同國(guó)慶，王軍強(qiáng)，陳愛(ài)秀

(中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司，陜西 西安 710201)

0 前言

近年來(lái)，中國(guó)大型高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，高爐大型化的優(yōu)勢(shì)也得到了集中顯現(xiàn)，但是面對(duì)行業(yè)節(jié)能環(huán)保的新發(fā)展理念，降耗增效已成為鋼鐵行業(yè)普遍追求的主基調(diào)，氮?dú)馐歉郀t煉鐵過(guò)程中消耗最大的輔助氣體，爐頂?shù)獨(dú)庀到y(tǒng)是高爐布料的氮?dú)夤┙o和控制系統(tǒng)，同時(shí)也是高爐煉鐵的氮?dú)庀闹髁?，鋼鐵冶煉行業(yè)在充分競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)行情下，降消耗增品質(zhì)，已經(jīng)成為產(chǎn)品占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)因素，因此各大主要鋼鐵公司都在想方設(shè)法降低冶煉中的氮?dú)庀摹?/p>

1 高爐氮?dú)馑湎到y(tǒng)問(wèn)題分析

2017年國(guó)內(nèi)某大型高爐設(shè)備安裝投產(chǎn)后，爐頂冷卻水量一直較小，設(shè)備溫度較高，氮?dú)庀牧恳惨恢陛^大，現(xiàn)場(chǎng)操作人員多次調(diào)試，但效果不佳，應(yīng)該鋼鐵公司邀請(qǐng)，中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司對(duì)用戶現(xiàn)場(chǎng)高爐氮?dú)馑湎到y(tǒng)及各用氣設(shè)備進(jìn)行了檢查和分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)改造，很好地解決了用戶爐頂水量小、氮?dú)庀牧看蟮膯?wèn)題。

1.1 氮?dú)庀到y(tǒng)分析

圖1為爐頂?shù)獨(dú)庀到y(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)為氣密箱和閥箱供氣，由主回路、氣密箱回路、閥箱回路組成。主回路由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、過(guò)濾器、減壓閥、孔板流量計(jì)等組成,氮?dú)馔ㄟ^(guò)儲(chǔ)氣罐進(jìn)入系統(tǒng)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)控制進(jìn)氣總量，通過(guò)減壓閥將氮?dú)庹{(diào)節(jié)在一個(gè)較為穩(wěn)定的壓力，孔板流量計(jì)用于測(cè)量系統(tǒng)的氮?dú)庀牧浚ㄟ^(guò)主回路后的氮?dú)夥譃槿?，分別是閥箱冷卻、氣密箱密封、氣密箱冷卻?，F(xiàn)場(chǎng)主管流量計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為22.8 kPa,中控室PLC顯示氮?dú)庀臄?shù)據(jù)為3 504 m3/h,通過(guò)伯努利方程式計(jì)算流量數(shù)據(jù)為3 498 m3/h，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)閥箱及氣密箱緊急冷卻回路開(kāi)啟，閥箱溫度54℃，低于標(biāo)準(zhǔn)值，氣源壓力580 kPa，低于設(shè)計(jì)要求的600 kPa，主管路減壓后壓力250 kPa，低于設(shè)計(jì)要求的400 kPa?，F(xiàn)場(chǎng)氮?dú)庀到y(tǒng)數(shù)據(jù)不達(dá)標(biāo)，壓力流量未能有效建立，氮?dú)庀到y(tǒng)處于自由流通狀態(tài)，由于閥箱與氣密箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異，閥箱內(nèi)部氣流通道為直徑600 mm的圓孔，氣密箱內(nèi)部氣流通道為迷宮環(huán)縫，且其橫截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于閥箱，因此判斷大量氮?dú)庀挠跔t頂閥箱冷卻，導(dǎo)致閥箱溫度低、氣體流速高，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)氣體測(cè)算，閥箱消耗氮?dú)饧s為氣密箱的3倍，因此用戶爐頂?shù)獨(dú)庵饕挠陂y箱冷卻，應(yīng)加以控制。

圖1 爐頂?shù)獨(dú)庀到y(tǒng)示意圖

1.2 氣密箱氮?dú)庀到y(tǒng)分析

圖1中的氣密箱氮?dú)饣芈钒瑑刹糠?，分別用于氣密箱的密封和冷卻，氣密箱密封氮?dú)夥乐够覊m及爐頂熱氣流進(jìn)入氣密箱，氣密箱帶動(dòng)布料溜槽布料時(shí)處于傾動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，高爐布料、燃燒時(shí)的灰塵和上升熱氣流會(huì)對(duì)氣密箱內(nèi)部的傳動(dòng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p壞，因此密封氮?dú)庑璩掷m(xù)不間斷供給，確保氣密箱的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。氣密箱冷卻氮?dú)庵饕糜谒湫Ч患褧r(shí)對(duì)氣密箱進(jìn)行緊急冷卻，降低氣密箱溫度，保護(hù)設(shè)備同時(shí)提升布料的平穩(wěn)性。

用戶的氣密箱氮?dú)庀到y(tǒng)主要由蝶閥、限流孔板、壓力及溫度傳感器等組成，限流孔板主要用于控制進(jìn)入氣密箱的氮?dú)饬髁?，密封氮?dú)饨?jīng)限流孔板、蝶閥直接進(jìn)入氣密箱頂部，冷卻氮?dú)馔ㄟ^(guò)并行的兩個(gè)限流孔板及緊急冷卻回路進(jìn)入氣密箱中部冷卻，所有孔板后端均裝有蝶閥。用戶現(xiàn)場(chǎng)密封回路蝶閥處于半開(kāi)啟狀態(tài)，壓力208 kPa，冷卻氮?dú)庵袃蓚€(gè)限流孔板蝶閥全開(kāi)，緊急冷卻蝶閥處于半開(kāi)啟狀態(tài)，冷卻氮?dú)鈮毫?10 kPa，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到大量氮?dú)馔ㄟ^(guò)緊急冷卻回路進(jìn)入氣密箱，氮?dú)饬魉俑?、流量大，壓差也較密封氮?dú)庑? kPa，冷卻氮?dú)饬髁窟^(guò)大是導(dǎo)致氣密箱壓力系統(tǒng)紊亂的主要原因。

1.3 閥箱氮?dú)庀到y(tǒng)分析

圖1中的閥箱氮?dú)饣芈分饕糜诶鋮s，避免冶煉時(shí)的上升熱氣流損壞閥箱中的密封件，閥箱采用高溫密封件，一般耐溫不低于120℃，閥箱氮?dú)馔ㄟ^(guò)主管道，經(jīng)并聯(lián)的兩個(gè)限流孔板和一個(gè)緊急冷卻回路進(jìn)入設(shè)備，孔板后裝有蝶閥，不同高爐冶煉的上升氣流和頂溫差異很大，一般和高爐冶煉強(qiáng)大有關(guān)，采取中心加焦工藝的高爐普遍上升氣流大、頂溫高，閥箱氮?dú)饣芈犯鶕?jù)不同的爐況可選擇開(kāi)啟不同的孔板蝶閥，選擇不同的冷卻流量，緊急冷卻狀態(tài)下可以開(kāi)啟緊急冷卻蝶閥。用戶現(xiàn)場(chǎng)孔板蝶閥一個(gè)開(kāi)啟一個(gè)關(guān)閉，緊急冷卻回路蝶閥全開(kāi)，氮?dú)鈮毫?05 kPa，檢測(cè)到大量氮?dú)馔ㄟ^(guò)主管道進(jìn)入閥箱，氮?dú)饬魉俑?、流量大，有震?dòng)及鳴嘯現(xiàn)象，中控室PLC顯示閥箱溫度在43℃到56℃之間隨布料波動(dòng)，閥箱冷卻溫度低于合理溫度區(qū)間，因此，閥箱冷卻過(guò)度是用戶氮?dú)庀到y(tǒng)消耗量大的主因。

1.4 爐頂水冷系統(tǒng)分析

爐頂水冷系統(tǒng)主要用于氣密箱的冷卻，提高設(shè)備的安全性能和運(yùn)行壽命，氣密箱受爐溫烘烤，溫度過(guò)高不利于設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，爐頂水冷系統(tǒng)按設(shè)計(jì)要求冷卻水量應(yīng)保持在15～20 m3/h，用戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)冷卻水流量為8.1 m3/h,水量過(guò)低導(dǎo)致冷卻效果下降，氣密箱溫度升高，用戶只有采取加大緊急冷卻氮?dú)獾姆绞浇档蜌饷芟錅囟龋瑢?dǎo)致系統(tǒng)氮?dú)庀牧考哟蟆?/p>

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試用戶水系統(tǒng)，加大冷卻水后產(chǎn)生回水波動(dòng)、回水外溢、氣泡等現(xiàn)象，將水流量增至10 m3/h時(shí)，回水即產(chǎn)生波動(dòng)，氣密箱水位不穩(wěn)定，當(dāng)增至12 m3/h時(shí)，回水產(chǎn)生大幅波動(dòng)，增至14.8 m3/h時(shí)，回水出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，氣密箱水流紊亂，產(chǎn)生冷卻水外溢現(xiàn)象，為了避免對(duì)設(shè)備造成損壞，現(xiàn)場(chǎng)未進(jìn)一步增加水流量，調(diào)節(jié)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

在目前追求高產(chǎn)量、低能耗的高強(qiáng)度冶煉作業(yè)情況下，高爐頂溫普遍偏高，8.1 m3/h的冷卻水無(wú)法滿足氣密箱設(shè)備的冷卻需求，必然導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短，故障率增高，檢查用戶現(xiàn)場(chǎng)的水系統(tǒng)供水壓力及管道流量均符合設(shè)計(jì)要求，經(jīng)仿真模擬分析氣密箱水氮流動(dòng)圖，得到造成水流紊亂的原因有兩種，一是氣密箱內(nèi)部水通道堵塞或不暢，二是氣密箱內(nèi)部氮?dú)饬魉龠^(guò)快導(dǎo)致水流紊亂，通過(guò)用戶休風(fēng)時(shí)的獨(dú)立測(cè)試，氣密箱水流通暢可達(dá)到20 m3/h，排除了設(shè)備內(nèi)部水冷管不通暢的因素，因此造成水系統(tǒng)紊亂的根本原因還是氮?dú)庀到y(tǒng)故障。

表1 冷卻水調(diào)節(jié)參數(shù)表

2 氮?dú)庀到y(tǒng)改造

高爐氮?dú)馑湎到y(tǒng)的改造，以實(shí)現(xiàn)氮?dú)饷芊夂屠鋮s功能的情況下降低氮?dú)庀臑橹攸c(diǎn)，依據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備和水氮供給參數(shù)而實(shí)現(xiàn)，用戶高爐冷卻水為循環(huán)水，成本相對(duì)較低，氮?dú)鉃橐淮涡韵?，無(wú)法回收，成本較高，用戶水冷氮?dú)庀到y(tǒng)的改造以降低氮?dú)庀摹⒃黾永鋮s水量為目的，重點(diǎn)減少緊急冷卻氮?dú)獾南?，采用冷卻水降低氣密箱的溫度。

2.1 氮?dú)夤苈犯脑?/h3>

氮?dú)庀到y(tǒng)安裝于爐頂平臺(tái)之上，由于用戶設(shè)備已經(jīng)閑置兩年，部分密封件已經(jīng)損壞，改造過(guò)程中首先對(duì)各密封件進(jìn)行了更換，處理了氮?dú)庀到y(tǒng)中的多處漏點(diǎn)，隨后檢查各氣路元件，發(fā)現(xiàn)DN100減壓閥失效進(jìn)行了更換，清理DN100過(guò)濾器，在各回路增設(shè)了測(cè)壓裝置，檢查發(fā)現(xiàn)多個(gè)限流孔板損壞，由于用戶氣源壓力為580 kPa，略低于設(shè)計(jì)要求的600 kPa，依據(jù)用戶氣源及高爐冶煉參數(shù)，通過(guò)詳細(xì)計(jì)算，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了一套流量孔板現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更換，修正了PLC程序的相關(guān)參數(shù)，改造完成后接通氣源后對(duì)系統(tǒng)的密封性能進(jìn)行了檢查并進(jìn)行了保壓試驗(yàn)，改造后系統(tǒng)各元件及參數(shù)均運(yùn)行正常。

2.2 水冷氮?dú)庀到y(tǒng)的調(diào)試

調(diào)試過(guò)程分為水系統(tǒng)和氮?dú)庀到y(tǒng)兩個(gè)部分進(jìn)行，首先對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，將用戶氣密箱冷卻水調(diào)節(jié)到17.9 m3/h,設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，冷卻水流通暢，冷卻效果良好，出于節(jié)水及水處理成本等的綜合考慮，用戶要求降低水量，最終調(diào)節(jié)水量到15.2 m3/h，其次對(duì)氮?dú)庀到y(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)節(jié)氮?dú)庀到y(tǒng)壓力和流量，關(guān)閉氣密箱緊急冷卻氮?dú)猓P(guān)閉閥箱緊急冷卻氮?dú)?，氣密箱及閥箱運(yùn)行正常，溫度正常，壓力穩(wěn)定，流量計(jì)參數(shù)為12.44 kPa,中控PLC顯示氮?dú)庀目偭繛? 386 m3/h,通過(guò)伯努利方程式計(jì)算流量為1 384 m3/h，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，氣密箱溫度為43℃，閥箱溫度為90℃，溫度符合設(shè)備設(shè)備使用要求。

2.3 改造后的系統(tǒng)分析

通過(guò)對(duì)用戶爐頂?shù)獨(dú)馑湎到y(tǒng)的改造和調(diào)試，氣密箱冷卻水量增加了7.1 m3/h，氮?dú)庀牧拷档? 118 m3/h為1 386 m3/h，每年為用戶節(jié)省氮?dú)饧s1 855萬(wàn)m3，節(jié)省費(fèi)用數(shù)百萬(wàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，該用戶爐頂氣密箱設(shè)備在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的氮?dú)庀募s為500 m3/h，閥箱氮?dú)庀募s為886 m3/h，總氮?dú)庀? 386 m3/h，中控室PLC顯示氮?dú)庀牧坑兴▌?dòng)，但波動(dòng)幅度小于100 m3/h，這和用戶氣源壓力及爐頂布料動(dòng)作的擾動(dòng)有關(guān)，依據(jù)改造數(shù)據(jù)得出結(jié)論，爐頂?shù)獨(dú)庀妮^大的主要原因是閥箱氮?dú)馕茨艿玫接行Э刂扑鶎?dǎo)致，其次是水冷效果不佳時(shí)，氣密箱緊急冷卻氮?dú)庀妮^大導(dǎo)致的，其中閥箱氮?dú)馕茨艿玫接行Э刂剖潜容^普遍的現(xiàn)象，氣密箱設(shè)備本身用于密封的氮?dú)庀钠鋵?shí)很小，經(jīng)過(guò)半年時(shí)間的運(yùn)行檢測(cè)，該用戶改造后的氮?dú)庀到y(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)正常，氣密箱設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

高爐煉鐵的氮?dú)庀氖菭t頂布料設(shè)備和爐頂?shù)獨(dú)庀到y(tǒng)的重要指標(biāo)參數(shù)，氮?dú)庀牡慕档筒粌H有利于降本增效，也有利于環(huán)境保護(hù)，減少高爐廢氣的產(chǎn)生，同時(shí)穩(wěn)定的氮?dú)庀到y(tǒng)和水冷卻系統(tǒng)，可以有效的改善爐頂氣密箱的作業(yè)環(huán)境，提高設(shè)備的利用率，水冷氮?dú)庀到y(tǒng)的紊亂，必然導(dǎo)致設(shè)備故障率提高，甚至造成非計(jì)劃停產(chǎn)，因此爐頂?shù)獨(dú)馑湎到y(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性是非常重要的。通過(guò)本文分析，得出爐頂水冷氮?dú)庀到y(tǒng)的特點(diǎn)：

(1)閥箱的氮?dú)庀倪h(yuǎn)大于氣密箱，應(yīng)該有效控制；

(2)氣密箱溫度冷卻以水冷卻為主，應(yīng)該有效提升冷卻水流量；

(3)氣密箱正常運(yùn)轉(zhuǎn)氮?dú)庀牧枯^小，應(yīng)該有效控制氣密箱緊急冷卻用氣量。