林春山，張猛超，宋少華，羅德慶，王榮剛，王 彬

(北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064400)

在冶煉過程中，爐頂煤氣流控制不合理會導(dǎo)致高爐爐頂溫度驟然升高。在高爐降料面過程中，為控制頂溫在合理的溫度區(qū)間內(nèi)，需要采取爐頂打水控制頂溫的方法，若打水量過多或者霧化效果差，極易引起爐內(nèi)爆震現(xiàn)象發(fā)生[1,2]，引發(fā)安全事故。為合理控制爐頂溫度，各高爐都在積極優(yōu)化噴水降溫設(shè)備[3,4]。當(dāng)爐頂煤氣溫度達(dá)到或超過規(guī)定溫度時，自動控制噴水降溫，從而保護無料鐘爐頂設(shè)備及粗煤氣系統(tǒng)中的干法布袋除塵裝置能夠正常運轉(zhuǎn)。針對首鋼股份3號高爐(4000 m3)原有噴水降溫設(shè)備的使用情況和不足，技術(shù)人員開發(fā)了一套新型噴霧降溫系統(tǒng)，安裝在3號高爐使用，霧化降溫效果良好。

1 原有降溫設(shè)備現(xiàn)狀

首鋼股份3號高爐原有噴水降溫設(shè)備，安裝在高爐爐殼頂部的錐體上，用以控制爐頂溫度。經(jīng)過多年使用實踐，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)3號高爐爐頂原有噴水降溫裝置通過噴頭直接向爐內(nèi)打水降溫的方式存在如下不足，給高爐生產(chǎn)帶來諸多不便。

(1)采用普通打水噴頭，霧化效果差，不能有效控制其霧化狀態(tài)，換熱面積小，降溫效果差；

(2)打水噴頭噴射長度在2 m左右，覆蓋面積小；

(3)未安裝防堵塞裝置，在爐內(nèi)惡劣的環(huán)境條件下，易堵噴頭而弱化溫控功能；

(4)原有噴水設(shè)備實際打水量約80 t/h，無法滿足降料面時打水量240 t/h的需求；

(5)爐頂溫度控制系統(tǒng)智能化水平低，在爐頂局部溫度升高的情況下，不能自動實現(xiàn)定向打水降溫。

2 新型噴霧降溫系統(tǒng)

在分析了原有噴水降溫設(shè)備不足，結(jié)合高爐現(xiàn)場實際條件，3號高爐技術(shù)人員開發(fā)了一套新型噴霧降溫系統(tǒng)。

2.1 新型噴霧降溫系統(tǒng)工作原理

利用超細(xì)水霧的水-汽相變原理，在爐頂溫度上升到設(shè)定值時自動啟動霧化噴頭，將高度霧化的直徑約為70-200 μm超細(xì)水霧噴入爐頂，由于水霧分散度高，能迅速吸收煤氣中熱量，以最少水量降低煤氣溫度，不會導(dǎo)致爐頂壓力上升，較好起到保護爐頂設(shè)備的目的。

2.2 新型噴霧降溫系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

為滿足3號高爐日常生產(chǎn)和日后降料面降溫的實際需求，系統(tǒng)采用單流體霧化噴頭向高爐內(nèi)噴射經(jīng)過霧化的、顆粒細(xì)小的水滴，與高溫煤氣結(jié)合后，迅速蒸發(fā)并且?guī)ё邿崃?，實現(xiàn)高溫煤氣的快速高效降溫。新型噴霧降溫系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 新型噴霧降溫系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

2.3 新型噴霧降溫系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

3號高爐新型噴霧降溫系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)示意，見圖1。系統(tǒng)水源取自32.6米平臺風(fēng)口高壓凈環(huán)水DN500供水主管(其上設(shè)置供水閘閥)，引一根DN250供水管引到44.9米爐喉平臺，分2根DN150供水支管至該平臺西南角和東南角的分流柜，供水支管與分流柜間設(shè)置DN150的氣動球閥和電磁流量計。每個分流柜各設(shè)置6路小支管，小支管上設(shè)置DN40的氣動球閥和Y型過濾器，結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2。分流柜小支管外接Φ49×6無縫鋼管至爐頂原有打水噴頭處，安裝12個霧化噴槍，霧化噴槍與小支管通過金屬軟管連接。

圖1 新型噴霧降溫系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 新型噴霧降溫系統(tǒng)分流柜內(nèi)部設(shè)計結(jié)構(gòu)

2.4 新型噴霧降溫系統(tǒng)PLC控制原理及性能

新型噴霧降溫系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)受高爐主PLC上位機的控制，高爐主PLC采集、顯示及控制噴霧裝置。系統(tǒng)PLC在選型上與高爐主PLC保持一致性，以方便Control NET網(wǎng)絡(luò)連接。系統(tǒng)從高爐主PLC通過Control NET網(wǎng)絡(luò)獲取上升管煤氣溫度以及其它需要交換的信息，高爐主PLC通過Control NET網(wǎng)絡(luò)獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)。其工藝流程見圖3。

圖3 新型噴霧降溫系統(tǒng)PLC控制流程圖

本系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程上位監(jiān)控操作與控制柜本地操作兩種操作模式，操作權(quán)限選擇在中控樓操作臺進(jìn)行。本系統(tǒng)PLC控制程序包括：高爐爐頂噴霧降溫全自動控制程序、高爐爐頂噴霧降溫手動控制程序和爐頂噴嘴吹掃控制程序。系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)測功能模塊包括：對整個噴霧系統(tǒng)工藝流程動畫跟蹤顯示，實現(xiàn)有關(guān)溫度參數(shù)的設(shè)定，手動和自動操作控制和設(shè)備故障畫面顯示。

新型噴霧降溫系統(tǒng)性能特點主要有：

(1)噴霧系統(tǒng)煤氣溫度控制信號：上升管煤氣平均溫度由高爐本體PLC柜輸出1路經(jīng)轉(zhuǎn)換、隔離的4-20 mA信號(對應(yīng)溫度范圍0～1 000 ℃)給噴霧控制柜，對應(yīng)上升管四點平均溫度Te。

(2)控制溫度Te大于300 ℃開始爐喉噴霧, 控制溫度Te≤250 ℃則停止噴霧，以控制進(jìn)布袋煤氣溫度≤250 ℃。

(3)能夠?qū)崿F(xiàn)每點根噴槍的開關(guān)控制，一般情況下噴霧系統(tǒng)啟噴時，采用六噴槍模式(圓周方向間隔均布)(即Te大于280 ℃)，計算機根據(jù)上升管煤氣溫度自動增、減噴霧噴槍的數(shù)量以調(diào)整噴霧量。

(4)為防止噴嘴堵塞，在未噴霧期間程序定期以自動脈沖方式對噴嘴進(jìn)行吹掃。各噴嘴每隔8～24小時(吹掃周期可以調(diào)整)依次吹掃一次，每次每個噴嘴吹掃3～5秒。

(5)噴霧系統(tǒng)每日自動進(jìn)行電氣設(shè)備及噴槍點檢，如出現(xiàn)噴嘴堵塞或設(shè)備故障，將顯示堵塞的噴槍位置或故障設(shè)備位置，并提示報警。計算機將會調(diào)整噴霧模式，彌補該噴槍堵塞后的噴霧量。

3 新型噴霧降溫系統(tǒng)應(yīng)用效果

3.1 降料面使用效果

2020年7月8日8:06，首鋼股份3號高爐開始降料面工作，20:30停氣，至9日4:00風(fēng)口全部見空，5:56正式停風(fēng)，整個降料面總計耗時21小時50分鐘。本次降料面實際所耗風(fēng)量為4 933 912 m3，共打水2 598.74噸。本次降料面進(jìn)入爐身中下部后頂溫趨于平穩(wěn)，半小時打水量呈降低趨勢，1:30進(jìn)入爐腹中下部后半小時打水量開始升高，見圖4。3號高爐整個降料面噴霧降溫期間，爐頂溫度平均值在330 ℃左右，干法入口溫度控制在合理范圍之內(nèi)，降料面全程無爆震現(xiàn)象發(fā)生，起到了保護爐頂設(shè)備的良好預(yù)期效果。降料面結(jié)束后，爐內(nèi)堆尖較小，處于風(fēng)口中心線以上高度約2米，邊緣與爐墻距離約4米，堆尖形狀達(dá)到預(yù)期效果。

圖4 半小時打水量與頂溫變化趨勢圖

3.2 爐頂設(shè)備降溫效果

在日常生產(chǎn)過程中，當(dāng)爐頂溫度上升到設(shè)定值時，該系統(tǒng)能夠以最少水量降低煤氣溫度，從而有效保護爐頂設(shè)備安全穩(wěn)定運行。12套噴槍使用正常，未發(fā)生堵塞，較好起到了保護爐頂設(shè)備的目的。