趙 強(qiáng)，薛 君，張宏星，潘積國(guó)

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島266409）

青鋼2號(hào)高爐氣密箱冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)實(shí)踐

趙 強(qiáng)，薛 君，張宏星，潘積國(guó)

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島266409）

青特鋼2號(hào)高爐氣密箱水冷管路系統(tǒng)采用開路冷卻方式，在系統(tǒng)調(diào)試過程中，發(fā)生斷流、擊穿水封甚至往爐內(nèi)溢水的現(xiàn)象。經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)系統(tǒng)管路布置、增加連通管、設(shè)置排氣裝置等措施，沒有再發(fā)生斷流現(xiàn)象，高爐冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，爐頂設(shè)備整體運(yùn)行效果良好。

高爐；爐頂設(shè)備；氣密箱；冷卻水系統(tǒng)；管路

1 前言

青島特鋼2號(hào)高爐于2016年10月12日正式開爐投產(chǎn)，有效容積為1800m3。高爐設(shè)2個(gè)出鐵口，26個(gè)風(fēng)口，年產(chǎn)生鐵161萬(wàn)t。2號(hào)高爐以“高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、長(zhǎng)壽、環(huán)?！睘樵O(shè)計(jì)理念，總體工藝裝備水平達(dá)到國(guó)內(nèi)同類型高爐的先進(jìn)水平。其中，爐頂無料鐘裝料系統(tǒng)采用首鋼國(guó)際型串罐式，氣密箱作為該系統(tǒng)最關(guān)鍵的設(shè)備，采用開路冷卻形式。在高爐調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)氣密箱冷卻系統(tǒng)存在斷流、溢水等問題，為此，對(duì)氣密箱冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2 氣密箱冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 爐頂設(shè)備

爐頂設(shè)備結(jié)構(gòu)主要分為7個(gè)部分：固定受料罐、上料閘、上密封閥、稱量罐（包括電子稱）、聯(lián)體閥（包括料流調(diào)節(jié)閥和下密封閥）、波紋管、布料裝置（包括氣密箱和布料溜槽），見圖1。主要有5個(gè)配套系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)、干油潤(rùn)滑系統(tǒng)、均壓放散系統(tǒng)、水冷氣密齒輪箱冷卻系統(tǒng)、上密封閥蒸汽加熱系統(tǒng)。

圖1 爐頂裝料設(shè)備組成

2.2 氣密箱的使用要求

氣密箱是無料鐘爐頂裝料設(shè)備的最關(guān)鍵設(shè)備，也是高爐生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備之一，位于高爐爐頂裝料設(shè)備最下部，直接面對(duì)高爐頂部。受爐內(nèi)高溫煤氣流影響，工作環(huán)境惡劣，正常情況下爐頂煤氣溫度約150～250℃，異常時(shí)短時(shí)間內(nèi)可能達(dá)到600℃。為了保護(hù)氣密箱并使其正常工作，要求保證氣密箱內(nèi)的溫度在70℃以下，為此設(shè)置了氣密箱氮?dú)饷芊夂退鋮s系統(tǒng)。早期的氣密箱全采用氮?dú)饷芊夂屠鋮s，氮?dú)庀牧看?，同時(shí)氮?dú)膺M(jìn)入高爐會(huì)使高爐煤氣貧化，降低煤氣發(fā)熱值。有些高爐采用高爐煤氣加壓作為氣密箱的冷卻和密封介質(zhì)，從而消除煤氣貧化現(xiàn)象[1]。近年來，發(fā)展了水冷氣密箱，氣密箱主要用水來冷卻，氮?dú)鈨H作為氣封使用。

2.3 冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣密箱冷卻水系統(tǒng)主要有密閉循環(huán)冷卻和開路冷卻兩種[2]。前者采用軟水冷卻，設(shè)置獨(dú)立的密閉循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)量大，運(yùn)行費(fèi)用高，一些進(jìn)口型布料器水冷系統(tǒng)采用這種形式，如圖2所示[3]。2號(hào)高爐氣密箱采用開路冷卻方式，其使用介質(zhì)為工業(yè)水，水質(zhì)易控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)量小，運(yùn)行費(fèi)用低，其缺點(diǎn)是容易因爐頂壓力波動(dòng)或操作不當(dāng)造成系統(tǒng)擊穿或漏水。2號(hào)高爐氣密箱冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度約35℃，冷卻后回水溫度約40℃；正常水量為5～15m3/h。供水源來自高爐本體工業(yè)凈環(huán)水系統(tǒng)，供水壓力為0.68 MPa，經(jīng)減壓后供水壓力為0.4～0.5 MPa。其系統(tǒng)流程見圖3。

圖2 進(jìn)口型布料器水冷系統(tǒng)工作原理示意圖

圖3 2號(hào)高爐氣密箱冷卻水系統(tǒng)流程

2.4 氣密箱水冷卻系統(tǒng)調(diào)試

2016年6月16日高爐進(jìn)行試壓檢漏，試壓爐頂壓力達(dá)到150 kPa，在此過程中，爐頂氣密箱進(jìn)行了3次通水試驗(yàn)調(diào)試。

第1次通水試驗(yàn)。高爐升壓前，冷卻水系統(tǒng)供水流量共12.4m3/h（主管路8.4m3/h，備用管路4m3/h），供水壓力0.3 MPa（表壓），經(jīng)過減壓閥后為0.15 MPa，此時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行正常穩(wěn)定。當(dāng)爐內(nèi)頂壓升壓達(dá)到100 kPa左右時(shí)，供水量降至7m3/h以下，供水壓力上升至0.2 MPa左右。一段時(shí)間后，排水管出口突然斷水，緊接著又急速排出一柱水，然后又?jǐn)嗨蠹s20 s時(shí)間不見出水，為了防止向爐內(nèi)大量漏水，現(xiàn)場(chǎng)立刻切斷了供水。經(jīng)過初步分析，原因是供水壓力不足而導(dǎo)致系統(tǒng)波動(dòng)較大，造成斷水。供水閥組至氣密箱進(jìn)口高差9.2m，加上供水管路阻損0～2m（與流量有關(guān)）和爐內(nèi)壓力0.1 MPa，供水壓力0.15 MPa顯然不足，設(shè)計(jì)要求經(jīng)減壓后供水壓力達(dá)到0.4～0.5 MPa。由于試驗(yàn)時(shí)高爐本體工業(yè)凈環(huán)水泵未全部投入使用，出口壓力未升至設(shè)計(jì)值1.0 MPa，使得氣密箱供水壓力不足，因此決定提高供水壓力。

第2次通水試驗(yàn)。初始供水流量共12.1m3/h（主管路4.1m3/h，備用管路8m3/h），供水壓力0.3 MPa（供水泵與1號(hào)高爐系統(tǒng)共用，供水受限），經(jīng)過減壓閥后壓力為0.28 MPa。當(dāng)爐內(nèi)頂壓升壓達(dá)到100 kPa左右時(shí)，供水量降至8.9m3/h，此時(shí)排水出口水流發(fā)生變化，時(shí)斷時(shí)續(xù)，最后一段時(shí)間不見出水，現(xiàn)場(chǎng)立即停水。高爐泄壓后，打開爐頂人孔觀察爐內(nèi)情況，發(fā)現(xiàn)氣密箱有從中心喉管處爐內(nèi)漏水的痕跡，少量水順溜槽打到了爐墻上，十字測(cè)溫裝置上部有明顯水痕，并有少量存水，判斷為氣密箱水槽少量溢水。分析認(rèn)為可能是剛開始時(shí)供水量過大所致，初始供水量最好＜5m3/h，待升壓穩(wěn)定后再逐步加大水量。

第3次通水試驗(yàn)。本次試驗(yàn)主要目的一是試驗(yàn)水冷系統(tǒng)最大供水能力，二是排查溢水的原因。在爐內(nèi)無壓狀態(tài)下，對(duì)主管路和備用管路分別進(jìn)行試驗(yàn)。主管路減壓閥前供水壓力0.4 MPa，閥后0.15 MPa，最大水量11m3/h；備用管路減壓閥前供水壓力0.4 MPa，閥后0.25 MPa，最大水量15m3/h（實(shí)際還可以通更大水量）。為滿足閥后供水壓力要求，對(duì)主管路減壓閥進(jìn)行了調(diào)節(jié)。然后備用管路保持關(guān)閉狀態(tài)，主管路通水5m3/h，減壓閥后供水壓力0.3 MPa。爐內(nèi)逐步升壓至100 kPa，系統(tǒng)沒有斷水；加大供水量至6.9m3/h，系統(tǒng)運(yùn)行正常；爐內(nèi)再逐步升壓至145 kPa，水量降至5.4m3/h，水流開始波動(dòng)，并出現(xiàn)斷流現(xiàn)象1～3 s；加大水量至10.9m3/h，出現(xiàn)斷流超過1min，之后水封被擊穿，爐頂排氣管噴出水汽，停止試驗(yàn)。但本次打開人孔觀察后，沒有發(fā)現(xiàn)往爐內(nèi)溢水情況。

經(jīng)過排查現(xiàn)場(chǎng)管路和閥門情況，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)對(duì)部分排水管道路進(jìn)行了調(diào)整。在關(guān)鍵高度位置，水平管道過長(zhǎng)，當(dāng)爐內(nèi)壓力波動(dòng)時(shí)，水位隨之產(chǎn)生波動(dòng)，造成水流時(shí)斷時(shí)續(xù)甚至斷流。因此，需要重新調(diào)整管路布置并優(yōu)化排水管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化及改進(jìn)

3.1 管路排氣裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果情況，在下水管與氣密箱之間增加1根聯(lián)通管，并設(shè)置了排氣裝置。其作用一是為了確保氣密箱4根DN80冷卻水出水管排水順暢；二是考慮到U型水封下水管壓力穩(wěn)定，起到均勻作用；三是解決管內(nèi)排氣問題，使下水管內(nèi)氣體直接回流至氣密箱，不與出水口水流形成逆流之勢(shì)。

3.2 排水管路改進(jìn)

排水管路修改是本次冷卻水系統(tǒng)改進(jìn)的關(guān)鍵措施。通過計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，優(yōu)化了管路設(shè)計(jì)以及重新布置了管路，如圖4所示。

圖4 管路修改前后情況示意圖

1）把U型水封下水管由DN100改為DN150，保證管內(nèi)氣體回流順暢，并且下水管直徑大于上水管直徑，可起到一定緩沖作用，能更好地適應(yīng)管內(nèi)壓力波動(dòng)。

2）將水平管段由+31.850m改至+37.850m平臺(tái)上，同時(shí)把+10.600m平臺(tái)下未按圖施工的水平管段改為斜管段，大大減少了補(bǔ)充水體積，降低了出水口水流時(shí)斷時(shí)續(xù)以及斷流現(xiàn)象的發(fā)生。

3）增加了水封高度約3m，由+31.850m抬高至+34.800m，出水口由+23.450m平臺(tái)排水斗改為排至+32.850m平臺(tái)排水斗，減小了虹吸效應(yīng)，同時(shí)增加水封高度有利于降低水封被擊穿的可能性。

4）在排水管上水管段增加1套電磁流量計(jì)，用于監(jiān)測(cè)回水流量情況，以便將來生產(chǎn)中隨時(shí)檢查氣密箱是否往爐內(nèi)溢水。

4 設(shè)備運(yùn)行情況

管路優(yōu)化改進(jìn)后，系統(tǒng)重新調(diào)試，水量加大到15m3/h，再?zèng)]有發(fā)生斷流現(xiàn)象，保證了高爐順利投產(chǎn)。2號(hào)高爐投產(chǎn)近半年以來，氣密箱冷卻系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，從未發(fā)生爐頂氣密箱內(nèi)溫度高影響裝料的問題。目前高爐運(yùn)行頂壓174 kPa；頂溫150～170℃，最大約200℃；冷卻水供、回水流量12.9m3/h，控制在10m3/h以上，供、回水量一致，波動(dòng)?。还┧畨毫?.5 MPa，減壓閥后壓力0.34 MPa；供水溫度27.4℃，回水溫度37.1℃，溫差達(dá)到近10℃；氣密箱使用氮?dú)饬?40～900m3/h；氣密箱內(nèi)溫度24.3℃。

5 結(jié)語(yǔ)

無料鐘爐頂裝料設(shè)備是高爐生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備之一，其氣密箱使用壽命長(zhǎng)短取決于潤(rùn)滑、密封、冷卻系統(tǒng)效果好壞。氣密箱采用開路水冷卻方式容易發(fā)生斷流、水封擊穿和溢水問題，設(shè)計(jì)和施工時(shí)需要考慮管路排氣和水封管路布置合理性。冷卻水系統(tǒng)建議設(shè)置供、回水流量計(jì)，并在高爐中控室進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便發(fā)現(xiàn)斷流或往爐內(nèi)溢水的情況并及時(shí)采取措施。青鋼2號(hào)高爐爐頂設(shè)備水冷系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)取得較好運(yùn)行效果，同時(shí)在系統(tǒng)調(diào)試和管路優(yōu)化改進(jìn)過程中，操作人員提高了對(duì)該冷卻系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，掌握了調(diào)節(jié)方法，為今后系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。當(dāng)爐頂設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，氣密箱溫度較低時(shí)，可適當(dāng)減少氮?dú)饬亢屠鋮s水量，以節(jié)約運(yùn)行成本。

[1]朱來寶.3號(hào)高爐氣密箱水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].梅鋼科技，1996（4）：43-45.

[2]周龍義.高爐無料鐘爐頂齒輪箱水冷技術(shù)新進(jìn)展[C]//中國(guó)金屬學(xué)會(huì).2012年全國(guó)煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議暨煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì)文集（下）.北京：2012：521-524.

[3]蔣鋒.PW無料鐘爐頂設(shè)備的消化吸收及使用維護(hù) [J].煉鐵，1999，18（Z）：70-74.

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1004-4620（2017）04-0067-03

2017-05-16

趙強(qiáng)，男，1981年生，2004年畢業(yè)于青島科技大學(xué)機(jī)械工程及其自動(dòng)化專業(yè)。現(xiàn)為青島特殊鋼鐵有限公司工程師，從事設(shè)備管理工作。