焦炉机械设备的运行控制探究

王 浩

（山西焦化集团有限公司技术中心，山西 临汾 041606）

0 引言

近些年，我国经济发展速度越来越快，各个领域和行业面貌都发生了很大的变化，炼焦行业亦是如此。当前，焦炭的应用范围越发广泛，其已经被拓展应用到了诸多领域当中，诸如电石、气体焦炭、铸造等，以焦炭资源为发展基础的诸多领域因此得到了很大的助力[1-2]。据调查和了解，现阶段的焦炉机械设备发展越来越具先进性，发展方向和目标也与之前相比有了很大的变化，并正在朝着环保、大容积以及智能化的主流方向发展，我国的焦炉设备自动化和机械化水平日渐提高，焦炉生产的安全性和高效性也因此得到了充分保障[3-4]。焦炉机械设备的运行控制工作便是以此为目标，在日常生产过程中不断加强对焦炉机械设备的运动控制力度，以推动焦炉机械设备的正常运转和高效利用。

1 焦炉机械设备的运行控制的目的及意义分析

煤炭焦化，即再次加工和制作原煤资源，结合各个行业的煤炭使用要求来进行针对性的加工制作。焦炉生产的自动化水平高低对于整个焦化厂的生产水平和生产质量会产生非常直接的影响，其不仅影响到焦化产品的生产率，更是会直接影响到焦化生产的成本。所以，当前焦化厂最重要的任务之一便是要全力推动并实现焦炉机械的全面自动化，即无人值守模式来进行焦化生产。在调查和了解的过程中，发现现阶段我国诸多焦化厂中实际生产所配置的人工资源，即操作人员数量占比还是非常高的，其与焦炉机械的全面自动化目标还是存在着比较大的差距[5]。因此，逐步提高焦炉机械设备运动控制的水平和质量有着至关重要的价值和意义，其需要通过不断创新和完善焦炉机械设备的运行控制理念和方式来进一步实现炼焦行业焦炉机械设备的运行控制效率。

2 炼焦生产过程当中所涉及焦炉机械设备种类以及功能介绍

在炼焦行业，炼焦的生产过程是把合适数量的煤放入到密封的容器当中进行加热，再经过一定的时间之后煤转变成为焦炭的过程。炼焦过程中使用到的密封容器指的便是焦炉炭化室。

炼焦的生产流程是非常清晰明确的，而且基本上都是固定的模式：首先，将适量煤放入到密闭焦炉炭化室进行隔绝空气加热；其次，经过一段时间加热之后将烧热的焦炭运出焦炉炭化室；最后，在运走全部焦炭之后进行熄灭。

以顶装焦炉为例，在常规要求下，炼焦所使用到的机械设备多以大型设备为主，最具代表性的便是四大车，即装煤车、推焦车、拦焦车和熄焦车，见图1。其中，装煤车的功能和作用主要是把原料煤运输装入到焦炉炭化室当中，通常以螺旋形式送煤，手动操作开闭炉盖，推焦车对焦炉炭化室里面的煤料上表面进行推平处理。在结焦过程中把煤焦油从炭化室里面提取出来。结焦完成后，推焦车、拦焦车自动打开对应炭化室炉门，推焦车将成熟的焦炭从焦炉机侧向焦侧推出，拦焦车的功能是将成熟焦炭通过导焦栅倒运至熄焦车中，完成推焦过程后，推焦车、拦焦车手动操作关闭炭化室炉门。熄焦车将成熟的炙热焦炭运输到熄焦塔中，完成熄焦作业。

图1 焦炉机械大型设备类型

焦炉机械设备的运动控制，主要就是要对上述大型机械设备，即装煤车、推焦车、拦焦车以及熄焦车之间的彼此配合和运作进行精准管控，以保证按时完成生产任务同时保证稳步提升生产效率的目的。

3 关于焦炉机械设备的发展现状以及未来发展趋势分析

3.1 发展现状

在最开始阶段，我国对焦炉机械设备的研究力度并不强，多是直接引进国外焦炉设备或者购买国外焦炉设备制作和使用技术。在后续发展过程中，这种严重依赖国外技术和设备的方式已经不能再很好地满足炼焦行业的发展需求。因此，我国开始不断加强对焦炉机械设备的研究力度，并且在比较短的时间内便成功研制出了5.5 m 焦炉以及设备，又在此基础之上顺利研制出了6 m 焦炉机械设备，其中电磁铁揭炉盖便是最具代表性的成果之一。

纵观现阶段我国焦炉机械设备的研究现状，虽然取得了诸多研究成果，但是也逐渐暴露出了一些问题，诸如：焦炉机械设备研究是建立在过度消耗原材料的基础之上，从实际研究成果和原材料消耗对比中，不得不承认其成功率还是比较小的，尤其在高效设备的研究方面，与世界发达国家相比存在着不小的差距。在研究焦炉机械设备时，实际研究工作中对先进设备的利用率还有着非常大的提升空间[6-7]。此外，焦炉机械设备研究中，设备和技术的融合度并不是很高。

在多年研究和发展过程中，我国针对炼焦行业所开展的焦炉研究工作成果越发丰富和多元，其中顶装焦炉也有着越来越多的型号，侧装捣固焦炉型号也越发丰富，从实际生产工艺角度来看，其也已经可以与先进国际化水平相媲美。

以6 m 焦炉机械设备的设计和生产为例，其拥有着非常显著且独特的优势，具体体现在如下几个方面：

1）对装煤车做出相应的改造处理，用双曲线斗嘴对装煤操作进行简化，如此也可缩短装煤的时间。

2）针式料位计，成功实现了按照可控程序装煤的目标。

3）将装煤车安装上螺旋给料或者转盘给料装置，增加煤料中的水分含量，借助先进性且多元化的技术手段来实现高压氨水消烟装煤处理。

3.2 发展趋势

3.2.1 焦炉设备智能化

在科学技术创新发展与提高的大背景下，用户对焦炉技术要求也将日益增加，而焦炉机械又必须通过不断革新提高才能更好地满足现代社会发展要求，因此智能化将是焦炉机械未来发展的一个重点目标。焦炉的自动化技术一方面能够在较大范围上实现人工劳动强度的解放，另一方面还能够显著提高作业的可靠性，增强焦炉的工作安全性[8]。

3.2.2 焦炉大型化

据了解，在我国炼焦领域中，大多数企业首选的还是6 m 焦炉这种大型化焦炉。这类大型化焦炉的使用在很大程度上提高了我国的焦炭产量。此外，加之焦炉设备中越来越多高科技手段的引入和应用，整套焦炉机械也都是按照一次对位来进行，并且采用推焦串序方式来操作。

在炼焦行业，6 m 的焦炉属于大型焦炉范畴，而且6 m 焦炉的一大优势还体现在其环保性能方面，在实际使用过程中也呈现出产量高、成本低、热损小、占地面积小等特点，这也是6 m 焦炉的主要优势所在。在了解过程中发现现阶段我国很多炼焦企业使用的都是这一种焦炉，一般情况下，6 m 焦炉单孔日常量可以达到22 t 左右，与此同时，使用6 m 焦炉还成功减小了出焦过程中污染物的影响程度。

3.2.3 焦炉设备自动化及机械化

在焦炉设备完成了生产任务以后，焦炉设备中的构件都有待清洁处理，其主要包括炉框、炉台、炉门、装煤座等，如无法进行完全机械化，则整个焦炉机械设备的清洁工作将会显得十分麻烦。而随着焦炉设备自动化以及生产机械化进展，在设备清洗后的操作能力上便解放了大部分的人工劳动强度，无人作业程度也愈来愈高。

3.2.4 干熄焦设备发展

在当前炼焦领域，干熄焦技术得到了广泛应用。干熄焦技术的应用，一方面提升了焦炭的质量，另一方面也为冶金企业节约能源提供了强大助力。此外，干熄焦技术与可持续发展理念有着高度契合性，干熄焦技术本身的污染就要低于其它技术[9]。有越来越多的炼焦企业选择使用干熄焦设备和干熄焦技术。

3.2.5 侧装煤捣固

在之前很长一段时间内，焦炉制作企业选择使用的都是顶装煤焦炉，为了进一步节约炼焦的成本，同时积极迎合我国钢铁行业的发展需求，现在的炼焦企业开始全力向侧装煤焦炉过渡，市场上对捣固焦炉的设备需求越来越高，实践证明捣固焦炉市场的发展前景也非常广阔。

4 焦炉机械设备的运行控制

4.1 焦炉机车的联锁控制过程以及安全联锁条件

在炼焦过程中，按照设计要求的煤车在装完一定的煤料之后就会按照预定时间来推焦车完成平煤工作。在完成炼焦之后就会进行推焦，而在推焦期间推焦车、拦焦车和熄焦车都需要到达炭化室中的指定位置。此外，推焦车、拦焦车和熄焦车必须保持一条直线，后方可完成推焦过程。在推焦、平煤的过程中，自动识别机车所处炉号并主动走行至推焦炉路，同时完成摘锅炉阀门联锁、平煤联锁机和推焦联锁。

关于各个部件联锁控制的条件，其具体体现在如下几个方面：

1）推焦联锁控制允许推焦的条件。推焦联锁控制允许推焦的条件是根据既定炉号，推焦车、拦焦车以及熄焦车要对号入座；拦焦车的导焦槽要精准到位。只有在上述条件满足的情况下，并且经过确认之后才可开始推焦。通常在熄焦车与拦焦车的操作台上面都会设置紧急停止按钮装置，如果在推焦时工作人员发现熄焦车或者是拦焦车出现了问题或者故障，便可迅速按下紧急停车按钮，阻止推焦杆继续前进。

2）摘炉门联锁控制允许摘炉门条件。首先，推焦车和拦焦车的摘门机一定要和出焦炭化室的中心点精准对应；其次，要确保现在时间和计划出焦的时间在可允许范围之内。在保证这两个条件的前提下才可采取相应措施。

3）装煤联锁控制允许装煤条件。装煤车联锁控制需要同时满足两个条件，第一个条件是装煤车的装煤槽要和装煤的炉号准确对应；第二个条件则是炉号焦侧的炉门保持紧闭状态。在满足以上两个条件后，才可进行装煤联锁控制。

4）取煤联锁控制允许下煤条件。必须要保证装煤车的装煤口和下一个煤口精准对应，同时装煤槽挡板要保持关闭。在同时满足这两个条件之后才可下煤。

4.2 焦炉机械设备部分调节和运行控制措施

4.2.1 针对集气管压力和鼓风机前吸力的控制

对集气管压力和鼓风机前吸力进行控制，其目的是更好地维持焦炉压力的稳定性，在集压力控制系统过程中，由于焦炉、通风机等控制器本身就是一种错综复杂的控制系统，而其间又存在着相当复杂的耦合关系，使得各个控单回路之间往往会发生扰动情况，同时振荡超调的现象也十分强烈[10]。而且在实际工作过程中由于控制对象的模拟参数会随时跟着焦炉工况所变化的状况而变化，因此，PID 控制器也就很难确保同时实现增加速度与降低超调的要求，尤其是在压力发生了大幅度的瞬间跃变状况之后，若仍然采用常规的控制算法则更难以实现控制目标。这样便需要适用与专家控制理论相结合的控制策略，来达到对全炉压力的平衡与快速调节，逐步实现炉间、组间压力以及总管吸力的协调发展。

4.2.2 针对焦炉煤气总管压力的控制

回炉煤气总管压力的控制本身强度是比较高的，在实际控制中呈现出压力波动范围大且调节不宜太频繁的特征。所以，针对焦炉煤气总管压力的控制多会选用分段比例控制的方式。回炉煤气总管压力一般会要求在某一压力范围之内波动，不可超出要求压力范围上线。

4.2.3 针对焦炉加热燃烧流量的控制

焦炉的升温和燃烧压力的控制，主要目的是有效控制焦炉在高温的稳定性。通常情况下，通过装煤量、结焦时间等因素，就可以计算出焦炉炼焦需要的大致加能量，在得到了焦炉火的温度之后，还可以通过确定了焦炉的温度和煤流量，来实现串级的PID 计算。

5 结语

在炼焦领域，对焦炉机械设备的运行进行有效控制至关重要。要想进一步提高焦炉机械设备运行控制的效率，就必须要加强对焦炉机械设备控制系统基础理论的研究，要深入了解和掌握焦炉机械设备控制的运行原理，同时结合炼焦实际需求来不断创新和优化焦炉机械设备的运行方式，完善焦炉机械设备的实际运行效果。