摘要：高炉热风炉运行过程中常出现风温、风压波动等问题，其中，风温波动影响高炉炉内布料和气流分布，进而不利于高炉顺行。风压波动会打破高炉炉内压力平衡，导致炉内气流分布不均，降低炉料质量，甚至引发悬料和崩料事故。目前国内热风炉大多采用炉内均压方式，虽然可以缓解换炉过程风压波动造成的影响，但对高炉鼓风机的能力以及送风操作制度提出了较高要求。基于此，文章设计了一套独立的热风炉炉外均压系统，并结合应用了热交错并联技术，不仅提升了高炉的生产效率，还可保障操作安全，优化运行质量，进而推动智能化升级。

　　关键词：炉外均压；热交错并联；全自动操作；冷风调节阀；热风炉

　　热风炉作为高炉炼铁系统的核心热工设备，承担着传热与送风双重功能，通过持续向高炉提供高温热风，不仅为冶炼过程提供必需的热源，同时通过维持炉内料柱的稳定压力支撑高炉的正常运行［1］。

　　热风炉每一个工作周期内，热风炉内介质压力会经历“常压”与“高压”的转换，热风炉须经历充压、排压过程。热风炉内温度受换炉影响，呈现周期性波动。热风炉不同状态间的实践数据显示，其出口温度每降低100℃,焦比上升约15kg/t，喷煤量减少30~40kg/t［2］。由此可见，换炉风压、风温的波动直接影响高炉经济效益。

　　现阶段，国内大多数热风炉操作还处于半自动操作状态，主要依赖人工干预。该操作不仅增加了操作人员的工作量，还加剧了事故发生率。随着工业智能化水平的逐渐提高，在适应工业发展的前提下，如何实现全自动操作以控制热风风温及风压是实现高炉热风炉全自动操作的关键因素。

　　1热风炉生产现状分析

　　热风炉的系统控制方式主要包括全自动操作、半自动操作、手动操作、机旁操作四种方式［3］。大部分高炉热风炉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［4］。而系统在现实操作中仍未实现。

　　1.1温度波动对高炉生产影响

　　在热风炉交替送风过程中，由于“先行炉”随着送风时间的延续，风温逐渐降低；而“后行炉”在送风初始时风温较高，整个送风接续过程中风温波动大，进而对高炉生产产生影响。

　　换炉过程中，热风温度会出现短暂波动。如果新投

　　入使用的热风炉温度较低，送入高炉内部的热风会扰乱炉内温度场分布，导致高温区热量不足，炉缸温度降低，影响焦炭的燃烧过程和渣铁流动性，进而影响高炉的顺行和铁水质量。长期反复的温度波动也会加速砖衬的损坏，减少高炉使用寿命。

　　1.2压力波动对高炉生产影响

　　目前，热风炉的换炉充压工序多沿用“鼓风机分流充压”工艺［4］，即从冷风总管中引出一根充压管（配冷风均压阀）为热风炉充压。鼓风机以恒定风压、风量向高炉供风。当一座热风炉由燃烧转为换炉过程，就需要进行充压操作。由于充压过程需要从总冷风中分流少部分冷风，会瞬间降低进入高炉的热风总量及压力，随着充风量的增加，风压大幅下降，风压波动对高炉产生的影响如下：

　　1.2.1破坏高炉顺行

　　换炉时，热风管道内的压力会发生变化，这种压力波动会传递到高炉内，打破高炉原有的压力平衡，导致炉内气流分布不均匀，影响还原气体与炉料的接触和反应，降低煤气的利用率，增加燃料消耗；严重时甚至引发悬料、崩料等事故，破坏高炉的正常操作。

　　1.2.2影响高炉透气透液性

　　高炉生产时，软熔带位置与厚度对冶炼过程最为关键，也是影响炉况顺行、保证高产低耗的关键因素［5-6］。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［7］。上述情况会导致高炉的燃料消耗增加，产量降低。

　　综上所述，所有沿用鼓风机风流充压的工艺，均不能取消“高炉生产管控热风炉换炉”制度。因此，对于热风炉的操作水平还是以半自动或手动操作为主［4］。

　　2全自动操作设计方案

　　热风炉运行主要采取稳定风压、稳定风温、提高智能化检测控制等措施进行改善，以实现全自动操作。

　　2.1稳定风压

　　设置一套独立于热风炉系统的外均压系统，主要由高压球型储罐、空压机组、调压阀组、管道、阀门及自动化控制系统组成。

　　2.1.1系统工作原理

　　空压机组产生的高压压缩风进入高压球型储罐。通过储存在高压球型储罐内的稳定压缩空气，经“汇流排”装置［8］，两级调压，达到炉内需求压力后，与既有鼓风系统控制下的内均压系统进行并联。由此既可实现脱离鼓风系统单独进行充压，也可以在外均压系统需要检修或者维修时转化为内均压，实现两套系统切换使用。

　　2.1.2系统参数设计

　　高压球型储罐体积可根据克拉伯龙气体状态方程进行计算，如式（1）：

　　PV=mRT/M（1）

　　式中：P为气体压力，kPa；V为气体体积，m3；m为气体质量，kg；R为气体常量，kg/m3；T为气体温度，K；M为气体摩尔质量，g/mol。通过式（1）计算不同压力、不同温度状态下的气体体积。根据现场实际操作过程中换炉时间，选定空压机排量。

　　2.2风温稳定技术

　　采用热交错并联技术稳定风温［6］，前提条件基于高炉配套4座热风炉，并且送风制度为两烧两送。在冷交错并联的基础上，取消混风。通过调节进入两座不同温度的热风炉冷风流量而稳定风温，从而显著缩小高炉入炉风温与热风炉拱顶温度的差值。

　　热交错并联需要在热风炉冷风支管上设置调节阀，用于控制进入炉膛的冷风量，从而实现热风温度的稳定调节。

　　2.2.1冷风调节机制

　　通过调节热风炉冷风阀后的冷风调节阀，可调整进入“先行炉”和“后行炉”的冷风量。这种调节方式能够使低温热风与高温热风在热风主管中混合后，达到规定的入炉风温。

　　2.2.2送风制度

　　“以热交错并联为主，辅以冷交错并联”的送风制度，在交错并联送风模式下，确保送风过程的连续性和稳定性。热风炉工作制度，如图1所示。交错并联工作制：四座热风炉进行生产，在同一时期内，有两座热风炉交错半个送风周期。

　　2.3全自动智能控制系统

　　基于热风炉自动燃烧、自动送风、自动换炉程序已经应用于热风炉的操作过程中，增加智能化控制程序。控制系统采用基于PLC（可编程逻辑控制器）或DCS（分布式控制系统）的自动化控制方案。通过布置在热风炉各关键部位的压力、温度、流量传感器实时采集数据，并将数据传输至控制系统。控制系统根据预设的控制策略和算法，自动控制外部空压机的启停、球罐的补气与泄压、阀组的开关及开度调节，实现均压过程的全自动化、精准化控制。

　　（1）控制系统自动确认高压球型储罐压力极限值，处于设定压力最低值时，外均压系统停止工作，提示操作人员切换至内均压程序。

　　（2）当收到热风炉充压指示后，自动开启外均压切断阀和高压气罐出口切断阀；经汇流排调压装置以“小压差大流量”“分段式、恒压差”方式，向热风炉进行快速充压。当炉内压力与冷风压力差值≤10kPa时，外均压切断阀和高压气罐出口切断阀关闭。

　　（3）外均压控制程序根据联锁条件，结束充压后向主控制程序发出送风指令，由主控制程序依次开启热风阀和冷风阀，完成热风炉从“燃烧”向“送风”模式切换［8］。

　　（4）送风过程中，冷风调节阀根据热风温度设定值

　　自动调节，后行炉的冷风调节阀正作用，风温升高；而先行炉的冷风调节阀反作用，风温降低［9］。考虑到冷风调节阀在掉电、断气、断信号、机械故障等控制失常情况，在设计初始可设置双调节阀。实现双路供电，供气。热交错并联工艺的控制原理图，如图2所示。

　　3应用效果

　　首钢京唐首次将热风炉炉外均压技术及热交错并联技术应用在全自动操作系统中，并取得了良好成果。

　　3.1缩短热风炉换炉时间

　　通过外均压系统的快速压力平衡作用，缩短热风炉换炉时间，原热风炉换炉时间平均15min，现已缩短至8min，大幅减少了因换炉导致的高炉休风时间，提高了高炉的作业率和生产效率。

　　3.2节约煤气

　　均压过程不再依赖高炉煤气，减少了煤气消耗。同时，快速换炉减少了换炉过程中的煤气泄漏和燃烧不充分现象，煤气节约10%，降低了高炉炼铁的生产成本［8］。

　　3.3降低鼓风量

　　外均压系统实现了快速、精准均压，减少了换炉过程中因压力波动导致的鼓风量损失。经实际测算，鼓风量降低5%，减轻了鼓风机的负荷，降低了电力消耗。

　　3.4降低焦炭量

　　风温的稳定提升降低了煤气、鼓风量的消耗，改善了高炉内的燃烧条件，提高了热能利用效率，高炉喷煤量增加12%，焦炭消耗降低5%，进一步降低了生产成本。

　　3.5提高风温

　　换炉时间的缩短和均压过程的稳定，减少了热风炉热量损失，使热风炉能够保持较高的蓄热水平，从而提高了送风风温。风温平均提高20℃,为高炉高效冶炼创造了有利条件。

　　4结论

　　为了完善高炉热风炉全自动操作控制系统，分析了风温与风压变化对高炉操作影响，并以首钢京唐3#5500m3高炉为例，阐述了热风炉炉外均压技术，以及热交错并联技术应用在全自动操作系统的应用。现场生产数据表明，全自动操作系统的应用能够缩短热风炉换炉时间、提高风温、降低鼓风量、焦比以及煤气消耗量，对于稳定高炉生产具有重要意义。

参考文献

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