趙 強，薛 君，張宏星，潘積國

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島266409）

青鋼2號高爐氣密箱冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化改進實踐

趙 強，薛 君，張宏星，潘積國

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島266409）

青特鋼2號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)運行穩(wěn)定，爐頂設(shè)備整體運行效果良好。

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個出鐵口，26個風(fēng)口，年產(chǎn)生鐵161萬t。2號高爐以“高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、長壽、環(huán)保”為設(shè)計理念，總體工藝裝備水平達到國內(nèi)同類型高爐的先進水平。其中，爐頂無料鐘裝料系統(tǒng)采用首鋼國際型串罐式，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，對氣密箱冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化改進。

2 氣密箱冷卻水系統(tǒng)設(shè)計

2.1 爐頂設(shè)備

爐頂設(shè)備結(jié)構(gòu)主要分為7個部分：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個配套系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)、干油潤滑系統(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℃，異常時短時間內(nèi)可能達到600℃。為了保護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)置了氣密箱氮氣密封和水冷卻系統(tǒng)。早期的氣密箱全采用氮氣密封和冷卻，氮氣消耗量大，同時氮氣進入高爐會使高爐煤氣貧化，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，氮氣僅作為氣封使用。

2.3 冷卻水系統(tǒng)設(shè)計

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)置獨立的密閉循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜，維護量大，運行費用高，一些進口型布料器水冷系統(tǒng)采用這種形式，如圖2所示[3]。2號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)簡單，維護量小，運行費用低，其缺點是容易因爐頂壓力波動或操作不當(dāng)造成系統(tǒng)擊穿或漏水。2號高爐氣密箱冷卻水系統(tǒng)設(shè)計進水溫度約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 進口型布料器水冷系統(tǒng)工作原理示意圖

圖3 2號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日高爐進行試壓檢漏，試壓爐頂壓力達到150 kPa，在此過程中，爐頂氣密箱進行了3次通水試驗調(diào)試。

第1次通水試驗。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，系統(tǒng)運行正常穩(wěn)定。當(dāng)爐內(nèi)頂壓升壓達到100 kPa左右時，供水量降至7m3/h以下，供水壓力上升至0.2 MPa左右。一段時間后，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?，大約20 s時間不見出水，為了防止向爐內(nèi)大量漏水，現(xiàn)場立刻切斷了供水。經(jīng)過初步分析，原因是供水壓力不足而導(dǎo)致系統(tǒng)波動較大，造成斷水。供水閥組至氣密箱進口高差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)計要求經(jīng)減壓后供水壓力達到0.4～0.5 MPa。由于試驗時高爐本體工業(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。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)頂壓升壓達到100 kPa左右時，供水量降至8.9m3/h，此時排水出口水流發(fā)生變化，時斷時續(xù)，最后一段時間不見出水，現(xiàn)場立即停水。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。本次試驗主要目的一是試驗水冷系統(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，對主管路和備用管路分別進行試驗。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（實際還可以通更大水量）。為滿足閥后供水壓力要求，對主管路減壓閥進行了調(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，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。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)場管路和閥門情況，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場施工時對部分排水管道路進行了調(diào)整。在關(guān)鍵高度位置，水平管道過長，當(dāng)爐內(nèi)壓力波動時，水位隨之產(chǎn)生波動，造成水流時斷時續(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。

3 冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化及改進

3.1 管路排氣裝置設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場試驗調(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。

3.2 排水管路改進

排水管路修改是本次冷卻水系統(tǒng)改進的關(guān)鍵措施。通過計算并結(jié)合現(xiàn)場情況，優(yōu)化了管路設(shè)計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。

2）將水平管段由+31.850m改至+37.850m平臺上，同時把+10.600m平臺下未按圖施工的水平管段改為斜管段，大大減少了補充水體積，降低了出水口水流時斷時續(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平臺排水斗改為排至+32.850m平臺排水斗，減小了虹吸效應(yīng)，同時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，用于監(jiān)測回水流量情況，以便將來生產(chǎn)中隨時檢查氣密箱是否往爐內(nèi)溢水。

4 設(shè)備運行情況

管路優(yōu)化改進后，系統(tǒng)重新調(diào)試，水量加大到15m3/h，再沒有發(fā)生斷流現(xiàn)象，保證了高爐順利投產(chǎn)。2號高爐投產(chǎn)近半年以來，氣密箱冷卻系統(tǒng)運行穩(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，波動小；供水壓力0.5 MPa，減壓閥后壓力0.34 MPa；供水溫度27.4℃，回水溫度37.1℃，溫差達到近10℃；氣密箱使用氮氣量840～900m3/h；氣密箱內(nèi)溫度24.3℃。

5 結(jié)語

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短取決于潤滑、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)計和施工時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，并在高爐中控室進行實時監(jiān)測，以便發(fā)現(xiàn)斷流或往爐內(nèi)溢水的情況并及時采取措施。青鋼2號高爐爐頂設(shè)備水冷系統(tǒng)的優(yōu)化改進取得較好運行效果，同時在系統(tǒng)調(diào)試和管路優(yōu)化改進過程中，操作人員提高了對該冷卻系統(tǒng)的認(rèn)識，掌握了調(diào)節(jié)方法，為今后系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供了保障。當(dāng)爐頂設(shè)備運行穩(wěn)定，氣密箱溫度較低時，可適當(dāng)減少氮氣量和冷卻水量，以節(jié)約運行成本。

[1]朱來寶.3號高爐氣密箱水冷系統(tǒng)的設(shè)計及應(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)新進展[C]//中國金屬學(xué)會.2012年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會議暨煉鐵學(xué)術(shù)年會文集（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 [J].煉鐵，1999，18（Z）：70-74.

TF085

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1004-4620（2017）04-0067-03

2017-05-16

趙強，男，1981年生，2004年畢業(yè)于青島科技大學(xué)機械工程及其自動化專業(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。