高爐的「心臟」—鼓風機原理及問題處理案例

來自專欄鋼鐵精英

高爐鼓風機是高爐冶煉的關鍵，是提供高爐運行的能量源泉，是高爐的「心臟」。按照目前的國內高爐實際運行情況估計，國內高爐保守數量900座，風機數量與高爐數量比例1.2，那麼鼓風機數量在1080台左右。提高鼓風機的效率、穩定率對於國內煉鐵工業的穩定和成本控制具有十分關鍵的意義。鼓風機的原理是什麼？出現的問題主要有哪些？喘振的原因和避免喘振？小編帶您詳細了解。如您有進一步的需求或加入技術討論，請關注「鋼鐵精英」並加小編微信：xie215727208。

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1 概述

鼓風機通過吸進大量空氣經過加壓，增大了空氣的壓力，從而形成一定的壓力和流量的氣體。經過風壓以及風量調節之後，輸入到高爐的一種動力機械。鼓風機的作用：高爐冶金生產中需要大量的氧氣作為化學反應的原料，從而為高爐中的燒結礦料能充分燃燒。鼓風機通過吸入大量空氣進行加壓，形成一定的風壓和風量，最終輸入高爐中燃燒。

高爐鼓風機是高爐生產運行的關鍵，從高爐的英文名稱「Blast Furnace」可以看出，Blast指的就是鼓風的意思。可以說，高爐鼓風機就是高爐的心臟，為高爐運行提供源源不斷地動力。實際生產中經常說的「有風才有鐵」就是這個道理。

圖 高爐鼓風機鼓風原理圖

按照目前的國內高爐實際運行情況估計，國內高爐保守數量900座，風機數量與高爐數量比例1.2，那麼鼓風機數量在1080台左右。提高鼓風機的效率、穩定率對於國內煉鐵工業的穩定和成本控制具有十分關鍵的意義。

1.1 分類

鼓風機的類型很多，按照鼓風機的動力類型、氣流方向等進行劃分，可以分為以下幾種：

（1）驅動類型:

對大容量高爐鼓風機組，通常分為汽動機組和電動機組，電動鼓風機組由電動機驅動風機運轉，對廠區電力系統的穩定性要求較高；汽動鼓風機組由汽輪機驅動風機運轉，對汽輪機、鍋爐及其輔機系統的穩定性要求較高。

（2）氣體流動方向

分為羅茨式鼓風機、軸流式鼓風機、離心式鼓風機。

1.2 風機選型

目前國內外的高爐鼓風機均採用葉片式風機,主要有離心式和軸流式兩大類。離心鼓風機具有結構簡單, 運行可靠, 設計點效率高, 雜訊較小等優點；軸流式鼓風機具有結構緊湊、體積小、重量輕、負荷調節性好、使用範圍寬、風機轉動慣量小、電機易啟動等特點,所以在大型化和現代化高爐上被廣泛使用。

離心式鼓風機結構簡單, 安全可靠, 但其體積龐大, 轉子特重, 安裝和維護不方便, 電機的啟動也非常困難。另外還要附加盤車等輔助裝置, 使成本提高, 所以在大型高爐上通常不採用該種風機。但是, 使用離心式鼓風機可以比使用軸流式風機少用一颱風機和電機, 減少設備的一次性投入, 運行3 年左右即可收回購買軸流式風機多支出的投資。所以, 選擇何種風機應綜合分析設備投資、運行費用和安全可靠性等因素後再確定。

2 高爐風機喘振

2.1 喘振現象

喘振發生時，高爐鼓風機出口的氣體壓力和流量發生周期性的劇烈振蕩，頻率低且振幅大，機身連同管網系統也會隨之產生強烈振動，同時發出類似吼叫或哮喘的雜訊。喘振破壞了生產工藝系統的穩定性，同時使高爐鼓風機的性能嚴重惡化。根據鼓風機固有特性，當鼓風機運行時的流量低於某一極限值後( 恆壓下) ，鼓風機運行將不穩定。這時系統內出現的周期性振蕩氣流，將會對轉子造成很大的負荷，鼓風機的葉片會受到比之前大很多的壓力; 嚴重時，甚至會使軸瓦和葉片全部損壞。所以高爐鼓風機運行時，一定要做好對喘振工況的控制措施。

2.2 喘振原因

了解喘振首先要了解風機的結構。軸流式鼓風機轉子葉片是多級排列，每一級的葉片環繞轉子組成一組葉柵。空氣流進鼓風機經過多級葉柵，逐級壓縮傳送。最後傳輸至鼓風機的排氣口。在一定的靜葉角度下，空氣流量與風機的出口壓力有著密切的關係，當出口壓力越高，流量就越小。

氣流沿著風軸進入葉柵時，氣流行進的方向與風葉之間的夾角稱為氣流沖角。隨著鼓風機出口壓力的增大且空氣入口流量的愈小時，氣流沖角就越大。當氣流沖角大到某個極限時，氣流沿著非工作面的葉片發生氣流脫離現象。這種現象稱為脫流或失速。失速又稱為旋轉脫流。失速沿著葉柵旋轉傳遞和不斷擴展，當失速現象越發嚴重時就會引起鼓風機喘振。

圖 失速示意圖

鼓風機的喘振與失速有關，當進入鼓風機的氣體流量減小並趨近某一個極限值時，葉片表面就會發生嚴重的氣體分離現象，空氣動力效應使得葉片承受巨大的交變應力，產生了高頻振動，從而引起的喘振。

2.3 防喘振試驗

為了防止鼓風機喘振現象發生，在控制鼓風機的喘振時，我們通過實驗確定一條安全運行界線即：喘振線。喘振線通過實驗測試出來的一條曲線，通過對鼓風機工況點的工作情況，發生喘振時的工況點匯成一個關於出口壓力和進口流量的二維圖形。

規定在喘振極限上方為喘振區域。放風線是給喘振極限線增加 5%—10%的流量。在放風線與喘振極限之間區域，我們稱為放風區。當鼓風機工作的工況點在放風線下方時，此時鼓風機的出口壓力沒有達到該流量下最高允許的壓力值，鼓風機工作在安全區域；當鼓風機的工況點在喘振極限上時，此時鼓風機出口壓力過大，鼓風機就會發生喘振現象；當鼓風機工況點在放風區時，鼓風機工作在非安全範圍因為此時鼓風機的出口壓力已經大於該流量下最高允許的壓力值，鼓風機的風壓很有可能會繼續升高，當達到喘振線時，鼓風機就會發生喘振現象。

圖 喘振原理圖

所謂的防喘振實驗即：通過人為調整風機運行參數的方式，使風機工作參數達到風機發生喘振（或極接近喘振）時的狀態點並記錄，以此點為基礎繪製出防喘振曲線。正確防喘曲線是指導防喘振開環控制策略的主要依據，是風機正常生產的重要保障。

當鼓風機發生喘振時，防喘振閥必須即時打開，使得鼓風機的工況點及時回落到安全區域，這就要求防喘振閥打開具有快速性；當鼓風機經過防喘振閥調節之後，工況點已經回落到安全工作區域，這時要求緩慢關閉防喘振閥，主要是因為若快速關閉防喘振閥，有可能風壓迅速增大，出口風壓快速回升，越過防喘振線，防喘振閥又會被打開。

以安陽鋼鐵2200m3高爐鼓風機組為例，機組防喘控制應用的是閉環控制系統。控制系統中的核心部分調節器為施耐德PLC中功能塊,被控變數選擇為鼓風機喉差、進氣溫度和排氣壓力。其中進氣溫度為喉差測量值進行補償、調節器的給定值、比例積分參數值和調節器控制範圍。

鼓風機的排氣壓力由變送器測量後通過配電器給到PLC櫃中的調節器,鼓風機的排氣溫度由熱電阻測量後通過ARI卡件給到PLC櫃中的調節器,這兩個參數在調節器中被調用。

調節器的設定值是這樣確定的：風機運行起來後,靜葉開到一定角度,慢慢關閉防喘振閥,快達到廠家要求時記下喉差值。靜葉再更換四個角度,分別記錄排氣壓力和喉差。得到這四組數據後在坐標系中確定這些點,連接後得到的曲線就是原始喘振線。風機的喉差測量值有三個,經過三取中後的值參與運算加1.2加273.15的和乘以風機喉差再除以風機進氣溫度加273.15的商,此結果下移90%後得到實際應用的調節線。此調節線上每一個給定值是隨測量值變化而變化,即每個喉差對應一個排氣壓力,這個隨動的排氣壓力就是設定值。以下是功能塊運算的原理圖,其中為X風機喉差,Y為風機排氣壓。

3 高爐撥風（水鋼3、4號高爐）

3.1 原則

高爐自動撥風系統的撥風原則是大功率鼓風機向小功率鼓風機撥風或相同鼓風機互撥風，撥風量及風壓的多少根據高爐需要而定，撥風量一般為用風量的 30%就能保證事故高爐不灌渣。當高爐發生供風中斷時，風管壓力會在約 10 s 之內急劇下降到高爐灌渣，撥風閥動作時間是直接關係到撥風系統能否發揮保產作用的關鍵參數，撥風閥從全關到全開動作時間應小於 5 s 較為合適。

3.2 供風中斷類型

分為機組轉安全運行和機組跳閘兩種。機組轉安全運轉是指風機在運行過程中，因風機內部或外部故障或人為干涉，鼓風機降至最低負荷運行，放風閥全開，雖然機組仍在運行，其效果等同供風中斷;機組跳閘是指機組在正常運行中，因機組內部或外部故障或人為干涉使鼓風機失去動力，機組停機，送風逆止門關閉，放風閥全開，無風供出。

3.3 自動撥風

判斷自動撥風的條件是:風機止回閥關閉，風壓低於150 kPa，被撥風高爐的風壓大於250 kPa，被撥風高爐風量大於2500m3/min，以上條件同時滿足撥風閥才動作。為了避免誤撥風，在高爐休風時撥風閥控制切換到「禁止撥風」位置。

圖 3、4號高爐撥風系統

3.4 改造方法

改造:

(1)將撥風管道從DN600改為DN700，並確定撥風管道共架的氮氣、氧氣、蒸汽管道載荷，安裝撥風管支架，以及進行管道安裝;

(2)確定撥風控制系統方案以及撥風所需信號，高爐冷風放風閥確定為快開慢關，控制台安裝在4"高爐熱風爐;

(3)安裝高爐撥風系統外部電纜、光纖及設備，並進行管道試壓，電動閥、撥風閥單調及聯調。

3.5 效果

表撥風系統作用列表

3.6 編者按

高爐撥風系統應用大大縮短了鼓風機停機後高爐的恢復生產時間，防止了高爐罐渣，對高爐生產影響較小，有利於公司鐵、鋼、材主線的生產組織，大大降低了操作人員及檢修人員的勞動強度。利用現有的風機及高爐控制系統，通過軟體優化改造和升級，國內大多數的高爐風機能夠實現自動撥風。因此，利用此種方法，能夠有效提升高爐煉鐵的穩定性。

4 問題及處理案例

4.1軸向振動大（唐鋼能源科技公司北區 6# 汽輪鼓風機機組）

問題：

由於唐鋼能源科技公司北區 6# 汽輪鼓風機機組排氣側軸瓦軸向振動值達到 120μm，經過專家組分析確定是因為製造廠鼓風機軸承座製造剛度不夠，導致排氣側軸瓦振動值大，自製加裝軸承座剛度提升裝置可提高軸承座剛度，可有效地解決機組振動問題。

處理方法：

能源科技公司北區 6# 汽輪鼓風機組由於製造廠運轉過程中排氣側軸瓦軸承箱箱體支撐發生彈性變形，剛度下降，引起軸的軸向振動大，影響了汽輪鼓風機組正常運行，造成設備停機檢修，使高爐生產受到影響。轉子的支撐系統一般由基礎台板、軸承座、軸承等部件組合而成，這些部件的剛度直接影響汽輪鼓風機轉子軸向振動，因此，加強軸承箱箱體的剛度可解決鼓風機軸瓦軸向振動大的問題。

所採取的技術方案是：一種高爐鼓風機軸承箱剛度加強裝置，包括下平板、支撐板和上平板，上平板頂部設置用於容納軸承箱內側頂部支撐筋的凹槽，下平板為矩形板狀結構、且其四角均螺紋安裝支撐螺釘，支撐螺釘與軸承箱的地板固定鏈接。所述支撐板包括橫向支撐板和縱向支撐板，橫向支撐板和縱向支撐板交叉焊接成十字結構，支撐板上端與下端分別與上平板和下平板焊接。所述支撐螺釘下端與地板之間焊接。

4.2 高爐鼓風機自動化類振動故障（首鋼股份公司）

自動化類振動故障是指由於現場設備振動監測系統中信號傳輸系統感測器、信號電纜等部件缺陷引起的機組振動數值異常、大幅增高而嚴重影響設備安全運行甚至導致設備停機的現象，該類振動雖然是「假振」，但由於參與設備振動報警及停機連鎖，後果嚴重甚至造成重大生產損失。另外該類振動由於容易與「真振」相混淆，往往會影響最終的分析與判斷，延誤故障處理時機而產生重大損失。主要有如下三種類型：（1）探頭失效;（2）介面雜訊干擾;（3）信號干擾。

以下以首鋼股份公司發生的多次風機故障進行分析和應對策略的實施。

4.2.1 探頭失效

均表現為振動大幅增高後突發性停機，給生產造成重大損失。

原因：

（1）渦流感測器隨機組長期運行，工作條件比較苛刻，難免有失靈現象。

（2）探頭到達使用壽命。

（3）探頭安裝固定不當，大中修後回裝質量差或長期運行後鬆動、損傷。

應對策略：

（1）通過現場使用經驗總結探頭使用壽命，定期更換。

（2）加強大中修期間自動化系統施工監管，提高探頭回裝質量。

4.2.2介面雜訊干擾類故障

故障表現為振動值無規律不定期大幅波動，嚴重影響設備安全穩定運行。

原因：

信號電纜接線端子鬆動，感測器或延伸電纜接插件的接觸電阻變化引起的接觸不良。以上情況都可能在偶然的情況下，引發電氣干擾或介面雜訊，進而使測量值跑高。

應對策略：

杜絕此類故障只能從強化檢修質量入手。

4.2.3 信號干擾類故障

此類故障共兩種，一種發生在運行設備附近有在用測試儀器，另一種發生在運行設備（如我公司TRT 壓差發電機組）附近有在用的對講機等通訊設備。具體表現為故障時段內多次振值突然巨增且持續時間短暫。

原因：

（1）設備附近測試儀器或通訊設備電磁信號干擾。

（2）現場監測保護系統框架表抗干擾能力差。

應對策略：

（1）杜絕或遠離設備現場使用有發射信號的測試設備及通訊設備。

（2）選用抗干擾性強的、高質量的現場監測保護系統框架表。

4.3 鼓風機雜訊處理

4.3.1 雜訊產生的原因

（1）鼓風機本體雜訊。包括空氣動力性雜訊和機械雜訊。空氣動力性雜訊又分為渦流雜訊和旋轉雜訊。軸流式鼓風機是以旋轉雜訊為主。機械雜訊主要來自增速齒輪箱。葉片旋轉時會與空氣產生摩擦，或發生衝擊，轉速愈快，空氣頻率愈高，其雜訊愈尖銳。

（2）電動機雜訊。電機雜訊主要包括定子和轉子之間交變電磁引力、磁致伸縮引起的電磁雜訊和冷卻風扇雜訊、軸承摩擦、機體運轉不平衡和結構共振引起的機械雜訊。

（3）管道雜訊。來自所連接的鼓風機、閥門以及管道受氣流衝擊、摩擦等所產生的空氣動力性雜訊，通過管壁輻射出來。風管與風機外殼的內面接縫處要平整，避免粗糙不平，造成撕裂聲。

（4）排氣口雜訊。鼓風機在啟動或因高爐操作需要而排氣時，在排放口高速氣流與大氣強烈混合產生噴注雜訊。

（5）風機以外引起的雜訊。除風機本身的固定雜訊外，尚有許多雜訊源，諸如：軸承因精密度不足，風管漏氣以及其它構造物之間產生共振所引起的雜訊等。

4.3.2 雜訊處理

（1）隔聲降噪：把鼓風機安置在專用的隔聲房內，或者用隔聲罩把鼓風機罩起來，使雜訊封閉在局部的空間。

（2）吸聲降噪：當聲波入射到物體表面時，部分聲能要被物體吸收轉化為其他形式的能量，稱為吸聲。

（3）消音器降：消聲器是阻止聲音傳播而允許氣流通過的一種器件，是消除空氣動力性雜訊的重要措施。

（4）減振降噪：鼓風機在一定工況下運轉時，高強度雜訊分別從風機的進氣口、排氣口、機殼及管道等部位輻射出來的。因此，在風管外面覆以防音材料和在管道上加裝波紋補償器是有必要的。

4.3.3 編者按

高爐鼓風機以及相關抽風、鼓風設備是煉鐵區域雜訊產生的主要源頭。通過以上幾種方法，完全消除造成的可能性很小，但能夠有效降低雜訊強度，對於營造和諧的廠區環境具有明顯的積極作用。

5 總結

作為高爐煉鐵的「心臟」，高爐鼓風機的狀態和安全一直是高爐煉鐵工作者關注的關鍵環節。從風機的選型、安裝、監控、操作，到故障處理，涉及自動化、工藝、管理、能源等方方面面。無論是從高爐的長壽、高效和低成本運行，還是管理的優化，都應把鼓風機列入關鍵的一環。

未來高爐自動冶煉技術，能夠實現工長操作風機或者自動鼓風，那麼，風機的狀態自動監測、自動診斷、自動處理技術將是實現這些的基礎。結合目前較為關注的工業大數據技術，英國勞斯萊斯發動機已經實現了全球聯網，國內高爐風機的運行，能不能率先實現全部聯網和自動監控呢？如果能夠實現的話，將會對風機的狀態監控、問題處理、高效運行提供強有力的技術和平台支撐。

參考文獻：

（1）汽動與電動高爐鼓風機的運行經濟性比較，程亞軍

（2）高爐鼓風機的選型，王寧等

（3）安陽鋼鐵2200m3高爐鼓風機風量和防喘控制，倪旭

（4）大型鼓風機防喘振專家系統演算法研究，劉剛

（5）高爐撥風系統在水鋼3、4高爐的應用實踐，向劍

（6）高爐鼓風機軸向振動故障分析與處理措施，李承蘭

（7）高爐鼓風機自動化類振動故障診斷實踐，李泉

（8）高爐鼓風機雜訊危害及控制，盧朝官

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