山西通才2号高炉充压15min,吕梁建龙1号高炉充压 14min,风压波动在10kPa 左右。

1.2 存在的弊端

(1)影响高炉炉况。高炉生产时,软熔带对冶炼过程最为关键,是决定炉况稳定顺行、高产低耗的关键部位[3-4]。如果不采用任何技术措施,在满负荷生产条件下对热风炉进行充压,风压波动值在60kPa以上,会破坏高炉的软熔带,必须经过一段时间运行,才能重新形成稳定的软熔带[5]。如此一来,必然会增加高炉的燃料消耗、降低产量。

(2)增加用电成本。以纵横丰南1号高炉为例,正常风量为5 250 m3/min,预留 13% 为6000m/min,风压440kPa，鼓风机配套电机38000kW,60min换一次炉,且鼓风机配有变频器(理论上可节电40%)。则每小时鼓风机电机浪费的电量为38000x0.13x0.6=2964kW·h,而生产中变频器节电40%很难达到,实际浪费的电量超过3000kW·h。即便如此,纵横丰南1号高炉在充压3 min时,风压降低26kPa,仍然会对炉况产生较大的影响。如果要降低这种影响,需要进一步增加预留风量,浪费的电量会更多。

(3)减少烧炉时间。热风炉换炉采用限流充压,虽然能减小风压波动,但会延长充压时间,缩短有效烧炉时间,不但对风温影响较大,还会降低热风

炉的使用效率。

(4)换炉操作受限。由于高炉生产过程中要求风量和风压处于相对稳定的状态,传统热风炉的换炉操作受到严格控制,操作前必须得到主控室认可。并且,换炉操作需按照既定程序,根据每次换炉时的具体情况准确控制阀门开度,包括调节风机静叶开度、调节充压阀开度、观察热风炉内压力变化、控制充压时间、开关冷热风阀门等多个步骤。

(5)容易造成设备故障。一方面,热风炉充压时,鼓风机负荷提升,会对机械及电气系统造成冲击,容易造成电网波动;另一方面,热风炉换炉操作中,需频繁调整静叶和防喘阀,容易造成静叶磨损和防喘阀损坏。此外,在出铁前进行热风炉换炉,有可能造成风口倒灌事故。

2 无波动换炉技术

2.1工艺流程

针对热风炉传统换炉方式存在的弊端,河南豫兴提出一种热风炉无波动换炉技术[6],采用独立的供风系统,由高压气罐、空压机、调压阀组及相关管道阀门组成。热风炉换炉充压不用鼓风机的风，而是由空压机供风,对热风炉进行充压,充压介质还是压缩空气。改造时,热风炉原工艺及管道可不做调整,只需将压缩空气管连接在冷风支管上(冷风阀与热风炉之间),在管道上增加1个液动阀或气动阀,即可满足充压要求。

图2  热风炉无波动换炉安装原理图

热风炉无波动换炉工艺流程如图1所示。灰色为无波动换炉新增的管道和设备,空压机12、贮气罐与冷风支管相连,在空压机12与2号贮气罐之间有进气阀1,贮气罐上有安全阀2和排污阀3,在贮气罐与冷风支管之间有减压阀4、流量计5和充压阀8;冷风管道上的冷风阀10和旁通的充压阀9不动;在热风炉与冷风阀之间的冷风支管上设有压力传感器6。

改用热风炉无波动换炉技术后,传统换炉方式(鼓风机充压)仍可保留作为备用。即当1号热风炉烧完炉需换炉,其冷风阀 10 、原均压阀9为关闭状态,打开充压阀8向1号热风炉向1号热风炉充压。

2.2 操作步骤

无波动换炉的操作步骤如下:

①将贮气罐安全阀压力调整为1.3MPa,调整贮气罐出口减压阀后的压力,比冷风压力高0.05 MPa。

②空压机连续工作,对两个贮气罐进行充压,当贮气罐压力达到1.3MPa时,具备充压条件。

③充压前,进气阀1、安全阀2、减压阀4是常开状态,充压阀8保持关闭状态。

④当热风炉需要充压时,打开气动或液动充压阀,用贮气罐中的压缩空气进行充压,充压期间空压机保持工作。即当1号热风炉烧完炉准备换炉时，其冷风阀10 为关闭状态,由于阀门两侧压力相差大而打不开,此时原均压阀9 关闭,打开压缩空气管上的充压阀8,向1号热风炉充压。

⑤当热风炉内压力与冷风压力相等时,停止充压,关闭气动或液动充压阀,热风炉进行相关操作。

⑥热风炉充压后,贮气罐压力降低,空压机继续工作,准备下一次充压。

2.3 技术优势

热风炉无波动换炉技术除了不会引起风压波动外,还具有以下优势:

(1)可避免风口倒灌。热风炉换炉采用鼓风机充压会引起风压突然降低,如果铁水罐未到位,在高炉快出铁时换炉,风压突然降低会引起风口倒灌[7]。因此,目前的热风炉换炉必须受高炉主控室控制。采用无波动换炉技术后,热风炉换炉不会引起风压突然降低,从而可避免风口倒灌事故的发生。

(2)可实现全自动换炉。采用热风炉无波动换炉不会引起风压波动,混风调节阀和风量调节阀可由高炉主控室直接控制。热风炉可采用定时或定温全自动换炉,全自动操作保证按时换炉,以实现热风温度的稳定。比如:高炉要求风温1250℃,热风炉拱顶温度烧到1350℃开始送风,混风阀自动开大以保证风温,在送风过程中混风阀自动关小,当混风阀关闭且无法满足风温时,进行自动换炉,确保送风后期的风温,不会出现延时换炉的情况。无波动换炉有利于稳定热风温度,延长热风炉的寿命。

(3)可提高风温。对于满负荷生产的高炉,热风炉传统换炉需要13 ~15min充压,占用了热风炉的烧炉时间,降低了其蓄热能力,采用无波动换炉技术可增加烧炉时间,提高送风温度。

(4)可提高生铁产量。采用热风炉无波动换炉技术后,高炉稳定顺行,有利于提产降耗。对于已建成的高炉,如果已经满负荷运行,热风炉采用热风炉无波动换炉技术,可将充压的富余风量用于炼铁,风量与热风炉的大小、数量有关,一般可增产0.3%~0.5%。对于富余15%~25%风量的高炉,产量可提高很多。

(5)可降低投资。对于新建高炉,采用热风炉无波动换炉技术,鼓风机不用考虑富余风量,其设备投资在扣除空压机费用后,可减少投资10%以上。以纵横丰南1号高炉为例,原鼓风机装机容量为38000kW,若采用热风炉无波动换炉技术,装机容量仅需 33250+400=33650kW,加上变频器等配套设备,至少可节约投资11%。

3 应用案例
 

以吕梁建龙1800m高炉为例,配套的3座热风炉采用“两烧一送”运行方式,单炉送风时间45min，热风炉换炉使用高炉冷风进行充压,为降低充压时对风压的影响(<10kPa),减小充压阀开度,充压时间 14min,换炉时间约18min。极大地缩短了热风炉的蓄热时间,导致热风炉不能发挥最佳状态,严重制约了高炉节能降耗。采用热风炉无波动换炉技术后,换炉时间从18min 缩短到5min,风温从1170℃提高到1210℃,高炉运行数据曲线的波动明显减少(见图2),生铁质量得到明显提高[8]。

无波动换炉系统使用前高炉运行数据曲线               无波动换炉系统使用后高炉运行数据曲线

图4 无波动换炉系统使用前后高炉运行数据曲线图

吕梁建龙1800m高炉采用热风炉无波动换炉技术后,每年新增利润计算如下。

一是,延长了热风炉的烧炉时间,可提高风温20℃,降低焦比05%,以焦比520kg/t计算,焦比降低2.6 kg/t;以日产量4500t/d计算,可节焦11.7t/d,年节焦4095t/a,按焦炭价格2500元/t,每年节约焦炭价格1023.75万元。

二是,用压缩空气代替冷风充压,相当于增大了风量，可增加日产量44 t/d,可增加产铁量15400t/a,生铁利润按150元/t,每年可增加利润

231万无。

三是,利用压缩空气进行充压,每次充压需要压缩空气1600m,压缩空气成本为0.1元/m。热风炉每次充压成本为160元,每40min换一次炉,每年压缩空气花费201.6万元。

综上所述,每年利润合计为1023.75+231-201.6=1053.15万元。而热风炉无波动换炉技术改造投资额为350万元(空压站利旧),回收期仅4个月。

4 参考文献

[1]周传典.高炉炼铁生产技术手册[M],北京:冶金工业出版社,2002:480-485.

[2]魏金辉，热风炉充压控制装置与方法研究[J].化工自动化及仪表,2015(6):693-695.

[3] 刘云彩.现代高炉操作.北京：冶金工业出版社，2016:79-108

[4] 杨志荣,王红斌,浅谈操作炉型在高炉生产稳定运行中的作用[J].炼铁,2012,31(3):1-5.

[5] 傅世敏.高炉过程气体动力学[M].北京:冶金工业出版社,1990:113-152

[6]马茜,吕艳玲,刘力铭,等.一种热风炉无波动换炉高效转换装置及控制方法:中国专利,ZL 202110862040.7[P].2021-10-29.

[7]邓新民.马钢2500m高炉炉况失常的处理[J].炼铁，2002,21(4):41-42.

[8]夏杰生.热风炉无波动换炉技术前程似锦[N].中国冶金报,2023-07-20(05版).