申金濤

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東濟(jì)南250101）

高爐風(fēng)口小套供水系統(tǒng)的優(yōu)化措施

申金濤

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東濟(jì)南250101）

風(fēng)口小套是高爐的關(guān)鍵設(shè)備，是熱交換極為強(qiáng)烈的冷卻元件，其在高溫狀態(tài)下不間斷地受到液態(tài)渣鐵和煤粉的沖刷，是高爐易損的設(shè)備。風(fēng)口小套的破損與更換已成為高爐無計劃休風(fēng)增多的主要原因，針對如何優(yōu)化風(fēng)口小套供水條件來提高風(fēng)口小套使用壽命，進(jìn)行探討。

高爐;風(fēng)口小套;供水系統(tǒng);優(yōu)化措施

1 前言

風(fēng)口小套是高爐進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其作用是將熱風(fēng)送進(jìn)高爐內(nèi)。為了避免熱風(fēng)和煤粉直接沖刷爐墻，多采用凸出爐內(nèi)安裝，因此風(fēng)口小套成為高爐工作環(huán)境最為惡劣的冷卻元件，主要體現(xiàn)于[1]：

（1）風(fēng)口小套承受著高爐最大熱流強(qiáng)度的沖擊，其輸送高爐熱風(fēng)溫度在1000℃以上，其前端在溫度高達(dá)1400℃以上的焦炭回旋區(qū)工作；

（2）風(fēng)口小套隨時要經(jīng)受渣鐵熔蝕的考驗，當(dāng)液態(tài)渣、鐵與風(fēng)口小套接觸時，峰值熱流強(qiáng)度可達(dá)到20伊106kcal/m2·h；

（3）風(fēng)口小套的外套要承受風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)熾熱焦炭的機(jī)械摩擦，內(nèi)套要承受噴煤煤粉的沖刷。

為了保證風(fēng)口小套長期穩(wěn)定工作，除了在加工制造過程中提高其機(jī)械強(qiáng)度，降低焦炭和煤粉的磨損，還應(yīng)確保當(dāng)風(fēng)口小套與鐵水接觸時不能被燒壞，因此，風(fēng)口小套冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計及操作尤為關(guān)鍵，本文針對優(yōu)化風(fēng)口小套供水系統(tǒng)的措施進(jìn)行探討。

2 合理控制冷卻水工作壓力

由于高爐冶煉的進(jìn)一步強(qiáng)化，爐內(nèi)熱流強(qiáng)度的波動頻繁，熱震現(xiàn)象較嚴(yán)重，為了加強(qiáng)冷卻，對冷卻水壓力的要求也越高。風(fēng)口小套的冷卻水壓力控制需要同時滿足以下條件：

（1）避免水管破裂后，高爐煤氣竄到水管里發(fā)生重大事故，高爐冷卻元件的冷卻水壓力應(yīng)比爐內(nèi)壓力高0.05~0.1 MPa。

（2）維持合理的供水壓力，可保持風(fēng)口小套足夠的物理性能和機(jī)械性能。

表1 水的沸點(diǎn)和壓力的關(guān)系一覽表

由表1可知，當(dāng)風(fēng)口小套冷卻水進(jìn)水壓力逸1.5MPa時，水的沸點(diǎn)溫度可達(dá)198.2℃，可降低發(fā)生泡狀沸騰和膜狀沸騰而造成過熱燒損風(fēng)口小套的情況。許多高爐實(shí)踐證明，風(fēng)口小套的合理冷卻水進(jìn)水壓力應(yīng)控制在1.5 MPa以上。

3 合理確定冷卻水量

風(fēng)口小套的熱負(fù)荷是確定冷卻水量的重要依據(jù)，風(fēng)口小套冷卻水量一般按下式計算：

Q=W/1000c（t2-t1）

式中：

Q——風(fēng)口小套冷卻水量，m3/h；

W——冷卻水帶走熱量，kJ/h；

t1——進(jìn)水溫度，℃；

t2——出水溫度，℃；

c——水的比熱容，kJ/kg﹒K。

由于風(fēng)口小套內(nèi)部腔式的特殊結(jié)構(gòu)，其水力損失較大，以1080 m3高爐配套的風(fēng)口小套為例，每個小套計算冷卻水量為30 m3/h，阻損可達(dá)0.50 MPa。由表2可知，在設(shè)計和操作過程中，隨著風(fēng)口小套冷卻水量的增加，對應(yīng)的阻力損失會相應(yīng)提高，確定合理的風(fēng)口小套冷卻水量，可降低供水系統(tǒng)的能耗，減少浪費(fèi)。

表2 風(fēng)口小套流量與阻力損失對應(yīng)關(guān)系

4 合理控制風(fēng)套內(nèi)冷卻水流速

為保證風(fēng)口小套不被燒壞，通常將其前端的高速水室過水流速控制在15.0 m/s以上。而根據(jù)新日鐵公司的實(shí)驗數(shù)據(jù)，風(fēng)口小套套內(nèi)冷卻水流速與爐容有著特殊的關(guān)系[2]，見表3。

表3 風(fēng)口小套冷卻水流速控制一覽表

VL=0.31（Vu/1000）2+7.2

VH=0.47（Vu/1000）2+11.6

式中：

VL——冷卻水最低流速，m/s；

VH——冷卻水最高流速，m/s；

Vu——高爐爐容，m3。

控制風(fēng)口小套的套內(nèi)冷卻水流速VS時，滿足VL

5 優(yōu)化冷卻水配管

部分設(shè)計單位及用戶為提高風(fēng)口小套的進(jìn)出水流速，將供回水環(huán)管至金屬軟管的配管管徑縮小，隨著管徑縮小，配管的延米阻損大幅增加。由表4可知，假定每個小套30 m3/h的冷卻水量，分別采用DN40和DN50的配管時，每米沿?fù)p增加2.117 m，風(fēng)口小套供回水配管的長度約20.0 m，增加壓力損失0.42 MPa，造成風(fēng)口小套供水系統(tǒng)極大的能源浪費(fèi)。

結(jié)合國內(nèi)諸多高爐實(shí)踐經(jīng)驗，風(fēng)口小套的進(jìn)出水流速可通過金屬軟管及小套腔室控制，而風(fēng)口小套的進(jìn)出水管配管垂直管段流速逸2.0 m/s，水平管段流速逸2.5 m/s，即可將冷卻元件及管道內(nèi)的氣體及時帶走。

表4 風(fēng)口小套配管與流速、沿?fù)p對應(yīng)關(guān)系表

6 合理選擇供水系統(tǒng)

目前，國內(nèi)中小型高爐的風(fēng)口小套供水系統(tǒng)多采用開路工業(yè)水冷卻系統(tǒng)，大型高爐采用軟水閉路冷卻水系統(tǒng)。以1080 m3高爐為例，高壓水供水系統(tǒng)冷卻水量約為700 m3/h（含風(fēng)口小套系統(tǒng)600 m3/ h），我們針對兩套不同的冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行簡單方案比較，詳見表5。

說明:（1）工作制度按350 d計；

（2）換熱冷卻器工作時間全年按75%計；

（3）工業(yè)新水按4.0元/m3計，軟化水按7.0元/ m3計；

（4）電費(fèi)按0.65元/kWh計；

（5）年運(yùn)行費(fèi)用不含設(shè)備折舊、維護(hù)、加藥費(fèi)用等。

表5 風(fēng)口小套供水系統(tǒng)方案比較表

風(fēng)口小套的水力損失約為0.50 MPa，采用開路工業(yè)水系統(tǒng)時，整個系統(tǒng)的水力損失約為1.0~1.2 MPa，而為了滿足風(fēng)口小套進(jìn)水壓力逸1.5 MPa的特殊要求時，循環(huán)水泵的揚(yáng)程須滿足1.6~1.8 MPa，尚需在回水管路上通過配管、閥門調(diào)整及減壓孔板的設(shè)置等措施對回水系統(tǒng)進(jìn)行憋壓，額外制造約0.5~ 0.6 MPa的阻損。而采用軟水閉路冷卻水系統(tǒng)時，循環(huán)水泵的揚(yáng)程可控制在0.8~1.0 MPa，系統(tǒng)定壓：0.8~1.0 MPa，即可滿足系統(tǒng)用水要求。

當(dāng)然，軟水閉路冷卻水系統(tǒng)的一次性投資要高于開路工業(yè)水冷卻水系統(tǒng)，但是其年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約115.44萬元/a（RMB），同時采用軟水作為冷卻介質(zhì)，改善了系統(tǒng)的水質(zhì)，可提高供水系統(tǒng)和風(fēng)口小套的使用壽命。

因此，軟水閉路冷卻水系統(tǒng)應(yīng)該是風(fēng)口小套供水系統(tǒng)的首選。

7 合理設(shè)置安全供水系統(tǒng)

當(dāng)前，風(fēng)口小套安全供水系統(tǒng)的設(shè)置是不相同的。在德國只設(shè)置快速啟動柴油機(jī)泵而不設(shè)置高位水塔，我國和日本早期多采用快速啟動柴油機(jī)泵和高位水塔并用的工業(yè)水系統(tǒng)。隨著國內(nèi)供電安全性增加以及柴油機(jī)供水泵組技術(shù)的發(fā)展，個人認(rèn)為風(fēng)口小套供水安全供水系統(tǒng)滿足以下條件即可：

（1）供水泵組采用雙電源供電；

（2）供水泵組宜設(shè)置3臺及以上，水泵備用率應(yīng)逸50%；

（3）應(yīng)急柴油機(jī)泵組的流量為正常流量的50~ 70%，供水揚(yáng)程與電動循環(huán)泵相同；

（4）供回水管不再設(shè)置2條（每條流量70%）互為備用的地下供水總管，而是采用1條（100%流量）的架空供水總管。

8 結(jié)語

合理設(shè)計風(fēng)口小套的供水系統(tǒng)，優(yōu)化風(fēng)口小套供水條件，在安全穩(wěn)定的運(yùn)行工況下，不但可以提高風(fēng)口小套的使用壽命，同時可實(shí)現(xiàn)真正意義的節(jié)能降耗。

[1]韓慶.丁汝才.王效東.王景志.單洎華.首秦高爐風(fēng)口長壽技術(shù)分析［J］.冶金工程.2009年增刊.278-282.

[2]周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社. 2008，279-280.

Optimization of the Water Supply System for the Tuyere Small Sleeve of Blast Furnace

Shen Jintao
(Shandong Metallurgical Engineering Co.,Ltd.,Jinan,Shandong 250101,China)

As a critical equipment of blast furnace,tuyere small sleeve is a cooling component with strong heat exchange and an easily damaged BF element,suffering continuous flushing of liquid slag,hot metal and pulverized coal under high temperature.Damage and replacement of tuyere small sleeve have become the major reason for increasing nonscheduled shutdown of blast furnace.Therefore,this article discusses on optimization of the water supply condition for tuyere small sleeve so as to improve the service life of tuyere small sleeve.

blast furnace;tuyere small sleeve;water supply system;optimization measures

TK223.5

B

1006-6764（2014）11-0062-03

2014-5-19

申金濤(1979-),男，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)從事給水排水工程設(shè)計工作。