高炉炼铁过程中炉顶温度和压力的控制方法研究.pdf

第 8 期高炉炼铁过程中炉顶温度和压力的控制方法研究于淼（南京钢铁炼铁事业部第一炼铁厂，江苏 南京210035）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 43 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.43 No.8Aug.2023摘要：在钢铁生产中，高炉炼铁是一个至关重要的环节。高炉的稳定运行对于保证钢铁生产的连续性和质量至关重要。而炉顶温度和压力的控制则是实现高炉稳定运行的重要手段之一。本文首先介绍了炉顶温度和压力的关系，以及它们对高炉炼铁过程的影响，综述了炉顶温度和压力的控制方法，并详细阐述了炉顶温度和压力的监测方法、控制方法及其优缺点以及优化控制方法。最后，文章总结了炉顶温度和压力的控制方法研究的现状，并提出了未来的研究方向。随着科技的不断进步和研究的深入，期待更加精确和智能的控制方法的应用，以推动高炉炼铁技术的进一步发展和提升。关键词：高炉炼铁；炉顶温度；炉顶压力；控制方法；优化控制作者简介：于淼（1994），男，辽宁阜新人，主要研究方向：高炉炼铁。高炉炼铁是钢铁工业的关键环节，高炉炼铁的稳定性和效率对钢铁的产量、质量以及能源和环境的影响十分重要。在高炉炼铁过程中，炉顶温度和压力是两个关键控制参数。炉顶温度过高可能会导致炉料熔结等问题，同时也会增加炉顶冷却水的消耗；炉顶温度过低则可能会导致生铁质量下降、炉顶结焦、布袋除尘的过滤效果等问题。炉顶压力过高可能会导致炉内混合气分布不均等问题，同时也会增加风机能耗；炉顶压力过低则可能会导致炉顶冷却不良、气流速度下降等问题。因此，对炉顶温度和压力进行准确控制，对高炉的稳定运行和优化生产至关重要。1高炉炼铁过程中炉顶温度和压力的控制方法概述1.1炉顶温度和压力的关系在高炉炼铁过程中，炉顶温度和压力是相互关联的。一般来说，当高炉炉顶温度升高时，炉内煤气的体积会扩大，同时炉内气体的密度减小，导致炉顶压力的升高；反之，当炉顶温度降低时，炉内煤气体积缩小，同时炉内气体的密度增大，从而导致炉顶压力降低咱1暂。此外，在高炉炼铁过程中，炉顶温度和压力还受到炉内料层的影响。当料层高度较高时，料层的阻力会使炉顶压力升高，从而影响炉顶温度的控制。因此，在控制炉顶温度和压力时，需要同时考虑料层高度等因素的影响。1.2炉顶温度和压力对高炉炼铁过程的影响高炉炼铁过程中，炉顶温度和压力是重要的工艺参数，它们直接影响着炼铁的质量和生产效率。具体而言，炉顶温度和压力对高炉炼铁过程的影响如下：（1）炉顶温度对高炉冶炼的影响：炉顶温度是高炉冶炼过程中的重要工艺参数之一。炉顶温度的高低直接影响到炼铁的质量和产量。当炉顶温度过高时，会使炉顶冷却设备的使用量增加，同时会导致高炉顶部设备损坏，从而降低生产效率和炼铁质量。而当炉顶温度过低时，会使炉料不易流动，从而导致高炉料层的不稳定，影响炉内反应的进行，降低炼铁产量和质量。此外，顶温过低还会影响高炉的除尘效果，因为炉顶温度过低会使得布袋除尘器的过滤效果受到影响，导致除尘效果下降。相反，如果炉顶温度过高，会烧坏布袋，导致除尘设备失效，影响高炉的环保效果。（2）炉顶压力对高炉冶炼的影响：炉顶压力也是高炉冶炼过程中的重要工艺参数之一。炉顶压力的高低直接影响到高炉内气体流动的状态和炼铁产量。当炉顶压力过高时，会导致高炉内部气体流动状态的不稳定，影响炉内反应的进行，同时也会影响高炉的出铁操作，降低炼铁质量和产量。而当炉顶压力过低时，会使高炉内部的气体流动不畅，从而影响炉内反应的进行，同样也会降低炼铁质量和产量。1.3炉顶温度和压力的控制方法在高炉炼铁过程中，炉顶温度和压力的控制对于高炉的稳定运行和生产效率起着至关重要的作用。炉顶温度是炉内反应的重要指标，它的变化会影响高炉的热平衡和炉内化学反应的速率，进而影响高炉的生产效率和产品质量。因此，对炉顶温度的控制需要采取相应的措施咱2暂。控制炉顶温度的方法主要包括增加风量、调节矿石负荷、增加富氧量等。其中，增加风量可以加速炉内化学反应和物质传递，增加炉内热量的输出，从而降低炉顶温度；调节矿石负荷可以影响炉内物质传递和化学反应，调整其质量和配比可以达到控制炉顶温度的109冶金与材料第 43 卷目的；增加富氧量可以降低顶温，因为单位生铁产生的煤气量减少，所以顶温降低。对于炉顶压力的控制，方法主要包括调整风量、煤气量和炉料质量等。其中，调整风量可以改变高炉炉内氧气浓度和流速，进而控制炉内反应的速率和温度分布，从而达到控制炉顶压力的目的；调整煤气量可以控制炉内的热平衡和化学反应速率，进而影响炉顶压力；调整炉料质量可以改变炉内物质传递和化学反应速率，控制炉顶压力咱3暂。2炉顶温度的控制方法研究2.1炉顶温度的监测方法炉顶温度的监测方法是实现炉顶温度控制的前提，因此炉顶温度的监测方法至关重要。目前炉顶温度的监测方法主要包括温度计和红外测温仪两种方法。温度计是一种通过直接接触炉顶表面测量温度的方法。温度计的种类较多，包括热电偶温度计、电阻温度计、热导率温度计等。其中，热电偶温度计的应用最为广泛，其通过将热电偶的两端接在炉顶表面和参比温度点上，测量炉顶表面温度咱4暂。红外测温仪是一种通过测量炉顶表面发射出的红外线辐射能量来计算炉顶表面温度的方法。红外测温仪具有响应速度快、安装方便等优点，因此在工业生产中应用较为广泛。无论是温度计还是红外测温仪，都需要考虑测量精度、响应速度等因素。同时，炉顶温度的监测位置也需要考虑，通常应选择炉顶中心位置进行测量。在实际应用中，还需要结合高炉炉况等因素进行选择和优化。2.2炉顶温度的控制方法及其优缺点炉顶温度的控制方法主要包括增加风量、调节矿石负荷、增加富氧量等。这些方法都能够有效地降低炉顶温度，但也存在一定的优缺点。增加风量是控制炉顶温度最常用的方法之一。通过增加风量，可以提高高炉的热负荷，加快炉内物质的氧化还原反应，从而达到降低炉顶温度的目的。但是，过度增加风量会导致炉底燃烧不完全，降低高炉的冶炼效率，同时还会造成高炉的烟气排放问题。调节矿石负荷也是控制炉顶温度的有效方法之一。通过控制矿石负荷的多少，可调节高炉的热负荷，从而影响炉内物质的氧化还原反应。但过度调节矿石负荷会影响高炉的稳定性和冶炼效率，同时还会增加高炉操作的难度。增加富氧量会促进焦炭的燃烧，生成的热量会增加炉内热量输出，同时也会提高炉内氧气的浓度，增加还原物的生成，从而降低炉顶温度。此外，增加富氧量可以促进炉渣形成和排出，减少炉料和焦炭的接触面积，减少了化学反应的发生，从而减少了生成的煤气量，这也可以导致炉顶温度降低的效果。2.3炉顶温度的优化控制方法在高炉炼铁生产中，炉顶温度的优化控制是提高高炉运行效率和降低能耗的重要手段之一。炉顶温度的优化控制主要是通过改变炉顶温度的控制参数，使其尽可能地接近设定值，同时满足生产要求，达到最佳状态咱5暂。2.3.1控制参数的选择炉顶温度的优化控制需要选取合适的控制参数，以提高控制效果。常用的控制参数有风量、燃料比、富氧量等。在实际生产中，应根据高炉的特点和生产要求选取合适的控制参数。2.3.2控制策略的制定为了实现炉顶温度的优化控制，需要制定相应的控制策略。控制策略一般包括控制目标、控制方式和控制周期等方面。控制目标是指将炉顶温度控制在一定范围内，同时满足生产要求。控制方式包括开环控制和闭环控制。控制周期是指控制系统进行控制操作的时间间隔。2.3.3控制算法的设计控制算法是实现炉顶温度优化控制的关键技术。常用的控制算法包括 PID 控制算法、模糊控制算法和神经网络控制算法等。在设计控制算法时，需要考虑炉顶温度的动态响应特性，以及控制系统的稳定性和可靠性。2.3.4控制系统的实现控制系统的实现是炉顶温度优化控制的最后一步。控制系统的实现包括硬件设计和软件编程等方面。在实现过程中，需要考虑控制系统的可靠性和稳定性，以及控制参数的调整和优化等问题。总之，炉顶温度的优化控制是提高高炉生产效率和降低能耗的关键技术之一。通过合理选择控制参数、制定控制策略、设计控制算法和实现控制系统等方面的措施，可以实现炉顶温度的优化控制，提高高炉生产效率，降低能耗，达到可持续发展的目标。3炉顶压力的控制方法研究3.1炉顶压力的监测方法炉顶压力是高炉炼铁过程中一个重要的参数，对炉内气体流动、料层堆积、燃烧状况等有着很大影响。因此，准确地监测炉顶压力对于高炉的安全运行和生产效率具有重要作用。常用的炉顶压力监测方法有静压法和动压法。静压法是利用静态压力计或鞘式压力计测量炉顶气压的方法，它的优点是测量精度高、响应速度快，但是在测量过程中需要进行定时校准。动压法是利用静压法不能测量到的瞬时压力变化的原理，通过差压传感器或110第 8 期麦克风传感器来测量炉顶气压，它的优点是测量范围广、响应速度快，但是测量精度相对较低。除了静压法和动压法，还有一些其他的炉顶压力监测方法，如利用放射性同位素测量炉顶气体密度，利用声音和振动测量炉顶气压等，但这些方法具有一定的技术难度和安全风险咱6暂。3.2炉顶压力的控制方法及其优缺点在高炉炼铁过程中，炉顶压力的控制是关键问题。炉顶压力的设定值通常是由入炉风量、风压和全压差来确定的，而其控制方法通常采用 TRT（Top PressureRecovery Turbine，炉顶压力恢复汽轮机）或减压阀组进行控制。TRT 是一种利用高炉炉顶煤气膨胀发电的设备，它通过减小炉顶煤气的压力，将其膨胀成机械能，进而通过发电机将机械能转化为电能。TRT 可以有效地控制炉顶压力，使其在一定范围内稳定，同时还能回收炉顶煤气中的能量，提高高炉的能源利用效率。但是，TRT设备的建造和维护成本较高，需要较大的投资和技术支持。另一种炉顶压力的控制方法是采用减压阀组。减压阀组通常由数个减压阀组成，通过控制减压阀的开度来调节炉顶压力。这种方法的优点是结构简单、成本较低，而且可以较快地响应炉顶压力的变化，使其能够在一定范围内稳定。但是，减压阀组的调节精度和稳定性相对较差，可能会导致炉顶压力波动较大，影响高炉炼铁的稳定性和效率。因此，在实际应用中，需要综合考虑投资、控制精度、调节速度等因素，选择合适的炉顶压力控制方法，以确保高炉的正常运行和高效生产。3.3炉顶压力的优化控制方法炉顶压力的优化控制方法是通过控制高炉煤气流量和入炉风量来实现的。目标是在保持高炉正常操作的前提下，尽可能降低煤气用量，提高高炉的能源利用率。具体而言，炉顶压力的优化控制方法可以分为开环控制和闭环控制两种。开环控制是在高炉操作的基础上，通过确定最佳的煤气流量和入炉风量，来达到炉顶压力的最优控制。闭环控制则是通过不断测量和调整煤气的流量和入炉风量，使炉顶压力始终保持在设定值的范围内。在实际应用中，采用闭环控制方法更为常见，因为它可以及时对高炉的状态变化作出反应，保持压力的稳定性和精确度。常用的闭环控制方法包括 PID 控制和模糊控制等。其中 PID 控制是最常用的方法，通过不断地调整比例、积分和微分参数，来使得控制系统的响应速度和稳定性达到最优状态。模糊控制则是利用模糊逻辑的方法，根据输入信号和输出信号之间的关系，自动调整控制参数，使得控制系统能够适应不同的操作条件和工艺变化。总的来说，炉顶压力的优化控制方法可以通过开环控制和闭环控制两种方法实现，其中闭环控制更为常用。常用的闭环控制方法包括 PID 控制和模糊控制等，可以根据实际应用需求进行选择。4结束语在高炉炼铁过程中，炉顶温度和压力的控制是非常重要的问题。控制炉顶温度可以采取多种方法，包括增加风量、调节矿石负荷、增加富氧量等，而控制炉顶压力则可以通过调整风量、煤气量和炉料质量等方式来实现。这些控制方法的选择和优化需要根据高炉运行情况和生产要求进行调整和优化，以确保高炉的正常运行和高效生产。对于炉顶温度的控制，监测方法主要有温度计和红外测温仪两种，而控制方法则可以采用增加风量、调节矿石负荷、增加喷吹量等方法。在实际应用中，应该综合考虑控制效果、控制难度和控制成本等因素，选择合适的控制方法。对于炉顶压力的控制，监测方法主要有静压法和动压法两种，而控制方法则可以采用 TRT 或减压阀组等方法。在实际应用中，应该综合考虑控制效果、控制难度和控制成本等因素，选择合适的控制方法。综上所述，高炉炼铁过程中炉顶温度和压力的控制方法是一个复杂的问题，需要在实际应用中进行不断地调整和优化。通过科学合理地选择和应用控制方法，可以有效地提高高炉的生产效率和产品质量，为企业和社会做出积极的贡献。参考文献1 李昕洋，庄辉.基于层次分析法的高炉炉顶温度影响因素分析 J.河北冶金，2022，（1）：43-47.2 杨建中.浅谈高炉炉顶温度的控制 J.河北冶金，2013，（4）：32-35.3 邹忠平，谢皓，王刚.高炉炉顶温度偏低的原因及解决途径J.炼铁，2017，36（1）：50-53.4 亓波.高炉炉顶压力控制系统特殊故障的诊断研究 J.机械工程与自动化，2015，（3）：204-205.5 安剑奇，吴敏，熊永华，等.高炉炉顶压力智能解耦控制方法及应用 J.信息与控制，2010，39（2）：180-186.6 王梅莉，方忠.高炉炉顶压力控制分析 J.包钢科技，2009，35（6）：40-43.于淼：高炉炼铁过程中炉顶温度和压力的控制方法研究111