“一鍵式”INBA沖渣在萊鋼3200m3高爐上的研究與應(yīng)用

孫豐利

摘要：INBA渣處理技術(shù)是引進(jìn)盧森堡Paul Wurth（PW）公司的一種新型高爐熔渣處理工藝，可以將高爐爐渣轉(zhuǎn)為高品位的水泥原材料，實(shí)現(xiàn)爐渣的再生利用，是集經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益與環(huán)保效益于一體的高爐水渣處理新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：一鍵式?jīng)_渣；脫水轉(zhuǎn)鼓；自控技術(shù)；環(huán)保節(jié)能

概述

高爐爐渣是高爐煉鐵的主要副產(chǎn)品之一。在傳統(tǒng)的高爐冶煉工藝中，未經(jīng)過處理的爐渣一般作為廢棄物運(yùn)出廠區(qū)廢棄，不僅浪費(fèi)資源，而且污染環(huán)境。所以選擇一種運(yùn)行可靠、配套合理、綜合經(jīng)濟(jì)效益好的爐渣處理系統(tǒng)妥善處理爐渣，充分開發(fā)爐渣的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是極為重要的?，F(xiàn)代渣處理主要是采用水力沖渣的方式將高爐煉鐵產(chǎn)生的熱態(tài)爐渣沖制成水渣的一種技術(shù)。這樣不僅可以解決高爐爐渣產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，更重要的是，水渣還可以作為生產(chǎn)水泥、混凝土、隔熱填料、礦渣微粉等的主要原料，可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1.研究內(nèi)容

INBA系統(tǒng)具有設(shè)備復(fù)雜、布置緊湊、工藝成熟的特點(diǎn)，因此對自動(dòng)化程度要求非常高。為了使這項(xiàng)技術(shù)能取得良好的運(yùn)用效果，本文結(jié)合工藝和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)將INBA渣處理法應(yīng)用于萊鋼3200m3高爐的目標(biāo)，對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)控制，主要研究系統(tǒng)全自動(dòng)控制——“一鍵式”INBA沖渣的實(shí)現(xiàn)，并自動(dòng)計(jì)算渣流量，技術(shù)上主要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際實(shí)現(xiàn)脫水轉(zhuǎn)鼓變頻、變頻冷卻泵的自動(dòng)調(diào)速，使水渣能夠高效、方便的粒化、脫水、冷卻、運(yùn)輸，在控制上給操作人員帶來極大的方便，使系統(tǒng)達(dá)到節(jié)約用水，環(huán)保的目的。

系統(tǒng)主要分為三大部分：皮帶連鎖啟停，水循環(huán)連鎖以及脫水轉(zhuǎn)鼓控制。

（1）按照工藝，程序要實(shí)現(xiàn)渣運(yùn)輸皮帶逆啟順停的控制。

（2）INBA水循環(huán)系統(tǒng)主要分為?；?、冷凝水路以及再循環(huán)水路，要分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單機(jī)控制與自動(dòng)啟停，實(shí)現(xiàn)INBA主循環(huán)，即轉(zhuǎn)鼓皮帶、轉(zhuǎn)鼓電機(jī)、再循環(huán)泵、粒化泵、冷卻泵、冷卻塔等設(shè)備的“一鍵式”連鎖自動(dòng)控制。另外，INBA渣處理的冷凝系統(tǒng)和皮帶也實(shí)現(xiàn)了“一鍵式”操作。

（3）實(shí)現(xiàn)INBA系統(tǒng)的核心設(shè)備——脫水轉(zhuǎn)鼓的變頻控制，使轉(zhuǎn)鼓能夠自動(dòng)調(diào)速，充分分離水渣混合物，達(dá)到最大限度的利用率；還可以根據(jù)轉(zhuǎn)鼓自動(dòng)調(diào)速的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出渣流量。

2.“一鍵式”沖渣的實(shí)現(xiàn)

2.1工藝介紹

目前的環(huán)保節(jié)能型INBA是針對原來普通INBA系統(tǒng)中如水資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題所進(jìn)行的改進(jìn)。通過工藝流程的改進(jìn)，不但實(shí)現(xiàn)沖渣用水的循環(huán)使用，而且對沖渣過程中產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行相應(yīng)處理，從而減輕對環(huán)境的污染。新INBA法包括以下幾個(gè)系統(tǒng)：?；废到y(tǒng)、冷凝水路系統(tǒng)、高壓清洗水系統(tǒng)及事故水系統(tǒng)。

高爐爐渣經(jīng)熔渣溝進(jìn)入?；?，被?；鋰姵龅膸焊咚偎骺焖俅憷浜土；纬深w粒狀水渣，?；a(chǎn)生的渣水混合物，從?；鬟M(jìn)能夠自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速的脫水轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行渣水分離，濾出的渣由通過轉(zhuǎn)鼓中心的皮帶運(yùn)輸至堆渣場裝車外運(yùn)。轉(zhuǎn)鼓過濾后的水進(jìn)入位于轉(zhuǎn)鼓下的熱水池中，經(jīng)冷卻泵提升至冷卻塔進(jìn)行冷卻，再由?；盟椭亮；淅^續(xù)沖渣，循環(huán)使用。

由于轉(zhuǎn)鼓過濾時(shí)會(huì)有少量的水渣將轉(zhuǎn)鼓的篩網(wǎng)孔眼堵塞，為了清洗篩網(wǎng)，需要用高壓清洗水對篩網(wǎng)進(jìn)行吹掃，這部分水通過生產(chǎn)水加壓或用高爐高壓凈環(huán)水供給。同時(shí)有部分水渣穿過篩網(wǎng)進(jìn)入水中，為了避免水渣在熱水池底部沉淀，需要將該部分的水渣經(jīng)再循環(huán)泵打到連接件內(nèi)進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓再次分離。

爐渣?；^程中會(huì)產(chǎn)生大量的蒸汽，同時(shí)也隨蒸汽帶走了部分小顆粒的水渣，為了凈化環(huán)境，回收蒸發(fā)水，需要對蒸汽進(jìn)行直接的冷凝，冷凝水由冷凝泵供給。冷凝之后的水經(jīng)管道流入緩沖罐，然后經(jīng)冷凝回水泵加壓送冷卻塔，冷卻后的水進(jìn)入冷水池再用冷凝泵送冷凝塔供蒸汽的冷凝使用。

當(dāng)?；到y(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以臨時(shí)啟用緊急事故水裝置進(jìn)行供水，以此完成對爐渣的繼續(xù)?；瑫r(shí)間通常為幾分鐘，同時(shí)操作人員應(yīng)立即對事故進(jìn)行處理。

2.2控制功能

高爐一般在出鐵后10～15分鐘開始出渣，當(dāng)系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)滿足沖渣條件時(shí)，操作工便可以于出渣之前啟動(dòng)設(shè)備。在接到高爐出渣的通知后，操作人員首先點(diǎn)擊畫面上的“皮帶啟動(dòng)”按鈕，使水渣運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行，皮帶自動(dòng)控制遵循“逆啟順?！钡脑瓌t；皮帶啟動(dòng)后，在全自動(dòng)情況下，操作人員只需點(diǎn)擊主畫面上“INBA啟動(dòng)”按鈕，即可實(shí)現(xiàn)“一鍵式”沖渣。

系統(tǒng)將按照以下順序啟動(dòng)：

啟動(dòng)轉(zhuǎn)鼓皮帶機(jī)→啟動(dòng)脫水轉(zhuǎn)鼓→啟動(dòng)壓縮空氣吹掃閥→啟動(dòng)再循環(huán)水路→打開?；鋵?yīng)閥門→啟動(dòng)粒化水路（包括?；眉氨煤箝y門）→啟動(dòng)冷卻水路（包括冷卻泵及泵后閥門）→根據(jù)溫度需要決定是否開啟冷卻塔，由此形成一個(gè)閉路循環(huán)系統(tǒng)。出渣結(jié)束后，點(diǎn)擊“INBA停止”按鈕即可停止沖渣，再點(diǎn)擊“皮帶停止”結(jié)束整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。

（1）再循環(huán)水路：在脫水轉(zhuǎn)鼓運(yùn)行之后，即可啟動(dòng)再循環(huán)水路。入口電動(dòng)閥為常開狀態(tài)，可以直接開啟兩臺(tái)再循環(huán)泵。由再循環(huán)泵將熱水池底部的細(xì)小水渣混合物運(yùn)送到粒化塔，經(jīng)過脫水轉(zhuǎn)鼓再次脫水，形成一個(gè)小的閉環(huán)水回路。

（2）?；罚毫；霉灿腥_(tái)，兩用一備。在啟動(dòng)水回路之前，操作人員根據(jù)所選擇的出渣口來選擇?；洹Ｔ诔绦蛑袑?shí)現(xiàn)了所選?；鋵?yīng)閥門的自動(dòng)開關(guān)。如果條件滿足，則根據(jù)?；渌鶎?yīng)上腔管路啟動(dòng)一臺(tái)?；?。當(dāng)渣流量大小超過4噸/分鐘時(shí)，啟動(dòng)對應(yīng)下腔管路的另一臺(tái)?；谩５谌_(tái)泵，即備用泵，應(yīng)該在前兩臺(tái)粒化泵之間輪換使用。如果前兩臺(tái)泵中某一臺(tái)泵出現(xiàn)問題，也可以啟動(dòng)備用泵。在每臺(tái)?；脝?dòng)后打開其對應(yīng)出口電動(dòng)閥門。

（3）冷卻水路：冷卻泵共三臺(tái)，一臺(tái)非變頻冷卻泵和兩臺(tái)變頻冷卻泵。當(dāng)?；穯?dòng)90s且熱水池水位達(dá)到3m后，即可以啟動(dòng)冷卻水路。若?；坏陀?m，只需開啟一臺(tái)冷卻泵時(shí)，要開啟一臺(tái)變頻冷卻泵；若?；桓哂?m，需要開啟兩臺(tái)冷卻泵時(shí)，則要開啟一臺(tái)非變頻冷卻泵和一臺(tái)變頻冷卻泵。為了方便控制，程序中將冷卻泵分為兩組，冷卻泵一組包括非變頻冷卻泵1和變頻冷卻泵2，冷卻泵二組包括非變頻冷卻泵1和變頻冷卻泵3。在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，操作人員可在啟動(dòng)系統(tǒng)之前選擇要用的冷卻泵組，系統(tǒng)則可以按照順序啟動(dòng)冷卻泵，接著打開相應(yīng)的出口電動(dòng)閥門。

（4）冷卻塔：如果環(huán)境溫度大于10℃，或出口水溫高于40℃，則在冷卻水路啟動(dòng)后，自動(dòng)開啟冷卻塔，來自熱水池的水和冷凝回水從上部管路流入冷卻塔，冷卻后流入冷水池。如果環(huán)境溫度低于10℃，并且出口水溫低于40℃，則在冷卻水路啟動(dòng)后，自動(dòng)開啟冷卻塔下部管路電動(dòng)閥，來自熱水池的水及冷凝回水從下部管路直接流入冷卻塔下部的冷水池，無需開啟冷卻塔冷卻。

3.技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1皮帶自動(dòng)控制

由于本系統(tǒng)皮帶較多，而皮帶拉繩、跑偏等故障信號(hào)容易引起皮帶停機(jī)，在系統(tǒng)全自動(dòng)時(shí)，皮帶的一些停機(jī)信號(hào)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)INBA系統(tǒng)全停，而影響系統(tǒng)沖渣，故要完善系統(tǒng)全自動(dòng)時(shí)的工藝。為了降低系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的停機(jī)率，程序中將系統(tǒng)在全自動(dòng)情況下的控制分為皮帶自動(dòng)和INBA自動(dòng)兩部分，避免由于皮帶故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停止，特別是轉(zhuǎn)鼓停機(jī)的情況，造成渣子堵轉(zhuǎn)鼓的現(xiàn)象。

3.2冷卻泵變頻調(diào)速技術(shù)

變頻冷卻泵通過變頻輸出轉(zhuǎn)速，若是人為調(diào)速，在設(shè)定速度和控制水位平衡上不好把握，若調(diào)節(jié)不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響沖渣質(zhì)量。所以，操作工除了可以在畫面手動(dòng)設(shè)定變頻速度外，還可以將畫面上“速度手/自動(dòng)”按鈕切換為自動(dòng)模式，程序中要利用的PI1功能塊，通過PID調(diào)節(jié)來控制變頻冷卻泵，根據(jù)實(shí)際水位和平衡水位之間的差距來輸出變頻速度，實(shí)現(xiàn)變頻冷卻泵的自動(dòng)調(diào)速，以此來保持熱水池水位平衡。其中要在調(diào)試時(shí)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，填寫增益，積分時(shí)間等重要參數(shù)。

3.3冷凝系統(tǒng)自動(dòng)控制

由于冷凝水路的運(yùn)行并不影響INBA主循環(huán)的控制，故為了完善工藝，特將冷凝系統(tǒng)單獨(dú)控制。程序中同樣實(shí)現(xiàn)了冷凝系統(tǒng)的“一鍵式”操作。操作員可以根據(jù)現(xiàn)場需要，在不影響INBA主系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，隨時(shí)啟停冷凝系統(tǒng)。

3.4轉(zhuǎn)鼓自動(dòng)調(diào)速技術(shù)

3.4.1轉(zhuǎn)鼓速度控制原理

在自動(dòng)情況下，脫水轉(zhuǎn)鼓以最小轉(zhuǎn)速0.2 rpm啟動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)1min后，由PLC自動(dòng)控制其轉(zhuǎn)速。在正常運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)鼓速度控制主要依靠PW公司提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)矩—速度、液位—速度控制模型，系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)鼓液位共同控制轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速。PLC根據(jù)儲(chǔ)存在其內(nèi)部的三條曲線模型計(jì)算出最佳的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓自動(dòng)調(diào)速。

（1）第一條曲線是轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速與負(fù)荷轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，將測得的轉(zhuǎn)矩值每0.25s采樣一次，并且以相同的頻率取轉(zhuǎn)矩平均值M，如圖1所示。

（2）第二條曲線是與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)鼓液位的關(guān)系，程序中需要表示出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)鼓液位的分段函數(shù)，如圖2所示。

以上兩條曲線疊加，即將與轉(zhuǎn)鼓液位成函數(shù)關(guān)系的速度值加到由第一條曲線計(jì)算出的速度值上，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出新的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，即液位參與速度控制后的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速n，該轉(zhuǎn)速值由PLC輸出給變頻器，直接控制轉(zhuǎn)鼓的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

（3）第三條曲線是轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速與空轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。當(dāng)裝置在以轉(zhuǎn)鼓最小轉(zhuǎn)速0.2rpm且只有水的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，讀取整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)一周的轉(zhuǎn)矩值，每5秒鐘記錄一次，然后取平均值，得到空轉(zhuǎn)矩M0，該值在后面的渣流量計(jì)算中將會(huì)用到。如圖1中空載曲線所示。

3.4.2轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)上面介紹的轉(zhuǎn)鼓速度的自動(dòng)控制，我們需要利用程序軟件中的功能塊LOOKUP_TABLE1，其作用是使特性曲線線性化，將轉(zhuǎn)速和負(fù)荷轉(zhuǎn)矩的拋物線關(guān)系表示出。轉(zhuǎn)速與液位的分段函數(shù)則用程序中的四則運(yùn)算功能塊表示，將轉(zhuǎn)速與負(fù)荷轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與液位的函數(shù)曲線進(jìn)行疊加，來實(shí)現(xiàn)脫水轉(zhuǎn)鼓自動(dòng)調(diào)速。

在PW公司所提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，轉(zhuǎn)鼓達(dá)到最大速度1.2 rpm時(shí)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)矩為193Nm，若超過此轉(zhuǎn)矩，說明渣量過大，為防止超出轉(zhuǎn)鼓的承載能力，需要分流爐渣，以防粒化渣堵塞轉(zhuǎn)鼓。

4.“一鍵式”INBA沖渣的優(yōu)點(diǎn)

“一鍵式”INBA沖渣系統(tǒng)由?；到y(tǒng)和脫水系統(tǒng)組成。與老INBA法相比，此法多了一套用來去除沖制水渣時(shí)產(chǎn)生的蒸汽及SO2和H2S的措施——冷凝系統(tǒng)（主要由冷卻塔、冷凝泵、冷凝塔、緩沖罐、冷凝回水泵及相關(guān)管道組成）。新INBA工藝解決了沖制熔渣時(shí)產(chǎn)生的大量有害蒸汽對環(huán)境的污染，環(huán)保條件得到了很大的改善；而且回收利用蒸汽，使得水系統(tǒng)循環(huán)使用，節(jié)約了能源。

新INBA系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）體積小，用地少；（2）具有連續(xù)?；兔撍δ?；（3）無活動(dòng)部件；（4）維修量少；（5）無爆炸危險(xiǎn)，安全性能高；（6）通過電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)矩測量瞬間渣量；（7）對污染進(jìn)行全面控制，減少硫的排放；（8）高可靠性，高運(yùn)轉(zhuǎn)率。

5.應(yīng)用效果

“一鍵式”INBA沖渣自動(dòng)控制系統(tǒng)自2010年3月投入運(yùn)行以來，表現(xiàn)出良好的適用性、穩(wěn)定性、安全性、可靠性，自動(dòng)化設(shè)備一直連續(xù)零故障運(yùn)行。轉(zhuǎn)鼓自動(dòng)調(diào)速技術(shù)使用效果良好，轉(zhuǎn)鼓的利用率由原來的不到60%提高到了90%以上，并且提高了INBA系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，生產(chǎn)趨于穩(wěn)定，粒化作業(yè)率提高，發(fā)揮了INBA系統(tǒng)可連續(xù)?；兔撍?、可自動(dòng)調(diào)節(jié)脫水轉(zhuǎn)速并連續(xù)測得爐渣量以及環(huán)保的優(yōu)勢，達(dá)到了預(yù)期目的，取得了良好的效果。

6.結(jié)束語

“一鍵式”INBA沖渣自控技術(shù)在3200m3 高爐上的應(yīng)用，提高了粒化效果，消除了泡沫渣現(xiàn)象；改善了轉(zhuǎn)鼓脫水效果，提高了轉(zhuǎn)鼓的利用率；解決了沖制熔渣時(shí)產(chǎn)生的大量有害蒸汽對環(huán)境的污染，環(huán)保條件得到了很大的改善；新INBA法蒸汽冷凝水回收循環(huán)使用，節(jié)約了大量用水，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。