“一键式”INBA冲渣在莱钢3200m3高炉上的研究与应用

摘要：INBA渣处理技术是引进卢森堡Paul Wurth（PW）公司的一种新型高炉熔渣处理工艺，可以将高炉炉渣转为高品位的水泥原材料，实现炉渣的再生利用，是集经济效益、社会效益与环保效益于一体的高炉水渣处理新技术。

关键词：一键式冲渣；脱水转鼓；自控技术；环保节能

概述

高炉炉渣是高炉炼铁的主要副产品之一。在传统的高炉冶炼工艺中，未经过处理的炉渣一般作为废弃物运出厂区废弃，不仅浪费资源，而且污染环境。所以选择一种运行可靠、配套合理、综合经济效益好的炉渣处理系统妥善处理炉渣，充分开发炉渣的经济价值是极为重要的。现代渣处理主要是采用水力冲渣的方式将高炉炼铁产生的热态炉渣冲制成水渣的一种技术。这样不仅可以解决高炉炉渣产生的环境污染问题，更重要的是，水渣还可以作为生产水泥、混凝土、隔热填料、矿渣微粉等的主要原料，可获得可观的经济效益。

1.研究内容

INBA系统具有设备复杂、布置紧凑、工艺成熟的特点，因此对自动化程度要求非常高。为了使这项技术能取得良好的运用效果，本文结合工艺和实践，实现将INBA渣处理法应用于莱钢3200m3高炉的目标，对系统实现综合自动控制，主要研究系统全自动控制――“一键式”INBA冲渣的实现，并自动计算渣流量，技术上主要根据现场实际实现脱水转鼓变频、变频冷却泵的自动调速，使水渣能够高效、方便的粒化、脱水、冷却、运输，在控制上给操作人员带来极大的方便，使系统达到节约用水，环保的目的。

系统主要分为三大部分：皮带连锁启停，水循环连锁以及脱水转鼓控制。

（1）按照工艺，程序要实现渣运输皮带逆启顺停的控制。

（2）INBA水循环系统主要分为粒化水路、冷凝水路以及再循环水路，要分别实现系统的单机控制与自动启停，实现INBA主循环，即转鼓皮带、转鼓电机、再循环泵、粒化泵、冷却泵、冷却塔等设备的“一键式”连锁自动控制。另外，INBA渣处理的冷凝系统和皮带也实现了“一键式”操作。

（3）实现INBA系统的核心设备――脱水转鼓的变频控制，使转鼓能够自动调速，充分分离水渣混合物，达到最大限度的利用率；还可以根据转鼓自动调速的相关参数，计算出渣流量。

2.“一键式”冲渣的实现

2.1工艺介绍

目前的环保节能型INBA是针对原来普通INBA系统中如水资源浪费、环境污染等问题所进行的改进。通过工艺流程的改进，不但实现冲渣用水的循环使用，而且对冲渣过程中产生的废气进行相应处理，从而减轻对环境的污染。新INBA法包括以下几个系统：粒化水路系统、冷凝水路系统、高压清洗水系统及事故水系统。

高炉炉渣经熔渣沟进入粒化塔，被粒化箱喷出的带压高速水流快速淬冷和粒化，形成颗粒状水渣，粒化产生的渣水混合物，从粒化塔流进能够自动调整转速的脱水转鼓进行渣水分离，滤出的渣由通过转鼓中心的皮带运输至堆渣场装车外运。转鼓过滤后的水进入位于转鼓下的热水池中，经冷却泵提升至冷却塔进行冷却，再由粒化泵送至粒化箱继续冲渣，循环使用。

由于转鼓过滤时会有少量的水渣将转鼓的筛网孔眼堵塞，为了清洗筛网，需要用高压清洗水对筛网进行吹扫，这部分水通过生产水加压或用高炉高压净环水供给。同时有部分水渣穿过筛网进入水中，为了避免水渣在热水池底部沉淀，需要将该部分的水渣经再循环泵打到连接件内进入转鼓再次分离。

炉渣粒化过程中会产生大量的蒸汽，同时也随蒸汽带走了部分小颗粒的水渣，为了净化环境，回收蒸发水，需要对蒸汽进行直接的冷凝，冷凝水由冷凝泵供给。冷凝之后的水经管道流入缓冲罐，然后经冷凝回水泵加压送冷却塔，冷却后的水进入冷水池再用冷凝泵送冷凝塔供蒸汽的冷凝使用。

当粒化水系统出现故障时，可以临时启用紧急事故水装置进行供水，以此完成对炉渣的继续粒化，时间通常为几分钟，同时操作人员应立即对事故进行处理。

2.2控制功能

高炉一般在出铁后10～15分钟开始出渣，当系统各设备的运行状态满足冲渣条件时，操作工便可以于出渣之前启动设备。在接到高炉出渣的通知后，操作人员首先点击画面上的“皮带启动”按钮，使水渣运输系统运行，皮带自动控制遵循“逆启顺停”的原则；皮带启动后，在全自动情况下，操作人员只需点击主画面上“INBA启动”按钮，即可实现“一键式”冲渣。

系统将按照以下顺序启动：

启动转鼓皮带机启动脱水转鼓启动压缩空气吹扫阀启动再循环水路打开粒化箱对应阀门启动粒化水路（包括粒化泵及泵后阀门）启动冷却水路（包括冷却泵及泵后阀门）根据温度需要决定是否开启冷却塔，由此形成一个闭路循环系统。出渣结束后，点击“INBA停止”按钮即可停止冲渣，再点击“皮带停止”结束整个系统运行。

（1）再循环水路：在脱水转鼓运行之后，即可启动再循环水路。入口电动阀为常开状态，可以直接开启两台再循环泵。由再循环泵将热水池底部的细小水渣混合物运送到粒化塔，经过脱水转鼓再次脱水，形成一个小的闭环水回路。

（2）粒化水路：粒化泵共有三台，两用一备。在启动水回路之前，操作人员根据所选择的出渣口来选择粒化箱。在程序中实现了所选粒化箱对应阀门的自动开关。如果条件满足，则根据粒化箱所对应上腔管路启动一台粒化泵。当渣流量大小超过4吨/分钟时，启动对应下腔管路的另一台粒化泵。第三台泵，即备用泵，应该在前两台粒化泵之间轮换使用。如果前两台泵中某一台泵出现问题，也可以启动备用泵。在每台粒化泵启动后打开其对应出口电动阀门。

（3）冷却水路：冷却泵共三台，一台非变频冷却泵和两台变频冷却泵。当粒化水路启动90s且热水池水位达到3m后，即可以启动冷却水路。若粒化塔水位低于2m，只需开启一台冷却泵时，要开启一台变频冷却泵；若粒化塔水位高于2m，需要开启两台冷却泵时，则要开启一台非变频冷却泵和一台变频冷却泵。为了方便控制，程序中将冷却泵分为两组，冷却泵一组包括非变频冷却泵1和变频冷却泵2，冷却泵二组包括非变频冷却泵1和变频冷却泵3。在系统自动运行时，操作人员可在启动系统之前选择要用的冷却泵组，系统则可以按照顺序启动冷却泵，接着打开相应的出口电动阀门。

（4）冷却塔：如果环境温度大于10℃，或出口水温高于40℃，则在冷却水路启动后，自动开启冷却塔，来自热水池的水和冷凝回水从上部管路流入冷却塔，冷却后流入冷水池。如果环境温度低于10℃，并且出口水温低于40℃，则在冷却水路启动后，自动开启冷却塔下部管路电动阀，来自热水池的水及冷凝回水从下部管路直接流入冷却塔下部的冷水池，无需开启冷却塔冷却。

3.技术创新点

3.1皮带自动控制

由于本系统皮带较多，而皮带拉绳、跑偏等故障信号容易引起皮带停机，在系统全自动时，皮带的一些停机信号会导致整个INBA系统全停，而影响系统冲渣，故要完善系统全自动时的工艺。为了降低系统自动运行时的停机率，程序中将系统在全自动情况下的控制分为皮带自动和INBA自动两部分，避免由于皮带故障而导致整个系统停止，特别是转鼓停机的情况，造成渣子堵转鼓的现象。

3.2冷却泵变频调速技术

变频冷却泵通过变频输出转速，若是人为调速，在设定速度和控制水位平衡上不好把握，若调节不当，会严重影响冲渣质量。所以，操作工除了可以在画面手动设定变频速度外，还可以将画面上“速度手/自动”按钮切换为自动模式，程序中要利用的PI1功能块，通过PID调节来控制变频冷却泵，根据实际水位和平衡水位之间的差距来输出变频速度，实现变频冷却泵的自动调速，以此来保持热水池水位平衡。其中要在调试时根据现场实际，填写增益，积分时间等重要参数。

3.3冷凝系统自动控制

由于冷凝水路的运行并不影响INBA主循环的控制，故为了完善工艺，特将冷凝系统单独控制。程序中同样实现了冷凝系统的“一键式”操作。操作员可以根据现场需要，在不影响INBA主系统运行的情况下，随时启停冷凝系统。

3.4转鼓自动调速技术

3.4.1转鼓速度控制原理

在自动情况下，脱水转鼓以最小转速0.2 rpm启动，运转1min后，由PLC自动控制其转速。在正常运行期间，转鼓速度控制主要依靠PW公司提供的经验数据做出的转鼓转矩―速度、液位―速度控制模型，系统根据转鼓转矩和转鼓液位共同控制转鼓转速。PLC根据储存在其内部的三条曲线模型计算出最佳的转鼓转速，实现转鼓自动调速。

（1）第一条曲线是转鼓转速与负荷转矩的关系，将测得的转矩值每0.25s采样一次，并且以相同的频率取转矩平均值M，如图1所示。

（2）第二条曲线是与转鼓转速与转鼓液位的关系，程序中需要表示出转速与转鼓液位的分段函数，如图2所示。

以上两条曲线叠加，即将与转鼓液位成函数关系的速度值加到由第一条曲线计算出的速度值上，系统自动计算出新的转鼓转速，即液位参与速度控制后的转鼓转速n，该转速值由PLC输出给变频器，直接控制转鼓的实际转速。

（3）第三条曲线是转鼓转速与空转矩的关系。当装置在以转鼓最小转速0.2rpm且只有水的情况下运转时，读取整个转动一周的转矩值，每5秒钟记录一次，然后取平均值，得到空转矩M0，该值在后面的渣流量计算中将会用到。如图1中空载曲线所示。

3.4.2转速自动控制的实现

要实现上面介绍的转鼓速度的自动控制，我们需要利用程序软件中的功能块LOOKUP_TABLE1，其作用是使特性曲线线性化，将转速和负荷转矩的抛物线关系表示出。转速与液位的分段函数则用程序中的四则运算功能块表示，将转速与负荷转矩、转速与液位的函数曲线进行叠加，来实现脱水转鼓自动调速。

在PW公司所提供的经验数据中，转鼓达到最大速度1.2 rpm时，对应的转鼓转矩为193Nm，若超过此转矩，说明渣量过大，为防止超出转鼓的承载能力，需要分流炉渣，以防粒化渣堵塞转鼓。

4.“一键式”INBA冲渣的优点

“一键式”INBA冲渣系统由粒化系统和脱水系统组成。与老INBA法相比，此法多了一套用来去除冲制水渣时产生的蒸汽及SO2和H2S的措施――冷凝系统（主要由冷却塔、冷凝泵、冷凝塔、缓冲罐、冷凝回水泵及相关管道组成）。新INBA工艺解决了冲制熔渣时产生的大量有害蒸汽对环境的污染，环保条件得到了很大的改善；而且回收利用蒸汽，使得水系统循环使用，节约了能源。

新INBA系统的主要优点：（1）体积小，用地少；（2）具有连续粒化和脱水功能；（3）无活动部件；（4）维修量少；（5）无爆炸危险，安全性能高；（6）通过电机带动的转矩测量瞬间渣量；（7）对污染进行全面控制，减少硫的排放；（8）高可靠性，高运转率。

5.应用效果

“一键式”INBA冲渣自动控制系统自2010年3月投入运行以来，表现出良好的适用性、稳定性、安全性、可靠性，自动化设备一直连续零故障运行。转鼓自动调速技术使用效果良好，转鼓的利用率由原来的不到60%提高到了90%以上，并且提高了INBA系统运行的稳定性与安全性，生产趋于稳定，粒化作业率提高，发挥了INBA系统可连续粒化和脱水、可自动调节脱水转速并连续测得炉渣量以及环保的优势，达到了预期目的，取得了良好的效果。

6.结束语

“一键式”INBA冲渣自控技术在3200m3 高炉上的应用，提高了粒化效果，消除了泡沫渣现象；改善了转鼓脱水效果，提高了转鼓的利用率；解决了冲制熔渣时产生的大量有害蒸汽对环境的污染，环保条件得到了很大的改善；新INBA法蒸汽冷凝水回收循环使用，节约了大量用水，经济效益相当可观。