趙 炯，李良士

（1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030000；2.山西通才工貿(mào)有限公司煉鐵廠，山西 臨汾 043400）

0 引言

鋼鐵工業(yè)是我國重要的支柱產(chǎn)業(yè)，盡管高爐煉鐵工藝存在著污染環(huán)境與能耗高的問題，但與其他煉鐵工藝相比，高爐煉鐵工藝相對簡單、產(chǎn)量大、勞動生產(chǎn)率高、相對能耗低，故到目前為止仍是現(xiàn)代煉鐵的主要方法。隨著高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展以及新發(fā)展理念的深入，在研究高爐煉鐵工藝時，不僅要保證高爐高效、穩(wěn)定生產(chǎn)，還應(yīng)保證鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，這就需要鋼鐵企業(yè)真正做到降耗增效。氮氣是在高爐使用過程中消耗最大的輔助氣體，氮氣消耗主要集中在爐頂?shù)獨庀到y(tǒng)[1]，如何實現(xiàn)爐頂?shù)獨饨岛囊彩歉鱾€鋼鐵公司都在積極探討的問題。

1 高爐爐頂氣密箱結(jié)構(gòu)分析

高爐采用的是無料鐘爐頂，主要包括固定受料漏斗、料罐、閥箱、氣密箱和溜槽五個主要部分，其主要功能是把原燃料按照設(shè)定的工藝要求和布料方式向高爐內(nèi)布料。其中，氣密箱（齒輪箱）是煉鐵高爐爐頂裝料設(shè)備的關(guān)鍵部件，同時也是最貴重的設(shè)備，負(fù)責(zé)管理布料溜槽的旋轉(zhuǎn)和傾動，其下部與高爐相通。氣密箱的采購和維修費用高達(dá)百萬元甚至幾百萬元，屬企業(yè)A 級設(shè)備，如果發(fā)生故障往往會使企業(yè)被迫停產(chǎn)。氣密箱位于高爐爐頂裝料設(shè)備的最下部，直接受高爐爐溫的高熱影響[2]，為了保持設(shè)備的正常使用，采用水冷氣封內(nèi)潤滑的維保模式運轉(zhuǎn)。

氣密箱冷卻系統(tǒng)如圖1 所示，水冷是指在氣密箱內(nèi)通水冷卻，在氣密箱內(nèi)為開式水冷，高溫爐氣接觸的部件和底盤全部以流動的水覆蓋，以進(jìn)行冷卻，冷卻強度高，可使氣密箱適應(yīng)爐頂高溫，保護(hù)機械傳動機構(gòu)。冷卻水從上水槽進(jìn)入，下水槽環(huán)管流出，隨后經(jīng)過30 m 落差高度的U 型水封管將氣密箱冷卻出水引至蓄水池。氣封是指氣密箱內(nèi)以氮氣密封，即用氮氣對氣密箱內(nèi)與爐內(nèi)的通道——兩條環(huán)縫進(jìn)行密封，氮氣壓力隨爐內(nèi)壓力自動調(diào)節(jié)，使氣密箱內(nèi)壓力與爐頂壓力差值保持一定，防止?fàn)t頂高溫荒煤氣進(jìn)入氣密箱內(nèi)部而損害氣密箱構(gòu)件，同時也起到一定的降溫作用，使氣密箱溫度保持在適宜范圍內(nèi)。

圖1 氣密箱冷卻系統(tǒng)示意圖

一般情況下，為防止設(shè)備事故發(fā)生，設(shè)備管理操作人員對氣密箱的氮氣使用原則多數(shù)是“寧多不缺”，因此造成了部分浪費。氮氣是一種消耗性能源，過多的消耗會大大增加制造成本。

通過對氣密箱結(jié)構(gòu)、功能分析，氮氣主要作用是密封、冷卻，要想降低氮氣消耗要從這兩個方面入手。研究發(fā)現(xiàn)，氮氣在對氣密箱吹掃過程中會從環(huán)縫泄露到爐內(nèi)，同時，水冷卻效果的不足也會導(dǎo)致氮氣用量的增大。針對該高爐爐頂氣密箱，從減小氮氣泄漏和增加水冷卻效果兩個方面進(jìn)行分析研究，并對存在的風(fēng)險點進(jìn)行補救，找到可靠的解決辦法，將氮氣的使用量控制在一定范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)氮氣的降耗，同時降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

2 高爐爐頂?shù)獨饨岛姆治?/h2>

2.1 氮氣泄漏方面

環(huán)縫位于高爐爐頂與氣密箱底部之間，向氣密箱內(nèi)通入氮氣對爐內(nèi)荒煤氣進(jìn)行密封，在高爐使用過程中，隨著密封件磨損逐漸加劇，氮氣泄漏也逐漸增多。

利用中修期對氣密箱底盤環(huán)縫進(jìn)行檢查，若密封件磨損嚴(yán)重，氮氣吹掃過程中會通過該縫隙進(jìn)入高爐，造成浪費。需對環(huán)縫進(jìn)行密封件更新，加強密封。

2.2 水冷卻效果方面

冷卻水從泵房蓄水池進(jìn)入氣密箱，在氣密箱內(nèi)為開式水冷，氣密箱內(nèi)的高溫接觸部件全部用流動水覆蓋進(jìn)行冷卻。冷卻水經(jīng)U 型管排出爐外，在U 型管中形成液面差，出水口的高壓面平衡了爐內(nèi)高壓，將爐氣密封在爐內(nèi)，U 型水管只出水不出氣，水將爐氣封住。

U 型水管底部設(shè)計有排污口，正常工作時截止閥A、D 關(guān)閉，截止閥B、C 打開，冷卻水經(jīng)U 型管底部通道后流回蓄水池。隨著使用時間加長，冷卻水中雜質(zhì)沉淀在U型管底部，若不能及時排污會影響冷卻水流量。

當(dāng)高爐U 型水封排污口無法正常排污時，截止閥B、C、D 關(guān)閉，截止閥A 打開，U 型管中冷卻水經(jīng)截止閥A 后返回泵房蓄水池，如圖2 所示。該狀態(tài)下，U 型水管可密封的爐氣壓力降低，容易發(fā)生水封擊穿事故。

圖2 無法正常排污時冷卻系統(tǒng)示意圖

增強水冷卻效果主要考慮增強冷卻水散熱效果及加大冷卻水流量，而隨著冷卻水流量的加大，水封擊穿事故的發(fā)生概率也會隨之增大。

當(dāng)發(fā)生水封擊穿事故時，需要工作人員背著呼吸器去往現(xiàn)場關(guān)閉回水閥門重新蓄水。若水封擊穿事故處理存在延遲，會造成荒煤氣和氮氣的泄漏，損壞氣密箱驅(qū)動部件，同時工作人員存在煤氣中毒的風(fēng)險。這也是在完成上述優(yōu)化后需考慮的問題。

從增強冷卻水散熱效果和加大冷卻水流量兩個方面進(jìn)行分析，并對水封擊穿事故進(jìn)行預(yù)防和處理。

2.2.1 增強冷卻水散熱效果

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣密箱內(nèi)存在廢油脂或冷卻水回水管內(nèi)存在污垢時，不僅會導(dǎo)致冷卻水散熱效果不佳，也會存在冷卻水漏入爐內(nèi)的風(fēng)險。針對該情況，可對氣密箱及回水管污垢進(jìn)行處理，提高氣密箱冷卻水散熱效果，并保證在冷卻水流量加大時不會出現(xiàn)爐內(nèi)漏水的情況。

2.2.2 加大冷卻水流量

通過上述分析可知，冷卻水流量增大后，更易發(fā)生水封擊穿事故，降低水封擊穿事故發(fā)生率及水封擊穿發(fā)生后的快速處理主要從以下兩個方面著手：

1）檢查U 型水管排污口，排掉多余污垢，增加水封高度。在截止閥D 處安裝排污管道，將污垢引流至水渣溝。污垢排盡后，關(guān)閉截止閥A、D，打開截止閥B、C，恢復(fù)U 型水管的工作高度，增大U 型水管可承受的爐氣壓力，減小水封擊穿發(fā)生的風(fēng)險。

2）當(dāng)水封擊穿事故發(fā)生時，若依靠工作人員現(xiàn)場處理時間太長，且存在人員煤氣中毒風(fēng)險，為了快速處理水封擊穿事件，此處考慮增加1 個電磁閥，通過遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)快速、安全處理事故。

氣密箱內(nèi)一般安裝有溫度計[3]，可實時監(jiān)控氣密箱溫度，同時，氣密箱冷卻系統(tǒng)中的入口處和出口處分別安裝了電磁流量計，同樣可實時監(jiān)控冷卻水入口流量及出口流量。

選擇一款可遠(yuǎn)程控制的電磁閥，將其安裝在冷卻水出口處，安裝位置如圖3 所示。

圖3 遠(yuǎn)程控制電磁閥安裝

當(dāng)氣密箱溫度大于設(shè)定溫度，且冷卻水出口處流量大于設(shè)定值時，工作人員遠(yuǎn)程關(guān)閉電磁閥，重新蓄水。蓄水一般需要20～30 min 左右，從爐內(nèi)成像觀察到滴水后打開電磁閥，氣密箱冷卻系統(tǒng)恢復(fù)正常。整個過程中不需要人員爬到爐頂處理，也不會影響高爐正常工作。

3 降耗分析總結(jié)

通過對高爐爐頂?shù)獨夤δ芗皻饷芟浣Y(jié)構(gòu)分析，從氮氣的功能密封爐氣及降溫出發(fā)，分析了氮氣密封及降溫過程中可能出現(xiàn)的不必要的氮氣消耗，找出了應(yīng)對方法。最終從減少氮氣泄漏及增強冷卻水冷卻效果兩個方面實現(xiàn)了氮氣降耗。整個降耗思路如圖4 所示。

根據(jù)上述氮氣降耗分析思路對某鋼廠高爐爐頂氣密箱進(jìn)行檢查，并針對存在的問題點進(jìn)行修復(fù)，將氮氣消耗量降低了40%左右，節(jié)約了能耗的同時為企業(yè)節(jié)省了制造成本。

圖4 爐頂?shù)獨饨岛姆治隽鞒虉D