覃永國，趙子祥，萬 喜，韋華興

（柳州鋼鐵股份有限公司，廣西柳州545002）

20 世紀(jì)90 年代，步進(jìn)梁式加熱爐汽化冷卻技術(shù)開始在國內(nèi)運(yùn)用，隨著技術(shù)的不斷成熟，憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前步進(jìn)梁式加熱爐汽化冷卻已得到普遍應(yīng)用[1-2]。某企業(yè)一步進(jìn)梁式加熱爐，建于2001 年，水梁采用水冷技術(shù)，該技術(shù)現(xiàn)已被列入高耗水工藝、技術(shù)和裝備淘汰目錄，為貫徹落實(shí)限時(shí)淘汰要求，以及企業(yè)自身節(jié)能降耗的需要，對(duì)該爐的水冷系統(tǒng)進(jìn)行汽化冷卻改造。

1 加熱爐主要參數(shù)

該步進(jìn)梁式加熱爐的用途是高線軋前鋼坯加熱，裝、出料方式是側(cè)進(jìn)側(cè)出，側(cè)面和端部布置有調(diào)焰燒嘴12 個(gè)，頂部有平焰燒嘴30 個(gè)，采用換熱器預(yù)熱助燃空氣，縱梁和立柱均采用水冷，固定梁和活動(dòng)梁管徑為Φ114 mm×20 mm。其主要參數(shù)如下：

加熱能力：110 t/h

有效爐底尺寸：10.7 m×21 m

坯料斷面尺寸：165 mm×165 mm

燃料種類：焦?fàn)t煤氣

加熱溫度：1 050～1 150 ℃

水梁冷卻方式：水冷

冷卻水流量：360～600 m3/h

2 改造方案及內(nèi)容

2.1 改造內(nèi)容

新增汽化冷卻系統(tǒng)，包括新建鋼結(jié)構(gòu)汽包平臺(tái)，設(shè)備基礎(chǔ)，鋪設(shè)連接汽化冷卻系統(tǒng)到工廠之間的軟水管和蒸汽管，增加設(shè)備包括軟水箱、軟水泵、除氧器和除氧水箱、給水泵、加藥裝置、汽包、循環(huán)泵、汽化冷卻系統(tǒng)管道、上下聯(lián)箱，電器自動(dòng)化設(shè)備，包括操作箱、檢測(cè)儀表、電動(dòng)閥、上位機(jī)、PLC 系統(tǒng)等，以及新增汽化冷卻控制系統(tǒng)。

對(duì)原加熱爐水冷系統(tǒng)進(jìn)行改造。原水梁水冷系統(tǒng)管道全部拆除、更換，爐內(nèi)水梁及立柱全部拆除，重新設(shè)計(jì)、制作、安裝，水梁雙立柱位置重新設(shè)計(jì)、調(diào)整。因雙立柱位置調(diào)整，加熱爐下部鋼結(jié)構(gòu)、水封槽、以及步進(jìn)機(jī)械均需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的修改或重新開孔，相應(yīng)部位的耐火材料也需要拆除重砌。

2.2 水循環(huán)可靠性計(jì)算

爐底管中水循環(huán)流動(dòng)是否正常是決定爐底水梁安全的關(guān)鍵，若爐底管中發(fā)生流動(dòng)倒流、停滯、汽水分層或脈動(dòng)，常會(huì)導(dǎo)致爐底管燒壞、出現(xiàn)裂紋。設(shè)計(jì)中最主要的是應(yīng)防止出現(xiàn)汽水分層[3]，各回路實(shí)際循環(huán)流速W應(yīng)大于臨界循環(huán)流速Wlj[4]。

式中：P—汽包蒸汽絕對(duì)壓力，kg/cm2

qn—按爐底管內(nèi)徑計(jì)算的熱強(qiáng)度，×4.18 kJ/（m2·h）

d—爐底管內(nèi)徑，mm

爐底水梁管徑均為Φ114 mm×20 mm，汽包壓力范圍0.8～1.2 MPa,其中，活動(dòng)梁兩組循環(huán)回路流量一致，固定梁3 組循環(huán)回路流量也都一樣。由式（1）可知，汽包壓力越大，熱強(qiáng)度越大，對(duì)應(yīng)的臨界循環(huán)流速越大，因此，選擇溫度高的回路Ⅱ和回路Ⅲ、汽包壓力1.2 MPa、水梁包扎脫落嚴(yán)重、以及循環(huán)回路流量在下限時(shí)的工況條件下進(jìn)行計(jì)算。該工況是系統(tǒng)最差的運(yùn)行狀態(tài)，若該條件下，回路實(shí)際循環(huán)流速大于臨界循環(huán)流速，那么其他工況下也就不存在此問題。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 循環(huán)可靠性計(jì)算結(jié)果

從表1 看出，兩組循環(huán)回路的實(shí)際循環(huán)流速均大于臨界循環(huán)流速，因此水梁中不會(huì)出現(xiàn)汽水分層危險(xiǎn)，水循環(huán)是安全可靠的。

汽化冷卻系統(tǒng)中循環(huán)泵的選擇，必須滿足克服水循環(huán)系統(tǒng)的阻力和每個(gè)回路流速要求。該加熱爐汽化冷卻共5 個(gè)循環(huán)回路，考慮一定的富余量，循環(huán)泵選擇單臺(tái)流量320 m3/h，揚(yáng)程0.55 MPa。

2.3 水梁及立柱設(shè)計(jì)

縱梁采用上下雙管結(jié)構(gòu)，水梁立柱有雙立柱和單立柱兩種形式。

縱水梁由立柱支撐，單立柱的設(shè)計(jì)可有效減少立柱表面積，同時(shí)減少爐底開孔面積，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。單立柱采用巧妙的套管設(shè)計(jì), 在中間套管頂端開斜剖口，剖口迎著汽水混合物的來流方向，如圖1 所示。立柱內(nèi)套管熱負(fù)荷較小，溫度低，因此冷卻介質(zhì)密度較大，而外管在高溫爐氣中受熱，溫度高，冷卻介質(zhì)的密度較小，使內(nèi)外套管間冷卻介質(zhì)形成密度差而自然循環(huán)流動(dòng)，達(dá)到冷卻立柱目的。

圖1 單立柱結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 水梁錯(cuò)位布置

沿加熱爐長(zhǎng)度方向，在加熱段與均熱段交界處，將固定梁和活動(dòng)梁分段，分段后，縱梁在爐寬方向上錯(cuò)開布置，這樣，鋼坯在加熱段形成水梁“黑印”。在進(jìn)入均熱段后，之前形成的黑印經(jīng)梁錯(cuò)位后逐漸減輕，而進(jìn)入均熱段后的水梁“黑印”則是剛形成，還不嚴(yán)重，因此可最大程度減少鋼坯水梁“黑印”，一般“黑印”溫差可減少15～20 ℃[5]。實(shí)測(cè)165 mm×165 mm方坯加熱出爐后采用錯(cuò)位梁，鋼坯的水梁黑印相對(duì)直線梁降低了16 ℃。

2.5 安全措施

爐底水管承受著爐內(nèi)鋼坯的全部重量，工作于爐內(nèi)高溫環(huán)境中，其熱負(fù)荷較大，若得不到冷卻，將很快被壓塌。加熱爐爐內(nèi)溫度高達(dá)1 250 ℃，故障時(shí)，即使立即關(guān)閉燒嘴停爐，爐內(nèi)溫度也不會(huì)很快降下來，因此，汽化冷卻系統(tǒng)可靠的安全措施非常重要。

（1）備用泵。電動(dòng)軟水泵、汽包給水泵及循環(huán)水泵均設(shè)備用泵，當(dāng)其中一臺(tái)故障時(shí)，另一臺(tái)電動(dòng)泵立即啟動(dòng)。

（2）停電應(yīng)急措施。汽包給水泵、循環(huán)水泵分別備了柴油泵，若出現(xiàn)停電，電動(dòng)汽包給水泵、循環(huán)水泵無法運(yùn)行或兩臺(tái)電動(dòng)泵同時(shí)有故障，此時(shí)柴油泵啟動(dòng)，確保汽化冷卻系統(tǒng)維持運(yùn)行。

（3）停水應(yīng)急措施。軟水箱接入保安工業(yè)水作為緊急補(bǔ)水，當(dāng)停電或軟水停供時(shí)，向軟水箱緊急補(bǔ)水。

（4）超壓保護(hù)。當(dāng)汽包壓力超高，汽包上的安全閥自動(dòng)開啟泄壓。

3 強(qiáng)制循環(huán)汽化冷卻系統(tǒng)組成

3.1 汽化冷卻系統(tǒng)工作過程

加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示。汽化冷卻系統(tǒng)使用軟水作為冷卻介質(zhì)，軟水由工廠管網(wǎng)提供，經(jīng)軟水管接入軟水箱，經(jīng)軟水泵送入除氧器，在除氧器內(nèi)經(jīng)熱力除氧后在給水泵前由加藥系統(tǒng)加入磷酸三鈉，再經(jīng)給水泵加壓送入汽包。汽包中的飽和水經(jīng)兩根下降集管，由循環(huán)水泵加壓后分成兩路，一路接至固定梁入口聯(lián)箱，另一路接至活動(dòng)梁入口聯(lián)箱。

圖2 加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

固定梁循環(huán)系統(tǒng)：固定梁入口聯(lián)箱出來的飽和水分成3 路，分別接入固定梁立柱，依次流經(jīng)3 根固定梁后從最后一根立柱進(jìn)入上升支管，3 個(gè)循環(huán)回路匯合至出口聯(lián)箱，經(jīng)上升集管最后返回汽包。

活動(dòng)梁循環(huán)系統(tǒng)：活動(dòng)梁入口聯(lián)箱出來的飽和水分成兩路，分別接入活動(dòng)梁立柱，依次流經(jīng)4 根活動(dòng)梁后從最后一根立柱進(jìn)入上升支管，兩個(gè)循環(huán)回路匯合至出口聯(lián)箱，經(jīng)上升集管最后返回汽包。

正常運(yùn)行過程中，返回汽包的汽水混合物，在汽包內(nèi)進(jìn)行汽水分離后，上方是飽和蒸汽，下方是飽和水，蒸汽外送公司蒸汽管網(wǎng)，回收利用。

3.2 汽化冷卻系統(tǒng)組成

3.2.1 除氧、給水系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括：一個(gè)軟水箱、兩臺(tái)電動(dòng)軟水泵、一個(gè)除氧器和除氧水箱、一套加藥裝置、兩臺(tái)電動(dòng)給水泵、一臺(tái)柴油機(jī)給水泵及控制閥組。

對(duì)汽化冷卻的給水進(jìn)行除氧，以防止水梁內(nèi)表面受水中氣體的腐蝕。從汽包引入蒸汽至除氧器加熱給水，當(dāng)給水通過噴嘴噴灑下落，與上升的蒸汽流相遇，被迅速加熱到沸騰溫度，溶解于水中的氣體全部逸出排除。

軟水箱的容積VS應(yīng)考慮停水故障水梁安全，其計(jì)算由下式表示：

式中：Dmax—汽化冷卻裝置每小時(shí)的最大蒸發(fā)量，t/h

本次改造的加熱爐汽化冷卻最大蒸發(fā)量為6.7 t/h，選擇軟水箱容積為15 m3，軟水箱容積為最大蒸發(fā)量的2.2 倍。

3.2.2 汽包

汽包的作用是儲(chǔ)存一定水量，與管道連接構(gòu)成閉路循環(huán)，并將返回汽包的汽水混合物加以分離，獲得一定品質(zhì)的蒸汽。

正常運(yùn)行時(shí)，汽包內(nèi)水位以上部分稱為蒸汽空間，以下部分稱為水空間，水空間的容積（水容積）應(yīng)能滿足發(fā)生事故情況下，緊急操作時(shí)間內(nèi)的耗水量。

水容積V2計(jì)算由下式表示：

式中：t—存水時(shí)間，一般≥30～40 min，min

D—蒸發(fā)量，t/h

v′—水的比容，m3/t

本次改造的加熱爐汽化冷卻蒸發(fā)量為3～5 t/h，汽包尺寸為DN1 600 mm，L=5 m，運(yùn)行時(shí)正常按中水位控制，則水容積為5 m3，存水時(shí)間為60～100 min。

3.2.3 循環(huán)水泵

配置三臺(tái)循環(huán)水泵，其中兩臺(tái)循環(huán)水泵是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，另一臺(tái)是柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，作為停電事故備用。

3.2.4 水梁循環(huán)回路

加熱爐水梁沿長(zhǎng)度方案在中間斷開，如圖1 所示，裝料端設(shè)有4 根固定梁+4 根活動(dòng)梁，出料端設(shè)有5 根固定梁+4 根活動(dòng)梁，每3 根固定梁及其立柱串聯(lián)形成一個(gè)循環(huán)回路，每4 根活動(dòng)梁及其立柱串聯(lián)形成一個(gè)循環(huán)回路，共5 個(gè)循環(huán)回路。

3.2.5 取樣系統(tǒng)

為了檢查水質(zhì)，系統(tǒng)設(shè)置有除氧水取樣冷卻器、汽包水取樣冷卻器、給水泵出口取樣點(diǎn)接口等。

3.2.6 排污系統(tǒng)汽包內(nèi)水在不斷的循環(huán)和蒸汽蒸發(fā)過程中，水中的堿度會(huì)有所提高，為了保證汽包水質(zhì)，需進(jìn)行排污。汽化冷卻系統(tǒng)中的排污水進(jìn)入排污擴(kuò)容器，擴(kuò)容減壓二次蒸發(fā)后，進(jìn)入排水系統(tǒng)。

3.3 控制系統(tǒng)

3.3.1 汽包控制

汽包的蒸汽主管設(shè)有流量計(jì)、壓力調(diào)節(jié)閥，汽包水位和汽包壓力均為自動(dòng)控制。汽包水位采用蒸汽流量、給水流量和汽包水位三個(gè)信號(hào)組成的三沖量調(diào)節(jié)；汽包壓力由雙調(diào)節(jié)閥控制，運(yùn)行中使汽包壓力保持穩(wěn)定。汽包設(shè)有一套雙色玻璃板就地水位計(jì)及一套磁翻板就地水位計(jì)，同時(shí)設(shè)有兩套獨(dú)立的遠(yuǎn)傳水位信號(hào)指示。

3.3.2 除氧器水位、壓力控制

蒸汽管網(wǎng)來的蒸汽經(jīng)過減壓閥降壓后，經(jīng)過除氧器壓力調(diào)節(jié)閥通入除氧器，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥開度以調(diào)節(jié)除氧器壓力。除氧水箱設(shè)置一臺(tái)磁翻板液位計(jì)測(cè)量除氧水箱液位，除氧水箱的水位和除氧器的壓力均采用自動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制。

3.3.3 水梁冷卻回路調(diào)節(jié)

在每一循環(huán)回路的進(jìn)水管上均設(shè)置了流量測(cè)量及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)每一回路循環(huán)流量。運(yùn)行中，當(dāng)某一回路的循環(huán)水流量低于設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警，通過調(diào)整手動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，使該回路的流量恢復(fù)正常。

4 應(yīng)用效果分析

（1）減少熱損失，降低煤氣消耗。水冷卻時(shí)，冷卻水出口溫度要控制在50 ℃以下，而汽化冷卻冷卻介質(zhì)溫度可達(dá)170～190 ℃。汽化冷卻熱負(fù)荷大，冷卻介質(zhì)溫度高，水梁溫度也有提高，水梁冷卻熱損失減少。相比于改造前，改造后噸鋼煤氣耗降低3.6 m3，下降了5.8%，每年可創(chuàng)效350 萬元。

（2）余熱回收利用。水冷卻產(chǎn)生的50 ℃的熱水，沒有利用價(jià)值，還得經(jīng)冷卻塔冷卻，而汽化冷卻可把冷卻水梁的熱損失以飽和蒸汽的形式外送公司蒸汽管網(wǎng)加以利用。該加熱爐采用汽化冷卻后，外送蒸汽量為2.8 t/h，每生產(chǎn)一噸鋼可外送蒸汽32 kg，每年可創(chuàng)效180 萬元。

（3）用水節(jié)電。汽化冷卻是利用水汽化潛熱來帶走水梁熱量，理論上，在爐底熱負(fù)荷相同的情況下，汽化冷卻的耗水量?jī)H為水冷的1/30 左右[4]。汽化冷卻在安全的循環(huán)倍率下運(yùn)行，系統(tǒng)的循環(huán)流量為水冷卻時(shí)的0.5～0.7 倍，節(jié)水的同時(shí)，還降低了系統(tǒng)運(yùn)行電耗成本。

（4）減輕水梁“黑印”，提高加熱質(zhì)量。采用汽化冷卻，水梁表面溫度比水冷卻時(shí)高，因此，水梁“黑印”相對(duì)較輕，鋼溫均勻性更好。

（5）冷卻效果可靠，減少爐底水管故障。水冷時(shí)容易產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，導(dǎo)致水梁故障，被迫停爐處理。汽化冷卻使用軟水作為冷卻介質(zhì)，并經(jīng)除氧處理，對(duì)水梁的腐蝕極小，不會(huì)造成結(jié)垢，因此，不易出現(xiàn)故障。

（6）有助于提高加熱爐產(chǎn)量。因水梁“黑印”減輕，減少了使鋼坯溫度均勻需要的在爐時(shí)間，可適當(dāng)提高出鋼節(jié)奏，提高產(chǎn)量。

5 結(jié)論

（1）步進(jìn)梁式加熱爐水梁由水冷卻改汽化冷卻，主要改造內(nèi)容包括新增汽化冷卻系統(tǒng)，對(duì)原加熱爐水冷系統(tǒng)進(jìn)行改造，爐內(nèi)水梁及立柱全部拆除，重新設(shè)計(jì)、制作、安裝。

（2）汽化冷卻系統(tǒng)相對(duì)于水冷卻，通過降低煤氣消耗、蒸汽回收利用，本次改造加熱爐工序能耗降低了4.95 kgce/t，下降14%。節(jié)能減排效果顯著，推廣應(yīng)用價(jià)值高。