姜 鷗，劉伯川，甘海榮

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠，天津 300301）

1 引言

天鋼煉鋼廠委托包頭鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院設(shè)計(jì)了3 座120 t 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，結(jié)構(gòu)形式相同，每座轉(zhuǎn)爐分別設(shè)置了水冷活動(dòng)煙罩和汽化余熱鍋爐冷卻系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐煙罩是轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中的主要設(shè)備之一，煙罩作為煉鋼煙氣的輸送、冷卻系統(tǒng)、收集、受熱管內(nèi)部存儲(chǔ)高溫、高壓汽水混合物，外部要承受800～1 600℃煙塵的沖刷。當(dāng)轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)，大量的高溫?zé)煔饬鬟^(guò)余熱鍋爐，余熱鍋爐的熱負(fù)荷急劇增加；而吹煉結(jié)束時(shí)，余熱鍋爐的熱負(fù)荷快速減小[1]。這種受熱負(fù)荷呈周期性波動(dòng)變化，相比其他鍋爐、壓力容器等的運(yùn)行條件還惡劣，必然對(duì)整體煙道的使用壽命造成強(qiáng)烈影響。

自投產(chǎn)使用以來(lái)，汽化余熱鍋爐冷卻系統(tǒng)運(yùn)行狀況基本良好，活動(dòng)煙罩及固定I 段煙罩前期1 個(gè)爐役期更換一次，拆除后檢查蒸發(fā)受熱聯(lián)管，內(nèi)部基本沒(méi)有腐蝕，后期改為2 個(gè)爐役期更換一次，而固定II 段～I(xiàn)V 段煙罩4 個(gè)爐役期更換一次。為達(dá)到節(jié)能降耗目的，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改造，將汽化強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)改為自然循環(huán)。利用年修機(jī)會(huì)，先對(duì)1#轉(zhuǎn)爐煙罩進(jìn)行改造。

2 使用現(xiàn)狀

1#轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)由活動(dòng)煙罩、固定I 段、固定II 段、固定III 段、固定IV 段煙罩、除氧器、蓄熱器、汽包及汽水管路中低壓強(qiáng)制循環(huán)泵等構(gòu)成。其中由活動(dòng)煙罩、除氧器、循環(huán)泵和汽水管路組成低壓強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，最大運(yùn)行壓力0.40 MPa；由固定I 段、汽包、循環(huán)泵和汽水管路組成中壓強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，最大運(yùn)行壓力2.45 MPa；由除氧器、汽包、給水泵和汽水管路組成高壓供水系統(tǒng)，最大運(yùn)行壓力4.0 MPa。系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

1#爐汽包底部分布4 根下降管，管徑分別為Φ219、Φ219、Φ219、Φ159，汽包側(cè)面分布4 組（8根）上升管，管徑分別為Φ159、Φ159、Φ219、Φ159，除活動(dòng)煙罩和固定I 段為強(qiáng)制循環(huán)，II～I(xiàn)V 段煙罩均為自然循環(huán)。

表1 余熱鍋爐系統(tǒng)參數(shù)

3 影響煙道使用壽命的因素

3.1 煙塵對(duì)受熱管內(nèi)表面的沖刷

煙氣中大部分的粉塵為氧化鐵粉末，煙氣在煙罩內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，粉末與受熱管內(nèi)面直接產(chǎn)生摩擦而導(dǎo)致受熱管受到磨損。損害程度與煙氣流速相關(guān)，最好把煙氣合理流速控制在15～20 m/s 之間。

3.2 受熱管表面受熱不恒定

輻射受熱面吸熱量大且熱負(fù)荷頻繁而急劇的變化引起的氧化和交變熱應(yīng)力。由于轉(zhuǎn)爐氧氣吹煉工藝操作的周期性，吹煉時(shí)熱負(fù)荷急劇增大，管壁表面溫度升高，吹煉結(jié)束后熱負(fù)荷減少，管壁表面溫度逐漸降低，即使受熱管之間的焊接夾條會(huì)傳導(dǎo)一部分熱量，但受熱管還是會(huì)產(chǎn)生周期性的熱交變應(yīng)力，使受熱管產(chǎn)生熱疲勞，導(dǎo)致受熱管斷面出現(xiàn)橫向裂紋，發(fā)生鍋爐水汽泄漏事故。

3.3 煙道內(nèi)部結(jié)渣處理不當(dāng)

吹煉過(guò)程中的鋼渣噴濺在固定I 段的煙罩內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，結(jié)渣部位傳導(dǎo)性不好，造成蒸發(fā)管受熱不均勻，而局部過(guò)熱損壞?；蛴貌馉t機(jī)進(jìn)行機(jī)械清渣時(shí)，操作不當(dāng)容易造成外力損傷，導(dǎo)致蒸發(fā)管斷裂。

3.4 余熱鍋爐水系統(tǒng)循環(huán)不順暢

如余熱鍋爐煙罩水系統(tǒng)采用自然循環(huán)方式，爐口靠上部位煙罩爐氣溫度較高，受熱荷載較大，在氧氣轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程前期，煙罩內(nèi)部煙氣量瞬間變成最大，受熱管內(nèi)部水流發(fā)成劇烈變化，使受熱管中的水由核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰，形成氣膜阻隔。同時(shí)煙罩底部受熱偏差比上部煙罩更大，如煙罩內(nèi)部有結(jié)渣，下部煙罩各受熱管間吸熱會(huì)均勻[2]。由于煙罩區(qū)域熱負(fù)荷的這些特征，會(huì)使煙罩自然循環(huán)系統(tǒng)停滯或倒流，引起管壁溫度急劇增高，當(dāng)溫度超過(guò)了管材所能承受的允許溫度時(shí)，管材會(huì)因過(guò)熱而蠕變，強(qiáng)度降低，造成爆管。

3.5 水質(zhì)因素

現(xiàn)鍋爐系統(tǒng)都要求用軟水，但水質(zhì)要求不嚴(yán)格，如各段煙罩底部排污不規(guī)律，水質(zhì)化驗(yàn)不準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行必然導(dǎo)致蒸發(fā)管內(nèi)壁結(jié)垢。鍋爐的水垢常常生成在熱負(fù)荷很高的水冷壁管上，因水垢的導(dǎo)熱性很差，導(dǎo)致金屬管壁局部溫度大大升高。在管內(nèi)工作壓力下，蒸發(fā)管會(huì)發(fā)生鼓包、穿孔和破裂，引起鍋爐的爆管事故。同時(shí)可對(duì)鍋水加入水處理藥劑，主要起阻垢分散作用，以及抑制水中碳酸鹽、硅酸鹽等水垢的沉積，防止爆管事故發(fā)生。

4 水循環(huán)原理及計(jì)算方法

4.1 自然循環(huán)原理

自然循環(huán)是指在一個(gè)閉合的回路中，由于工質(zhì)自身的密度差造成的重位壓差，推動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)的現(xiàn)象。重位壓差是由下降管和上升管內(nèi)工質(zhì)密度不同造成的；而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收煙道內(nèi)火焰的輻射熱量后，進(jìn)行蒸發(fā)，形成汽水混合物，使工質(zhì)密度降低形成的[3]。

下降管：Yxj=p2-p1=Hrxjg-△pxj

上升管：Yss=p2-p1=Hrssg＋△pss

靜止?fàn)顟B(tài)下，p1＞p2，形成推動(dòng)力。

水在鍋爐內(nèi)部回路循環(huán)流動(dòng)時(shí)，下降管的側(cè)壓差Yxj與上升管的側(cè)壓差Yss相等。

即壓差平衡方程為：

由高度壓差造成的循環(huán)推動(dòng)力克服上升管和下降管產(chǎn)生的流動(dòng)阻力，推動(dòng)工質(zhì)在循環(huán)回路中流動(dòng)。即由于水冷煙罩內(nèi)壁蒸發(fā)管吸熱，使下降管中水的密度rxj改變成為上升管中汽水混合物的密度rss，并在高度為h 的回路中形成了高度壓差?；芈犯叨仍礁?，且工質(zhì)密度差越大，形成的循環(huán)推動(dòng)力越大。自然循環(huán)原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 自然循環(huán)原理圖

4.2 幾何特性計(jì)算

4.2.1 活動(dòng)煙罩

輻射圍擋面積：

式中，d1為煙罩下口直徑，圖紙查得d1=4.580 m；d2為煙罩上口直徑，d2=4.094 m；h1為煙罩下口高度，h1=0.450 m；h2為煙罩上口高度，h2=0.370 m。

所以輻射圍擋面積即為：

煙罩容積：

輻射層厚度：

4.2.2 固定I 段煙罩

因固定I 段煙罩有2 個(gè)下料口和1 個(gè)下槍口，固計(jì)算內(nèi)部面積時(shí)，需去除此3 個(gè)口的面積，分別用F1和F2表示，所以輻射圍擋面積：

對(duì)流傳導(dǎo)面積：

式中，d 為受熱管直徑，查原圖得d=0.042 m；x為受熱管數(shù)量,查圖得x=136。

煙氣流通面積：

輻射層厚度：

固定I 段煙罩改為自然循環(huán)，應(yīng)合理增加對(duì)流傳導(dǎo)面積，在煙罩外圓直徑不變的情況下，固改選用φ38 受熱蒸發(fā)管，蒸發(fā)管數(shù)量x=184，改后的對(duì)流傳導(dǎo)面積：

工質(zhì)密度差不僅與壓力有關(guān)，而且與水冷壁管吸熱強(qiáng)度受熱面積有關(guān)。在正常循環(huán)情況下，吸熱越多，密度差越大，工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)速度越高；而壓力越高，汽、水的密度差降低，工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)速度越低。所以增加對(duì)流傳導(dǎo)面積，有利于加速煙罩自然循環(huán)必備條件之一。

5 改造方案及技術(shù)要求

汽包底部開(kāi)孔增加一顆Φ219 鍋爐管至煙罩底部分為兩顆Φ159 鍋爐管分別用軟管連接，以便煙罩升降。同時(shí)上升管改為兩顆Φ159 鍋爐管至汽包層與I 段煙罩上升管匯合，夾角小于30°。為增加活動(dòng)煙罩的有效壓頭，回水與固定I 段煙罩串聯(lián)，通過(guò)固定I 段煙罩的引射作用，減少回水阻力，進(jìn)水用原固定I 段煙罩進(jìn)水管。

汽包供Ⅰ段煙罩的下降管改為一顆Φ325 鍋爐管連接到煙罩底部Φ325 的環(huán)管，然后環(huán)管圓周均布4 顆Φ168 的管道給Ⅰ段下聯(lián)箱配水。上升管改為2 顆管徑為Φ245 鍋爐管。Ⅰ段煙罩的受熱排管管徑為Φ38×5。汽包改造示意圖如圖2 所示。

圖2 汽包改造方圖

該系統(tǒng)改造遵照GB50235—97《工業(yè)金屬管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》和GB50236—98《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的內(nèi)容進(jìn)行施工與驗(yàn)收。施工管道全部采用GB3087 鍋爐無(wú)縫管，為確保汽水循環(huán)始終正常良好，上升管的布置應(yīng)汽水混合物一直沿管路上升流動(dòng)，避免發(fā)生向下流動(dòng)和水平流動(dòng)，盡可能與垂直線成較小角度，下降管應(yīng)始終保持向下流動(dòng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體條件，不得上翹。熱力管道采用煨彎，彎曲半徑為3～4 倍管子直徑。避免90°彎頭，所有彎頭以大于90°，管道并聯(lián)時(shí)，其拼接夾角不大于30°。同時(shí)每根上升管上（靠近汽包處）設(shè)蒸汽引射管，引射管與上升管需保持正確合理的同心度，方向不能接反。引射蒸汽一般為0.6～0.8 MPa。最后整體余熱鍋爐及管道安裝完畢后，按照J(rèn)B1612—93《鍋爐水壓試驗(yàn)技術(shù)條件》對(duì)本體進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為工作壓力1.25 倍。

6 整體煙罩安裝要求及說(shuō)明

汽化冷卻煙罩局部圖紙修改后，新設(shè)計(jì)的固定I 段煙罩在安裝前必須將原有的II 段煙罩安裝尺寸位置重新校核，滿足工藝尺寸。II 段煙罩的彈簧平臺(tái)支承結(jié)構(gòu)改造為鉸接支承，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求進(jìn)行安裝焊接（I 段煙罩）。III 段煙罩及末段煙罩的彈簧吊具去除，改為新的吊具，吊具相關(guān)的接點(diǎn)與煙罩的加強(qiáng)箍連接處進(jìn)行安裝焊接確保安全連接。I 段煙罩與轉(zhuǎn)爐托圈中心位移的極限偏差為±10 mm，下口底部與轉(zhuǎn)爐路口相對(duì)距離極限偏差為±10 mm，水平極限偏差為±10 mm。待固定I 段位置擺正后，將I 段煙罩支承座組合正確就位焊接在相應(yīng)的位置上?；顒?dòng)煙罩與轉(zhuǎn)爐托圈中心位移的極限偏差為±10 mm，下口底部水平極限偏差為±10 mm，且上下升降活動(dòng)自如，不得有卡阻現(xiàn)象發(fā)生，并保證其升降時(shí)水平平穩(wěn)。焊接固定的部件均采用E4303 焊條斷續(xù)焊縫，焊縫高為15～18 mm，所有連接件螺栓必須擰緊。固定I 段煙罩與II 段煙罩之間的連接處為煙道密封伸縮連接裝置，煙道密封伸縮連接裝置采用螺栓連接，之間采用密封材料進(jìn)行填滿充實(shí)，確保連接處的密封，防止煤氣泄漏。氧槍水套及兩個(gè)下料水套均為水冷卻，待整體氣化冷卻煙罩正確安裝完畢后，然后安裝焊接在相應(yīng)的位置上，焊接處為連接焊縫，保證密封性能。固定I 段水封罩與煙罩的受熱管連接處應(yīng)填滿充實(shí)的耐火材料，確保密封，包括煙罩的連接處，下槍水套及下料水套等均保證耐材填充充實(shí)，以防止燒壞，確保正常運(yùn)行。

圖3 活動(dòng)煙罩及I段煙罩配水改造示意圖

7 結(jié)束語(yǔ)

1#轉(zhuǎn)爐活動(dòng)煙罩及I 段煙罩改為自然循環(huán)至今，汽化系統(tǒng)運(yùn)行良好，根據(jù)汽化室運(yùn)行記錄報(bào)表統(tǒng)計(jì)，鍋爐產(chǎn)汽量較改造前小時(shí)平均產(chǎn)汽量增加2.2 t，每年單臺(tái)轉(zhuǎn)爐煙罩系統(tǒng)可節(jié)約備件費(fèi)、修理費(fèi)、電費(fèi)共170 余萬(wàn)元，效益相當(dāng)可觀，同時(shí)減少了因備件檢修造成非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，此次煙罩自然循環(huán)的改造成功，為以后2#、3#爐煙罩改造工作奠定了基礎(chǔ)，提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

[1]秦業(yè)固.氧氣轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐技術(shù)條件[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[2]曹勝華.全汽化轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐活動(dòng)煙罩的設(shè)計(jì)探討[J].冶金能源，2000（1）：40-45.

[3]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理計(jì)算[M].北京：科學(xué)出版社，1992.