本文针对高炉强化冶炼提产的实际需求，研究了高顶压、高富氧条件下高炉强化冶炼的原理，实施了高风压与机前富氧协同的改造方案，包含鼓风机转子增级改造、鼓风机升级智能控制系统、变压吸附制氧-机前富氧改造等项目，实现了鼓风机出口压力提高至480kPa，进气含氧量27%的技术指标，为高炉高压操作（顶压达到240kPa）、提高富氧率（达到8%）提供了基础，实现了提高高炉冶炼强度的目标（生铁产量提高2500-3000吨/天）。该方案为高炉高顶压、高富氧升级改造提供了可借鉴的实践案例。
河钢集团唐山中厚板材有限责任公司现有3座高炉，由4台鼓风机供风，高炉富氧所用氧气由深冷式气体分离系统提供。鼓风机最大出口风压约为430kPa，风量为3700-3800Nm3/min，供风系统阻力损失约50kPa（至高炉风口前）。该公司提出了提高高炉产能的需求，但是现有鼓风机系统已达到最大出力，鼓风压力难以进一步提高。同时，公司氧气供应能力也无法满足高炉富氧冶炼的需求。 2.1高炉强化冶炼原理 高炉强化冶炼应是以最小的消耗，获得最大的产量，高产量、高消耗的结果是不可取的。提高冶炼强度意味着单位时间内，单位高炉容积燃烧更多的燃料，主要措施包括：1）提高入炉风量。增加高炉单位时间鼓入的风量，高炉燃烧焦炭越多，即冶炼强度越高。2）加快下料速度。即单位时间内燃烧的焦炭增多，与鼓风量和鼓风中的含氧量成正比。3）加大燃烧强度。燃烧强度与鼓入高炉的风量成正比。4）缩短煤气在炉内停留时间。要使煤气在炉内停留时间缩短，则需要入炉风量增大、风速提高，这样冶炼强度必然增加。 以上方法都要求提高鼓风风量。鼓风风量与煤气流速成正比，也与冶炼强度成正比。同时煤气流速与料柱压差成正比，提高鼓风风量会导致下料速度下降，这就形成了提高冶炼强度（生产率）与高炉炉况顺行相违背的矛盾，风量必须与实际炉况相匹配。 2.2强化冶炼技术路径 1）提高高炉顶压 提高高炉顶压可使炉内煤气压力相应升高，煤气体积减小进而降低煤气流速。这有利于高炉炉况稳定顺行，为提升冶炼强度提供了空间。同时，提高高炉顶压有利于高炉运行操作。实践证明，高顶压能实现更高的鼓风量，提高冶炼强度；降低煤气流速，促进高炉顺行，降低焦比；在改善铁水质量、高炉操作方面具有优势。炉顶压力每提高10kPa，可增产1.2%-3%，降低焦比5-7kg/t。鼓风压力≈炉顶压力+料柱压差。由此可知，高顶压需提高鼓风机鼓风压力。 2）富氧鼓风 提高鼓风的含氧量，在鼓风量不变的情况下煤气总量不变，煤气中CO比例增高，炉内还原反应加快、冶炼强度提高，焦比下降。理论计算表明，富氧每提高1%，可提高煤比20-30kg/t，降低焦比8-15kg/t，这是提高高炉产量的重要措施。 2.3鼓风机系统优化原理 为提高高炉顶压和富氧率，制定了提高鼓风机鼓风风压和机前氧含量的方案，原理如下： 1）高炉鼓风机通过控制空气在旋转叶栅中的动量变化，实现机械能高效转化为气体压力能。动叶栅将机械能传递给气体，增加其绝对速度；静叶栅将动能转化为压力能，并调整气流方向。增加叶珊可以有效增加鼓风压力。 2）鼓风机控制系统是保障其高效、安全运行的核心。轴流式鼓风机的工作过程是一个空气压缩的多变过程，鼓风机的特性曲线会随入口温度的变化而发生偏移。当鼓风机入口温度升高时，正常工况区变窄，更容易进入喘振工况。持续喘振可能导致叶片断裂、轴承损坏，机组停机大修。为此，采用了新型智能控制技术，该技术使用压缩能量头Vs体积流量的控制算法，动态控制工况点，鼓风机运行时只要保证工况点的能量头小于喘振点处的能量头，就能确保其不会进入喘振工况，这就将传统控制系统为了安全而牺牲的性能释放了出来，实现了鼓风机性能和安全运行的双优化。 3）变压吸附制氧是利用分子筛对空气中氮气和氧气的选择性吸附原理来实现氧、氮分离的。分子筛可以在一定压力下吸附氮气及其他空气中的组分，而在抽真空条件下释放，这就为分离氧气提供了工程基础。通过两组分子筛的交替吸附-释放过程，实现了氧气的连续生产。 4）机前富氧技术即利用鼓风机入口压力低的工况，将低压氧气直接掺入鼓风机入口空气，相对于机后富氧该技术可以利用低压氧源。 3.1改进后系统构成 改进后的系统由鼓风机本体、控制-保护系统、管道系统、吸附制氧系统、混氧器及相关附属设施组成，见图1。 3.2鼓风机系统改进方案 1）改造转子加一级动叶栅 现有鼓风机是AV71-14轴流式鼓风机，经过可行性评估，增加一级动叶栅可以提高鼓风机出口压力30-35kPa。 2）采用新型智能控制技术 智能控制技术兼顾防喘振、能效优化及智能运维，具有以下优势： （1）实现温度补偿，精确符合不同气温下的实际喘振性能，进行精确喘振线的拟合，减少不必要的裕量。同样工作角度，冬季比夏季压力提高6%-10%，流量提高15%-20%，如图2所示。在促进安全的同时也使工况范围进一步合理扩大，风机可提供更大的风量和压力，可使鼓风机最大输出压力提升15-30kPa左右。 （2）工况范围的扩大、控制效果的精确和稳定，使工况点在防喘调节线附近稳定运行，最大幅度地减少了放风量，降低了不必要的放风，轴流风机在更小的静叶角度下输出同样的负荷。同时实现工况自动寻优，加减风时自主以最经济节能方式选择工况点，节电经济效益十分显著。 （3）在高炉全风运行时可为高炉提供更大的鼓风量，增加冶炼强度。在高炉料层阻力过大时，低流量、高压力操作有利于逐步改善炉况。消除热风炉换炉过程中风压波动，既防风机喘振，又防高炉意外崩料，送风流量压力稳定，避免风口灌渣事故。 3.2变压吸附制氧-机前富氧方案 1）变压吸附制氧技术产品气最高含氧量80%-85%，低于传统深冷法产品气99.5%-99.8%的含氧量，但是变压吸附制氧技术具有投资、运行成本低，节能低碳的优势。 2）变压吸附制氧产出压力10kPa，无法在热风炉前混入冷风中。为保护鼓风机，机前混氧后鼓风机入口含氧量控制不超过27%。需设置联锁措施保护风机本体运行安全。 3.3应用后效果 1）鼓风机最大出口压力提升达到480kPa，风量提高约7%-10.9%，已完全满足高炉的实际需要。某台鼓风机改造前后喘振试验数据见表1。目前，该公司鼓风机系统已全部改造完毕，经过长时间运行验证，配合提高富氧率与高炉运行制度的调整，3座高炉正常生产风压达到410-430kPa，高炉顶压达到230-240kPa。 2）使用机前富氧可减少机后氧加压过程，氧气电耗降低0.14kWh/m3。经核算，吸附制氧与深冷制氧单价差0.2637元/m3，见表2。为高炉鼓风提供O2（浓度80%）30000Nm3/h，折合24000Nm3/h纯氧，高炉富氧率提高至6%-8%。 3）所有项目投运后，生铁产量提高2500-3000吨/日。 本文通过鼓风机增加一级动叶栅、使用新型鼓风机智能控制系统、应用变压吸附制氧-机前富氧技术的方案实现鼓风机系统的高风压、高风量及增加机前进气含氧量的结果。改造后，高炉顶压提升至240kPa，富氧率提升至8%，生铁产量提高2500-3000吨/天。 在国家“双碳” 目标下，提高高炉顶压和富氧率依然是强化高炉冶炼、降低碳排放的重要发展方向。该公司机前含氧量受限于鼓风机安全运行不能超过27%；现有鼓风机的潜力有限，无法再通过改造通流部分或控制系统升级的方式大幅提高鼓风压力。如果采用一些新技术、新材料、新工艺，如空气轴承、磁悬浮轴承、更安全稳定的控制系统，有望进一步提高机前含氧量和鼓风压力。 （河钢集团唐山中厚板材有限责任公司 刘超 刘志 赵虎跃）
