天鋼轉(zhuǎn)爐煙罩自然循環(huán)改造與應(yīng)用

姜 鷗，劉伯川，甘海榮

（天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津 300301）

1 引言

天鋼煉鋼廠委托包頭鋼鐵設(shè)計研究總院設(shè)計了3 座120 t 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，結(jié)構(gòu)形式相同，每座轉(zhuǎn)爐分別設(shè)置了水冷活動煙罩和汽化余熱鍋爐冷卻系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐煙罩是轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的主要設(shè)備之一，煙罩作為煉鋼煙氣的輸送、冷卻系統(tǒng)、收集、受熱管內(nèi)部存儲高溫、高壓汽水混合物，外部要承受800～1 600℃煙塵的沖刷。當轉(zhuǎn)爐吹煉時，大量的高溫煙氣流過余熱鍋爐，余熱鍋爐的熱負荷急劇增加；而吹煉結(jié)束時，余熱鍋爐的熱負荷快速減小[1]。這種受熱負荷呈周期性波動變化，相比其他鍋爐、壓力容器等的運行條件還惡劣，必然對整體煙道的使用壽命造成強烈影響。

自投產(chǎn)使用以來，汽化余熱鍋爐冷卻系統(tǒng)運行狀況基本良好，活動煙罩及固定I 段煙罩前期1 個爐役期更換一次，拆除后檢查蒸發(fā)受熱聯(lián)管，內(nèi)部基本沒有腐蝕，后期改為2 個爐役期更換一次，而固定II 段～IV 段煙罩4 個爐役期更換一次。為達到節(jié)能降耗目的，對該系統(tǒng)進行改造，將汽化強制循環(huán)系統(tǒng)改為自然循環(huán)。利用年修機會，先對1#轉(zhuǎn)爐煙罩進行改造。

2 使用現(xiàn)狀

1#轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)由活動煙罩、固定I 段、固定II 段、固定III 段、固定IV 段煙罩、除氧器、蓄熱器、汽包及汽水管路中低壓強制循環(huán)泵等構(gòu)成。其中由活動煙罩、除氧器、循環(huán)泵和汽水管路組成低壓強制循環(huán)系統(tǒng)，最大運行壓力0.40 MPa；由固定I 段、汽包、循環(huán)泵和汽水管路組成中壓強制循環(huán)系統(tǒng)，最大運行壓力2.45 MPa；由除氧器、汽包、給水泵和汽水管路組成高壓供水系統(tǒng)，最大運行壓力4.0 MPa。系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

1#爐汽包底部分布4 根下降管，管徑分別為Φ219、Φ219、Φ219、Φ159，汽包側(cè)面分布4 組（8根）上升管，管徑分別為Φ159、Φ159、Φ219、Φ159，除活動煙罩和固定I 段為強制循環(huán)，II～IV 段煙罩均為自然循環(huán)。

表1 余熱鍋爐系統(tǒng)參數(shù)

3 影響煙道使用壽命的因素

3.1 煙塵對受熱管內(nèi)表面的沖刷

煙氣中大部分的粉塵為氧化鐵粉末，煙氣在煙罩內(nèi)部流動時，粉末與受熱管內(nèi)面直接產(chǎn)生摩擦而導(dǎo)致受熱管受到磨損。損害程度與煙氣流速相關(guān)，最好把煙氣合理流速控制在15～20 m/s 之間。

3.2 受熱管表面受熱不恒定

輻射受熱面吸熱量大且熱負荷頻繁而急劇的變化引起的氧化和交變熱應(yīng)力。由于轉(zhuǎn)爐氧氣吹煉工藝操作的周期性，吹煉時熱負荷急劇增大，管壁表面溫度升高，吹煉結(jié)束后熱負荷減少，管壁表面溫度逐漸降低，即使受熱管之間的焊接夾條會傳導(dǎo)一部分熱量，但受熱管還是會產(chǎn)生周期性的熱交變應(yīng)力，使受熱管產(chǎn)生熱疲勞，導(dǎo)致受熱管斷面出現(xiàn)橫向裂紋，發(fā)生鍋爐水汽泄漏事故。

3.3 煙道內(nèi)部結(jié)渣處理不當

吹煉過程中的鋼渣噴濺在固定I 段的煙罩內(nèi)壁會出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，結(jié)渣部位傳導(dǎo)性不好，造成蒸發(fā)管受熱不均勻，而局部過熱損壞。或用拆爐機進行機械清渣時，操作不當容易造成外力損傷，導(dǎo)致蒸發(fā)管斷裂。

3.4 余熱鍋爐水系統(tǒng)循環(huán)不順暢

如余熱鍋爐煙罩水系統(tǒng)采用自然循環(huán)方式，爐口靠上部位煙罩爐氣溫度較高，受熱荷載較大，在氧氣轉(zhuǎn)爐吹煉過程前期，煙罩內(nèi)部煙氣量瞬間變成最大，受熱管內(nèi)部水流發(fā)成劇烈變化，使受熱管中的水由核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰，形成氣膜阻隔。同時煙罩底部受熱偏差比上部煙罩更大，如煙罩內(nèi)部有結(jié)渣，下部煙罩各受熱管間吸熱會均勻[2]。由于煙罩區(qū)域熱負荷的這些特征，會使煙罩自然循環(huán)系統(tǒng)停滯或倒流，引起管壁溫度急劇增高，當溫度超過了管材所能承受的允許溫度時，管材會因過熱而蠕變，強度降低，造成爆管。

3.5 水質(zhì)因素

現(xiàn)鍋爐系統(tǒng)都要求用軟水，但水質(zhì)要求不嚴格，如各段煙罩底部排污不規(guī)律，水質(zhì)化驗不準確，轉(zhuǎn)爐長時間運行必然導(dǎo)致蒸發(fā)管內(nèi)壁結(jié)垢。鍋爐的水垢常常生成在熱負荷很高的水冷壁管上，因水垢的導(dǎo)熱性很差，導(dǎo)致金屬管壁局部溫度大大升高。在管內(nèi)工作壓力下，蒸發(fā)管會發(fā)生鼓包、穿孔和破裂，引起鍋爐的爆管事故。同時可對鍋水加入水處理藥劑，主要起阻垢分散作用，以及抑制水中碳酸鹽、硅酸鹽等水垢的沉積，防止爆管事故發(fā)生。

4 水循環(huán)原理及計算方法

4.1 自然循環(huán)原理

自然循環(huán)是指在一個閉合的回路中，由于工質(zhì)自身的密度差造成的重位壓差，推動工質(zhì)流動的現(xiàn)象。重位壓差是由下降管和上升管內(nèi)工質(zhì)密度不同造成的；而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收煙道內(nèi)火焰的輻射熱量后，進行蒸發(fā)，形成汽水混合物，使工質(zhì)密度降低形成的[3]。

下降管：Yxj=p2-p1=Hrxjg-△pxj

上升管：Yss=p2-p1=Hrssg＋△pss

靜止狀態(tài)下，p1＞p2，形成推動力。

水在鍋爐內(nèi)部回路循環(huán)流動時，下降管的側(cè)壓差Yxj與上升管的側(cè)壓差Yss相等。

即壓差平衡方程為：

由高度壓差造成的循環(huán)推動力克服上升管和下降管產(chǎn)生的流動阻力，推動工質(zhì)在循環(huán)回路中流動。即由于水冷煙罩內(nèi)壁蒸發(fā)管吸熱，使下降管中水的密度rxj改變成為上升管中汽水混合物的密度rss，并在高度為h 的回路中形成了高度壓差?；芈犯叨仍礁撸夜べ|(zhì)密度差越大，形成的循環(huán)推動力越大。自然循環(huán)原理圖見圖1。

圖1 自然循環(huán)原理圖

4.2 幾何特性計算

4.2.1 活動煙罩

輻射圍擋面積：

式中，d1為煙罩下口直徑，圖紙查得d1=4.580 m；d2為煙罩上口直徑，d2=4.094 m；h1為煙罩下口高度，h1=0.450 m；h2為煙罩上口高度，h2=0.370 m。

所以輻射圍擋面積即為：

煙罩容積：

輻射層厚度：

4.2.2 固定I 段煙罩

因固定I 段煙罩有2 個下料口和1 個下槍口，固計算內(nèi)部面積時，需去除此3 個口的面積，分別用F1和F2表示，所以輻射圍擋面積：

對流傳導(dǎo)面積：

式中，d 為受熱管直徑，查原圖得d=0.042 m；x為受熱管數(shù)量,查圖得x=136。

煙氣流通面積：

輻射層厚度：

固定I 段煙罩改為自然循環(huán)，應(yīng)合理增加對流傳導(dǎo)面積，在煙罩外圓直徑不變的情況下，固改選用φ38 受熱蒸發(fā)管，蒸發(fā)管數(shù)量x=184，改后的對流傳導(dǎo)面積：

工質(zhì)密度差不僅與壓力有關(guān)，而且與水冷壁管吸熱強度受熱面積有關(guān)。在正常循環(huán)情況下，吸熱越多，密度差越大，工質(zhì)循環(huán)流動速度越高；而壓力越高，汽、水的密度差降低，工質(zhì)循環(huán)流動速度越低。所以增加對流傳導(dǎo)面積，有利于加速煙罩自然循環(huán)必備條件之一。

5 改造方案及技術(shù)要求

汽包底部開孔增加一顆Φ219 鍋爐管至煙罩底部分為兩顆Φ159 鍋爐管分別用軟管連接，以便煙罩升降。同時上升管改為兩顆Φ159 鍋爐管至汽包層與I 段煙罩上升管匯合，夾角小于30°。為增加活動煙罩的有效壓頭，回水與固定I 段煙罩串聯(lián)，通過固定I 段煙罩的引射作用，減少回水阻力，進水用原固定I 段煙罩進水管。

汽包供Ⅰ段煙罩的下降管改為一顆Φ325 鍋爐管連接到煙罩底部Φ325 的環(huán)管，然后環(huán)管圓周均布4 顆Φ168 的管道給Ⅰ段下聯(lián)箱配水。上升管改為2 顆管徑為Φ245 鍋爐管。Ⅰ段煙罩的受熱排管管徑為Φ38×5。汽包改造示意圖如圖2 所示。

圖2 汽包改造方圖

該系統(tǒng)改造遵照GB50235—97《工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范》和GB50236—98《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)范》的內(nèi)容進行施工與驗收。施工管道全部采用GB3087 鍋爐無縫管，為確保汽水循環(huán)始終正常良好，上升管的布置應(yīng)汽水混合物一直沿管路上升流動，避免發(fā)生向下流動和水平流動，盡可能與垂直線成較小角度，下降管應(yīng)始終保持向下流動，結(jié)合現(xiàn)場具體條件，不得上翹。熱力管道采用煨彎，彎曲半徑為3～4 倍管子直徑。避免90°彎頭，所有彎頭以大于90°，管道并聯(lián)時，其拼接夾角不大于30°。同時每根上升管上（靠近汽包處）設(shè)蒸汽引射管，引射管與上升管需保持正確合理的同心度，方向不能接反。引射蒸汽一般為0.6～0.8 MPa。最后整體余熱鍋爐及管道安裝完畢后，按照JB1612—93《鍋爐水壓試驗技術(shù)條件》對本體進行水壓試驗，試驗壓力為工作壓力1.25 倍。

6 整體煙罩安裝要求及說明

汽化冷卻煙罩局部圖紙修改后，新設(shè)計的固定I 段煙罩在安裝前必須將原有的II 段煙罩安裝尺寸位置重新校核，滿足工藝尺寸。II 段煙罩的彈簧平臺支承結(jié)構(gòu)改造為鉸接支承，同時根據(jù)現(xiàn)場實際要求進行安裝焊接（I 段煙罩）。III 段煙罩及末段煙罩的彈簧吊具去除，改為新的吊具，吊具相關(guān)的接點與煙罩的加強箍連接處進行安裝焊接確保安全連接。I 段煙罩與轉(zhuǎn)爐托圈中心位移的極限偏差為±10 mm，下口底部與轉(zhuǎn)爐路口相對距離極限偏差為±10 mm，水平極限偏差為±10 mm。待固定I 段位置擺正后，將I 段煙罩支承座組合正確就位焊接在相應(yīng)的位置上。活動煙罩與轉(zhuǎn)爐托圈中心位移的極限偏差為±10 mm，下口底部水平極限偏差為±10 mm，且上下升降活動自如，不得有卡阻現(xiàn)象發(fā)生，并保證其升降時水平平穩(wěn)。焊接固定的部件均采用E4303 焊條斷續(xù)焊縫，焊縫高為15～18 mm，所有連接件螺栓必須擰緊。固定I 段煙罩與II 段煙罩之間的連接處為煙道密封伸縮連接裝置，煙道密封伸縮連接裝置采用螺栓連接，之間采用密封材料進行填滿充實，確保連接處的密封，防止煤氣泄漏。氧槍水套及兩個下料水套均為水冷卻，待整體氣化冷卻煙罩正確安裝完畢后，然后安裝焊接在相應(yīng)的位置上，焊接處為連接焊縫，保證密封性能。固定I 段水封罩與煙罩的受熱管連接處應(yīng)填滿充實的耐火材料，確保密封，包括煙罩的連接處，下槍水套及下料水套等均保證耐材填充充實，以防止燒壞，確保正常運行。

圖3 活動煙罩及I段煙罩配水改造示意圖

7 結(jié)束語

1#轉(zhuǎn)爐活動煙罩及I 段煙罩改為自然循環(huán)至今，汽化系統(tǒng)運行良好，根據(jù)汽化室運行記錄報表統(tǒng)計，鍋爐產(chǎn)汽量較改造前小時平均產(chǎn)汽量增加2.2 t，每年單臺轉(zhuǎn)爐煙罩系統(tǒng)可節(jié)約備件費、修理費、電費共170 余萬元，效益相當可觀，同時減少了因備件檢修造成非計劃停機時間，此次煙罩自然循環(huán)的改造成功，為以后2#、3#爐煙罩改造工作奠定了基礎(chǔ)，提供了寶貴經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。

[1]秦業(yè)固.氧氣轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐技術(shù)條件[M].北京：中國標準出版社，2012.

[2]曹勝華.全汽化轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐活動煙罩的設(shè)計探討[J].冶金能源，2000（1）：40-45.

[3]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理計算[M].北京：科學(xué)出版社，1992.