炼铁高炉喷煤系统中阀门的自动化控制

方桂荣，吴金龙

（1.汕头机械（集团）公司，广东汕头 515041；2.汕头市阀门厂，广东汕头 515041）

0 引言

在炼铁高炉喷煤系统中，为保证煤粉喷吹的连续性与高效性，需采用自动化控制的阀门来满足其要求。尤其是在制粉和喷吹的操作过程中，根据煤粉易燃易爆的特性、喷吹速率和倒罐等问题，做好自动化控制阀门的选用及安装是一项至关重要的工作。

1 高炉喷煤的流程、意义及组成部分

在炼铁过程中，将铁从铁矿石中提炼出来，而现代的炼铁技术通常是采用高炉喷吹辅助燃料（煤粉）来进行铁的冶炼和生产。高炉喷煤流程如图1所示。

图1 高炉喷煤流程图

高炉喷煤在炼铁过程中的意义：（1）节约成本，用价格低廉的煤粉代替焦炭；（2）可调节高炉炉况的热度；（3）可改善高炉炉缸工作状态；（4）煤粉气化有利于矿石还原和高炉操作指标；（5）相比其他提炼方法，能够增产降耗，且能减少对环境的污染。

喷煤系统主要分为制粉控制系统和喷吹控制系统[1]。制粉控制系统主要包括给煤、磨煤、稀油、布袋除尘、排风、螺旋输送等，该制粉控制系统主要是控制温度、在制粉过程中给煤粉提供干燥的气体及对磨机的压力展开控制。喷吹控制系统主要是及时向高炉输送煤粉，通过PLC 程序控制实现了自动倒罐的过程，即补压自动控制、补气自动控制、自动喷吹控制、空压包氮压包自动压力控制、高温时自动充氮降温和故障时可实现安全联锁保护[2]。高炉喷煤系统是通过对阀门的自动化控制来保持罐内压力的恒定，达到喷吹的效果。

2 高炉喷煤系统的操作

高炉喷煤系统主要有制粉和喷吹两套自动控制系统的操作。在该系统中，主要采用的一些设备使用变频器和能实现远程自动化控制的阀门（即采用电磁阀和接近开关等电气配件的阀门或电动阀门），并将所有的信息都放置在电脑上展示，采用画面监控软件和编程软件对其监控和自动控制。

2.1 制粉控制系统的操作

制粉控制系统的启动顺序：开中速磨润滑油泵，开原煤仓下的带式密封称量给煤机，延时后停机，开布袋除尘器下的卸灰阀，开原煤仓下的插板阀，开振动筛，布袋除尘器投入工作，开主排风机，开主排风机进口进风阀，开中速磨进口热风切断阀，开中速磨，开原煤仓下的称量给煤机，制粉系统投入运行[3]。该制粉系统在电脑上展示的控制系统监控画面如图2所示。

2.2 喷吹控制系统的操作

喷吹控制系统的启动顺序：关闭喷吹罐卸压阀，开启下煤阀，关闭放散阀，开启上煤阀，开始装煤，关闭上煤阀，关闭下煤阀，开启放散阀，开启充压阀，关闭充压阀，开启补压阀，开启流化阀，开启补气阀，开启喷煤阀，开启煤粉出口阀开始喷吹煤粉。喷吹控制系统采用全自动倒罐控制，其工作原理：在该系统中一般设计有两个喷吹罐（A1 和A2），煤粉利用自重从煤粉仓落到喷吹罐中，当喷吹罐A1 装满煤粉并充压到压力设定值后，即准备喷煤（作为待用罐）；当正在喷吹的喷吹罐A2（操作罐）一旦喷空时，待用罐A1就与煤粉输送管道接通，在一个短暂的转换过渡时间后，喷空的操作罐A2开始卸压、装煤粉和再充压的另一个循环。在喷吹控制系统中阀门开闭动作顺序是喷煤操作过程中必须遵循的规律，违反了操作顺序就有可能出现事故。采用全自动倒灌控制能减少失误操作，节约人力，确保喷煤系统稳定运行[3]。该喷吹系统在电脑上展示的控制系统监控画面如图3所示。

3 喷煤系统阀门的选用

3.1 制粉控制系统的阀门

在制粉控制系统的运行过程中主要选用自动调节和自动切换的阀门。如在中速磨的入口温度需要有效调节，在烟气炉出口和二次混冷风管道上选用电动调节阀；借助烟气炉的作用，控制烟气引风机以及高炉煤气的混合比值，在烟气引风机和冷风管道上选用电动调节阀；在高炉煤气管道则应选用电动蝶阀和电动调节阀；为控制烟气炉的温度需要采用助燃风机，在助燃风机管道上选用电动调节阀；为防止烟气炉超压需要选用气动放散阀；在布袋除尘器上的主排风机管道则选用电动调节阀来控制；在布袋收尘器上的灭火氮气管道上选用气动球阀和电动V 型调节阀来控制当高温时自动充氮降温和灭火；在布袋系统中都安装有卸灰装置（在图1 和图2中无显示卸灰装置），在卸灰装置中安装有可自动控制的气动卸灰球阀。在图2 中，只显示自动控制的阀门，手动阀门则选用适合现场需求的通用阀门来与自动控制阀门安全联锁保护。为确保制粉过程的温度和压力，应调控及设置好调节阀的开度，使其能安全稳定地长时间运行，体现出自动化的特点。

3.2 喷吹控制系统的阀门

在喷吹控制系统的运行过程中主要选用能实现远程自动化控制的带有电气配件（电磁阀和接近开关等）的气动球阀（如图3 所示的上煤阀、下煤阀、放散阀、卸压阀、充压阀、补压阀、流化阀、出口阀、补气阀、喷煤阀、压缩空气吹扫阀等）、能自动调节开度的电动V型调节球阀（如图3所示的补气调节阀、流化调节阀等）、实现安全联锁保护和辅助方便气动阀门更换时的蜗轮球阀及手动球阀、防止介质倒流的止回阀、防止压力过大的减压阀和控制煤粉流量均匀的煤粉分配器等阀门，其型号规格及公称压力等都应根据炼铁高炉喷煤管道生产现场的要求选用。其中如图3所示的阀门只显示气动和电动形式的阀门。

图2 制粉监控画面

图3 喷吹监控画面

关于喷吹控制系统中阀门的选用，应针对喷煤系统的特点考虑：（1）阀门响应速度必须快，应能随时快速开闭，以达到温度的要求；（2）为稳定喷煤系统管道中的压力及介质的煤粉所附带有害气体泄漏现象，故阀门不允许泄漏；（3）为保证喷煤效果，阀门应全开或全关操作；（4）为满足远程自动化控制、PLC 程序控制操作和电脑监控的需要，应选用带电气（即电磁阀和接近开关等）的阀门。结合以上特点应选用气动球阀最为合适，且针对气动球阀结构特点及根据高炉喷煤系统管道的需要，应选用法兰连接形式、固定球（轴支式）结构[4]、双向密封且密封能自动补偿结构的气动球阀[5]。该类气动球阀的型号规格公称压力等具体选用举例如下：某炼铁厂1 300 m3的中型高炉，喷吹罐装满15 t 的煤粉后，罐内加压至0.8 MPa 能达到喷吹煤粉的条件，其自动控制的阀门是选用汕头市新汕阀门制造有限公司（原汕头市阀门厂）生产的气动喷煤球阀FQ647F-16C 的阀门[6]，如图4所示。

图4 气动喷煤球阀外观图

其特点如下：阀门类型为球阀，驱动方式为气动，连接形式为法兰连接，结构形式为固定球和直通式双向密封[7]，密封面材质为增强聚四氟乙烯，公称压力为1.6 MPa，阀体材质为碳钢。该阀门的特点包括：（1）为了减少球阀的操作扭矩和增强密封的可靠程度，避免球体受压后产生位移，采用固定球的结构形式；（2）因在喷煤系统管道中，阀门进出口端都有压力，采用双向密封结构；（3）因喷煤系统对球阀质量的要求高，为提高其使用寿命，采用密封自动补偿装置[8]，即在球阀使用一段时间后或球阀密封位在一定磨损范围内，密封能自动补偿，仍能保证可靠密封；（4）阀门启闭动作是由气动装置带动球体正反回转90°来实现的，可采用单气缸双作用结构的气动装置[9]，其输出扭矩大，操作简单方便，响应速度快（开关时间为2～3 s），可配置电气（即电磁阀和接近开关等）实现远程自动化控制。该炼铁厂高炉喷煤系统喷吹罐上的气动阀门如图5 所示，使用的气动喷煤球阀系列产品均经型式试验检测合格[10]（包括材料化学成分分析和力学机械性能试验等）后取得《压力管道元件制造许可证》，且该系列的阀门各项技术指标符合现场使用条件需要并具较高水平。在该炼铁厂高炉喷煤系统生产现场相应管道上各气动阀门选用的规格为：上煤阀和下煤阀选用DN250 气动喷煤球阀；卸压阀选用DN100 气动喷煤球阀；充压阀、出口阀和喷煤阀选用DN65气动喷煤球阀；放散阀、补压阀、流化阀、补气阀和压缩空气吹扫阀选用DN32气动喷煤球阀；灭火氮气选用DN150 气动喷煤球阀。该炼铁厂高炉喷煤系统选用的气动阀门使得高炉可以顺利高效安全稳定地生产，已经进行了1年多的使用，能实现自动加压、卸压、喷吹和倒罐的控制，达到了预期的效果。

图5 喷吹罐上生产现场的阀门

4 阀门安装说明

在炼铁高炉喷煤系统中，主要采用气动喷煤球阀、气动卸灰球阀、电动V 型调节球阀、蜗轮球阀、手动球阀、止回阀、减压阀、煤粉分配器、电动蝶阀和电动调节阀等，其在安装过程中应注意以下几方面问题：

（1）在安装阀门时必须按阀门的流向（通常在阀门外观有箭头标示流向）在管道上安装（气动喷煤球阀除外，因其是双向密封结构无需辨别方向）；

（2）在气动喷煤球阀和电动V 型调节球阀进口端需安装手动球阀（包括蜗轮球阀），当自动化控制的阀门出现故障时方便更换；

（3）有条件的情况下，在自动化控制的阀门并行处安装能实现安全联锁保护的阀门，防止故障发生影响正常生产；

（4）在管道中需要采用多种阀门一起控制时，应注意各阀门的排序，如在氮气罐进出口处需要采用减压阀、手动球阀、气动球阀、电动V 型调节球阀和止回阀进行控制，且必须按照以上阀门排序安装，切忌随意安装影响各阀门使用的效果及正常的生产；

（5）注意阀门安装的位置（水平安装、垂直安装、倾斜安装、倒置安装）是否正确（气动喷煤球阀除外，因其结构特点能适合各种位置的安装），如气动卸灰球阀则需要采用垂直安装，以免影响阀门使用效果；

（6）阀门安装时注意气源压力的大小、电磁阀的电压电流及常开常闭、接近开关的电压电流及常开常闭等问题；

（7）注意在安装气动阀门时，油水分离器（气源处理元件）不可处在倒置状态，否则气源没有通过处理直接进入气缸而影响驱动效果。在阀门安装及调试时应多注意以上等问题，确保正常生产。

5 结束语

本文阐述炼铁高炉喷煤系统的流程、意义及其主要组成部分制粉、喷吹两个控制系统的操作过程，主要针对其自动化控制阀门的选用及安装等问题进行分析，希望能够提高相关人员对该系统的了解并为有关的研究人士带来借鉴与参考。通过阀门自动控制系统对炼铁高炉喷煤进行操作控制，提高工作效率，降低操作失误率，优化高炉喷煤工艺，并使其操作趋于自动化和智能化，从而增强炼铁企业的竞争力，能够为企业带来巨大的效益。