轧钢企业工业炉安全环保智能化研究与应用

作者：刘洋洋，男，35岁，工程师，注册安全工程师

收稿日期：2024-03-14

摘 要：目前，工业炉的排烟系统多采用压差法或强制排烟法，排烟系统有故障时，只能停炉停风机维护，工时损失大；炉门信号检测装置不智能，运行可靠性差；保护性气氛随着烟气排到大气，热效率不高，以上因素均制约着产线智慧升级和安全环保生产。

关键词：强制排烟法；热效率；智慧升级；安全环保生产

RESEARCH AND APPLICATION OF INTELLIGENT SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION FOR INDUSTRIAL FURNACES IN STEEL ROLLING ENTERPRISES

Liu Yangyang

（Shandong Iron and Steel Group Rizhao Co.， Ltd.    Rizhao    276800， China）

Abstract：At present， the smoke exhaust system of industrial furnaces mostly adopts pressure difference method or forced smoke exhaust method. When the smoke exhaust system fails， it can only shut down the furnace and fan for maintenance， resulting in significant loss of working hours; The furnace door signal detection device is not intelligent and has poor operational reliability; The protective atmosphere is discharged into the atmosphere with smoke， and the thermal efficiency is not high， all of which restrict the intelligent upgrading of the production line and safe and environmentally friendly production.

Keywords： forced smoke exhaust method; thermal efficiency; smart upgrade; safe and environmentally friendly production

0    引    言

國内工业炉的排烟装置，一般是通过喇叭口吸入冷空气降温来实现防止烟气爆鸣，无防爆膜等安全泄压装置[1]。及时存在防爆膜等安全泄压装置，在防爆膜破裂或锈蚀后，需要更换时，防爆膜附近仍是产生废气爆鸣的高发地点，极易对周围作业人和设备设施造成危害。

工业炉炉门的定位基本只靠两个光电开关进行开状态和关状态定位，在光电开关失准或暂时失效时，起不到定位作用，从而很容易造成炉门定位偏差，甚至造成严重的设备事故。通过近几年的改进，有些设备增加了开状态极上限位，但控制上是炉门实际位置到达极上限位，驱动机构便会反向移动，使信号检测不准确造成炉门位置失准。且该方法不利于远程判断炉门实际位置和故障，因此没有大规模应用[2]。

现阶段国内具有保护性气氛的工业炉大多采用辐射管加热方式对工件进行加热，保护性气氛不采用循环再生方式处理，而是直接排放掉，这样不仅造成了保护性气体使用量增大，而且在排放保护性气体的同时，也使保护性气体带走大量的热量，增加了能源使用量[3]。

以上是工业炉实现节能安全环保生产的主要制约因素。

1    总体研究思路

基于资源理论，人的体力属于资源的一部分[4]，通过分析目前行业现状及生产实践中存在的制约自动化和能降低人工劳动量的突出点，通过工艺改进和设备改造的方式[5]，逐个解决存在的问题。

1.1    排烟装置安全升级

在工业炉烟道防爆膜两侧增设风阀；增设与防爆膜并联的旁通排烟管道，并在进出口两侧各设置风阀，风阀能够独立开启与关闭，以实现防爆膜及排烟管道、旁通侧排烟管道独立工作的目的，满足安全防爆排烟的需求[6]。

1.2    炉门定位系统升级

工业炉炉门方面，通过在执行机构上增加两个极上、极下光电开关和优化执行机构程序控制，使炉门可允许的极限位置得到固定，起到保护炉门等设备的作用。通过增加炉门中间位置光电开关，炉门上开关就相当于保护开关，可使炉门运行更加安全可靠。将五个光电开关信号检测通过一级直接传送至操作界面，做到现场情况可观可控可调节。

1.3    保护性气氛循环利用

1）创新提出工业炉保护性气氛的运行方式，炉膛气体余热利用方式及保护性气氛循环利用方式方法，是一种能充分利用保护性气体余热、减少保护性气体使用量的新方法[7]。

2）实施炉膛保护性气体再回收利用，其主要流程为：a.通过废气回收装置将炉膛保护性气体收集，收集动力来源于气体在不同温度下的压强，温将由外界冷却介质产生；b.冷却介质与保护性气体一同进入热交换器进行充分换热，形成二次冷却。换热后冷却介质为可利用性介质，可利用其本身热能进行一切可以进行的活动，换热后保护性气体为常温保护性气体；c.常温气体通过过滤、除尘、加压形成能满足工业炉生产需求的保护性气体，重新进入工业炉，形成闭合回路，符合创建环保节约型社会的要求[8]。

2    具体实施与分析

2.1    工业炉安全防爆排烟系统的应用

1）通过在排烟管道上增设防爆膜，通过改变其材质、连接方式和机械强度等方式，使之成为整个排烟管道上的薄弱点即卸爆点，起到保护排烟管道、排烟风机、烟囱等整个排烟系统的作用。防爆膜为实现防爆作用，必须壁厚远小于排烟管道壁厚，且材质的机械强度应小于管道材质的机械强度。降低防爆膜强度，防爆膜采用纯铝板制作，壁厚情况根据管道壁厚和工作压力确定，一般壁厚选择在管道壁厚的十分之一至五分之一，与管道连接方式为法兰连接，防爆膜开口必须朝向无人区域，一般选择开口垂直向上。

2）旁通排烟管道在进出口两侧各设一阀门，通过阀门的开启与关闭来实现旁通排烟管道的开启与关闭。在正常生产过程中，旁通排烟管道关闭，带有防爆膜的排烟管道开启，防爆膜起到防爆作用；在检修过程中，包括停炉检修和防爆膜检修时，旁通排烟管道开启，防爆膜两侧阀门关闭，这样就保证了防爆膜附近作业环境的绝对安全。

3）通过增设旁通排烟管道和四个风阀，使得防爆膜在需要检修更换的时候能够单独的与排烟系统隔离开来，真正起到安全隔离的作用。

4）防爆排烟系统的应用模拟如图1所示。正常生产过程中，风阀1、风阀2开启，风阀3、风阀4关闭，防爆膜工作，旁通排烟管道被隔離。当因管道爆鸣或排烟系统故障造成管道压力突然升高时，会使防爆膜破裂来泄压。压力释放后，系统压力恢复正常，排烟管道的负压会使大量空气进入排烟管道，导致炉内积压，造成排烟不畅，更换防爆膜必须停炉停风机，且停炉停风机后，炉内温度较高，可燃气体仍有部分残余，仍然有可能在防爆膜处产生爆鸣，会对周围检修人员和设备设施造成影响。通过增设部分装置，在防爆膜破裂后，不需要停炉停风机，只需要倒换风阀，风阀1、风阀2关闭，风阀3、风阀4开启，使烟气走旁通排烟管路，对防爆膜附近管路加以隔离，使之成为安全区域。防爆膜更换完毕后，风阀1、风阀2开启，风阀3、风阀4关闭，对旁通排烟管道加以隔离，使排烟管道和防爆膜正常工作。通过以上排烟防爆系统，工业炉防排烟系统安全性能大幅提高[9]。

2.2    工业炉炉门系统升级

1）保证炉门安全稳定运行，检测定位装置至关重要。为满足初步方案要求，设计的五个光电开关，其中炉门三个光电开关为常规检测开关，不具备连锁控制功能，只检测、定位炉门实际位置，极上、极下光电开关具备连锁控制功能，一旦触发便会连锁控制执行机构。例如当极上开关触发，执行机构立即停止运行，且切换为手动操作模式，也只允许执行机构向下运动；反之极下开关触发，执行机构立即停止运行，且切换为手动操作模式，也只允许执行机构向上运动。

2）通过在执行机构上增加两个极上、极下光电开关和优化执行机构程序控制，使炉门可允许的极限位置得到固定，起到保护炉门等设备的作用。通过增加炉门中间位置光电开关，这样炉门上开关就相当于保护开关，可使炉门运行更加安全可靠。将五个光电开关信号检测通过一级直接传送至操作界面，做到现场情况可观可控可调节。

3）在两侧固定门梁上安装上中下三组检测开关，实现对炉门的位置定位，左右两端检测开关平行放置，可有效检测炉门平行度；在执行机构或固定齿轮或牵引工具上安装检测点，并且在合适的位置安装极上、极下检测开关，可有效控制炉门运动范围，起到保护设备的作用。

4）工业炉炉门系统升级后，执行机构的配合方式如图2所示。

2.3    保护性气氛循环利用的实践

1）在排烟口处设置收集装置，利用气体在不同温度处压差作动力，通过耐高温密封收集管道将高温保护性气体收集到热交换器中，在收集和运输过程中采用多级冷却方式，将保护性气体热量转移至冷却介质中，冷却介质充分吸收保护性气体热量后，冷却介质温度升高，可直接利用于民用与工业采暖、洗浴等需要加热的地方。

2）保护性气体温度降低后，需要通过过滤、除尘等净化设施，使之成为纯净的气体成分，在经压缩机加压，形成具有一定压力的纯净的保护性气体，在按照工业炉工艺要求，将保护性气体通向炉内，形成闭合回路。主要流程为：a.通过废气回收装置将炉膛保护性气体收集，收集动力来源于气体在不同温度下的压强，温将由外界冷却介质产生。b.冷却介质与保护性气体一同进入热交换器进行充分换热，形成二次冷却。换热后冷却介质为可利用性介质，可利用其本身热能进行一切可以进行的活动，换热后保护性气体为常温保护性气体。c.常温气体通过过滤、除尘、加压形成能满足工业炉生产需求的保护性气体，重新进入工业炉，形成闭合回路。

3）由于加热炉生产效率正常工作范围在50％～90％，而且随着生产品种变化而变化，这样就造成烟气温度、流量经常发生变化。生产实践中，充分利用现有设备，实施炉膛保护性气体再回收利用的流程如图3所示。

2.4    应用检验情况

通过以上工艺、设备和布局的优化改进，使工业炉产量、效益、安全、环保等指标得到有效的提升，其主要改进有：

1）优化了防爆膜的安装位置、连接方式等，为实现防爆膜的安全更换提供了一种全新的烟气走向调节装置，对周围作业人员起到保护作用；在不停炉停风机的情况下实现防爆膜的安全可靠更换，降低故障时间，提高生产效率。

2）炉门系统优化升级后具有以下优点：五个检测开关中，两个是正常工作检测开关，其余三个都属于保护性检测开关，可有效防止炉门位置偏差引起的设备损坏；现场情况可有效传送至操作界面，通过界面能够对现场进行了解和掌控；通过优化程序控制，可有效防止误操作引起的二次设备损坏。工业炉炉门光电开关、执行机构的配合方式优化后，不仅使现场设备运行状况一目了然，而且使设备故障率大幅降低，减少了设备维护成本和设备故障时间，保障了生产节奏连贯顺行。

3）保护性气氛循环利用中，所需动力少，更多采用利用气体在不同温度下产生的压强差做动力，且采用该方法，能够有效减少保护性气体使用量、能增加工业炉热效率，使能量更多的转化为有效能量和有效降低能源消耗，减少排往大气的废气量，符合创建环保节约型社会的要求。

3    结    论

本文介绍的工业炉实现智能安全环保生产的应用与实践方法，已应用到生产实践中，近年来为产线高质量发展做出了一定贡献，为轧钢系统安全稳定运行提供了基础保障，在增产增效中发挥了不可替代的作用，具有全行业推广应用的价值。

参考文献

[1]    李岳良，陈佳文.工艺加热炉技术现状与发展研究[J].中国工程咨询，2021（3）：79-83.

[2]    寄玉玉，徐凡.工业厂房燃气管网设计要点探讨[J].上海煤气，2021（4）：17-19，22.

[3]    魏小林，黄俊钦，李森，等.工业炉窑燃烧过程中节能减排问题的研究进展与发展方向[J].热科学与技术，2021，20（1）：1-13.

[4]    叶贵，王妍，任梦雪，等.体力疲劳对建筑工人不安全行为的影响效应研究[J].中国安全生產科学技术，2023（1）：123.

[5]    刘彩利.基于数据挖掘技术的工业炉运行优化方法研究[J].工业加热，2022，51（8）：64-67.

[6]    张铁柱，周鸽成.燃气加热在钢铁行业的应用[J].冶金自动化，2023，47（S1）：202-205.

[7]    刘永龙，谢爱平，鲁伟，等.气氛分析技术在工业炉中的应用实践[J].宽厚板，2021，27（5）：25-29.

[8]    张者一，孙树范，岳彦伟.工业炉烟气物理热与燃烧化学热的比价[J].工业炉，2012，34（5）：35-38.

[9]    张宇，郑启蒙，连利伟，等.包钢加热炉性能监测研究[J].能源与环境，2013（1）：29，31.