热风炉外均压智控节能技术及应用效果
王长春，汪小龙，汪 朋
(北京卡卢金热风炉技术有限公司，北京 100055)
摘 要：热风炉外均压智控节能技术由外均压换炉技术和全自动智能控制系统组成，可完全消除换炉的风压波动，实现热风炉系统“一键式”全自动运行。其创新点，一是采用外置高压气罐取代鼓风机为热风炉充压；二是采取“小压差、大流量”控制策略，通过动态调节方法实现了对热风炉充压全过程的压差控制，保障充压过程安全可靠，充压时间缩短至2～4min；三是建立与热风炉工作制度匹配协调的全自动充压换炉工艺；四是建立全流程自动操作模式，由高炉炉长确定风温目标全自动运行，降低人为干预和无效操作。1260m3高炉和5500m3高炉应用效果表明，风温提高20～50℃，同等条件下煤气消耗量降低5%～10%。
关键词：热风炉；充压换炉；外均压；智能控制；风温；煤气消耗量
当前，持续推进降本增效已经成为钢铁企业提高竞争力的关键环节。高炉炼铁能耗占钢铁生产全流程总能耗的70%以上，热风炉能耗占高炉炼铁工序能耗的10%左右。高风温是现代高炉实现绿色低碳炼铁的重要技术手段之一，因此，越来越多的用户开始重视现有热风炉的风温和能耗问题[1-2]
热风炉充压换炉技术可分为鼓风充压换炉技术和非鼓风充压换炉技术。非鼓风充压换炉技术指采用来自鼓风机以外的压缩空气气源为热风炉充压，近5年才开始得到应用。热风炉外均压智控节能技术由外均压换炉技术和全自动智能控制系统组成。这项技术从充压换炉工艺创新入手，使热风炉实现“一键式”全自动运行，节能效果显著。
1热风炉充压换炉技术现状
1.1传统鼓风充压换炉方式的缺点
多年以来，热风炉充压换炉工序沿用“鼓风机分流充压”的基本工艺，即从冷风管引出一根充压管（配冷风均匀阀）为热风炉充压。鼓风机以恒定风压、风量向高炉供风。当一座热风炉需要进行充压时，由于鼓风需要分流少量高压空气用于充压，必然引起高炉入炉风压突然下降。充压风量愈大，风压下降幅度愈大。这种情况对高炉生产的影响很大，可能会造成“冒尖”“悬料”等一系列问题。尤其是炉况不佳时，鼓风压力、风量的波动，对高炉操作的影响更大[3]。
目前，国内普遍采用“高炉生产管控热风炉换炉”制度。其优点是避免热风炉充压换炉对高炉生产、对煤气管网造成不利影响，但缺点是热风炉只能“半自动”操作，导致热风炉换热效率下降，成为煤气消耗量居高不下的主要因素之一。
1.2热风炉充压换炉的主要方式
（1） 分步式充压换炉（鼓风充压）。由于一次性打开充压阀对冷风压力的冲击较大，同时也容易损坏热风炉内衬，因此，采用步进充压方式分步打开充压阀进行充压。即在充压阀设置一个或多个中间位，开始充压后，充压阀开至第1个中间位并停阀，待冷风阀前后压差低于设定值时，继续开至第2个中间位，直至全开[4]。
（2） 定风压充压换炉（鼓风充压）。在定流量控制条件下，鼓风机程序增加定压操作自动控制程序，在热风炉换炉充压时，由鼓风机根据高炉冷风压力变化进行自动补压操作。定风压充压换炉操作主要是通过自动调节风机吸风口静叶角度，来控制吸风量，根据高炉冷风压力降低值随时进行补压，保持风压稳定在充压前状态。定风压充压换炉需要风机具备较大的富余能力。生产实践表明，定风压充压换炉可将充压过程中的风压及风量波动，从普通换炉工艺的15～20kPa降低至5～15kPa[5-6]。
（3）热均压换炉（或自均压换炉）。热均压换炉指4座热风炉工作时，其中1座热风炉送风结束。将其内部的热空气用于为另1座烧炉结束的热风炉充压。这种方式可以略微缩短充压时间，充分利用换炉空气热能，但其局限性也较多，一是只能完成一半充压，之后还需要按照常规鼓风机分流充压法完成剩余的充压；二是热风炉系统在均压过程中，处于“一烧一送”，换炉期间阻损变化较大，鼓风波动较大。
（4）无扰动换炉（BASS，鼓风充压）。针对中小高炉热风炉开发的无扰动换炉，目前应用比较普遍，这也是一种鼓风机定风压充压换炉方式，即通过调整风机吸风口静叶角度来控制吸风量，根据高炉冷风压力降低值随时进行补压，保持风压稳定在充压前状态。即使采用了无扰动换炉，生产中仍然需要采用“高炉生产管控热风炉换炉”制度。当鼓风机预留风量不足的时候，无扰动换炉是不能运行的[7]
（5）管网压缩空气充压换炉（非鼓风机充压）。指采用全厂压缩空气管网提供的0.6～0.8MPa的压缩空气为气源，利用独立的管路在热风炉换炉时进行充压操作，从而消除原有鼓风充压技术对高炉造成的风压、风量的波动。但当压缩空气压力低于设限时，仍然需要转入原来的鼓风换炉操作。因此，这种工艺存在很多不完善性，最主要的问题是压缩空气管网无法满足热风炉充压要求的高度稳定性[8]。
1.3热风炉自动化操作技术
现有高炉热风炉大部分已经配置了自动燃烧、自动送风和自动换炉程序，鼓风机配置了无扰动换炉工艺，实现了自动燃烧、自动送风、自动换炉程序的自动化运行，影响热风炉系统运行节能效果的主要限制因素是现有热风炉换炉工艺和管理制度。所有的沿用鼓风机分流充压的工艺，均不能撤销“高炉生产管控热风炉换炉”制度。因此，在换炉时热风炉操作工艺需要加入人工十预，总体来说，还是半自动或手动操作。各种自动烧炉智能烧炉专家系统等，受到换炉工艺限制及其他因素的影响，无法应对煤气波动较大的工况，在热风炉运行效率较低的情况下，仅仅在烧炉工序上所表现的节能效果，往往被热风炉全流程能耗浪费所抵消。常规技术的节能效果≤3%。
2热风炉外均压智控节能技术
2.1热风炉外均压换炉技术
热风炉外均压换炉技术是采用高压气罐取代压缩空气管网作为充压气源，消除了充压气源稳定性差的问题，外均压换炉技术首次建立了完整的全自动“恒压充压”工艺，消除了“高压大流量”气流损坏热风炉内衬的危险隐患，保障热风炉安全，实现快速充压。
（1） 外均压工艺系统组成（如图1所示）。主要组成如下：①高压气源系统，包括气罐、空压机和控制系统：②两级调压阀组和控制系统：③充压管道和公辅设备。
高压气源，可以根据厂区具体情况进行布置，不需要靠近热风炉。调压阀组靠近热风炉布置。充压工艺采用“汇流排”系统，采取“小压差、大流量”控制策略，以及“分段恒压充压”的自动调压工艺。可以根据热风炉工艺需要，调整每两次换炉（充压）的间隔时间（一般取30～60min），空压机在此间隔时间内为储气罐充压[9]。
以1260m³高炉3座热风炉为例，自动换炉程序可以接入现有控制程序（见图2），实现热风炉全自动换炉操作，消除换炉人工干预。无论是3座热风炉配置，还是4座热风炉配置，充压时间都可以缩短到2～4min。
（2） 技术创新点。主要有以下三点：
①具有精准化调压控制装置，经济有效地解决了用高压气源为热风炉安全充压的问题。
②首次采用“小压差、大流量”控制策略。通过动态调节方法实现了对充压全过程的压差控制，保障充压过程安全可靠，充压时间缩短至2～4min。
③建立了与热风炉工作制度匹配协调的全自动充压换炉工艺，可适应热风炉系统不同的工作制度。2～3座高炉的热风炉可以共用充压气源，以降低工程投资。
（3）外均压技术效果。主要有以下几点：
①从原理上彻底消除了换炉造成的风压波动（一般波动0～2kPa），提高高炉运行平稳性（见图3），有利于高炉降本增效，提高生产率。
②采用分段充压、恒压差大流量充压，可有效保护热风炉内衬在充压过程中不受损坏，能较大幅度缩短充压时间。
③可以释放鼓风机能力约10%。需要明确的是，热风炉外均压换炉技术运行成本高，没有直接经济效益。外均压系统的运行成本，包括空压机运行电费、空压机维护成本，压缩空气充压热量消耗（相对于冷风充压，冷风温度与压缩空气之间存在温差，采用外均压会增加热量消耗）。外均压不会产生直接经济效益，其效益重点是消除换炉鼓风波动，有利于取消“高炉生产管控热风炉换炉”制度，通过缩短换炉时间来提高热风炉效率：缩短换炉时间延长烧炉时间，有利于提升风温。
2.2全自动智能控制系统
建设外均压系统，在现有热风炉系统基础上不需要增加过多的设备，主要依靠全自动操作程序和智控技术，将热风炉操作从半自动提升到全自动。
热风炉智控节能技术控制对象是热风炉、助燃空气风机、换热器及充压系统，可实现以恒温鼓风为特征无人干预的“一键式”全自动操作，即由高炉炉长确定风温目标.热风炉系统无需操作员干预全自动运行。
（1） 热风炉外均压智控节能技术包括信息收集和处理、智能计算和调节、安全监测三大部分。通过数据计算分析、对比筛选，精准控制设备运行；监控操作过程的工艺参数，通过分析运行参数进行调整和预测：具备全系统工艺连锁、故障监控：操作控制系统具备热风炉工艺全部必要的功能和工作模式（如图4所示）。
（2）热风炉外均压智控节能技术是以外均压换炉技术为基础，将现有热风炉人工操作或者半自动操作提升为全自动操作，最大程度消除人为干预和无效操作，通过智控技术降低能源浪费，实现大幅度提高风温，同时也实现大幅度节能降耗。
3 应用效果及发展前景
3.1应用效果
（1） 热风炉实现定风温“一键式”全自动操作。全自动操作程序可根据风温指标校准拱顶温度、废气温度、送风时间、混风阀开度等运行数据，在满足风温条件下自我修正工艺参数.在无人干预下实现恒温鼓风。5500m³ 3号高炉热风炉外均压智控节能全自动控制画面见图5。
（2）煤气消耗量大幅度降低。
案例一：5500m³ 3号高炉热风炉技术改造工程于2019年4月投产，在国内首次采用热风炉外均压技术和全自动智控技术，实现一键式全自动操作，已连续运行5年，取得了良好的经济效益。相对于1号高炉热风炉采用的常规“自动烧炉”技术和定风压换炉技术，在风量、风温和产量同等条件下，3号高炉热风炉煤气消耗量平均降低超过10%（见表1）[10]
案例二：1260m³ 1号高炉热风炉技术改造工程于2022年12月投产，是国内首次针对现有热风炉采用外均压智控节能技术实现一键式全自动技术改造，连续运行1年后就取得了良好的经济效益，风温由1170℃提高到1215℃，折算后相当于在同等条件下的煤气消耗量降低约7%（如图6所示）[11]
（3）风温明显提高。1260m³ 1号高炉热风炉外均压智控节能技术改造，取得了显著的提温降耗综合经济效益（见表2），风温从1170℃（2022年）提高到约1214℃（2023年6月）。
3.2发展前景
热风炉外均压智控节能技术的应用效果显示了良好的发展前景，尤其是现有热风炉不增加换热面积就可以提温20～50℃，从而有利于高炉生产降低燃料比。这说明高炉热风炉不需要很大的换热面积，而是通过提高换热效率就可以高风温。
热风炉外均压换炉技术的局限性在于投资较大、运行成本较高，只有将半自动操作升级为无人干预的全自动操作，才能在提高换热效率的基础上提升风温，实现大幅度降低煤气消耗量。
4 结语
（1）热风炉外均压智控节能技术的主要效益：一是完全消除热风炉换炉的风压波动，充压时间缩短50%，鼓风机能力释放约10%；二是热风炉系统“一键式”全自动运行；三是现有热风炉提高风温20~50℃，并在同等条件下降低煤气消耗量5%～10%。
(2）热风炉外均压智控节能技术以工艺创新和智能化技术为先导，打破了现有各种提温工艺和节能技术的效能局限，不限于顶燃式热风炉外燃式热风炉和内燃式热风炉。现有热风炉不仅能获得风温提高的效益，而且降低煤气消耗量取得的效益还可以抵消外均压换炉技术的运行成本，并直接创造能效益，整体工艺的投资回报期为1～2年。
5 参考文献
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引用本文：
王长春，汪小龙，汪朋. 热风炉外均压智控节能技术及应用效果[j].炼铁, 2024,43(5) :39-44.
