【正文】 本知識(shí) 豎爐的主要作用 是提高鐵礦石的品味。有些 品味不是很高的礦石鐵，在豎爐內(nèi)部 進(jìn)行焙燒，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度的時(shí)候 ， 向豎爐內(nèi)通入還原性氣體（比如 CO， 2H 等）， 通過(guò) 還原性氣體與鐵氧化物的 氧化還原反應(yīng)，把鐵礦石 中的 有用成分還原為 43OFe ， 從而 使鐵元素進(jìn)一步富集， 達(dá)到了提高礦石品味的目的，另外還為以后進(jìn)行的磁選環(huán)節(jié)奠定了基礎(chǔ)。 豎爐主要由爐體、排礦部分和抽煙部分組成，其中爐體是核心部分。爐體從上到下分為預(yù)熱帶、加熱帶和還原帶三部分。 預(yù)熱帶是利用上升的氣流 （廢氣） 預(yù)熱需要加熱的礦石，這一部分的溫度大約為 150200 攝氏度；加熱帶是爐體的核心，高度約 9001000 毫米，由鼓風(fēng)機(jī)向里面 按一定 比例通入加熱煤氣和壓縮空氣，保 證 燃燒室 有足夠 高 的溫度對(duì)礦石進(jìn)行焙燒，這一部分的溫度在 1100 攝氏度左右；還原帶 從上 向下呈逐漸變寬的放射狀，目的是使礦石和還原煤氣充分接觸，還原煤氣由鼓風(fēng)機(jī)從下向上吹 入。這一部分的溫度大約為 600750 攝氏度。 爐子的最下部?jī)蓚?cè)裝有四個(gè)排礦輥，用來(lái)排 出 已經(jīng)還原的礦石。它的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)還原 的 礦石質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在排礦輥的下面裝有搬出機(jī)，用來(lái)搬出已還原的礦石 ，然后把礦石送如下一個(gè)環(huán)節(jié)。 為了不使空氣通過(guò)排礦輥處的排礦口進(jìn)入還原帶 （可能會(huì)把剛剛還原的鐵礦石再氧化掉） ， 需要 采用水封裝置 （水封池） ，它是一個(gè)用混凝土筑 成的水槽，其中有循環(huán)水。排出的礦石落入水封 池 中冷卻，避免 了 在 礦石送到下一個(gè)環(huán)節(jié)的過(guò)程中由于 溫度 過(guò)高，而使礦石 和空氣接觸重新被氧化失去磁性 的可能性 。 第 2 頁(yè) 為排出還原焙燒過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣，豎爐還裝有一臺(tái)抽煙機(jī)。抽煙機(jī)通過(guò)廢氣管道直接和爐內(nèi)想通。排出的廢氣同時(shí)還可以起到對(duì)礦石的預(yù)熱作用，體現(xiàn)了對(duì)能源的充分利用。 豎爐焙燒的工藝過(guò)程如圖 豎爐內(nèi)的加熱過(guò)程為還原焙燒過(guò)程。還原焙燒是在還原氣氛中焙燒礦石。通常要向物料中添加還原劑。采用的還原劑有煤粉和碳粉。鐵礦過(guò)程中還原焙燒主要用于增加鐵礦的磁性，其目的均是使赤鐵礦和 褐鐵礦還原成四氧化三鐵一種強(qiáng)磁性物質(zhì)，這就可以在弱磁場(chǎng)磁選機(jī)內(nèi)進(jìn)行磁選富集。在這里我們選用高爐煤氣和 CO的混合氣體作為還原劑。 圖 豎爐焙燒工藝過(guò)程 本設(shè)計(jì)的工業(yè)背景 2020 年，酒鋼選礦廠欲進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)能改造。 之前，酒鋼選礦廠有 22座 100 立方米豎爐、 8 個(gè)磨礦系列、 10 臺(tái) SHP3200型強(qiáng)磁選機(jī)、 5臺(tái) 50 米濃縮機(jī)、 18 臺(tái)過(guò)濾機(jī)以及配套的礦石輸送和動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)，形成了礦石還原焙燒磁選和粉礦強(qiáng)磁選兩大生產(chǎn)工藝流程，涉及年處理原 第 3 頁(yè) 礦 500 萬(wàn)噸。 本擴(kuò)能改造方案設(shè)計(jì)處理鐵礦石為 650 萬(wàn)噸 ，年生產(chǎn)鐵精礦為 333 萬(wàn)噸。增加的主要設(shè)備有： 4 臺(tái) 100 立方米雙層燃燒室豎爐； 4 臺(tái) 3235 球磨機(jī)； 9 臺(tái)SLON2020 型高梯度強(qiáng)磁選機(jī)； 6臺(tái)旋流器組； 2座 25米高效濃縮大井等。由于本次新增的設(shè)備比較多，原有控制系統(tǒng)預(yù)留部分已不能滿足此次擴(kuò)能改造的要求，需增加相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)及控制站。 本擴(kuò)能可分為 4 部分：鐵礦豎爐焙燒部分、球磨部分、溢流濃度部分和現(xiàn)場(chǎng)總線 DCS 部分。本文就是對(duì)其中的第一部分 —— 豎爐焙燒部分進(jìn)行一些 具體的 設(shè)計(jì)和研究。 第 4 頁(yè) 2 鐵礦豎爐焙燒 系統(tǒng)概論 變量列表 選礦廠新上的 4 臺(tái)豎爐系統(tǒng)部分要控制的包括很多的設(shè)備和變量，系統(tǒng)需要監(jiān)控的開(kāi)關(guān)量詳細(xì)列表如表 ，需要監(jiān)控的模擬量詳細(xì)列表如表 。 表 豎爐焙燒系統(tǒng)監(jiān)控的開(kāi)關(guān)量列表 序號(hào) 設(shè)備名 臺(tái)數(shù) 監(jiān)控點(diǎn)取自 DI 點(diǎn)數(shù)（臺(tái)數(shù) *單臺(tái)點(diǎn)數(shù)） DI點(diǎn)說(shuō) 明 DO 點(diǎn)數(shù)（臺(tái)數(shù) *單臺(tái)點(diǎn)數(shù)） DO說(shuō)明 1 鼓風(fēng)機(jī) 4 低壓配電柜 4*3 運(yùn)行、過(guò)載 6*1 啟停 2 抽煙機(jī) 4 低壓配電柜 4*2 運(yùn)行、過(guò)載 4*1 啟停 3 錕式排礦機(jī) 16 低壓配電柜 16*2 運(yùn)行、過(guò)載 4 斗式搬出機(jī) 8 低壓配電柜 8*2 運(yùn)行、過(guò)載 8*1 啟停 5 手 /自動(dòng)予切換 2 主控室 4*1 手動(dòng)、自動(dòng) 6 還原煤氣切斷閥 4 現(xiàn)場(chǎng) 4*2 開(kāi)到位、關(guān)到位 4*1 開(kāi)關(guān)閥門(mén) 表 序號(hào) 測(cè)控模擬量 測(cè)控儀表數(shù)量 監(jiān)控點(diǎn)取自 AI 點(diǎn)數(shù)（臺(tái)數(shù) *單臺(tái)點(diǎn)數(shù)） AI點(diǎn)數(shù) 說(shuō)明 AO 點(diǎn)數(shù)（臺(tái)數(shù) *單臺(tái)點(diǎn)數(shù)） AO 點(diǎn)數(shù)說(shuō)明 1 燃燒室溫度 8 現(xiàn)場(chǎng)紅外測(cè)溫儀 4*2 溫度檢測(cè) 2 還原帶溫度 16 現(xiàn)場(chǎng)熱電偶 4*4 溫度檢測(cè) 3 廢氣溫度 4 熱電阻 4*1 溫度檢測(cè) 第 5 頁(yè) 續(xù)表 序號(hào) 測(cè)控模擬量 測(cè)控儀表數(shù)量 監(jiān)控點(diǎn)取自 AI 點(diǎn)數(shù)（臺(tái)數(shù) *單臺(tái)點(diǎn)數(shù)） AI點(diǎn)數(shù) 說(shuō)明 AO 點(diǎn)數(shù)（臺(tái)數(shù) *單臺(tái)點(diǎn)數(shù)） A 點(diǎn)數(shù) 說(shuō)明 4 水箱梁溫度 8 熱電阻 4*2 溫度檢測(cè) 5 加熱煤氣壓力、流量 8 現(xiàn)場(chǎng)儀表 4*2 壓力流量檢測(cè) 6 還原煤氣壓力、流量 8 現(xiàn)場(chǎng)儀表 4*2 壓力流量檢測(cè) 7 壓縮空氣壓力、流量 2 現(xiàn)場(chǎng)儀表 6*2 壓力流量檢測(cè) 8 爐頂負(fù)壓檢測(cè) 1 現(xiàn)場(chǎng)儀表 差壓變送 4*1 負(fù)壓檢測(cè) 9 還原煤氣調(diào)節(jié)閥 4 現(xiàn)場(chǎng)閥 4*1 還原煤氣調(diào)節(jié) 10 加熱煤氣調(diào)節(jié)閥 4 現(xiàn)場(chǎng)閥 4*1 加熱煤氣調(diào)節(jié) 11 壓縮空氣調(diào)節(jié)閥 4 現(xiàn)場(chǎng)閥 4*1 壓縮空氣調(diào)節(jié) 12 搬出機(jī)電流 8 電流變送器 4*2 系統(tǒng)控制框圖及流程圖 在本系統(tǒng)中，最主要的是四個(gè)參量的控制，就是加熱煤氣通入量、壓縮空氣通入量、還原煤氣通入量和爐頂負(fù)壓。 燃燒室溫度控制 燃燒室 可以說(shuō)是豎爐里面最關(guān)鍵的部分了，這一部分的溫度約有 1100 攝氏度，本部分的溫度控制是十分嚴(yán)格的，要求溫度在 1000 攝氏度以上，假如低于1000攝氏度的話，礦石將得不到理想的溫度，在還原的時(shí)候不能徹底還原；假如太高則可能在還原的時(shí)候還原成低價(jià)鐵，不利于磁選，另外還可能把礦石熔化，這是絕對(duì)不允許的。 在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，要 向燃燒室同時(shí)通入壓縮空氣和加熱煤氣。主要是煤氣中的 CO 和空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)放熱，加熱經(jīng) 第 6 頁(yè) 過(guò)預(yù)熱帶預(yù)熱過(guò)的礦石。要讓他們充分反應(yīng)燃燒，就有一個(gè)兩種氣體通入比例的問(wèn)題。我們令它們的比例系數(shù)為 K，我們按完全燃燒計(jì)算，考慮理想條件下，可以計(jì)算出 K約為 。實(shí)際控制的時(shí)候，保持 K的值不變，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱煤氣調(diào)節(jié)閥和壓縮空氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái) 控制加熱煤氣和壓縮空氣的通入量，從而達(dá)到控制爐內(nèi)燃燒室溫度的目的。其控制框圖如圖 ： 加 熱 煤 氣調(diào) 節(jié) 閥壓 縮 空 氣調(diào) 節(jié) 閥豎 爐P I D電 磁 流 量 計(jì)溫 度 檢 測(cè) 機(jī) 構(gòu)P I DK電 磁 流 量 計(jì)溫度++—溫 度 給 定加 熱 煤 氣壓縮空氣 圖 燃燒室溫度控制系統(tǒng)框圖 爐頂負(fù)壓控制和還原帶還原煤氣通入量控制 （ 1）爐頂要保持負(fù)壓狀態(tài)，假如爐頂是正壓的話，爐內(nèi)的廢氣就會(huì)逸散到外面空氣中，對(duì)環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)工人都是嚴(yán)重有害的，所以，爐頂一定要保持負(fù)壓狀態(tài)。它的控制原理圖如圖 所示。 爐頂負(fù)壓控制原理圖如圖 ： 排 風(fēng) 閥P I D壓 力 檢 測(cè) 機(jī) 構(gòu)+壓 力 給 定 壓 力 圖 爐頂負(fù)壓控制系統(tǒng)原理框圖 第 7 頁(yè) （ 2）在還原帶，主要通入還原煤氣，對(duì)經(jīng)過(guò)燃燒室加熱的礦石進(jìn)行還原，將礦石還原成43OFe，以方便以后進(jìn)行的磁選，那么還原煤氣通入量就必須好好考慮。 還原煤氣通入量控制原理圖如圖 溫 度 檢 測(cè) 機(jī) 構(gòu)P I D還 原 煤 氣 控 制 閥 豎 爐+溫 度溫 度 給 定 圖 還原帶溫度控制系統(tǒng)框圖 鐵礦豎爐焙燒控制系統(tǒng)工藝流程圖 經(jīng)過(guò)上面的介紹，大家可能大概已經(jīng)知道了豎爐系統(tǒng)的工藝流程。具體些就是礦石經(jīng)過(guò)上料系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)截Q爐的最上部的預(yù)熱帶，在預(yù)熱帶，礦石 先由下面上升的廢氣進(jìn)行預(yù)熱，大概預(yù)熱到 200 攝式度左右，由運(yùn)輸系統(tǒng)把礦石運(yùn)輸?shù)郊訜釒нM(jìn)行加熱，在溫度上升到 1100 攝式度左右的時(shí)候，礦石被運(yùn)輸?shù)竭€原帶進(jìn)行還原。然后礦石由排礦機(jī)排出豎爐，經(jīng)過(guò)水封池，最后由搬出機(jī)把礦石運(yùn)送到下一個(gè)環(huán)節(jié) —— 球磨系統(tǒng)。 豎爐焙燒系統(tǒng)工藝流程圖如圖 和 所示 。 球 磨 系 統(tǒng) 豎 爐 還 原 帶搬 出 機(jī)上 料 系 統(tǒng) 豎 爐 加 熱 帶豎 爐 預(yù) 熱 帶排 礦 機(jī)礦 石 輸 送 到預(yù) 熱 礦 石 到2 0 0Co加 熱 礦 石 到 1 1 0 0Co還 原 礦 石 為 43OFe水 封送 到 圖 豎爐焙燒系統(tǒng)礦石流程圖 第 8 頁(yè) 燃 燒 室爐 頂 抽 煙 機(jī)還 原 帶加 熱 煤 氣壓 縮 空 氣還 原 煤 氣廢 氣廢 氣通 過(guò)排 出 圖 豎爐焙燒系統(tǒng)氣體流程圖 DCS 系統(tǒng)配置模擬 圖 DCS 的系統(tǒng)配置模擬圖如圖 。 P C 機(jī)P L C P L C現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 圖 DCS 系統(tǒng)配置模擬圖 為了更形象更直觀的的系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，我們用組態(tài)王軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了監(jiān)控，制作了監(jiān)控畫(huà)面，然后對(duì)下位機(jī) —— PLC 編制控制程序，模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行，通過(guò)組態(tài)監(jiān)控畫(huà)面顯示出來(lái)，并通過(guò)實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行情況。這將在第四章予以詳細(xì)介紹。 為了對(duì)系統(tǒng)更好的控制，我們對(duì)豎爐進(jìn)行了建模，通過(guò) MATLAB 的 SIMULINK組件對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，并通過(guò) PID 對(duì)其系統(tǒng) 進(jìn)行了整定，達(dá)到了比較理想的效果。這將在第五章予以詳細(xì)介紹。 第 9 頁(yè) 3 設(shè)備選型 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要涉及很多變量，主要變量如表 表 豎爐焙燒系統(tǒng)主要變量表： 序號(hào) 變量名稱 變量范圍 變量單位 測(cè)量?jī)x器 1 預(yù)熱帶溫度 100～ 200 攝氏度 熱電阻 2 加熱帶溫度 1000～ 1100 攝氏度 紅外測(cè)溫儀 3 還原帶溫度 600～ 750 攝氏度 熱電偶 4 水箱梁溫度 50～ 90 攝氏度 熱電阻 5 加熱煤氣壓力 150～ 250 KP 壓力表 6 還原煤氣壓力 120～ 200 KP 壓力表 7 壓縮空氣壓力 375～ 625 KP 壓力表 8 加熱煤氣流量 ———— ———— 電磁流量計(jì) 9 還原煤氣流量 ———— ———— 電磁流量計(jì) 10 壓縮空氣流量 ———— ———— 電磁流量計(jì) 11 爐頂負(fù)壓 50～ 80 KP 負(fù)壓計(jì) 12 搬出機(jī)電流 100 左右 A 電流互感器