陈智平 ，杨军军
（陕钢集团汉钢公司炼铁厂 陕西汉中 724200）
摘要：主要介绍汉钢1280m³高炉在可视化、智能化技术方面的成功应用，炉顶成像和激光料面仪的应用，高炉管理、操作者可直观的了解高炉布料的实际情况，根据料面信息，找出合理的布料制度，同时根据炉况可准确、有效的调整炉顶布料参数；热流强度监测及炉缸侵蚀模型的建立，在高炉安全长寿方面保驾护航，不仅对高炉正常生产提供分析数据，与大数据平台相结合，还能提出高炉合理操作炉型的数据，为分析一代炉龄提供炉身、炉缸冷却数据；智能喷吹技术的成功使用，为高炉高喷煤大富氧的强化冶炼提供有力的支撑；各项可视化、智能化技术与高炉生产相结合，为炼铁技术发展提供助力。
关键词：高炉，可视化，智能化，激光料面仪，智能喷吹，定压换炉
1 前言
陕钢集团汉钢公司1#高炉有效容积1280m3，设有20个风口、2个铁口、3座顶燃式热风炉，采用了陶瓷杯炉底炉缸结构、串罐无料钟炉顶装料设备、高炉喷煤与富氧等技术。高炉于2011年11月23日点火投产，通过抓原燃料筛分，强化炉内炉外管理，匹配上下部调剂相结合，炉况长期处于稳定顺行状态。在2020年4月份在集团公司数字化、智能化转型工作的推动下，利用高炉年修机会，对1#高炉系统进行实施一系列的可视化技术改造，多项数字化、智能化技术的成功应用，进一步确保高炉生产稳定顺行，同时为提高经济技术指标提供助力。
2020年4月20日高炉顺利高效复产，5月份全月高炉稳定顺行，全月产量134760.93吨，平均日产4347.13吨，利用系数3.40，平均燃料比487.75kg/t，其中日产最高记录4594.15吨，高炉运行状态良好，各项指标均处于先进水平。
2 高炉炉顶热成像和激光料面仪的应用及实践
良好的装料制度能够提高高炉的产量水平，改善顺行，降低燃料消耗；对于高炉操作人员来说，常通过设定不同的布料矩阵，改变矿、焦在炉喉径向分布的比例，控制高炉生产时的布料轨迹及料面形状，达到控制调整煤气流分布、稳定炉况的效果，并影响软熔带的形状，作为上部调剂的主要手段。而了解料面形状则主要是通过休风后进行观察，但休风状态与高炉生产时不同，不能完全代表生产时的料面形状。
2.1 炉顶可视化的应用
2020年2月利用高炉热风炉系统大修机会，北京神网有限公司对汉钢1#高炉炉顶监控系统进行升级改造，安装炉顶激光料面仪装置，与炉顶热成像配合使用，形成炉内的一双“眼睛”，炉顶可视化技术在该高炉得以应用，见图1-1、图1-2。
图1-1中心煤气流 图1-2 料面形状
激光料面仪安装后可实时对高炉布料的实际状况进行检测和分析，同时保存影像视频，形成数据分析表，实现了料面形状及煤气流分布情况的在线监测，为布料制度的调整提供数据支撑，使得布料更加精准、科学、有效。通过布料，还可以预防、处理一些高炉冶炼过程发生的异常事故。
2.2 炉顶可视化的实践
1、结合国内对布料制度的研究，当料面呈宽平台+深漏斗形状时，高炉可长周期处于稳定顺行状态，且对原燃料波动及外界干扰因素的抵抗力强，根据实际布料轨迹及料面形状，1#高炉在现有的生产条件下，形成一套适用的布料制度，即C33.2331.52 29.6227.52 25.22154， O 33.2231.53 29.6327.52 ，正常生产时料面形状如图1-3，在没有特殊情况下针对不同的生产情况，布料制度只需要进行微调。
图1-3正常时料面形状
2、在高炉生产过程中，当炉况发生变化，激光料面仪能够实时监测料面形状。如图1-4炉内偏料时料面形状，则根据料面位置分析，判断炉内东西方向下料不均，东侧下料慢而西侧下料快，从布料设备、炉身温度及炉外出铁等几方面进行分析，判断为炉外放铁不均导致偏料，立即采取加强东场出铁，缩短出铁间隔，维护铁口深度等措施，确保东西铁口渣铁排放均匀，逐步消除炉顶偏料，避免了高炉因偏料而导致的炉况失常。高炉下料较快时，如图1-5料面形状，判断布料平台及漏斗的深度，及时调整各项参数，缩短亏料线时间。高炉煤气流分布是炉况顺行的关键，炉内热成像能实时观察中心气流的强弱，如图1-6，图1-7，根据煤气流变化，及时调整参数，确保炉况稳定顺行。
图1-4偏料时料面形状 图1-5料快时料面形状
图1-6中心气流较弱 图1-7 中心气流较强
3 热流强度监测及炉缸侵蚀模型的建立
高炉炉缸状态一直是高炉长寿的关键，高炉炉缸温度与有效监控成为当前炼铁生产工作的重要环节，同时对高炉生产的稳定顺行有着非常重要的影响。炉缸热负荷作为判断炉缸内部热状态及侵蚀状态的指标，应从高炉点火开炉开始就加强监控和维护，实现高炉生产安全、稳定、长寿。
近年来，1#高炉利用检修及大修机会，在炉缸原有的基础上增加测温点，完善炉缸温度检测及热流强度管控，依据炉体各层测温热电偶，各层温度变化反映炉型的变化、煤气流分布，结合本体壁体温度、水温差、热流强度等参数控制标准，对数据进行分段、分区深度挖掘优化，模拟生成高炉操作炉型管理模型，为高炉管理及操作人员提供最优的调剂方向和解决策略。
建立炉体各层的实时温度，温度平均值，波动次数，从各段各点温度曲线及实时温度雷达图，炉身下层、炉腰、炉腹冷却壁温度的变化来判断炉墙是否结厚。依据炉体各层测温热电偶，兼顾冷却壁水温差的变化进行综合判断，为高炉操作制度调整方向提供依据。可从各段各点温度平均值，标准偏差，判断炉况运行情况，炉况顺时热电偶温度小幅波动，炉况不顺时热电偶温度剧烈波动。
4 智能化喷吹的应用实践
高炉喷煤技术是高炉系统降本增效的重要环节，能够大幅度降低焦比、提高经济效益等优点，随着高炉冶强的提高，喷煤量的增加，如何稳定、均匀、准确的喷吹，成了亟需解决的问题。
4.1 智能化喷吹改造前情况
1#高炉喷煤系统建成投产已有8年之多，采用3罐并列下料，总管加分配器的直接喷吹，每罐装煤量约16t/罐，随着高炉冶炼技术的不断进步，喷吹能力难以满足高炉煤比要求，小时喷煤量达到24t以上后，倒罐过程中的停送煤频率增加，常导致高炉压力波动10~20Kpa，如图4-1所示，并且在喷吹过程中，气体能源消耗较大，管道磨损严重，严重影响高炉生产的稳定顺行。为了提高喷吹稳定性和喷吹量，降低能耗及设备损耗，对1#高炉喷吹系统进行智能化改造。
4.2 智能化喷吹改造及应用实践
一期喷煤对1#高炉智能喷吹系统进行改造，利用原喷吹基础设施，采用PLC自动化控制系统，安装可调浓相煤粉输送器、新增氮气回收管道、智能喷吹软件控制系统等设施，形成短流程并罐交替喷吹，保证连续、稳定、均匀的向高炉每个风口输送煤粉，达到“一键式”智能化全自动喷煤，为高炉注入一支“镇定剂”，喷吹瞬时曲线如图4-2所示 ，从根本上消除了倒罐停煤的问题，使喷吹工艺整体优化、置换比提高。1#高炉喷煤量最高可达到26t/h，喷煤比从130kg/t提高到150kg/t，喷吹速率波动在±5%以内，氮气、压缩空气消耗降低，管道磨损减少，同时减低操作人员劳动强度。据计算，仅降低气体介质能耗一年就可节省70万元以上，同时消除倒罐对高炉压力波动的影响，为高炉顺行高产低耗创造有利条件。
图4-1 手动喷吹瞬时曲线 图4-2 智能喷吹瞬时曲线
5 定压换炉的应用实践
5.1 常规手动换炉的影响
高炉冶炼要求外部条件尽量稳定、波动幅度小，在一定的原燃料条件下，稳定的送风有利于炉料的正常下降，炉缸均匀活跃，是高炉稳产、优质、高产的重要条件。热风炉工作特点是燃烧和送风交替进行，稳定、连续的为高炉提供所需的风量及高风温。1#高炉配置3座顶燃式热风炉，采用“两烧一送”的模式，为高炉提供1200℃左右的风温，根据蓄热情况，需要50-60Min换炉一次，在手动换炉过程中，冷风压力下降幅度为15~25kPa，持续时间约8~15min。送风压力的波动，风量的降低，直接影响高炉鼓风动能，易造成高炉崩料及煤气流波动，如图5-1所示，同时若人员操作失误易导致高炉憋风，不利于高炉长期稳定顺行。
5.2 定压换炉的应用实践
送风系统通过精确控制风机静叶角度，在换炉过程中，使风机增加额外流量，抵消或显著降低换炉过程中的压力波动，优化高炉轴流风机防喘振综合控制，实现高炉换炉过程中的压力、风量稳定。 1#高炉通过热风炉定压换炉系统的应用，冷风压力的下降控制在2~3kPa左右，基本与正常送风时的风压波动相当，并且风压的变化过程更加平缓，没有风压陡降的现象，大幅度减少或消除因压力波动导致的崩塌料。加快均压速度，换炉时间减少到6min左右，如图5-2所示，将节约下来的时间用于烧炉，可以使高炉进一步提高风温，对顺行、增产和降成本具有一定的促进作用。
图5-1 手动换炉曲线 图5-2 定压换炉曲线
6 结束语
1、高炉可视化技术能使高炉操作管理人员及时掌握高炉内部准确信息，在线了解高炉生产时的料面形状和气流分布，能够及时发现料面异常，或气流的变化，为高炉恢复或稳定顺行提供科学的判断依据，促使高炉长期稳定顺行。
2、智能化的多项技术投入使用，不仅提高了设备利用率，降低设备损耗，对各系统的优化衔接，降本增效方面也有明显优势，还从根本上消除人为操作因素造成的控制误差，降低人员劳动强度，是高炉炼铁技术发展的趋势。
3、数据化、智能化工作的推进，汉钢1#高炉炼铁技术也在不断进步，风口成像、寻优烧炉、大数据处理平台等技术已成功运用到高炉炼铁生产中，后续继续结合科学技术发展，运用智能化技术全面提高炼铁技术水平。
参考文献 ：
[1] 王筱留.高炉生产知识问答[M].北京：冶金工业出版社，2008
[2] 第十二届中国钢铁年会论文集.北京：冶金工业出版社，2019
[3] 周传典.高炉炼铁生产技术手册.北京：冶金工业出版社，2002
[4] 刘云彩.现代高炉操作[M].北京：冶金工业出版社，2016