自動化儀表在高爐生產中的運用

曹金坤

（山信軟件股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟南 271104）

自動化儀表與高爐構成一個不可分割的整體，除了檢測一些常規項目，自動化儀表還能夠實時監測異常的生產數據，終端操作人員可以根據傳感器反饋的數據信息，第一時間做出應急響應，進而為高爐檢修爭取大量的時間。因此可以說，自動化儀表在高爐生產當中，扮演著監督檢查的角色，對提高生產效率，保障鋼鐵產品質量，促進企業經濟效益的提升都起到積極的促進作用。

1 配備自動化儀表的重要性分析

之所以配備多種不同類型的儀表，取決于高爐煉鐵的特點，主要包括以下幾方面內容：第一，由于近年來，國家大力提倡節能環保，尤其對鋼鐵企業來說，在生產過程中將消耗大量的電力能源，同時，產生的廢棄殘渣或者廢氣排放到大氣當中，勢必給自然生態環境造成惡劣影響。第二，由于高爐生產全過程始終處于密閉狀態，高爐內部的運轉情況難以從表象觀察出來。第三，對于大型鋼鐵企業來說，由于單位時間內鋼產品產量高，生產規模大，很多工序容易交織在一起，進而埋下重大的安全隱患[1]。第四，高爐煉鐵生產過程具有連續性、連貫性，一旦中途停止生產，將給企業造成巨大的經濟損失，因此，需要對生產全過程進行實時監控。第五，高爐內的化學反應類型多樣，影響高爐正常運轉的因素較多，在這種情況之下，能夠準確獲取高爐運轉的各項信息就顯的難上加難。為確保正常的生產流程不受影響，降低能源消耗，延長高爐使用壽命，高爐設備必須配備監測溫度、流量、壓力、料位、重量等參數的自動化儀表，對生產全過程產生的數據信息進行收集，并對異常數據進行分析處理，制訂可行性處置方案，最終達到提質、增效、降耗的目的。

2 自動化儀表類型

2.1 自動化儀表的組成單元

自動化儀表在高爐當中較為分散，而且類型多樣，如果按照生產系統劃分，自動化儀表包括以下幾部分，即：外部管網儀表，這部分儀表包含熱力綜合管線、燃氣綜合管理線以及富氧系統。供料及上料系統儀表，主要包括槽上供料、礦槽、礦槽除塵系統與礦槽碎料倉等。本體與附屬工程儀表，包括高爐本體，爐頂，燃氣分析系統等。出鐵場系統儀表，包括液壓站管道泵以及出鐵場除塵系統。水沖洗儀表，包括干渣奈房以及爐后役循環水。熱風爐系統儀表，包括熱風爐，雙予熱系統。煤氣清洗系統儀表，包括煤氣清洗與水處理系統，中心循環水泵房儀表，鼓見機站儀表，煤氣余壓發電TRT 系統儀表以及噴煤系統儀表等。儀表類型不同，所承擔的功能也有所不同。

2.2 電動控制儀表與氣動控制儀表的功能性分析

目前，在工業生產領域較為常見的自動化儀表包括電動控制儀表、氣動控制儀表、液動控制儀表以及機械式控制儀表，但是，從監測效果與檢測功能性來看，電動控制儀表與氣動控制儀表在高爐生產中的應用頻率較高。電動控制儀表與氣動控制儀表功能參數如表1 所示。

表1 電動控制儀表與氣動控制儀表功能參數

3 自動化儀表的檢測功能分析

3.1 高爐熱風爐拱頂溫度檢測

目前，在檢測高爐熱風爐拱頂溫度時，自動化儀表通常有兩種設計方式，一種是利用S 分度鉑銠-鉑熱電鍋或者B 分度雙鉑銠熱電偶，經過配置補償導線來補償環境溫度，然后對熱風爐拱頂溫度進行檢測，利用這種檢測儀表，檢測數據精準，檢測性能穩定。另一種是利用傳感器的溫度傳導功能，將插入式光電溫度傳感器與其它附屬儀表相結合，協同檢測熱風爐的拱頂溫度。這種自動化儀表在國內諸多鋼鐵企業的高爐生產中得到廣泛應用。

其中傳感器的感溫管材質選擇極為重要，這主要是由于熱風爐爐體溫度高，尤其在生產過程中，溫度值均超過1000℃，因此，感溫管材質應當以耐高溫性能好的合金管為主，也可以選擇金屬陶瓷管。這兩種材質不僅耐高溫，而抗高壓、防爆裂、抗腐蝕功能強大。在溫度檢測過程中，感溫管內表面熱輻射與溫度恰恰滿足于熱輻射定律，即E=∑δT4，在計算式當中，波茲曼常數為5.67×10-8W/m2.K4，∑為黑度系數。而感溫管的長度為固定值，因為感應管的內直徑遠比管長小，所以黑體輻射∑近似等于1，在檢測拱頂溫度時，感溫管熱輻射光束經過光電轉換器而產生光電信號。光電轉換器主要由物鏡、光欄、光電轉換器及有溫度補償特性的負載網絡構成。光電溫度傳感器的輸出特性經驗計算式為Vt=e（12.9-15655/t+273.15）+0.02，適用溫度區間為750～1600℃，絕對誤差值在±5℃，響應速度為1 秒。通實驗結論可知，插入式溫度傳感器互換性能優越，抗干擾能力強，檢測技術指標均優于熱電耦，而這種自動化儀表的使用壽命是熱電耦的5 倍以上。

3.2 高爐熱風爐燃燒比檢測

在高爐生產中，檢測高爐熱風爐的空氣煤氣比值通常采用前饋型雙交叉限幅串級控制方式，其中主控制器是溫度控制器，在檢測過程中，通過測出的溫度值對煤氣量的大小進行有效控制。利用這種自動化儀表，能夠對高爐熱風爐的爐溫進行精準控制，而且溫度控制的響應速度極快。當高爐熱風爐運轉至低負荷狀態后，爐內煤氣與空氣電動調節閥進入非線性階段，此時，系統將會出現無規律的振動波，這樣就會影響爐內溫度，導致溫度上下波動區間較大而產生不安全運轉狀態。因此，通常采用開度控制，通過控制閥門開度使熱風爐能夠在低負荷狀態下穩定運行，同時，燃燒比也能夠滿足高爐的正常運行要求。

3.3 煤氣流量檢測

測定高爐熱風爐空氣、煤氣流量所采用的自動化儀表的串級控制回路主要由爐頂壓力調節器、煤氣清洗裝置環縫處調節器共同組成，因為環縫處調節器的性質為非線性，而爐頂壓力調節器在釋放信號時恰恰需要非性處理，所以二者在協同作用下，能夠順利完煤氣流量的檢測任務，保證高爐能夠安全穩定運轉[2]。

3.4 高爐熱風爐含氧量檢測

高爐富氧自動化儀表裝置能夠準確檢測出鼓風站的冷風流量，富氧自動化控制系統通過這一數值可以自動設定富氧率，進而有效調節和控制氧流量，該裝置除了測量熱風爐含氧量以外，還可以監測焦炭水份含量、水渣沖制系統壓力以及監控原燃料等功能，為高爐的正常運行提供了強大的技術支撐。

3.5 自動化儀表的其它檢測功能

爐頂煤氣成份分析系統能夠準確測量出煤氣中氮氣、氫氣、一氧化碳與二氧化碳的含量，并且對這些氣體在高爐內的運行狀態與反應過程進行有效監測。爐頂料面監視系統能夠全程監測高爐內料面的分布情況、料面形狀、料面高度與布料溜槽的實際運行狀況。砌磚溫度檢測系統能夠對高爐溫度進行實時監測，在這一監測裝置在大型高爐中設置了超過600 個溫度檢測點位，包括爐身、爐缸、爐底以及冷卻系統，這種全方位無死角監測為高爐的安全運行提供了有力保障。而高爐軟水密閉循環系統可以對爐內液位，氮氣入口壓力值進行檢測，根據監測數據能夠及時調節入口壓力、補水壓力以及出水壓力。

4 自動化儀表系統調試

下面以單臺自動化儀表為例，對調試過程進行分析。在鋼鐵企業購置儀表時，首先應當檢查儀表的出廠合格證明，質量檢測證明，檢驗合格后，通過包裝、儲存、運輸等步驟與高爐設備安裝同步進行，為了保證儀表的檢測精度，在安裝之前，技術人員需要再次對儀表的合格狀態進行檢測和校驗，當各項檢測值滿足安裝標準時，方可開展安裝作業。

由于儀表裝置屬于精密儀器，在檢驗單臺儀表裝置時，對校驗環境提出了高要求，其一是室內必須保持清潔衛生無雜塵。其二是校驗場所無強磁干擾，無振動波源。其三是校驗場所溫度應當滿足標準要求。其四在校驗過程中使用的電源必須為穩定電源。主要校驗方法如下。

校驗人員應當結合設計圖紙中規定的量程，對零點遷移量、報警連鎖值、限位值等參數進行檢測，校驗檢測點位不得少于5個，通常情況下選取的檢測點位分別為零點、25%、50%、75%以及100%量程。對于有禁油與脫脂要求的儀表，在校驗時，應當事先做好禁油與脫脂處理，避免儀表在安裝前受到污染。其中最具代表性的禁油防爆儀表是高爐煤氣系統儀表，這一裝置包括爐頂、上升下降管、旋風除塵裝置、煤氣洗滌塔、捕滴器等，校驗人員應當嚴格遵照操作規程進行，防止發生安全事故。另外，對于控制閥門來說，需要檢測的項目主要有行程試驗、缸體泄露性試驗以及調節線需要進行的全行程時間試驗。對于在檢測現場無法完成校驗流程的儀表系統，鋼鐵企業應當嚴重審查產品的合格證與出廠檢定試驗報告，以確保自動化儀表在高爐生產中能夠穩定運行，為企業的產能提升保駕護航。

5 結束語

自動化儀表在高爐生產中既發揮了全程監測監視作用，同時，對高爐各項運行參數的調節與控制也起到了積極的輔助作用，高爐運行狀態是否正常與自動化儀表有著直接關聯。因此，鋼鐵企業應當高度重視自動化儀表的選型、安裝與管理工作，以體現自動化儀表的最大化價值。