提高300 t转炉余热蒸汽综合利用效益

尹天平

（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山 243000）

引言

转炉是目前国内外钢厂炼钢的主要手段，在钢铁生产中占着绝对的比重。随着我国钢企面临能源和环保双重压力的不断加剧，转炉余热蒸汽回收和综合再利用的技术也得到了大力的发展和应用。它可以提高企业的节能降耗、降本增效和环境保护的能力，也是实现转炉负能炼钢的有效途径。但据调查，目前国内钢铁企业对余热蒸汽还普遍存在回收低效、利用率不高的情况。因回收的余热焓值低，造成实际能源回收率低；甚至出现没有合适的用户，所回收的蒸汽又被大量放散，造成能源浪费。

马钢“十一五”新建三座300 t转炉和配套的两座RH精炼炉建成投产后，应国家环保节能政策以及企业可持续发展的要求，于2007年9月和2010年10月分别实施了，转炉蒸汽直供RH真空喷射泵使用和氧枪孔密封改造，并成功地投入使用，对大型钢厂进一步提高转炉蒸汽综合利用效益具有很好的借鉴意义。

1 转炉余热系统

2007及2012年马钢四钢轧经两期工程总建成三座300 t转炉，配套日本最新一代OG技术和装备，以及引进了VAI两座平移双工位RH真空精炼炉。

转炉OG汽化系统，如图1所示。其主要由除氧器、汽包、泵组和阀门组成。除氧器是整个汽化系统用水的源头，其水为脱盐水站。除氧器水位由气动调节阀自动控制补水；同时通入蒸汽加热完成除氧。除氧器容器内存储的水有两个用处：一是供低压循环系统，冷却裙罩和夹套；二是为汽包供水，通过汽包给水泵和补水阀组给汽包供水。

汽包给水泵通过管路阀门将除氧器中的脱盐水送至汽包，再由高压循环泵加压供给各段烟道，然后与流经冷却烟道的高温烟气发生热量置换。各段冷却烟道内的冷却水吸收大量的热量后，形成水汽混合物。由于水蒸气相对于水的密度较小，于是在重力的作用下，蒸汽在蒸发管内上升，通过汽化上升管进入汽包，经水汽分离和调压阀调整压力后送至蓄热器、RH、蒸汽管网、除氧器加热以及氧枪孔密封等各处。

图1 转炉汽化系统示意图

其中，P1为汽包压力调节阀，P2为转炉送RH蒸汽压力调节阀，P3为转炉送公司管网蒸汽压力调节阀，P4为OG除氧器加热和氧枪孔密封用蒸汽压力调节阀，P0为RH真空主调节阀，P5为管网压力。

2 转炉供RH蒸汽系统

RH真空处理的主要任务是脱气,并通过钢水循环使得非金属夹杂物上浮、均匀钢水成分和温度,同时通过加料系统使其具有脱氧、脱碳、脱硫和脱磷功能，同时具有合金微调和温度调整的功能[1]。

真空泵系统是RH的核心部分，设计为三级增压五级全蒸汽喷射泵真空泵。E1、E2和E3增压泵依次串联于冷凝器C1。C1、C2和C3冷凝器之间分别安装有E4/E4a和E5/5a平行泵，为了生成高度真空经济运行，当E3-E1依次打开时，平行喷射泵E4a和E5a将关闭，其工作模式见表1。

表1 蒸汽喷射泵系统的常用工作模式

炼钢厂转炉蒸汽供应RH精炼炉真空处理一般有两种方式。一种是大型转炉，管网蒸汽经过蓄热器缓冲供RH使用。由于RH蒸汽需求量很大，对蒸汽管网的耐压能力和管容要求高。因此，所需设备投资大和维护费用高。另外一种就是小型转炉，因汽化系统运行压力低蒸汽含水量大，不宜直接供RH使用，必须加热处理后才能使用[2]，该方法的缺点是设备投入大、运行成本也高。

而马钢四钢轧炼钢汽化系统经汽包压力调节阀，可以将运行压力调整至3.0 MPa，生成中压饱和蒸汽，经P2减压形成过热蒸汽，实现了转炉余热蒸汽直供RH真空系统的喷射泵使用。为了满足RH真空处理蒸汽供应持续稳定的高要求，在供汽安保和压力控制两方面对系统进行了改进。

2.1 RH供汽安保

为防止转炉停炉检修，或事故等因素造成蒸汽供应中断的发生，在转炉供RH蒸汽管路的基础上，系统又增设了一路公司蒸汽管网汽源。这样系统便构成了转炉和管网两路并联运行汽的源，而且可依据两路汽源压力的大小实现自动进汽匹配和无干扰切换。若P2调压阀的阀后压力小于管网p5值，即P2＜P5，则RH真空蒸汽主要由管网提供；若P2=P5，则RH用汽量各占一半；若P2＞P5，则由转炉提供蒸汽。

转炉供RH压力调阀P1设定值为1.3 MPa时，以2018年4月份为例，24 h为单位统计，将3座转炉的蒸汽回收量（单位：kg/t钢）、平均回收量以及RH内网蒸汽使用比例绘制成折线，如图2转炉余热蒸汽回收及使用统计所示。转炉蒸汽发生为98.7 kg/t钢，RH使用转炉余热蒸汽比列达97.9%。

除直供RH外，转炉多余的余热蒸汽送至5套149 m3蓄热器存储，待转炉生产间隙再持续释放出来，供RH使用。这样就为间隙性生产的转炉实现了持续向RH供汽提供了保障。

因此，本文采取蓄热续汽和气源并行的方式，构建了RH真空蒸汽安保系统。

2.2 汽源压力控制

实际生产中，转炉汽源的压力波动以及RH真空起始阶跃抽气，对系统压力精度控制影响巨大，采用常规PID控制很难保证供汽品质。结合了模糊控制和常规PID两者的优点，转炉供RH蒸汽压力调阀P1采用了模糊PID控制，比列、积分和微分三控制参数具有一定的在线整定功能[3]，从而提高了压力控制品质，减小了系统的超调量和误差，缩短了上升时间和调节时间，如图3所示。其中白色直线为压力设定值1.3 MPa，白色曲线为压力过程值，蓝线为RH蒸汽用量。

图3 P1模糊PID控制

在转炉送RH蒸汽压力调节阀P2目标压力设定为1.3 MPa的条件下，分别采集改进前后连续110炉数据统计分析，控制算法改进前阀后实际压力波动范围为1.05～1.55 MPa，平均误差为19.23%；而改进后，现实际压力波动范围为1.210～1.397 MPa，平均误差为4.07%，取得了显著的控制效果。

该项目改造投入少，通过转炉余热蒸汽供RH这种子网自给自足的模式，可减轻公司蒸汽管网运行压力，提高能源利用效率，降低钢厂生产成本。以2018年4月生产数据统计：RH平均处理时间为1496 s/炉，即0.4155 h/炉，平均消耗蒸汽流量44 t/h，平均用汽18.282 t/炉，平均用汽量0.06 t/t钢，管网与转炉蒸汽成本差价6元/t，RH产量是35.6万t，当月因RH直接使用转炉蒸汽的成本就节省了12.816万元人民币，一年可节省150万元以上。另外，还减少了转炉蒸汽的放散。与国内其他钢厂利用蓄热器使用转炉蒸汽技术相比，该优点是：该技术不受蓄热器压力波动的限制和减少低压蒸汽加热装置的投资。

目前，该装置已在我们马钢三座300 t转炉对两座RH的蒸汽使用上得到应用，在大中型钢厂具有很好的应用前景，值得大力推广。

3 转炉蒸汽供氧枪孔密封

转炉氧枪套气封介质原为低压氮气，氮气压力为0.4～0.6 MPa，每座转炉氧枪套气封用氮气流量为4500 m3/h，氮气消耗量大，生产成本高，另外，从公司介质系统平衡情况来看，因氮气消耗量大，而氧气消耗相对较少，为了满足氮气用户的需求，公司必须多开制氧机组，造成能源浪费，为了降低成本节约能源，2010年决定对转炉氧枪套氮封进行改造，用转炉自身产生的蒸汽替代氧枪氮封用的低压氮气。

氧枪孔蒸汽封的汽源若直接取自转炉汽包输出管路，因压力差太大必须设置减压阀组，将汽包输出压力3.0 MPa降为0.5 MPa才能满足其使用要求。为了节约成本，我们将氧枪孔密封汽源设计为除氧器加热总管调节阀P4的阀后管路，其管径和阀后压力等级完全符合用汽要求。经过反复试验，氧枪套密封效果良好，可有效控制转炉氧枪口火焰和烟气的外溢，对减少环境污染和保护相关设备都取得了较好的效果。

采用转炉自身产生的蒸汽代替低压氮气对氧枪套进行密封，该技术在大型转炉上是首次应用，属技术创新。其使用效果、蒸汽系统的设计以及蒸汽消耗量指标等的技术水平处于同行业之首，达到国内先进水平。传统的转炉氧枪口均采用低压氮气密封，消耗氮气量大，不利于节能降耗，本技术可推广到所有转炉，特别是大型转炉，将会产生可观的经济效益。

根据原设计氮封计算每座转炉氧枪密封用蒸汽量。已知氧枪氮封用气流量为4500 m3/h，氮气压力0.5 MPa，则转化为工作状态的氮气流量为4500/5=900 m3/h，查蒸汽密度表可知0.5 MPa的饱和蒸汽密度为2.5 kg/m3，则所需蒸汽流量为900 m3/h×2.5 kg/m3=2.25 t/h。若转炉吹炼周期为18 min，每炉可节省1350 m3氮气，单价0.3元，单炉节省405元，按照2017年796万t钢产量计算，年可节约成本约1040万元。

4 结论

转炉炼钢时会产生大量的饱和蒸汽，其中大部分放散，造成非常大的能源浪费。通过在转炉和RH炉之间设置一套蒸汽转换装置，解决了RH炉生产需要过热蒸汽的问题，使转炉蒸汽得到了充分利用，在节约生产成本的同时，也满足了节能减排的要求。马钢第四钢轧总厂的两座RH精炼炉使用转炉自产蒸汽达97.9%以上；同时，氧枪孔密封用氮气已全部由蒸汽取代。通过以上应用有效解决了转炉蒸汽大量放散能源浪费问题；又提高了蒸汽有效利用率。这对提高公司经济效益、环境效益、社会效益都有重要意义。