热风炉精细化烧炉控制技术

技术秘密全文
一、技术秘密名称：热风炉精细化烧炉控制技术
二、股份公司原有技术及存在的问题
现有大中型高炉的热风炉一般为四座热风炉，采用两烧两送方式工作，烧炉采用DCS（即Distributed control system，直译为分散控制系统）进行控制的，对煤气和空气采取双闭环比值控制的方式进行配比燃烧，由操作工根据拱顶温度的变化情况及废气残氧量不定时地修改空燃比。

为了满足高炉对高风温的需要。

一般采用尽量提供足够的焦炉煤气或热值较高的转炉煤气，采用废气含氧量加双闭环比值控制和过量氧气系数的办法来满足自动控制和高风温的需要。

在热风炉作业中要保护设备而须管理格子砖温度分布，此外还因使能耗最小而需在燃烧时对煤气流量作最优设定。

前者除了保护拱顶使不超上限温度外，由于硅变形点为1350℃以下，为防止达到此温度时硅砖膨胀而破裂，还须在送风末期管理这一温度。

现有技术的热风炉煤气等流量自动设定主要是按热平衡和检测数据来计算送风终了时的蓄热量，但没有足够精确度的残热推断和温度分布的数学模型，为此还需手动设定。

但上述方法不足在于：
使用方法（1）无法用最经济简单方法提供尽可能高温度的热风。

而最经济科学的方法是，尽可能多的使用高炉煤气，并且在保证高风温情况下尽可能减少焦炉或转炉煤气的使用量。

使用方法（2）由于其使用废气烟道中装有的残氧量测量仪对残氧量进行闭环跟踪调节，由于其控制输入参数为已发生，因此调节反映较慢，不利于节
约能源，同时此也不能满足最佳空燃比所要求的精度。

三、国内外解决同类问题的技术方案
目前国内高炉热风炉的烧炉控制方式因建炉时间和体积的不同以及不同钢铁企业之间，其控制水平千差万别，但目前均无法真正实现烧炉的自动控制，主要有以下几种控制方式：
A、采用分立仪表控制的，多见于一些比较老的中小高炉（100-1000m3）上，这部分热风炉燃烧控制都是手工调节，燃烧效果的好坏取决于热风炉操作工的“勤心”、“细心”、“精心”。

根本谈不上自动控制。

B、采用PLC或DCS进行控制的，多见于后期新建或大修后改造过，有些企业对煤气和空气的配比燃烧采取双闭环比值控制的方式，或分别采用单回路自动控制，由操作工根据拱顶温度的变化情况不定时地修改空燃比，以提高拱顶温度。

但是煤气热晗值的变化是比较频繁的，尽管有经验丰富且勤快的操作工经常操作，也难于保证给出的空燃比是最佳的，何况要保持其长期性。

加上调节阀频繁动作，容易损坏。

因此热风炉的烧炉控制根本无法达到最优。

虽然部分热风炉采用新的工艺技术，使热风炉送出的风温较高，多在1050-1250℃之间，甚至更高，但是还是无法使热风炉的烧炉真正实现自动控制，并使得空燃比随时处于最佳值。

C、国内部分高炉操作水平很高的企业，对热风炉自动烧炉和对风温要求自然也很高，因此想尽办法提高风温并实现自动烧炉，除热风炉采用新的工艺技术外，在烧炉控制上除采取上述双闭环比值控制外，还增加煤气热值仪和废气分析仪，这样从理论上可以实现自动烧炉。

但是煤气热值仪和废气分析仪滞后大、控制精度低、稳定性差、维护量极大，在自动烧炉和风温的提
高上仍然无法实现。

而当前国内几乎所有高炉热风炉的空燃比均由人工通过判断参数情况、燃烧状况等计算提供，谈不上烧炉过程的自动控制。

目前，国外也没有完全解决此问题。

据报导，美钢联2002年投资5000万美元进行热风炉烧炉自动控制和最佳燃烧控制的研究，且取得一定进展，但具体效果未见进一步报道。

“十五”期间冶金协会将热风炉烧炉自动化列为重点技术开发及推广的项目，但至今国内钢铁企业在这一领域仍未有大的改观。

可见，如何提高风温并实现热风炉烧炉过程的自动化，是国内外各钢铁企业的迫切要求。

四.技术秘密的具体内容
热风炉的蓄热量多少，与格子砖表面的温度乘以时间的面积成正比，因时间较固定，而要使蓄热量大，一定要尽可能快地把拱顶温度烧到最高，然后尽可能使顶温在稳定中缓慢上升，而这须保证空燃比一直处于最佳状态。

从直观上看，以“烟道含氧量”和“煤气热值仪”上能直接给出最佳空燃比。

但在实际应用中，用这两种方法给出的最佳空燃比并非实际最佳值，主要原因：(1)、实际最佳值受热风炉本身结构影响，（2）、实际最佳值的要求精度要达到0.3%以上，才能使得自动烧炉比人工烧炉的温度高；而上述两种方法本身的精度远低于0.3%。

而热风炉计算机软件自寻优技术提高风温和自动烧炉控制系统，以灵敏度极高的拱顶温度为目标值，结合热风炉的燃烧数学模型，能在1-2分钟左右找到实际最佳空燃比，并控制煤气调节阀及空气调节阀，使实际流量的随时处
于最佳状态，而不受煤气压力变化及煤气热值变化的影响；而人工烧炉，尽管在短时间（5分钟）能找到最佳空燃比，但要随时调节煤气阀与空气阀，使实际空燃比保持在最佳状态，较短时间（30分钟）有较大难度，而长时间(8小时)却根本做不到。

而经过不但能实现烧炉的自动化，而且能比人工烧炉平均风温提高15℃以上。

具体内容和技术路线如下：
1)、系统连接示意图及说明
本系统需要提供每个热风炉的拱顶温度、废气温度、煤气流量、空气流量及煤气总管压力和阀位反馈信号，由双路信号隔离器中的一路，送入TS3000C 专用的智能多功能控制器进行信号处理及运算，并与计算机通讯连接，而计算机作为人机接口的重要手段，提供控制参数的调整设定等软件开发的工程师输入界面，以及热风炉操作工日常操作的人机交互界面，其综合连接示意图如下：
系统连接示意图一：
RS232 4-20mA/1-5VDC /RS485 隔离信号
工控机
4-20mA 信号
2)、针对750m 3高炉热风炉的情况描述及系统连接 TS3000-C 控制器
煤气阀和空气阀的控制信号
每个热风炉的拱顶温度、废气温
度、煤气流量、压力和空气流量及煤气阀、空气阀的阀位反馈信号
750m 3高炉热风炉主要由3座炉组成的，为两烧一送，每个热风炉烧炉2小时，送风时间为1小时，烧纯高炉煤气。

目前该热风炉采用美国WESTING HOUSE Ovation 的DCS 控制系统，现场仪表维护良好，控制阀工作正常，硬件上具备良好的安装条件。

日常操作采用固定煤气流量、设定空燃比的烧炉方式。

这里采用一套TS3000C 多功能控制器硬件（含3座热风炉信号处理控制），750m 3高炉热风炉系统连接示意图二：
750m 3高炉热风炉系统连接示意图二：
4-20mA
经转换开关 RS485 4-20mA /1-5V
信号隔离
3)、系统日常操作：
操作工在每个热风炉开始烧炉时，在系统的监控操作画面上，用鼠标点击一下该热风炉操作画面的“自动烧炉”按键，即开始自动烧炉，烧炉过程不再需要人工干预，直至送风；送风前用鼠标点击该热风炉操作画面的“停炉”按键，如此即完成整个烧炉控制，整个操作控制界面非常友好，易于掌握学习。

由于原DCS 系统作为后备操作，阀位控制采用转换开关送来，当系统投入“自动烧炉”时，不影响原系统。

而当转换开关切回原系统的信号连接，则TS3000C 控制器 1#、2# 、3#热风炉的拱顶温度、
废气温度、煤气流量、和空气
流量及煤气阀、空气阀的阀位反馈信号，煤气总管压力信号 1#、2#、3#热风炉煤气和空气控制
阀共6台
RS485/232
转换器
与原系统的模式完全一样，因此，原系统是完全后备。

4)、操作工培训：每个操作工只要经过约30分钟的培训，即可掌握。

5)、系统验收与交付使用：由专业工程师和有关工艺人员共同进行确认，即实现自动烧炉并将平均风温提高这两个目标，即视为系统验收通过；自系统验收通过之时，即可完全交付经培训的操作工进行日常生产的操作控制。

6)、日常维护：无需特别的维护，只需要确认仪表送过来的相关参数和相关设备工作正常即可。

五、实施后效果
与现有的技术相比，本技术的主要特点是实现简单，反应速度快。

下面的图形是该技术在750m3热风炉应用前后的记录曲线对比。

废气含氧记录曲线
拱顶温度记录曲线
从图上可以看出，在不提高煤气发热值的前提下，该技术应用后废气含氧量的相对误差明显减小，拱顶温度得到有效提高。

因此，该技术不仅仅在理论上可行，而且在实际应用中达到了一定的效果。

六、同类企业实施该技术的可能性
该技术已经高炉得到使用，且使用效果良好。

已有同类型的高炉具有一定的推广使用价值。