安全型智能烘烤器在炼钢中间包烘烤上的应用研究

安全是企业的基础，是正常生产的前提，更是企业生存的命脉。对于钢铁企业来说，安全稳定生产工作尤其重要。钢铁产业本身就是一个高温高压、易燃易爆、有毒有害的高风险行业。随着我国钢铁企业生产自动化程度不断深入、智能化水平稳步提升，钢铁企业对安全工作一丝都不能放松。

连铸中间包作为高温熔融金属容器是钢铁企业炼钢生产核心之一，在最后净化钢水和稳定连铸的操作中起重要作用,不仅影响到钢铁的生产质量，也关乎到钢铁企业的安全生产。

安全智能化改造前状况

炼钢部连铸作业区共有8台中间包在线烘烤器，2台离线烘烤器。目前在线、离线中间包烤包器设备已服役多年，存在老化现象，影响烘烤质量，对耐材质量控制存在较大的隐患;同时，已不能满足国家应急管理部2023年5月15日新版《工贸企业重大事故隐患判定标准》及相关安全标准规范要求，需要完善相关安全措施和改造。

目前存在的问题，具体有：

(1)烘烤器监测数据按照烘烤器使用次数，人工进行手工记录;

(2)火焰熄火检测装置损坏;

(3)火焰自动点火装置不稳定;

(4)一氧化碳检测装置未与自动切断装置联锁;

(5)没有烘烤曲线，依靠人工经验进行大小火控制;

(6)没有过程烘烤数据，无法进行准确的数据溯源。

改造依据和标准

炼钢厂烘烤类设备相关安全标准，如图1所示。

图1 炼钢厂烘烤类设备相关安全标准

改造方案

4.1 蓄热式燃烧技术

在现代化工业生产过程中，燃烧技术是提高能源利用效率的重要因素。蓄热式燃烧器与传统的直燃式燃烧器相比，具有一系列明显的优势，主要体现在热效率、环境影响、燃烧质量和经济效益等方面。

蓄热式燃烧的运行机制是通过轮流切换带有蓄热体的燃烧器而进行的，具体为：当一组燃烧器A、C进行喷射火焰时，另一组燃烧器B、D则进行排烟，并将高温烟气的显热留于燃烧器蓄热体中;经过最佳换热时间后，空气经过燃烧器B、D的蓄热体被预热后进行喷射火焰，而蓄热器A、C重复上一轮B、D燃烧器进行排烟和预热，使燃烧器进行周而复始的运行。

首先，蓄热式燃烧器的最大优势在于其能够最大限度地回收出炉烟气的热量，大幅度地节约燃料、降低成本。蓄热式燃烧器采用特殊的蓄热材料，如蜂窝状或陶瓷球状蓄热体，从出炉烟气中回收大量热量来预热空气，从而显著降低了能源消耗。采用蓄热式燃烧技术可以使燃烧前反应物预热温度达到900℃以上，而排烟温度降低到150℃以下。通过反平衡计算方法可知，烘烤器的热效率是可以通过对各项热损失进行测量来确定，这种方法不仅可以直观地看出影响因素，而且十分准确。排烟热损失是炉子运行过程中最主要的热损失之一，所以影响燃烧热效率的主要因素就是排烟温度。蓄热式燃烧器能够大幅度降低了高温烟气的排放，一般热效率可以提高30%以上，是企业降本增效的有效手段之一。蓄热式燃烧器与传统直燃式燃烧器对比，优势十分突出。这种高效的热量回收，不仅能够大幅度地节约燃料消耗，还减少了生产成本和环境污染。

其次，蓄热式燃烧器在燃烧过程中突破了传统燃烧的界限，大大降低了‌NOₓ的生成和排放。由于蓄热式燃烧器可以在贫氧状态下持续稳定燃烧，同时燃烧速度快，高温区停留时间短，这些众多因素叠加作用，能够有效地降低‌NOₓ的生成。这一点对于环境的保护和满足日益严格的排放标准要求是至关重要的。

在燃烧质量方面，蓄热式燃烧器能够将助燃空气温度预热到与炉膛温度相当的水平，高温的助燃空气有利于燃料的快速燃烧和充分燃烧，同时也减少了燃料不完全燃烧的可能性，提高了燃烧质量;蓄热式燃烧器轮流切换不断交替进行周而复始的运行，使得炉内的温度分布会更加均匀，这有利于提高加热质量，同时也有利于提高生产效率。

在经济效益方面，蓄热式燃烧器具有高效的热回收和低排放特性，能够为相关企业、相关行业带来显著的节能收益。例如，采用蓄热式燃烧器的钢包烘烤器可以在更短的时间内将钢包加热到所需要的温度，可以减少高温保温时间，从而减少能源消耗、节省生产成本。

总的来说，蓄热式燃烧器具有在其他型式燃烧器不可比拟的优点，在提高热效率、降低环境污染、提升产品质量和经济效益方面都具有明显优势，在工业生产中的应用前景是十分广阔的。

图2为蓄热式中间包烘烤器的余热回收形式和工作原理图，图3为蓄热式中间包烘烤现场图。

图2 蓄热式中间包烘烤工作原理图

图3 蓄热式中间包烘烤现场图

4.2 燃烧系统主要技术参数

本次安全型智能中间包烘烤器改造，主要依据相关工业安全生产标准并综合考虑节能型、智能化的改造目标。具体技术参数，如表1所示。

表1 蓄热式中间包烘烤器主要技术参数

安全型智能中间包烘烤系统的主要设备包括：机械设备、管线及阀门、电气仪表、电控系统以及上位机数据管理系统，如图4所示。

图4 安全型智能中间包烘烤器的组成

4.3 机械设备

机械设备主要包括：烘烤器机架(机架、维修梯、挡火板等主要设备)、升降装置(电液推杆)、中间包包盖、旋转轴及大臂系统(包括旋转轴本体、轴承座及内部铜套)、蓄热式烧嘴(包含刚玉挡块及蓄热体，每1台中间包烘烤器为4烧嘴)、点火烧嘴及火检、高性能换向阀、其他设备(引风机、鼓风机、爬梯、管道支架等)。

蓄热式烧嘴设计为高速蓄热式烧嘴：高速烧嘴内设置燃烧室，当燃料与空气在燃烧室混合燃烧后，高温膨胀的热烟气，经过烧嘴缩颈喷口高速喷出，火焰可长达6m以上，且具有刚性强、氧化性氛围可调的特点，完全满足钢包耐火材料升温和烘烤均匀性的要求;同时，高速烧嘴的设计，能有效保证火焰在不同工作负荷下，均保持较好的火焰形态，避免工作时火焰外溢的情况。

蓄热体采用蜂窝状刚玉莫来石，其Al₂O₃含量大于68%,工作温度可达到1600℃,流通面积大(超过70%)、热态阻损小(20 mm H₂O)、孔径按不同燃料进行合理设计、不易损坏或堵塞，有效蓄热能力超过一年。

高性能换向阀采用自动补偿式、耐高温换向阀，其安全性能更加可靠。换向阀内部采用同一驱动轴进行驱动，在气体换向时，能够确保空气和燃气同时进入相同的蓄热式烧嘴，在换向旋转的任意瞬间，换向阀内的两种介质必然分开，防止因换向有气体互混而产生的暴燃现象;密封件采用特殊装置做自动磨损补偿，摩擦受力小、面积小、切换动作时间短，仅需0.5s;同时，利用旋转驱动轴作为驱动元件，无需额外的传动机构，换向阀整体体积变小，也减少了中间传动环节，少去1个故障点。在钢铁企业生产现场恶劣环境中使用寿命长，确保400万次以上动作无故障。

4.4 管线及阀门

管线主要包括：蓄热式烧嘴及换向阀内部管道、燃气管路、烟气管路、助燃空气管路、氮气管道、点火燃气管道、点火助燃空气管道及相应金属软管及波纹管等。

阀门主要包括：流量孔板、手动闸阀、燃气气动调节阀、燃气气动切断阀、空气气动调节阀、手动蝶阀、手动翻板阀、氮气控制切断阀、点火燃气气动切断阀、气动三联件、法兰球阀、手动球阀及单丝头等。

内部管道按照结构紧凑、施工维护方便进行设计，由众多膨胀节、硬管、弹性管和阀门等组成，设计从以下几方面考虑：

(1)吸收蓄热式烧嘴因高温和温差而产生变形的应力;

(2)减少管道对换向阀的受力，延长使用寿命;

(3)减少鼓风机与引风机的振动，使用弹性连接管对鼓风机、引风机等进行连接;

(4)便于设备的安装、维护和更换。

4.5 电气仪表

电气仪表包括：PLC控制柜(包含柜体、PLC(CPUS7-1200)、电源、电子元件等，柜面设置操作按钮和触摸屏(10寸))、仪表(包括煤气管路上的切断阀、调节阀、孔板和变送器、压力开关;助燃空气管路上的调节阀、孔板、变送器和压力开关;吹扫氮气管路上的切断阀;点火煤气管路上切断阀等)、煤气报警器、烟气温度检测热电偶等。

4.6 电控系统

电控系统主要实现：安全联锁以及烘烤自动点火、全程火焰检测、烘烤过程曲线控制和自动保温控制等。

1)安全联锁

(1)送风机电机过载，失压，缺相送风机立即停止，同时送风机故障指示灯点亮。

(2)引风机电机过载，失压，缺相引风机立即停止，同时引风机故障指示灯点亮。

(3)燃气供应压力低于3kPa时，自动关闭燃气切断阀、电火燃气电磁阀，并声光报警。

(4)烘烤运行中熄火，自动关闭燃气切断阀、电火燃气电磁阀，并声光报警。

(5)检测排烟温度过高时，自动关闭引风机，并声光报警;如需要再次打开引风机，必须手动现场启动引风机。

(6)检测空燃比失调时，自动关闭燃气切断阀、电火燃气电磁阀，并声光报警。

(7)以上报警，须人工现场进行故障消除后，才能重新开始手动或自动操作。

2)自动点火程序

烘烤前，操作工只需按下主配电柜上的点火按钮，点火管道快切阀自动打开，同时主烧嘴内的点火电极自动放电，在点火枪内产生电弧，从而点燃常明火;常明火点燃后，火检继电器检测到离子火检信号，火检指示灯亮，点火完成。

3)全程火焰监控功能

烘烤器烘烤过程中，火检继电器连续接收4个主烧嘴内点火枪的离子火检信号，当任意一个点火枪离子火检信号连续丢失5s后，视为熄火，产生声光报警，同时自动关闭燃气切断阀门，并进行20s的氮气置换吹扫，保证管路的安全。

4)烘烤过程曲线控制

烘烤器烘烤前，由操作工按照中间包需要烘烤的类型，在主配电柜上选择对应的烘烤曲线;烘烤过程中，系统按选择的烘烤曲线通过管道上的调节阀按照合同的空燃比，自动配置各个时间段的煤气流量与空气流量，从而做到按设定的温度曲线来进行加热升温，烘烤器操作显示屏如图5所示。

图5 安全型智能中间包烘烤器操作显示屏

5)自动保温控制功能

(1)烘烤器烘烤过程中，当任意时间点的烘烤实际温度大于对应时间点的曲线设定温度达到100℃时，系统自动会通过管道调节阀按照合理空燃比来降低煤气流量与空气流量，从而降低烘烤温度;

(2)烘烤器烘烤过程中，当任意时间点的烘烤实际温度小于对应时间点的曲线设定温度达到100℃时，系统自动会通过管道调节阀按照合理空燃比来增加煤气流量与空气流量，从而提高烘烤温度。

4.7 上位机数据管理系统

1)上位机监控系统

实时显示烘烤器状态，主要包括有：烘烤温度、烘烤时间、烘烤瞬时流量、烘烤累计流量等数据，并可进行设定、调整、修改、控制等操作，满足生产工艺及生产要求。

2)基于B/S查询统计系统

用于现场烘烤数据的采集、记录和分析，该系统可将这些记录的数据形成生产所需要的各种统计分析报表。

3)智能运维手机APP系统

基于GPRS传输技术开发的设备在线运维系统，及时将设备工作状态和参数传送给指定服务器，并通过手机APP对故障进行及时报警，实现设备在线运维，极大地提高了设备安全管理水平(见图6)。

图6 上位机监控及手机APP画面

实施效果

依据相关工业安全生产标准并综合考虑节能型、智能化的改造目标，采用蓄热式技术和智能化控制系统对中间包烘烤设备进行改造，实现了烘烤器安全、高效、节能运行，具体效果如下：

(1)改造后，所有中间包烘烤器完全满足国家及行业安全规范和要求，消除安全隐患;

(2)改造后，中间包烘烤器的自动点火成功率和熄火检测成功率100%;

(3)改造后，中间包烘烤器的烘烤温度控制准确率超过99%;

(4)较改造前，中间包烘烤的焦炉煤气节约率达到32%;

(5)改造后，中间包烘烤数据能自动、准确记录、可溯源，并纳入炼钢生产调度范围，打破了原先中间包烘烤信息孤岛。

结 论

炼钢部连铸作业区安全型智能中间包烘烤器改造后，完全符合国家及行业安全规范要求，具备智能烘烤能力，实现烘烤过程实时安全监控、流量自动控制，降低现场人员操作强度和现场安全风险。目前，安全型智能中间包烘烤器设备已稳定运行6个月以上，燃气使用量较改造前降低了30%以上，为炼钢连铸作业区每年节省200余万元焦炉煤气消耗。