自动化仪表在高炉生产中的运用

2021-01-06曹金坤

中国金属通报 2020年10期

曹金坤

（山信软件股份有限公司莱芜分公司，山东济南 271104）

自动化仪表与高炉构成一个不可分割的整体，除了检测一些常规项目，自动化仪表还能够实时监测异常的生产数据，终端操作人员可以根据传感器反馈的数据信息，第一时间做出应急响应，进而为高炉检修争取大量的时间。因此可以说，自动化仪表在高炉生产当中，扮演着监督检查的角色，对提高生产效率，保障钢铁产品质量，促进企业经济效益的提升都起到积极的促进作用。

1 配备自动化仪表的重要性分析

之所以配备多种不同类型的仪表，取决于高炉炼铁的特点，主要包括以下几方面内容：第一，由于近年来，国家大力提倡节能环保，尤其对钢铁企业来说，在生产过程中将消耗大量的电力能源，同时，产生的废弃残渣或者废气排放到大气当中，势必给自然生态环境造成恶劣影响。第二，由于高炉生产全过程始终处于密闭状态，高炉内部的运转情况难以从表象观察出来。第三，对于大型钢铁企业来说，由于单位时间内钢产品产量高，生产规模大，很多工序容易交织在一起，进而埋下重大的安全隐患[1]。第四，高炉炼铁生产过程具有连续性、连贯性，一旦中途停止生产，将给企业造成巨大的经济损失，因此，需要对生产全过程进行实时监控。第五，高炉内的化学反应类型多样，影响高炉正常运转的因素较多，在这种情况之下，能够准确获取高炉运转的各项信息就显的难上加难。为确保正常的生产流程不受影响，降低能源消耗，延长高炉使用寿命，高炉设备必须配备监测温度、流量、压力、料位、重量等参数的自动化仪表，对生产全过程产生的数据信息进行收集，并对异常数据进行分析处理，制订可行性处置方案，最终达到提质、增效、降耗的目的。

2 自动化仪表类型

2.1 自动化仪表的组成单元

自动化仪表在高炉当中较为分散，而且类型多样，如果按照生产系统划分，自动化仪表包括以下几部分，即：外部管网仪表，这部分仪表包含热力综合管线、燃气综合管理线以及富氧系统。供料及上料系统仪表，主要包括槽上供料、矿槽、矿槽除尘系统与矿槽碎料仓等。本体与附属工程仪表，包括高炉本体，炉顶，燃气分析系统等。出铁场系统仪表，包括液压站管道泵以及出铁场除尘系统。水冲洗仪表，包括干渣奈房以及炉后役循环水。热风炉系统仪表，包括热风炉，双予热系统。煤气清洗系统仪表，包括煤气清洗与水处理系统，中心循环水泵房仪表，鼓见机站仪表，煤气余压发电TRT 系统仪表以及喷煤系统仪表等。仪表类型不同，所承担的功能也有所不同。

2.2 电动控制仪表与气动控制仪表的功能性分析

目前，在工业生产领域较为常见的自动化仪表包括电动控制仪表、气动控制仪表、液动控制仪表以及机械式控制仪表，但是，从监测效果与检测功能性来看，电动控制仪表与气动控制仪表在高炉生产中的应用频率较高。电动控制仪表与气动控制仪表功能参数如表1 所示。

表1 电动控制仪表与气动控制仪表功能参数

3 自动化仪表的检测功能分析

3.1 高炉热风炉拱顶温度检测

目前，在检测高炉热风炉拱顶温度时，自动化仪表通常有两种设计方式，一种是利用S 分度铂铑-铂热电锅或者B 分度双铂铑热电偶，经过配置补偿导线来补偿环境温度，然后对热风炉拱顶温度进行检测，利用这种检测仪表，检测数据精准，检测性能稳定。另一种是利用传感器的温度传导功能，将插入式光电温度传感器与其它附属仪表相结合，协同检测热风炉的拱顶温度。这种自动化仪表在国内诸多钢铁企业的高炉生产中得到广泛应用。

其中传感器的感温管材质选择极为重要，这主要是由于热风炉炉体温度高，尤其在生产过程中，温度值均超过1000℃，因此，感温管材质应当以耐高温性能好的合金管为主，也可以选择金属陶瓷管。这两种材质不仅耐高温，而抗高压、防爆裂、抗腐蚀功能强大。在温度检测过程中，感温管内表面热辐射与温度恰恰满足于热辐射定律，即E=∑δT4，在计算式当中，波兹曼常数为5.67×10-8W/m2.K4，∑为黑度系数。而感温管的长度为固定值，因为感应管的内直径远比管长小，所以黑体辐射∑近似等于1，在检测拱顶温度时，感温管热辐射光束经过光电转换器而产生光电信号。光电转换器主要由物镜、光栏、光电转换器及有温度补偿特性的负载网络构成。光电温度传感器的输出特性经验计算式为Vt=e（12.9-15655/t+273.15）+0.02，适用温度区间为750～1600℃，绝对误差值在±5℃，响应速度为1 秒。通实验结论可知，插入式温度传感器互换性能优越，抗干扰能力强，检测技术指标均优于热电耦，而这种自动化仪表的使用寿命是热电耦的5 倍以上。

3.2 高炉热风炉燃烧比检测

在高炉生产中，检测高炉热风炉的空气煤气比值通常采用前馈型双交叉限幅串级控制方式，其中主控制器是温度控制器，在检测过程中，通过测出的温度值对煤气量的大小进行有效控制。利用这种自动化仪表，能够对高炉热风炉的炉温进行精准控制，而且温度控制的响应速度极快。当高炉热风炉运转至低负荷状态后，炉内煤气与空气电动调节阀进入非线性阶段，此时，系统将会出现无规律的振动波，这样就会影响炉内温度，导致温度上下波动区间较大而产生不安全运转状态。因此，通常采用开度控制，通过控制阀门开度使热风炉能够在低负荷状态下稳定运行，同时，燃烧比也能够满足高炉的正常运行要求。

3.3 煤气流量检测

测定高炉热风炉空气、煤气流量所采用的自动化仪表的串级控制回路主要由炉顶压力调节器、煤气清洗装置环缝处调节器共同组成，因为环缝处调节器的性质为非线性，而炉顶压力调节器在释放信号时恰恰需要非性处理，所以二者在协同作用下，能够顺利完煤气流量的检测任务，保证高炉能够安全稳定运转[2]。

3.4 高炉热风炉含氧量检测

高炉富氧自动化仪表装置能够准确检测出鼓风站的冷风流量，富氧自动化控制系统通过这一数值可以自动设定富氧率，进而有效调节和控制氧流量，该装置除了测量热风炉含氧量以外，还可以监测焦炭水份含量、水渣冲制系统压力以及监控原燃料等功能，为高炉的正常运行提供了强大的技术支撑。

3.5 自动化仪表的其它检测功能

炉顶煤气成份分析系统能够准确测量出煤气中氮气、氢气、一氧化碳与二氧化碳的含量，并且对这些气体在高炉内的运行状态与反应过程进行有效监测。炉顶料面监视系统能够全程监测高炉内料面的分布情况、料面形状、料面高度与布料溜槽的实际运行状况。砌砖温度检测系统能够对高炉温度进行实时监测，在这一监测装置在大型高炉中设置了超过600 个温度检测点位，包括炉身、炉缸、炉底以及冷却系统，这种全方位无死角监测为高炉的安全运行提供了有力保障。而高炉软水密闭循环系统可以对炉内液位，氮气入口压力值进行检测，根据监测数据能够及时调节入口压力、补水压力以及出水压力。

4 自动化仪表系统调试

下面以单台自动化仪表为例，对调试过程进行分析。在钢铁企业购置仪表时，首先应当检查仪表的出厂合格证明，质量检测证明，检验合格后，通过包装、储存、运输等步骤与高炉设备安装同步进行，为了保证仪表的检测精度，在安装之前，技术人员需要再次对仪表的合格状态进行检测和校验，当各项检测值满足安装标准时，方可开展安装作业。

由于仪表装置属于精密仪器，在检验单台仪表装置时，对校验环境提出了高要求，其一是室内必须保持清洁卫生无杂尘。其二是校验场所无强磁干扰，无振动波源。其三是校验场所温度应当满足标准要求。其四在校验过程中使用的电源必须为稳定电源。主要校验方法如下。

校验人员应当结合设计图纸中规定的量程，对零点迁移量、报警连锁值、限位值等参数进行检测，校验检测点位不得少于5个，通常情况下选取的检测点位分别为零点、25%、50%、75%以及100%量程。对于有禁油与脱脂要求的仪表，在校验时，应当事先做好禁油与脱脂处理，避免仪表在安装前受到污染。其中最具代表性的禁油防爆仪表是高炉煤气系统仪表，这一装置包括炉顶、上升下降管、旋风除尘装置、煤气洗涤塔、捕滴器等，校验人员应当严格遵照操作规程进行，防止发生安全事故。另外，对于控制阀门来说，需要检测的项目主要有行程试验、缸体泄露性试验以及调节线需要进行的全行程时间试验。对于在检测现场无法完成校验流程的仪表系统，钢铁企业应当严重审查产品的合格证与出厂检定试验报告，以确保自动化仪表在高炉生产中能够稳定运行，为企业的产能提升保驾护航。