一种炼铁熔融还原炉(SRV)配套热风炉系统的自动控制实践

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　　摘要：本文介绍了与HISMELT熔融还原炉配套的热风炉系统的工艺、控制系统配置、控制和操作策略以及和传统高炉配套热风炉系统的差异。结合实例详细说明了该热风炉系统在控制和操作上的应用实践及其与熔融还原炉生产操作的联系和配合。
　　关键词：SRV炉;HISMELT;热风炉
　　中图分类号：TF325 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）02-0001-03
　　0 引言
　　炼铁最主流的工艺为高炉炼铁。高炉炼铁经过上百年的发展，已成为目前最为成熟的工艺过程，具有技术成熟、产量大、效率高等优点。另一方面，其缺点也是不容忽视的。一是高炉炼铁离不开焦炭，然而焦炭资源越来越少，价格越来越高，造成炼铁成本也不断上涨;二是现代高炉的生产流程长，能耗和排放量都比较高;三是能源的消耗率高。
　　熔融还原炉（Smelting Reduction Vessel，简称SRV炉）是近几十年开发出的非高炉炼铁工艺。目前，有较大发展且已实现工业化的SRV炉工艺技术方案有HISMELT、COREX和FINEX等[1]。本文讨论的热风炉系统配套SRV炉采用的工艺方案为HISMELT。HISMELT工艺对预热处理后的铁矿粉或其他合适的含铁原料进行处理，并喷吹煤粉以提供整个系统冶炼所需的还原剂及热量。相比传统的高炉炼铁工艺，SRV炉方案省去了烧结和焦化两个环节，原料适应性强，操作灵活，在同样产能下节省了大量的投资及运行成本。作为SRV炉的配套系统，热风炉的作用是将鼓风机站送来的冷风持续加热成热风后，送入SRV炉中。其配置类似于传统高炉配套的热风炉系统，但在设备配备和自动控制策略上针对SRV炉的操作和运行特点也做出了一些调整。
　　本文以采用HISMELT技术的SRV炉（下文中的“SRV炉”均指采用HISMELT工艺方案的熔融还原炉）配套热风炉系统为基础，介绍了该热风炉系统的主要工艺配置、自动化配置和工艺过程的控制方案，并着重介绍了其与高炉配套热风炉系统的不同之处。
　　1 HISMELT熔融还原的工艺技术简介
　　SRV炉生产作业时，采用N2作载体将含铁原料、煤和熔剂等经两套喷吹系统直接注入到炉体内部下方的铁水熔池中。不同物料的喷枪间隔设置，喷枪以向下一定倾角的方式安装在熔融还原炉的中部。随着煤在铁水熔池高温渣铁液中溶解和裂解，热粉矿中的铁氧化物也在熔池中迅速被碳素还原[2]。含铁料中的脉石、煤中的灰分和熔剂在铁水熔池中熔化形成熔渣。同时，经热风炉加热后的热风经由SRV炉顶部的热风喷枪吹入炉中。风温约1200℃。
　　SRV炉的生产率由物料的喷吹量、热风温度、热风富氧率、矿粉温度及其预还原度来调节。SRV炉的富氧操作使用含O2≤95%的低纯度氧气，最高富氧率约为35%，要高于高炉生产通常3%-5%的富氧率。必要时，SRV炉也可以采取停止喷吹矿粉物料，只喷入少量煤并鼓入热风的方式停止冶炼过程进行保温操作。
　　按照生产操作的特点不同，SRV炉的生产状态可划分为“休风”、“闷炉”、“正常”、“故障”等四个状态。SRV炉“休风”与高炉类似，基本处于暂停生产的状态。SRV炉在该状态下时，热风炉不再给SRV炉送风。SRV炉“闷炉”是SRV炉进行炉内保温的操作状态。在这一状态下，热风炉送往SRV炉的风量和风温都保持在低水平，且不进行鼓风富氧操作。SRV炉“正常”是SRV炉经常性的生产状态，这时，热风炉送风的风量、风温和掺混氧气量等参数根据SRV炉对生产率的控制要求进行动态调节。SRV炉“故障”状态顾名思义，该状态下热风炉系统应立即换炉至“闷炉”。
　　2 热风炉系统工艺配置
　　热风炉系统工艺设备配置与传统热风炉基本相同，主要在烧炉的设备配置上针对SRV炉操作特点有所增减。
　　SRV炉的生产操作相比高炉要灵活，生产中会根据需求及物料、设备状况随时调整生产强度，使得SRV炉产出的煤气具有煤气量波动大，煤气热值低的特点。为此，热风炉烧炉采用了两套方案：混合煤气（即SRV炉煤气掺混天然气）烧炉方案和纯天然气烧炉方案。因此，每座热风炉多设置有一组助燃空气管路、一组天然气燃烧器以及与之配套的天然气燃烧阀。烟气管道由两套烧炉方案共用。从总管而来的天然气至热风炉区域后，分为两路：一路直接将天然气送至每座热风炉的天然气燃烧器;另一路则经天然气流量调节阀后，引入热风炉区域的SRV炉煤气总管。
　　热风炉是否采用SRV炉煤气烧炉取决于当前SRV爐及配套系统的生产状态。当SRV炉状态为“正常”且SRV炉煤气量充足时，可采用SRV炉煤气掺混天然气进行烧炉。掺混天然气能显著提升煤气热值，提高热风炉烧炉的升温速率和拱顶温度。天然气掺混比例由控制程序依照实时检测的SRV炉煤气热值自动调节。不过，因天然气的热值远远高于SRV炉煤气热值，为防止混合煤气热值过高对热风炉设备造成不利影响，控制程序自动对掺混量进行限制并在过量时发出报警。若SRV炉工艺条件不允许，则采用纯天然气烧炉方案。纯天然气烧炉方案所用的助燃空气和天然气的流量均为人工现场调节，不参与自动控制。
　　3 热风炉PLC控制系统配置
　　热风炉系统设置有独立的PLC。PLC系统采用Siemens S7-412H冗余热备CPU，并设有7个ET200M远程I/O从站（RIO）。S7-400主CPU机架上安装有供电模块、CPU模块和CP443-1以太网通讯模块;其余I/O模块全部配置在I/O从站上。I/O从站配置IM153-2接口模块，通过Profibus-DP网络连接至PLC主站。
　　在PLC系统主站所在机柜中设有以太网络交换机。交换机上配置有光纤接口，通过单模玻璃光纤连接至SRV炉主操作室的交换机上。此外，在热风炉PLC系统I/O从站上安装了一台Profibus-DP网络耦合器（158-0AD01-0XA0），用于实现与SRV炉PLC系统之间Profibus-DP网络主站至主站的通讯[3]。与SRV炉控制系统之间的状态交换信号和联锁控制信号都借助Profibus-DP网络完成。 　　热风炉HMI监控设有三台操作员站。其中两台操作员站放置在热风炉操作室，一台操作员站放置在SRV炉主操作室。各操作员站用网线连接至以太网络交换机上。PLC编程软件使用SIEMENS的STEP 7 v5.5 SP3;操作员站选用单机授权的SIEMENS WinCC v7.0 SP2上位机监控软件。
　　4 热风炉系统的自动控制
　　4.1 热风炉的换炉控制
　　与高炉系统配套热风炉类似，热风炉系统的操作模式可划分为“闷炉”、“煤气烧炉”和“送风”三种。另外，对应于“纯天然气烧炉”烧炉方案，本热风炉系统还多出了一个“天然气烧炉”操作模式。
　　热风炉系统换炉一般包括3種方式，即全自动方式、半自动方式和手动方式。顾名思义，全自动换炉方式根据预先在程序中设定的送风时间、送风温度等条件自动触发，并由自动程序控制实现换炉操作，无需人工干预。不过，全自动换炉方式对SRV炉的操作和系统间的协调也有比较高的要求。究其原因，主要是热风炉换炉过程中热风压力和热风流量不稳定的波动造成的。换炉时，预送风的热风炉必须先进行充压操作，这一过程中，部分冷风分流至预送风热风炉，导致风量的迅速减少，进而不可避免的会引起风压的波动。风压、风量的波动势必对SRV炉炉况和正常的生产操作造成不利影响。当SRV炉况正好不顺时，突然而至的热风炉换炉过程甚至会造成严重后果。考虑到SRV炉的工艺操作还没有完全成熟，处于试验和摸索阶段，本系统在实践中仅采用了半自动甚至手动方式换炉的操作画面，但在控制程序中，仍预留了全自动换炉的控制逻辑和接口。
　　当某一热风炉具备换炉至送风状态的条件时，热风炉操作人员需先与SRV炉操作人员确认，得到对方允许方能开始换炉操作;否则，预送风热风炉应维持在烧炉状态做保温操作，或转至闷炉状态。若闷炉期间拱顶温度下降过多，热风炉还需重新进行烧炉升温操作。即使是采用半自动方式换炉，也应采取必要措施减少热风炉从闷炉转至送风过程中对风温和风压的扰动。通常的充压过程是首先打开充压阀，并监测充压阀前后差压（ΔP）变化。待充压阀前后差压（ΔP）下降至10kPa以下时，再依次打开热风阀和冷风阀。一次性打开充压阀的操作过程仍会对鼓风风压和风量造成冲击，因而本热风炉系统在换炉过程中，应用了步进（或者称为分步）充压的方式。控制过程需利用到充压阀阀体上设置的一个机械中间位。同时，在自动控制程序中设置一个虚拟中间位，并添加定时开阀和停阀逻辑。充压操作开始后，程序首先控制充压阀开至机械中间位并停阀，待冷风阀前后的压差低于1#设定值时，继续开至虚拟中间位并停阀，待冷风阀前后压差低于2#设定值时，将充压阀全开。1#，2#设定值可根据实际生产情况在HMI画面调整。充压控制的流程如图1所示：
　　热风炉“闷炉”与“煤气烧炉”间的半自动方式换炉过程与通常高炉配套热风炉的操作一致，本文不再赘述。“闷炉”与“天然气烧炉”间的换炉过程则全部由操作人员手动操作完成。
　　4.2 热风炉的烧炉控制
　　热风炉的烧炉过程从本质上说就是对蓄热室的蓄热过程。热风炉完整的烧炉自动化控制包括煤气流量控制、助燃空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制和废气温度控制，如图2所示：
　　前文已述，SRV煤气量和煤气热值在实际生产过程中均有较大波动，对热风炉烧炉控制十分不利。为此，在烧炉控制策略上，本系统采用了传统的固定助燃空气流量，由控制程序按照空燃比间接调整煤气流量的方式。同时，用实际助燃空气流量对煤气流量PID控制器设定进行限幅;用斜坡函数对煤气流量PID控制器输出进行限幅。以上措施有效防止了煤气流量阶跃式的变化对燃烧过程稳定性的影响和对安全生产的威胁。
　　整个烧炉过程可划分为三个阶段。在烧炉的第一个阶段（烧炉初期），热风炉拱顶的温度很低，煤气燃烧的热量大部分被拱顶的蓄热材料吸收，拱顶的温度迅速上升，蓄热室中下部温度则上升缓慢。在这一阶段，操作人员根据生产经验设置一个初始空燃比和助燃空气流流量设定，以较大的煤气量与助燃空气量对拱顶进行快速加热，以期使拱顶温度迅速上升至工艺操作的规定值。当拱顶温度上升到规定值附近后，就进入了热风炉烧炉的第二个阶段，即拱顶温度管理期。这时，逐步增加空燃比，在维持助燃空气流量基本不变的情况下，减小煤气的流量以保持拱顶温度维持在规定值基本不变。本阶段的操作目的是要提高并稳定废气的升温速度。到第三阶段也就是烧炉末期，热风炉的废气温度已上升至设定值。在热风炉操作未下达换炉指令前，应慢慢减少对热风炉的供热量，以防止因拱顶或废气温度超高对热风炉的服役寿命造成不利影响。这一阶段的控制策略是同时降低空燃比和助燃空气流量设定值，使助燃空气和煤气流量都维持在较低的水平。
　　应用中，这套烧炉控制策略结合自动程序的辅助控制显示了对SRV炉煤气波动工况较好的适应性，实现了热风炉烧炉的平稳操作。
　　5 结语
　　（1）本热风炉系统与配套SRV炉于2016年投入使用。从几年的运行情况看，整体运行稳定可靠。（2）SRV炉作为新兴的非高炉炼铁技术，具有广阔的应用前景和价值。与之配套的热风炉系统的设计除借鉴传统高炉热风炉系统设计外，还应结合SRV炉自身操作特点，针对性地优化自动化系统和设备的配置，进一步提升热风炉系统整体的自动化水平和安全水平，降低操作人员的劳动强度。
　　参考文献
　　[1] 张向国，贾利军.我国熔融还原炼铁技术发展现状及生产实践[J].冶金与材料，2019，39（4）：90-91.
　　[2] 唐恩，臧中海，喻道明，等.HIsmelt 熔融还原炼铁技术的新进展[J].炼铁，2010，29（2）：60-62.
　　[3] 崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2005.
　　The Automation Control Practice of  the Hot Stove System Supporting a HISMELT Type SRV Furnace
　　WU Jing-wei
　　（WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited.， Wuhan  Hubei  430223）
　　Abstract：The paper introduced the process & control system configuration， and control & operation strategies of a hot stove system supporting the HISMELT type SRV furnace， especially on the differences comparing with hot stove systems companied with traditional blast furnaces. A practical application is described to illustrate how the hot stove system works and cooperates with the SRV furnace in detail.
　　Key words：SRV furnace; HISMELT; hot stove
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