热风炉自动测控系统.docx

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热风炉自动测控系统

热风炉自动测控系统设计

摘　要

热风炉是钢铁工业生产生铁的主要设备,热风炉的作用是把鼓风加热到要求的温度,它是按“蓄热”原理工作的热交换器,即先用煤气燃烧后加热格子砖,再使空气通过炽热的格子砖被加热并送出。

为保证高炉连续不断地得到大量的高温空气,每座高炉配备了3~4座热风炉轮流交替地进行燃烧和送风。

热风炉是燃烧-焖炉-送风-焖炉-燃烧的重复工作过程。

本文根据热风炉的参数变化特性及控制要求，设计了相应的温度、压力自动测控系统和自动监控保护系统。

在对热风炉的控制系统进行设计时借鉴了国内外同类型的热风炉在自动化仪表方面的先进技术和先进经验，对热风炉的过程检测和自动控制系统进行了全新的设计。

监控程序采用MCGS组态软件设计，实时动态显示。

关键词：

热风炉；燃烧；动态显示；控制；MCGS

Stoveautomaticmonitoringandcontrolsystemdesign

Abstract

Hotgasisthemainequipmentofproducingpigironofironandsteelindustry.Theroleofhotgasisheatblasttotherequirementstemperature.Itisbasedon"regenerative"principleoftheworkoftheheatexchanger,thatis,burningbricklatticeafterthefirstheatingwithgas,andthenheatingtheairthroughthered-hotbricklatticeandthensentitout.Inordertoensurecontinuouslargenumberofhigh-temperatureairtotheblastfurnace,eachisequippedwithBF3to4alternatingtoburnandsendair.Hotstoveistherepeatedprocessofburning,stuffyfurnace,air,stuffyfurnaceandcombustionduplication.

Inthispaper,thecorrespondingtemperature,pressuremeasurementandcontrolsystemisdesignedinaccordancewiththecharacteristicsofparameterchangesandtherequirementsofcontrol.Intheprocessofdesigningthecontrolsystemofthestove,theadvancedtechnologyandadvancedexperienceinautomationinstrumentofstovesofthesametypehomeandabroadisadoptedtomakeacompletelynewdesigntothedetectionofstoveandautomaticcontrolsystem.ThemonitoringprogramtakesuseofMCGSconfigurationsoftwareandperformsreal-timedynamicdisplay.

Keywords：

Hot-blaststove;Combustion;dynamicdisplay;Control;MCGS

目录

摘　要I

AbstractII

第一章前言1

1.1热风炉的发展1

1.2热风炉在高炉生产中的作用1

1.3热风炉的自动控制概述2

1.4本文的主要工作2

第二章热风炉结构及原理3

2.1热风炉的分类3

2.1.1内燃式热风炉3

2.1.2蓄热式热风炉4

2.2热风炉的炉体结构5

2.3热风炉的管道和阀门6

2.3.1管道7

2.3.2阀门7

2.4热风炉用煤气的种类及成分9

2.4.1燃料的种类9

2.4.2热风炉用煤气的成分10

2.5热风炉的检测与控制参数11

2.5.1温度参数11

2.5.2流量参数13

2.5.3压力参数14

第三章热风炉换炉自动控制方式16

3.1热风炉工作状态的转换16

3.2热风炉自动换炉方式19

3.3自动换炉工艺流程20

3.4自动换炉安全要求及保护措施20

第四章热风炉燃烧自动控制系统设计22

4.1我国高炉热风炉燃烧控制技术进展22

4.1.1热风炉的燃烧控制工艺22

4.1.2热风炉燃烧控制系统的发展22

4.2几种控制方案23

4.3热风炉燃烧自动控制系统设计23

4.3.1燃烧过程控制23

4.3.2送风过程控制24

4.3.3控制系统组成及功能24

4.3.4控制系统构成24

4.3.5系统安全26

4.4变频器在鼓风机控制中的应用26

第五章热风炉监控系统设计31

5.1MCGS软件介绍31

5.2系统软件设计32

5.2.1图形界面的形成33

5.2.2数据库的建立33

5.2.3动画设计34

5.2.4报警图形的制作34

5.3系统的功能35

5.4监控系统框架组态35

5.4.1实时数据库组态36

5.4.2用户窗口组态36

5.4.3监控系统自动运行策略组态36

结束语40

参考文献41

附录A43

附录B44

致谢45

第一章前言

一.1热风炉的发展

自1828年第一座热风炉在美国使用至今，高炉采用热风炉操作已经历180多年的历史。

最早采用的是管式交换器，空气从铁管中通过，用煤作为燃料，热风温度只有315℃，但在当时对高炉炉况有显著改善，产量提高，焦比降低35%，十几年后才开始使用高炉煤气作为热风炉的燃料。

1857年，考贝提出用蓄热式热风炉问世以来，其工作原理至今没有改变，但热风炉的结构、设备及操作方法都有了重大改进。

1972年，荷兰艾莫依登厂在新建的3667m3高炉上对内燃式热风炉做了较大的改进，较好地克服了传统考贝式热风炉的缺点，这种热风炉被称为霍戈文内燃式热风炉。

由于内燃式热风炉存在着拱顶容易损坏、寿命短、挡火隔墙“短路”窜风和风温水平低等问题，因此，出现了燃烧室独立地砌筑于蓄热室之外的外燃式热风炉。

外燃式热风炉的构思是1910年由佛朗兹.达尔提出并申请了专利。

1928年美国在卡尔尼基钢铁公司首先建造了外燃式热风炉，但由于其表面积大，热损失大而没有发展起来。

其后，1938年科泊公司又提出专利，但直到1950年，科泊外燃式热风炉才应用在高炉上。

顶燃式热风炉存在着结构大、燃烧器不好解决等问题，为克服这些缺点，出现了球式热风炉。

球式热风炉也是顶燃式热风炉的一种，具有加热面积大、风温高的优点，在中小高炉上得到很好的应用。

一.2热风炉在高炉生产中的作用

热风炉是高炉生产的重要设施，其风温的高低趋势影响高炉的生产，高的风温是降低焦比、提高产量的有效措施，而风温的高低关键取决于热风炉的燃烧操作的好坏。

在燃烧期，热风炉燃烧高炉煤气，产生的废气流经蓄热室，使蓄热室的格子砖蓄热。

在送风期，冷风反向流经蓄热室被加热后送往高炉，为高炉提供连续的、适宜温度的热风，以提高冶炼强度，降低焦比，达到高炉节能降耗的目的。

由于种种原因，相当多的热风炉控制落后，运行状况并不令人满意，有的甚至是手动控制。

操作者通常依据个人经验手动调节煤气量和空气量以控制热风炉拱顶温度和废气温度，通入其中的空气和燃气很难恰到好处。

由于控制不当，送风温度一直偏低，造成资源的严重浪费，影响高炉的冶炼。

自热风炉运用PLC控制以来，解决了人工操作而无法解决的热风炉的燃烧空、煤的最佳配比，使热风炉的燃烧更具科学性,合理性，达到最佳的燃烧状态,从而节省了煤气，降低了劳动度，确保系统安全稳定运行，在一定的程度上起到了降低能耗，提高风温的作用。

一.3热风炉的自动控制概述

现代钢铁生产中，传统的手动操作己远远不能获得好的控制品质。

目前，在电气控制领域，国内外普遍采用PLC。

特别是最近几年的冶金行业中，PLC以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作，及抗干扰能力强的特点而获得更为广泛的使用。

PLC将电气、仪表、控制这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。

由于PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小巧，是实现机电一体化的理想控制设备。

随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。

在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用几乎覆盖了所有工业企业，日益跃居现代工业自动化三大支柱（PLC,ROBOT,，CAD/CAM）的主导地位。

可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关的外围设备都应该按照易于与控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

一.4本文的主要工作

（1）熟悉热风炉工艺，完成热风炉自动测控系统的总体设计。

（2）设计热风炉炉顶温度和废弃温度的自动控制系统。

（3）利用MCGS设计监控画面，并对报警数据、实时数据进行显示和记录。

第二章热风炉结构及原理

二.1热风炉的分类

1按燃烧室位置分：

内燃式、外燃式和顶燃式。

2按燃烧入口位置分：

低架式（落地式）和高架式。

3按燃烧室形状分：

眼睛形、苹果形和圆形。

4按蓄热体形状分：

板状、块状和球状。

二.1.1内燃式热风炉

热风炉的燃烧室（又叫火井）和蓄热室同置于一个圆形炉壳内，并各处一侧的热风炉称为内燃式热风炉。

内燃式热风炉又分为传统内燃式和改造内燃式。

内燃式热风炉是目前应用最广泛的一种热风炉。

内燃室热风炉是最早使用的一种形式，由考贝发明，故又称为考贝蓄热式热风炉。

传统内燃式热风炉有以下几大缺点：

1隔墙两侧燃烧室与蓄热室的温差太大，又是使用套筒式金属燃烧器，容易产生严重的燃烧脉动现象，从而引起燃烧室裂缝、掉砖，甚至烧穿短路。

2拱顶坐落在大墙上，结构不合理；拱顶受大墙不均匀涨落与自身热膨胀的影响而导致裂缝、损坏。

3当高温烟气由拱顶进入格子砖时，拱顶局部容易过热，致使蓄热室中心部位烧损严重，同时由于高温区耐火砖的高温蠕动，造成燃烧室向蓄热室侧倾斜，引起格砖紊乱。

4随着高炉的大型化，风压越来越高，热风炉成为一个受压容器，热风炉的炉皮随着耐火砌体的膨胀而上涨，炉底板被拉成“碟子”状。

焊缝拉开，炉底板拉裂，造成严重漏风。

5由于热风炉存在着周期性的摆动和上下涨落移动，经常出现热风炉短管“烂脖子”现象。

因此，当风温长期维持1000℃左右时，这种热风炉内部结构要遭到破坏，限制了风温的进一步提高。

正是由于传统内燃式热风炉的风温低，寿命短，因此必须进行技术改造。

在传统内燃式热风炉的基础上进行技术改造，主要有以下几点：

①采用圆形燃烧室（火井）及新型隔墙；

②采用陶瓷燃烧器和圆弧形炉底板；

③应用锥形拱顶、蘑菇拱顶等新技术。

二.1.2蓄热式热风炉

内燃蓄热式热风炉的外形是圆柱体，炉顶是半球形。

炉壳由钢板焊成，炉壳里衬以耐火材料。

炉内分成两个主要部分：

一部分是燃烧室（又称火井）；另一部分是蓄热室，即由耐火砖垛成的砖垛。

燃烧室形状有圆形、眼睛形和苹果形，它们是由耐火砖砌筑成的隔墙分开，各处一侧。

燃烧室中间是空的。

蓄热室是用格子砖砌成的砖格子垛。

砖格子上有许多垂直的孔道，即格孔。

砖格子由下边的铸铁炉箅子和支柱托住。

目前炉子使用的格子砖主要是整体穿孔砖和板状砖。

蓄热式热风炉是循环周期性工作的。

在一个循环工作周期中，分燃烧期和送风期。

燃烧期：

将热风炉烧热，此时冷风入口和热风出口关闭，将煤气和空气按一定的比例从燃烧器送入，煤气燃烧将热风炉（主要是其中的格子砖）加热，燃烧产物即烟气由烟气出口经过烟道从烟囱排掉，这样一直将热风炉加热到需要的温度，然后转入送风期。

送风期：

将由鼓风机来的冷风加热后（一般在1200~1400℃）送入高炉。

此时燃烧器和烟气出口关闭，冷风入口和热风出口打开，由鼓风机经冷风管道送来的冷风进入热风炉，冷风在通过格孔时被加热，热风经热风出口和一些管道送入高炉。

送风一段时间，热风炉蓄存的热量减少，不能将冷风加热到所要求的温度，这时就有送风期再次转入燃烧期。

一座热风炉经过燃烧期和送风期即完成了一个循环，热风炉就是这样燃烧和送风不断循环地工作着。

由于蓄热式热风炉（即加热格子砖）和送风（即冷却格子砖）交替工作，为了能连续向高炉供给高温空气，每座高炉至少配置3~4座热风炉；由于设备维修、检修和提高风温的需要，一般每座高炉设有三座热风炉。

对于2000m3以上的大型高炉，为了不使设备结构过于庞大，并考虑到工作的可靠性，以及交叉并联送风等技术的应用，每座高炉配置四座热风炉。

三座（或四座）热风炉交替地燃烧和送风就保证了不间断地供给高炉热风。

蓄热式热风炉的工作原理，简言之，就是在燃烧过程中热风炉的砖格子将热量储备起来，当转为送风后，砖格子又把热量传给冷风，把冷风加热后送至高炉炼铁。

其实质是燃烧煤气的热量以格子砖为媒介传给高炉冷风的过程。

热风炉的工艺过程如图2.1所示

a燃烧期b送风期

图2.1热风炉燃烧期与送风期

二.2热风炉的炉体结构

热风炉本体由炉基、炉壳、大墙、拱顶、燃烧室、蓄热室、隔墙、支柱和炉箅子组成。

（1）炉基

热风炉是由钢结构和大量的耐火砌体及附属设备组成的，具有较大的荷重。

这就要求必须有相应的基础，即炉基。

热风炉的炉基不仅要承载热风炉本体的重量，还要承载其附属设备及相应构筑物的重量；这些荷重将随高炉炉容的扩大和风温的提高而增加，故要求地基耐热压力不小于0.2~0.25MPa。

土壤承载力不足时，应打桩加固。

总之，热风炉的炉基必须能承受全部荷重，并保持热风炉稳定。

（2）炉壳

炉壳的作用：

①承受砖衬的热膨胀力；②承受炉内气体的压力；③确保密封。

炉壳下部是圆柱体，顶部为半球体；现代高温热风炉炉壳，是由8~20mm厚度不等的钢板，与炉底一起焊成一个不漏气的整体，内衬为耐火砖砌体，并用地脚螺丝将炉壳固定在炉基上。

随着高炉大型化，风压愈来愈高，热风炉成为名副其实的“受压容器”。

因此对炉壳材质的选择和焊接工艺的要求越来越高，有向厚炉壳发展的趋势。

（3）大墙

大墙即热风炉炉体外围的炉墙，由耐热层、绝热层、隔热层组成。

耐热层由345mm厚的耐火砖砌成，砖缝应小于2mm；大墙与炉壳之间是绝热层，65mm厚，用硅藻土砖砌筑；在绝热层和大墙之间是隔热层，60~145mm厚，用于水渣料填充。

在上部高温区耐火砖外增加一层厚度为113mm或230mm的轻质黏土砖，以加强绝热，减少热损失。

现代大型热风炉炉墙为独立结构，可以自由膨胀，在稳定状态下，炉墙仅成为保护炉壳和减少热损失的保护性砌体。

（4）拱顶

拱顶是连接蓄热室和燃烧室的空间，长期在高温状态下工作，除选用优质耐火材料砌筑外，还必须在高温气流作用下保持砌体结构的稳定性，满足燃烧时高温烟气流在蓄热室横断面上均匀分布，还要求砌体品质好，隔热性能好，施工方便。

（5）燃烧室

煤气燃烧的空间称燃烧室，又称火井。

内燃式热风炉的燃烧室位于炉内一侧，其断面形状有圆形、眼睛形和苹果形三种。

（6）蓄热室

蓄热室是进行热交换的主要场所，是砌满格子砖的格子房，砖的表面就是蓄热室的加热面，格子砖块就是储藏热量的介质，所以蓄热室的工作既要求传热快又要求蓄热多，还要具有尽可能高的温度水平。

二.3热风炉的管道和阀门

热风炉是高压、高温设备，所用燃料为易燃、易爆、有毒气体。

因此，热风炉的管道与阀门必须有良好的密封性，工作可靠性，能够承受高温及高压；设备结构应尽量简单，方便操作；阀门的启闭、传动装置均应设有手动操作机构，启闭速度应能满足工艺要求。

二.3.1管道

热风炉系统设有冷风管道、热风管道、混风管道、燃烧用高炉煤气管道、助燃空气管道（指集中鼓风的热风炉）、主烟道管道（指高架烟道的热风炉）、废气管道等。

（1）冷风管道：

冷风管应保持密封，常用4~12mm钢板焊接而成；在冬季冷风温度为70~80℃，夏季常超过100℃甚至高达150℃；为了消除热应力的影响，在冷风管道上要设置伸缩圈，风管的支柱要远离伸缩圈，而支柱上的管托与风管间制成活结，以便冷风管能伸缩自如。

（2）热风管道：

热风管道由约10mm厚的普通钢板焊成；要求管道的密封性好，中间隔热层砌轻质黏土砖或硅藻土砖。

近些年，大中型高炉还在热风管道内表面喷涂不定形耐火材料。

（3）混风管道：

混风管道为稳定热风温度而设，根据热风炉的出口温度而掺入一定量的冷风，使热风温度稍有降低。

如果采用一座炉为主送风，一座炉为副送风。

这种双炉并联送风方式，高低风温互相配合使用，可取消混风管道。

二.3.2阀门

热风炉用的阀门应该坚固结实，能承受一定的高温，保证高压下密封性好，漏气减少到最小程度，开关灵活使用方便，结构简单易于检修和操作。

热风炉系统主要阀门有热风阀、冷风阀、煤气阀、燃烧阀、煤气调节阀、空气阀、空气调节阀、煤气放散阀、烟道阀、废气阀、混风调节阀等。

（1）阀门类型：

根据热风炉周期性工作的特点，热风炉用的阀门可分为控制燃烧系统的阀门和控制送风系统的阀门。

控制燃烧系统的阀门使将空气及煤气送入热风炉燃烧，并把燃烧产生的废气排出热风炉，起调节煤气和助燃空气的流量，调节燃烧温度作用。

当热风炉送风时，燃烧系统的阀门又把煤气管道、空气风机及烟道与热风炉隔开，以保证设备的安全。

主要有燃烧器煤气调节阀、煤气切断阀、烟道阀等。

送风系统的阀门是将鼓风机的冷风送入热风炉，并把热风送到高炉；有的阀门还起着调节热风温度的作用。

该系统的阀门主要有混风阀、冷风阀、热风阀、废气阀等。

热风炉用的阀门按结构造形可分为三类：

①蝶式阀：

中间有轴，轴上有翻板也称蝶板，可以自由旋转翻动；通过转角的大小来调节流量。

蝶式阀调节灵活、准确，但密封性差；由于翻板就在气流中，气流会产生漩涡，故阻力最大，不能用于切断。

通常空气调节阀、煤气调节阀、混风调节阀等是蝶式阀类。

②盘式阀：

阀盘开闭的方向与气流运动方向平行，构造比较简单；多用于切断含尘废气，密封性差，气流经过阀门时方向转90°，阻力较大。

通常放散阀、烟道阀等为盘式阀。

③闸式阀：

闸板开闭方向与气流运动方向垂直，构造较复杂，但密封性好；由于气流经过闸式阀时气流方向不变，故阻力最小。

适用于洁净气体的切断。

通常燃烧阀、煤气阀、冷风阀、热风阀、废气阀等均为闸式阀。

阀门的驱动有手动、液压传动、电动、气动等。

为了提高热风炉设备的利用率，缩短换炉时间，确保安全生产，减轻劳动强度，大中型高炉热风炉阀门普遍采用自动联锁操作。

（2）煤气调节阀：

它安装在与燃烧器连接的煤气管上，阀板为椭圆形，关闭时不必另为设密封阀；转轴伸出阀外的部分，在转角位置指示针，还与驱动拉杆相连。

热风炉在燃烧期，燃烧阀（又称燃烧闸板）与煤气阀（又称煤气闸板）全开后，打开调节阀，通过调节阀开度来调节煤气量；自动燃烧的热风炉，该阀由电气控制，可根据热风炉所需煤气量，进行自动调节。

（3）空气调节阀：

它安设在与燃烧器连接的助燃空气管道支管上，用于调节热风炉燃烧所需的助燃空气量。

（4）混风调节阀：

它安设在冷风管道与热风管道的连接管上。

一般与一台隔热阀（又叫冷风大闸），用来调节风温。

混风调节阀一般为蝶式阀。

（5）燃烧阀：

烧器大闸。

带水冷的闸式阀，仅在套筒式燃烧器的高炉上使用，将煤气送入燃烧器，送风时切断煤气管道和热风炉的联系。

（6）烟道阀：

热风炉在燃烧期，打开阀门，将废气排入烟道；送风时，关闭烟道阀，以切断热风炉与烟道的通路。

（7）放风阀：

放风阀是在鼓风机运转的情况下，减少或完全停止向高炉供风而设的。

正常送风时，全风送入高炉。

放风时，将风全部转放进入大气。

为了减少放风时的噪声，可将风排至烟道，或安装消声器，放风阀安装在从鼓风机来的冷风管道上。

（8）混风阀：

混风阀由调节阀和割断阀组成，装于混风管与热风管相接处。

他的作用是向热风总管内送入一定量的冷风，以保持热风温度稳定不变；调节阀为调节掺入的冷风量；割断阀是防止冷风管道内风压降低时，热风或高炉煤气进入冷风管道；当休风时，在切断热风之前关闭割断阀，以防煤气倒流进入冷风管道，造成严重的爆炸事故，所以有叫混风保护阀。

（9）废气阀：

当高炉需要紧急放风，但放风阀失灵或炉台上无法进行放风操作时，可通过废气阀进行放风。

当热风炉从送风期转为燃烧期时，炉内充满高压风，而烟道阀阀盘的下面却是负压，此时烟道阀阀盘虽然很高，但由于作用时间短，故不需冷却。

（10）冷风阀：

设在冷风管上的切断阀，是冷风进入热风炉的闸门。

当热风炉送风时，打开冷风阀，鼓风机的冷风送入热风炉；当热风炉燃烧时，切断冷风，使热风炉与冷风隔开。

（11）热风阀：

热风阀是一个闸式阀，它安装在热风出口与热风主管之间的短管上；当热风炉处于燃烧期时，它割断热风炉和热风管道；热风炉送风时打开热风阀阀门。

二.4热风炉用煤气的种类及成分

二.4.1燃料的种类

凡是在燃烧时能够放出大量的热，且该热量能经济而有效地用于工业或其他方面的物质称为燃料。

冶金生产用燃料应具有如下基本条件；

（1）燃烧所放出的热量，必须满足生产工艺的要求；

（2）燃烧过程容易控制与调节；

（3）蕴藏量丰富，成本低，使用方便；

（4）燃烧产物是气体，对人、动植物、厂房、环境、设备无害。

燃料可根据其物态或来源进行划分，燃料分类的具体情况见表2.1。

表2.1燃料的分类

与其他燃料相比，气体燃料具有以下优点：

（1）煤气与空气能很好地混合，供给少量的过剩空气就可以完全燃烧，化学和物理热损失少；

（2）煤气可以预热，从而能够大大提高燃料的燃烧温度；

（3）燃烧装置简单，利于燃烧过程的自动调节和控制，满足工艺要求和热工制度；

（4）输送简单方便，节省人力或动力消耗，大大减轻工人的劳动强度，改善劳动条件；

（5）燃烧干净，有利于减轻对环境的污染；

（6）便于联网，利于统一管理。

二.4.2热风炉用煤气的成分

高炉热风炉用燃料为气体燃料，主要是高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。

（1）高炉煤气：

是高炉冶炼过程中产生的，从高炉炉顶排出，经过净化系统净化后得到的煤气。

其主要可燃成分是CO，还有少量的H2、CH4等，非可燃成分N2含量最多，超过50%。

（2）焦炉煤气：

是炼焦过程中产生的煤气。

其主要可燃成分是H2、CH4和CnHm，含量较高，还有少量的CO、O2、N2、CO2等。

属高热值煤气，具有易燃性。

（3）转炉煤气：

是转炉在吹炼过程中生成的，从炉口喷出经净化后使用。

其主要可燃成分是CO，另外还含有一定的O2、CO2、H2和N2等。

一般热风炉以高炉煤气为主要燃料，由于高炉煤气发热值较低，为了获得高风温