煉鐵高爐噴煤系統(tǒng)中閥門(mén)的自動(dòng)化控制

方桂榮，吳金龍

（1.汕頭機(jī)械（集團(tuán)）公司，廣東汕頭 515041；2.汕頭市閥門(mén)廠，廣東汕頭 515041）

0 引言

在煉鐵高爐噴煤系統(tǒng)中，為保證煤粉噴吹的連續(xù)性與高效性，需采用自動(dòng)化控制的閥門(mén)來(lái)滿(mǎn)足其要求。尤其是在制粉和噴吹的操作過(guò)程中，根據(jù)煤粉易燃易爆的特性、噴吹速率和倒罐等問(wèn)題，做好自動(dòng)化控制閥門(mén)的選用及安裝是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。

1 高爐噴煤的流程、意義及組成部分

在煉鐵過(guò)程中，將鐵從鐵礦石中提煉出來(lái)，而現(xiàn)代的煉鐵技術(shù)通常是采用高爐噴吹輔助燃料（煤粉）來(lái)進(jìn)行鐵的冶煉和生產(chǎn)。高爐噴煤流程如圖1所示。

圖1 高爐噴煤流程圖

高爐噴煤在煉鐵過(guò)程中的意義：（1）節(jié)約成本，用價(jià)格低廉的煤粉代替焦炭；（2）可調(diào)節(jié)高爐爐況的熱度；（3）可改善高爐爐缸工作狀態(tài)；（4）煤粉氣化有利于礦石還原和高爐操作指標(biāo)；（5）相比其他提煉方法，能夠增產(chǎn)降耗，且能減少對(duì)環(huán)境的污染。

噴煤系統(tǒng)主要分為制粉控制系統(tǒng)和噴吹控制系統(tǒng)[1]。制粉控制系統(tǒng)主要包括給煤、磨煤、稀油、布袋除塵、排風(fēng)、螺旋輸送等，該制粉控制系統(tǒng)主要是控制溫度、在制粉過(guò)程中給煤粉提供干燥的氣體及對(duì)磨機(jī)的壓力展開(kāi)控制。噴吹控制系統(tǒng)主要是及時(shí)向高爐輸送煤粉，通過(guò)PLC 程序控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)倒罐的過(guò)程，即補(bǔ)壓自動(dòng)控制、補(bǔ)氣自動(dòng)控制、自動(dòng)噴吹控制、空壓包氮壓包自動(dòng)壓力控制、高溫時(shí)自動(dòng)充氮降溫和故障時(shí)可實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖保護(hù)[2]。高爐噴煤系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)閥門(mén)的自動(dòng)化控制來(lái)保持罐內(nèi)壓力的恒定，達(dá)到噴吹的效果。

2 高爐噴煤系統(tǒng)的操作

高爐噴煤系統(tǒng)主要有制粉和噴吹兩套自動(dòng)控制系統(tǒng)的操作。在該系統(tǒng)中，主要采用的一些設(shè)備使用變頻器和能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制的閥門(mén)（即采用電磁閥和接近開(kāi)關(guān)等電氣配件的閥門(mén)或電動(dòng)閥門(mén)），并將所有的信息都放置在電腦上展示，采用畫(huà)面監(jiān)控軟件和編程軟件對(duì)其監(jiān)控和自動(dòng)控制。

2.1 制粉控制系統(tǒng)的操作

制粉控制系統(tǒng)的啟動(dòng)順序：開(kāi)中速磨潤(rùn)滑油泵，開(kāi)原煤倉(cāng)下的帶式密封稱(chēng)量給煤機(jī)，延時(shí)后停機(jī)，開(kāi)布袋除塵器下的卸灰閥，開(kāi)原煤倉(cāng)下的插板閥，開(kāi)振動(dòng)篩，布袋除塵器投入工作，開(kāi)主排風(fēng)機(jī)，開(kāi)主排風(fēng)機(jī)進(jìn)口進(jìn)風(fēng)閥，開(kāi)中速磨進(jìn)口熱風(fēng)切斷閥，開(kāi)中速磨，開(kāi)原煤倉(cāng)下的稱(chēng)量給煤機(jī)，制粉系統(tǒng)投入運(yùn)行[3]。該制粉系統(tǒng)在電腦上展示的控制系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面如圖2所示。

2.2 噴吹控制系統(tǒng)的操作

噴吹控制系統(tǒng)的啟動(dòng)順序：關(guān)閉噴吹罐卸壓閥，開(kāi)啟下煤閥，關(guān)閉放散閥，開(kāi)啟上煤閥，開(kāi)始裝煤，關(guān)閉上煤閥，關(guān)閉下煤閥，開(kāi)啟放散閥，開(kāi)啟充壓閥，關(guān)閉充壓閥，開(kāi)啟補(bǔ)壓閥，開(kāi)啟流化閥，開(kāi)啟補(bǔ)氣閥，開(kāi)啟噴煤閥，開(kāi)啟煤粉出口閥開(kāi)始噴吹煤粉。噴吹控制系統(tǒng)采用全自動(dòng)倒罐控制，其工作原理：在該系統(tǒng)中一般設(shè)計(jì)有兩個(gè)噴吹罐（A1 和A2），煤粉利用自重從煤粉倉(cāng)落到噴吹罐中，當(dāng)噴吹罐A1 裝滿(mǎn)煤粉并充壓到壓力設(shè)定值后，即準(zhǔn)備噴煤（作為待用罐）；當(dāng)正在噴吹的噴吹罐A2（操作罐）一旦噴空時(shí)，待用罐A1就與煤粉輸送管道接通，在一個(gè)短暫的轉(zhuǎn)換過(guò)渡時(shí)間后，噴空的操作罐A2開(kāi)始卸壓、裝煤粉和再充壓的另一個(gè)循環(huán)。在噴吹控制系統(tǒng)中閥門(mén)開(kāi)閉動(dòng)作順序是噴煤操作過(guò)程中必須遵循的規(guī)律，違反了操作順序就有可能出現(xiàn)事故。采用全自動(dòng)倒灌控制能減少失誤操作，節(jié)約人力，確保噴煤系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[3]。該噴吹系統(tǒng)在電腦上展示的控制系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面如圖3所示。

3 噴煤系統(tǒng)閥門(mén)的選用

3.1 制粉控制系統(tǒng)的閥門(mén)

在制粉控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中主要選用自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)切換的閥門(mén)。如在中速磨的入口溫度需要有效調(diào)節(jié)，在煙氣爐出口和二次混冷風(fēng)管道上選用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；借助煙氣爐的作用，控制煙氣引風(fēng)機(jī)以及高爐煤氣的混合比值，在煙氣引風(fēng)機(jī)和冷風(fēng)管道上選用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；在高爐煤氣管道則應(yīng)選用電動(dòng)蝶閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；為控制煙氣爐的溫度需要采用助燃風(fēng)機(jī)，在助燃風(fēng)機(jī)管道上選用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；為防止煙氣爐超壓需要選用氣動(dòng)放散閥；在布袋除塵器上的主排風(fēng)機(jī)管道則選用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)控制；在布袋收塵器上的滅火氮?dú)夤艿郎线x用氣動(dòng)球閥和電動(dòng)V 型調(diào)節(jié)閥來(lái)控制當(dāng)高溫時(shí)自動(dòng)充氮降溫和滅火；在布袋系統(tǒng)中都安裝有卸灰裝置（在圖1 和圖2中無(wú)顯示卸灰裝置），在卸灰裝置中安裝有可自動(dòng)控制的氣動(dòng)卸灰球閥。在圖2 中，只顯示自動(dòng)控制的閥門(mén)，手動(dòng)閥門(mén)則選用適合現(xiàn)場(chǎng)需求的通用閥門(mén)來(lái)與自動(dòng)控制閥門(mén)安全聯(lián)鎖保護(hù)。為確保制粉過(guò)程的溫度和壓力，應(yīng)調(diào)控及設(shè)置好調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使其能安全穩(wěn)定地長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，體現(xiàn)出自動(dòng)化的特點(diǎn)。

3.2 噴吹控制系統(tǒng)的閥門(mén)

在噴吹控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中主要選用能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制的帶有電氣配件（電磁閥和接近開(kāi)關(guān)等）的氣動(dòng)球閥（如圖3 所示的上煤閥、下煤閥、放散閥、卸壓閥、充壓閥、補(bǔ)壓閥、流化閥、出口閥、補(bǔ)氣閥、噴煤閥、壓縮空氣吹掃閥等）、能自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)度的電動(dòng)V型調(diào)節(jié)球閥（如圖3所示的補(bǔ)氣調(diào)節(jié)閥、流化調(diào)節(jié)閥等）、實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖保護(hù)和輔助方便氣動(dòng)閥門(mén)更換時(shí)的蝸輪球閥及手動(dòng)球閥、防止介質(zhì)倒流的止回閥、防止壓力過(guò)大的減壓閥和控制煤粉流量均勻的煤粉分配器等閥門(mén)，其型號(hào)規(guī)格及公稱(chēng)壓力等都應(yīng)根據(jù)煉鐵高爐噴煤管道生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的要求選用。其中如圖3所示的閥門(mén)只顯示氣動(dòng)和電動(dòng)形式的閥門(mén)。

圖2 制粉監(jiān)控畫(huà)面

圖3 噴吹監(jiān)控畫(huà)面

關(guān)于噴吹控制系統(tǒng)中閥門(mén)的選用，應(yīng)針對(duì)噴煤系統(tǒng)的特點(diǎn)考慮：（1）閥門(mén)響應(yīng)速度必須快，應(yīng)能隨時(shí)快速開(kāi)閉，以達(dá)到溫度的要求；（2）為穩(wěn)定噴煤系統(tǒng)管道中的壓力及介質(zhì)的煤粉所附帶有害氣體泄漏現(xiàn)象，故閥門(mén)不允許泄漏；（3）為保證噴煤效果，閥門(mén)應(yīng)全開(kāi)或全關(guān)操作；（4）為滿(mǎn)足遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制、PLC 程序控制操作和電腦監(jiān)控的需要，應(yīng)選用帶電氣（即電磁閥和接近開(kāi)關(guān)等）的閥門(mén)。結(jié)合以上特點(diǎn)應(yīng)選用氣動(dòng)球閥最為合適，且針對(duì)氣動(dòng)球閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及根據(jù)高爐噴煤系統(tǒng)管道的需要，應(yīng)選用法蘭連接形式、固定球（軸支式）結(jié)構(gòu)[4]、雙向密封且密封能自動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)球閥[5]。該類(lèi)氣動(dòng)球閥的型號(hào)規(guī)格公稱(chēng)壓力等具體選用舉例如下：某煉鐵廠1 300 m3的中型高爐，噴吹罐裝滿(mǎn)15 t 的煤粉后，罐內(nèi)加壓至0.8 MPa 能達(dá)到噴吹煤粉的條件，其自動(dòng)控制的閥門(mén)是選用汕頭市新汕閥門(mén)制造有限公司（原汕頭市閥門(mén)廠）生產(chǎn)的氣動(dòng)噴煤球閥FQ647F-16C 的閥門(mén)[6]，如圖4所示。

圖4 氣動(dòng)噴煤球閥外觀圖

其特點(diǎn)如下：閥門(mén)類(lèi)型為球閥，驅(qū)動(dòng)方式為氣動(dòng)，連接形式為法蘭連接，結(jié)構(gòu)形式為固定球和直通式雙向密封[7]，密封面材質(zhì)為增強(qiáng)聚四氟乙烯，公稱(chēng)壓力為1.6 MPa，閥體材質(zhì)為碳鋼。該閥門(mén)的特點(diǎn)包括：（1）為了減少球閥的操作扭矩和增強(qiáng)密封的可靠程度，避免球體受壓后產(chǎn)生位移，采用固定球的結(jié)構(gòu)形式；（2）因在噴煤系統(tǒng)管道中，閥門(mén)進(jìn)出口端都有壓力，采用雙向密封結(jié)構(gòu)；（3）因噴煤系統(tǒng)對(duì)球閥質(zhì)量的要求高，為提高其使用壽命，采用密封自動(dòng)補(bǔ)償裝置[8]，即在球閥使用一段時(shí)間后或球閥密封位在一定磨損范圍內(nèi)，密封能自動(dòng)補(bǔ)償，仍能保證可靠密封；（4）閥門(mén)啟閉動(dòng)作是由氣動(dòng)裝置帶動(dòng)球體正反回轉(zhuǎn)90°來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可采用單氣缸雙作用結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)裝置[9]，其輸出扭矩大，操作簡(jiǎn)單方便，響應(yīng)速度快（開(kāi)關(guān)時(shí)間為2～3 s），可配置電氣（即電磁閥和接近開(kāi)關(guān)等）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。該煉鐵廠高爐噴煤系統(tǒng)噴吹罐上的氣動(dòng)閥門(mén)如圖5 所示，使用的氣動(dòng)噴煤球閥系列產(chǎn)品均經(jīng)型式試驗(yàn)檢測(cè)合格[10]（包括材料化學(xué)成分分析和力學(xué)機(jī)械性能試驗(yàn)等）后取得《壓力管道元件制造許可證》，且該系列的閥門(mén)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合現(xiàn)場(chǎng)使用條件需要并具較高水平。在該煉鐵廠高爐噴煤系統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)管道上各氣動(dòng)閥門(mén)選用的規(guī)格為：上煤閥和下煤閥選用DN250 氣動(dòng)噴煤球閥；卸壓閥選用DN100 氣動(dòng)噴煤球閥；充壓閥、出口閥和噴煤閥選用DN65氣動(dòng)噴煤球閥；放散閥、補(bǔ)壓閥、流化閥、補(bǔ)氣閥和壓縮空氣吹掃閥選用DN32氣動(dòng)噴煤球閥；滅火氮?dú)膺x用DN150 氣動(dòng)噴煤球閥。該煉鐵廠高爐噴煤系統(tǒng)選用的氣動(dòng)閥門(mén)使得高爐可以順利高效安全穩(wěn)定地生產(chǎn)，已經(jīng)進(jìn)行了1年多的使用，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加壓、卸壓、噴吹和倒罐的控制，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖5 噴吹罐上生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的閥門(mén)

4 閥門(mén)安裝說(shuō)明

在煉鐵高爐噴煤系統(tǒng)中，主要采用氣動(dòng)噴煤球閥、氣動(dòng)卸灰球閥、電動(dòng)V 型調(diào)節(jié)球閥、蝸輪球閥、手動(dòng)球閥、止回閥、減壓閥、煤粉分配器、電動(dòng)蝶閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等，其在安裝過(guò)程中應(yīng)注意以下幾方面問(wèn)題：

（1）在安裝閥門(mén)時(shí)必須按閥門(mén)的流向（通常在閥門(mén)外觀有箭頭標(biāo)示流向）在管道上安裝（氣動(dòng)噴煤球閥除外，因其是雙向密封結(jié)構(gòu)無(wú)需辨別方向）；

（2）在氣動(dòng)噴煤球閥和電動(dòng)V 型調(diào)節(jié)球閥進(jìn)口端需安裝手動(dòng)球閥（包括蝸輪球閥），當(dāng)自動(dòng)化控制的閥門(mén)出現(xiàn)故障時(shí)方便更換；

（3）有條件的情況下，在自動(dòng)化控制的閥門(mén)并行處安裝能實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖保護(hù)的閥門(mén)，防止故障發(fā)生影響正常生產(chǎn)；

（4）在管道中需要采用多種閥門(mén)一起控制時(shí)，應(yīng)注意各閥門(mén)的排序，如在氮?dú)夤捱M(jìn)出口處需要采用減壓閥、手動(dòng)球閥、氣動(dòng)球閥、電動(dòng)V 型調(diào)節(jié)球閥和止回閥進(jìn)行控制，且必須按照以上閥門(mén)排序安裝，切忌隨意安裝影響各閥門(mén)使用的效果及正常的生產(chǎn)；

（5）注意閥門(mén)安裝的位置（水平安裝、垂直安裝、傾斜安裝、倒置安裝）是否正確（氣動(dòng)噴煤球閥除外，因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能適合各種位置的安裝），如氣動(dòng)卸灰球閥則需要采用垂直安裝，以免影響閥門(mén)使用效果；

（6）閥門(mén)安裝時(shí)注意氣源壓力的大小、電磁閥的電壓電流及常開(kāi)常閉、接近開(kāi)關(guān)的電壓電流及常開(kāi)常閉等問(wèn)題；

（7）注意在安裝氣動(dòng)閥門(mén)時(shí)，油水分離器（氣源處理元件）不可處在倒置狀態(tài)，否則氣源沒(méi)有通過(guò)處理直接進(jìn)入氣缸而影響驅(qū)動(dòng)效果。在閥門(mén)安裝及調(diào)試時(shí)應(yīng)多注意以上等問(wèn)題，確保正常生產(chǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述煉鐵高爐噴煤系統(tǒng)的流程、意義及其主要組成部分制粉、噴吹兩個(gè)控制系統(tǒng)的操作過(guò)程，主要針對(duì)其自動(dòng)化控制閥門(mén)的選用及安裝等問(wèn)題進(jìn)行分析，希望能夠提高相關(guān)人員對(duì)該系統(tǒng)的了解并為有關(guān)的研究人士帶來(lái)借鑒與參考。通過(guò)閥門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)煉鐵高爐噴煤進(jìn)行操作控制，提高工作效率，降低操作失誤率，優(yōu)化高爐噴煤工藝，并使其操作趨于自動(dòng)化和智能化，從而增強(qiáng)煉鐵企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來(lái)巨大的效益。