无波动换炉技术的节能增产效果
                                                                                                                        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 450008）
摘要：我国钢铁厂炼铁高炉现在运行的热风炉绝大部分都是用高炉鼓风机的风进行充压，在实践操作中当打开充压（均压）阀时，高炉鼓风机的风压将突然降低，会造成高炉风压、风量、炉内气流、透气性指数、炉顶压力等指标波动，影响高炉炉况稳定，这会导致高炉能耗增加、产量降低，同时也会降低热风炉风温和使用寿命。本文探讨了一种使用独立供风系统的无波动换炉技术及其方案，经过高炉实践，这种无波动换炉技术可以稳定高炉炉况、增加产量，提升热风炉风温、稳定热风炉热负荷、提高热风炉寿命，增加钢铁企业利润，具有良好的节能增产效果。
关键词：高炉热风炉  充压  波动  换炉技术 

1.   传统热风炉换炉技术的弊端
高炉炼铁生产需要大量的热能，高炉冶炼的热能主要来源于焦炭，而焦炭十分昂贵。在长期的实践摸索中，我们的祖先采用了加热风的方式把热风鼓入高炉冶炼，而鼓入的风温越高节省的焦炭越多，节能增产的效果就越好，因此高风温一直是高炉工作者的追求。蓄热式热风炉就是为高炉提供持续、稳定高风温的关键设备[1]。实践中高炉热风炉常用的配置及运行方式主要有3种：即配置两座热风炉实施一烧一送，配置三座热风炉实施两烧一送，配置四座热风炉实施两烧两送。其运行方式由燃烧转换为送风，必然有一个换炉环节。换炉前蓄热（燃烧）的热风炉炉内压力为低压，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，因此必须对蓄热（燃烧）的热风炉进行充压，使冷风阀、热风阀两侧，即热风炉和冷热风管道压力相等，冷风阀、热风阀才能打开进行换炉送风。我国钢铁厂现在运行的热风炉绝大部分都是用高炉鼓风机的风进行充压，在实践操作中当打开充压（均压）阀时，由于均压时分流了部分冷风，又因热风炉的容积较大，使高炉鼓风机的风压将突然降低，会造成高炉风压、风量、炉内气流、透气性指数、炉顶压力等指标波动，这样对高炉的稳定运行造成破坏。为了降低波动，有的采用高炉鼓风机预留15-25%的富裕量；有的采用将均压阀门开小，以小流量缓慢进行均压，这种操作均压时间非常长，虽然波动减小，但是缩短了热风炉的有效烧炉时间，降低了热风炉的使用效率。
            

表1是我国部分钢铁厂高炉在热风炉换炉期间的运行数据，其中沧州中铁装备1、2、3号炉，山西建龙6号炉、吕梁建龙1号炉，当高炉满负荷时，充压3分钟，风压波动都在60KPa以上，这样大的压力波动很难保持高炉炉况稳定。为解决这个问题，现在的通行做法是将高炉鼓风机留出12%以上的鼓风富余量（一般富裕15%-25%），表1中河北纵横丰南1、2、3、4号炉，沧州中铁装备4号炉，山西通才1号炉，山西建龙1、5号炉就采用了这样的技术措施，这样热风炉充压3-5分钟时，风压波动就能控制在5KPa以内。如果无法更换高炉鼓风机，也可采用限流充压（缓慢充压）的方式避免风压波动太大，如：沧州中铁装备1、2、3号炉充压13分钟风压波动在8-17 KPa，山西通才1、2号炉充压15分钟、吕梁建龙1号炉充压14分钟风压波动在10 KPa，但是采用这种充压方式会延长充压时间，减少烧炉时间，对热风炉风温影响较大。
1.1  利用高炉鼓风机充压的换炉技术会影响高炉炉况，降低高炉产量增加消耗。
高炉在正常运行时，会形成五带（见图1），其中软熔带对冶炼过程最为关键，也是影响高炉炉况顺行高产低耗的关键[2]。若不采用其他技术措施，而在高炉满负荷生产的条件下对热风炉进行充压（如：中铁装备1、2、3，山西建龙6，吕梁建龙1），高炉鼓风压力会产生60KPa以上的压力降，这种压力降，会破坏高炉内W型或倒V型软熔带，高炉必须经过一段时间运行才能形成新的W型或倒V型软熔带[3]；如此必然会增加高炉消耗，降低高炉产量。
图1 高炉5带示意图
1.2  采用将高炉鼓风机留出12%以上富余量降低换炉时高炉炉况波动的技术措施会增加成本。 
以河北纵横丰南1号高炉为例，正常生产时鼓风量5250Nm3/min，风量富余率13%，则高炉鼓风机风量为6000Nm3/min,风压440KPa，鼓风机需配电机38000KW，实践操作中60分钟换一次炉。高炉鼓风机配有变频器（理论富余量节电率40%）。则每小时鼓风机电机将浪费38000×0.13×（1-0.4）=2964kwh的电量，实践中变频器节电40%基本达不到，因此实际浪费的电量将超过3000kwh。即便如此，河北纵横丰南1号高炉在充压3分钟时，高炉风压依然降低了26KPa，还会对高炉炉况产生较大影响，如果要进一步降低这种影响就必须进一步提高鼓风机富余量，浪费的电量也将会更多。
1.3  均压换炉时间受高炉值班室限制
由于高炉生产过程中要求风量和风压处于相对稳定状态，因此热风炉换炉操作受到高炉值班室的严格控制，热风炉操作人员在进行热风炉换炉操作前，必需发一信号至高炉和燃气部门，得到认可后方可进行。工作人员在进行换炉操作时需按照既定程序根据每次换炉时的不同情况准确控制多个阀门的开合程度，包括调节风机静叶开度、调节均压阀开度、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以完成换炉操作。
1.4  容易造成设备故障。
一方面均压时风机负荷提升，容易对机械及电气系统造成冲击，造成电网波动；另一方面换炉操作时需频繁调整静叶和防喘阀，造成静叶磨损大和防喘阀易损坏，影响高炉生产。在出铁前换炉还可能造成风口倒灌事故[4]。
2.  无波动换炉技术方案
针对上述热风炉换炉技术的弊端，河南省豫兴热风炉技术有限公司研发了“一种热风炉无波动换炉高效转化装置及控制方法”的专利技术（专利号为CN202110862040.7）[5]。该技术使用一套独立的供风系统，由独立的高压气罐、空压机、调压阀组及相关管道阀门组成。采用这种换炉技术，热风炉换炉充压不用高炉鼓风机的风，而另加一台空压机对热风炉进行充压，空压机的风与鼓风机的风同属压缩空气，充压介质的性质没有发生改变。改造时，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），原管道及系统不做调整，在管道上增加1个液动或气动阀门，即可满足用压缩空气进行充压的要求，热风炉原工艺不作改变。见热风炉无波动换炉安装原理图2。 
 
图2  热风炉无波动换炉安装原理图
热风炉无波动换炉系统原理图如图2所示：空压机12、贮气罐2与冷风支管相联通，在空压机12与贮气罐2这间有进气阀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。
运行方式：
1.原换炉方式（高炉鼓风机充压）：比如1号热风炉燃烧完需换成送风，需向1号炉充压。此时1号炉的冷风阀10是关闭的，因阀门两边的压差大而打不开，此时可打开旁通小阀门（均压阀）9向1号炉充压，这时用的是高炉鼓风机的风，会引起高炉炉况波动。在采用无波动换炉后仍可保作为备用。
2无波动换炉方式：具体操作步骤如下：
具体操作步骤如下：
（1）调整贮气罐安全阀压力为（表压）1.3MPa，调整贮气罐出口减压阀后的压力比冷风压力高0.05MPa。 
（2）首先对两个储气罐进行充压，当储气罐压力达到1.3MPa时，具备充压条件。空压机采用连续工作，保证空气罐有足够空气。
  （3）充压前，或平时正常运行中，进气阀1、安全阀2、减压阀4是常开着的，充压阀8是关闭的。
（4）当热风炉需要均压时，打开气动或液动均压阀，空气罐中压缩空气对热风炉进行充压，均压期间空压机连续工作。比如1号热风炉燃烧完需换成送风，需向1号炉充压。此时1号炉的冷风阀10是关闭的，因阀门两边的压差大而打不开，此时原均压阀9关闭，打开高压空气管上的充压阀8向1号炉充压，。
（4）当炉内压力6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。
（5）对热风炉充压后，空气罐压力降低，空压机将继续对空气罐进行充压，满足下一次充压条件。
3.  无波动换炉技术特点及应用效果
这种无波动换炉技术除了换炉时不引起高炉鼓风压力波动外，还具有以下特点：
3.1  避免了风口倒灌。 
采用高炉鼓风机的风充压换炉会引起高炉鼓风炉压突然降低，如果铁水罐不到位，高炉快出铁时突然换炉，炉压突然降低会引起风口倒灌，因此目前热风炉换炉必须受高炉值班室控制。如采用无波动换炉后，热风炉换炉时不会引起高炉热风压突然降低，从而避免风口倒灌事故的发生。
3.2  无波动换炉可实现全自动无人操作，稳定热风的热负荷，延长热风炉寿命。
采用无波动换炉后，热风炉换炉不会引起高炉炉压波动，热风炉保证高炉的风温即可。混风调节阀和风量调节阀可以由高炉值班室直接控制。热风炉可以采取定时或定温全自动换炉，因此热风炉可实现全自动无人操作。热风炉如能保证按时换炉，也就稳定了热风的热负荷。比如高炉要求1250℃的风温，拱顶温度烧到1350℃，开始送风时混风阀自动开大，保证1250℃的风温，在运行中混风阀自动关小，当混风阀全关闭而不能满足1250℃的风温时将自动换炉。确保送风末1250℃的底温，不会有延时换炉把底温拉到1200℃甚至更低的情况。因此无波动换炉稳定了热风的热负荷，延长了热风炉寿命。
3.3  无波动换炉可以提高风温。
对于满负荷的高炉，原来的换炉技术换炉充压会占用13-15分钟，减少了热风炉烧炉时间，也就降低了其蓄热能力。采用无波动换炉后，可以增加烧炉时间，或适当缩短送风时间，可提高送风温度。
3.4  无波动换炉可以提高产量
采用无波动换炉后炉况稳定顺行，可以增产降耗。对于已建成的高炉，如果已满负荷运行，采用无波动换炉后可将向热风炉充压的风用于炼铁，充压使用的风量与热风炉的大小、热风炉的座数有关，一般可增产0.3-0.5%。对于风量富裕15%-25%的高炉，采用无波动换炉后可实现满负荷运行，产量可提高15%-25%。
3.5  无波动换炉可以降低投资。
对于新建高炉采用无波换炉，可采用满负荷设计，高炉风机可不预留15-25%的充压富裕量，可选用小一型号的鼓风机，其设备投资在扣除空压机费用后，可减少10%以上投资。以河北纵横丰南1号高炉为例，原方案装机容量为38000KW，若使用无波动换炉技术装机容量仅需33250+400=33650KW。这样加上变频器等配套设备，新方案至少可节约投资11%以上。 
3.6 无波动换炉技术应用实践。
山西吕梁建龙实业有限公司炼铁厂（下文简称吕梁建龙）1800m³高炉及其配套的 3 座热风炉，采用“两烧一送”的工作制度，单炉送风时间45分钟，原高炉热风炉换炉充压方式为常规充压，充压由冷风均压管利用部分高炉冷风进行充压。高炉生产要求充压时对鼓风压力的影响≤10kPa，为了达到此目的，充压阀开度非常小，一次充压时长为 14 分钟，致使换炉时间接近于18分钟，虽然控制了风压波动≤10kPa，但极大地缩短了热风炉的蓄热时间，致使热风炉不能发挥最佳状态，严重制约了高炉节能降耗的能力。
在采用无波动换炉系统后，换炉时间从18分钟降低到5分钟，风温从1170℃提高到1210℃，高炉炉况运行数据曲线得到全面改良（见图4），生铁质量得到明显提高[6]。
       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
吕梁建龙采用无波动换炉后每年可增加利润1000余万元：一是吕梁建龙采用无波动换炉后，延长烧炉时间,可提高风温 20℃，降低焦比 0.5%，以目前 520kg/t 计算，燃料比可降低 2.6kg/t；高炉以日产 4500t/d 计，日节焦 11.7t/d,年节焦4095t/a，焦炭价格 2500 元/t，一年节约焦炭价格 1023.75 万元。二是利用压缩空气代替热风炉冷风均压，相当于高炉增加了风量，每日可增加生铁产量铁 44t/d,每年可增铁 15400t/a，生铁利润按照 150 元/t，每年增产生铁利润为 231 万元。三是使用压缩空气进行均压，每次均压需要压缩空气 1600m³，压缩空气成本为 0.1 元/m³。每次均压成本为 160 元，40 分钟换炉，每年压缩空气费用为 201.6 万元。每年利润合计如下：1023.75 万元+231 万元-201.6 万元=1053.15 万元。而吕梁建龙工程投资仅350 万元（利旧空压站），投资回收期仅需4个月。
4.  结语
采用独立空压机充压的无波动换炉技术，可以避免高炉炉况波动，缩短充压时间，提高风温，降低能源消耗、提高生铁质量、提高生铁产量；同时热风炉换炉不受高炉值班室限制，可按时或按温度换炉，稳定了热风炉热负荷，延长热风炉寿命。山西吕梁建龙无波动换炉技术实践取得了巨大的经济效益，证明此技术是一项可行、可推广的节能增产的好措施。
5.参考文献：
[1].周传典  高炉炼铁生产技术手册  冶金工业出版社2002年8月
[2].张建良等  高炉解剖研究  冶金工业出版社2019年11月
[3].傅世敏、刘子久、安云沛 高炉过程气体动力学  冶金工业出版社1990年7月
[4].吴晓斌等工业与民用配电设计手册 第四版中国电力出版社2016年12月
[5].王志 2023钢铁及产业链“绿色”榜单 中国冶金报 2023年6月6日082期
[6].夏杰生 热风炉无波动换炉技术前程似锦 中国冶金报 2023年7月20日107期

符政学
河南省豫兴热风炉工程技术有限公司
教授级高级工程师    专注于研究高炉、热风炉节能技术
13503859011 fuzhengxue@myyuxing.com