湛江350 t轉(zhuǎn)爐本體冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

魏 玲，章文超

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201999)

0 前言

轉(zhuǎn)爐本體系統(tǒng)由爐殼(包括爐口、爐襯、擋渣板)、爐體支撐系統(tǒng)(托圈、軸承座)、傾動裝置、旋轉(zhuǎn)接頭、本體配管及防護(hù)罩等組成。轉(zhuǎn)爐爐殼工作的特點(diǎn)是高溫(1 400 ℃以上)、重載荷、頻繁轉(zhuǎn)動，爐殼工作時溫度最高部位可達(dá)400 ℃以上，尤其是爐役后期，由于耐材的蝕損，使溫度更高。由于爐殼各部位受熱不均，其在爐殼軸向、徑向和圓周方向產(chǎn)生溫度梯度而引起熱應(yīng)力，且受熱后爐襯的膨脹也對爐殼產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)力。

轉(zhuǎn)爐本體冷卻系統(tǒng)可降低爐殼溫度和溫度梯度，提高設(shè)備壽命，因此，轉(zhuǎn)爐本體冷卻系統(tǒng)不僅具有一定的經(jīng)濟(jì)性，更重要的是提高爐殼運(yùn)行安全性。本文分析了湛江350 t轉(zhuǎn)爐本體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的相關(guān)問題，對大型轉(zhuǎn)爐本體冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一些借鑒意見。

1 轉(zhuǎn)爐本體冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性

轉(zhuǎn)爐本體進(jìn)行冷卻的目的：一是降溫改善材質(zhì)溫度環(huán)境而提高其物理性能，減少塑性變形量；二是降低溫度梯度，減少材料因溫度不均而形成的內(nèi)應(yīng)力。強(qiáng)化爐殼冷卻條件從而減低爐殼工作溫度，這是減緩爐殼變形的有效手段，在爐役后期，蠕變變形速度隨爐殼溫度上升而急劇上升。如果采取有效冷卻措施控制爐殼的工作溫度在蠕變溫度之下，就可以有效的抑制爐殼的變形、延長爐殼的使用壽命。同時合理的爐殼和耐材材料，也可以有效提高設(shè)備壽命。

1.1 鋼板材質(zhì)

轉(zhuǎn)爐用的鋼材材質(zhì)的好壞直接影響到爐齡和冶煉。材料要求有較好的高溫抗蠕變性能和焊接性能。湛江350轉(zhuǎn)爐本體設(shè)備采用寶鋼自主研發(fā)鋼板SM400ZL，SM400ZL強(qiáng)度高，蠕變速率小，具有良好的抗高溫形變能力。其理化性能指標(biāo)如下[1]：在450 ℃高溫下，σs≥175 MPa，最小蠕變速率2.6%/1000 h。

表1 SM400ZL理化性能指標(biāo)

1.2 爐型和耐材[2]

湛鋼轉(zhuǎn)爐爐殼為軸對稱回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，由爐口、爐帽、爐身、爐底組成，如圖1所示。為了保護(hù)爐口，采用循環(huán)水強(qiáng)制冷卻的水冷爐口，爐帽配有水冷環(huán)管。湛鋼轉(zhuǎn)爐仍選用鎂碳磚作為工作層爐襯，鎂磚作為永久層爐襯，其抗蝕性能好，抗熱震性高，不易剝落，可以提高爐齡。但其導(dǎo)熱系數(shù)高，比鎂白磚爐襯的導(dǎo)熱系數(shù)增加3～4倍，配置水冷、風(fēng)冷系統(tǒng)控制爐殼溫升及設(shè)備變形[3]。

圖1 爐殼及托圈裝配

2 湛江350t轉(zhuǎn)爐本體冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

爐口、爐帽及托圈采取水冷方式，爐腹采取風(fēng)冷方式。爐口及爐帽均采用6路獨(dú)立控制的水冷，很好的控制了爐口變形量和爐帽部分爐體鋼板的溫度梯度。對爐口爐帽進(jìn)行冷卻后的循環(huán)水匯總進(jìn)托圈內(nèi)腔，對托圈進(jìn)行冷卻及均衡溫度的作用，以確保托圈材料的物理性能穩(wěn)定。轉(zhuǎn)爐爐身段采用風(fēng)冷，對空氣流通性相對較差的爐殼圓筒段區(qū)域進(jìn)行散熱降溫。冷卻系統(tǒng)本著科學(xué)合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足水量和風(fēng)量要求的同時，力求受力合理，安全可靠[4]。

湛鋼轉(zhuǎn)爐本體冷卻系統(tǒng)有6路爐口進(jìn)水。6路爐帽進(jìn)水，1路滑板擋渣冷卻水，共計(jì)13路冷卻水和8個底吹風(fēng)管，都從旋轉(zhuǎn)接頭的非驅(qū)動側(cè)耳軸進(jìn)入[5]。冷卻水流量150 t/h，冷卻空氣風(fēng)量32 325 m3/h。爐體和托圈冷卻介質(zhì)走向如圖2所示。

2.2 爐口、爐帽的冷卻設(shè)計(jì)

水冷爐口采用蛇形折曲鑄鐵埋管式水冷爐口，共分為六塊，用經(jīng)退火處理的球墨鑄鐵和高壓鍋爐用無縫鋼管鑄造，并進(jìn)行磁粉探傷檢查。六塊水冷爐口都獨(dú)立供水，如果一塊出現(xiàn)漏水事故，可以單獨(dú)切斷這路水，其他爐口還可正常工作[8]。

2.3 盤式風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)

由于爐口爐帽設(shè)置了12路獨(dú)立冷卻水進(jìn)水，1路總回水，底吹8路獨(dú)立控制管線，以及滑板擋渣介質(zhì)管線[8]，湛江350 t轉(zhuǎn)爐兩側(cè)旋轉(zhuǎn)接頭相當(dāng)復(fù)雜，而且由于進(jìn)風(fēng)管受轉(zhuǎn)爐耳軸中心孔通徑的限制，耳軸通道的壓力損失大，風(fēng)冷能力得不到充分發(fā)揮。為了既滿足了風(fēng)量所需要的通徑，又避免對耳軸強(qiáng)度造成影響，湛江350 t轉(zhuǎn)爐爐腹冷卻的風(fēng)管采取了旋轉(zhuǎn)風(fēng)箱盤的型式，避開兩側(cè)耳軸和旋轉(zhuǎn)接頭，獨(dú)立自成一路通道，該設(shè)計(jì)在國內(nèi)僅寶鋼應(yīng)用。

風(fēng)箱主要由固定盤(連接進(jìn)風(fēng)管)，旋轉(zhuǎn)箱體(與托圈、耳軸焊接固定)。固定盤上有六個定位導(dǎo)輪與旋轉(zhuǎn)箱體配合，確保同軸度，固定盤兩側(cè)均與旋轉(zhuǎn)箱體板盤根密封，其壓緊松緊度可由一組碟形彈簧螺栓調(diào)節(jié)，運(yùn)行后，盤根必然出現(xiàn)磨損，碟形彈簧壓緊力會保持固定盤兩側(cè)始終處于壓緊狀態(tài)，直至盤根需更換。

圖2 爐體和托圈介質(zhì)流程圖

風(fēng)冷系統(tǒng)從風(fēng)機(jī)到分配總管之間的管道通徑(通風(fēng)截面積)必須確保的風(fēng)冷流量，在耳軸中間鉆孔作為風(fēng)冷通道，由于孔徑過小會因風(fēng)阻過大而無法保證流量，則孔徑過大影響耳軸的受力情況，因此需要滿足設(shè)計(jì)風(fēng)量的最小截面面積。采用了風(fēng)箱盤旋轉(zhuǎn)接頭的設(shè)計(jì)型式，利用了托圈和耳軸連接處周邊的狹窄空間，從而保證了足夠的通風(fēng)面積，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。盤式風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 盤式風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)接頭

2.4 大軸套介質(zhì)分配設(shè)計(jì)

采用水氣套分配介質(zhì)，托圈內(nèi)部無管路，施工、檢修方便；介質(zhì)配管進(jìn)出集中區(qū)域，水氣套配置方式因介質(zhì)管道均在顯眼位置，易于發(fā)現(xiàn)隱患，且流程更短，故障點(diǎn)少，更安全。大軸套水氣套設(shè)計(jì)如圖4和圖5所示。

圖4 大軸套介質(zhì)分配配管

圖5 非驅(qū)動側(cè)軸承座剖面

獨(dú)立設(shè)置的大軸套，在大軸套上鉆很多介質(zhì)孔，本身是為了提高設(shè)備的安全性和維修的便利性，因多孔且有轉(zhuǎn)角，鉆頭夾角易形成多處應(yīng)力集中發(fā)生點(diǎn)，而且在耳軸上直接鉆孔，這些應(yīng)力集中發(fā)生點(diǎn)都在耳軸的內(nèi)部，無法察覺，一旦應(yīng)力集中產(chǎn)生細(xì)小裂紋，裂紋會隨時間推移從耳軸內(nèi)部逐步擴(kuò)散，等發(fā)現(xiàn)裂紋已擴(kuò)散至耳軸表面，耳軸就處于極危險(xiǎn)的工況下，有重大安全隱患。采用獨(dú)立大軸套穿孔，完全改變了受力情況，耳軸受力只有軸承處對軸套的徑向傳力，孔底部的尖角不受力，從源頭上消除了安全隱患，且如有故障，只需更換軸套，而不是耳軸托圈報(bào)廢。

2.5 托圈的冷卻設(shè)計(jì)

托圈本體上部蓋板僅開3個小孔，最大程度上減少整個托圈應(yīng)力集中點(diǎn)，保證了托圈本體的安全性。2個孔作為爐帽和爐口冷卻后的冷水進(jìn)入托圈均溫的進(jìn)水口，1個孔作為滑板擋渣(2路液壓油，21 MPa，1路壓縮空氣，0.8 MPa)的出口。由于驅(qū)動側(cè)耳軸有滑板擋渣的液壓管路，有漏油的風(fēng)險(xiǎn)，可能會混進(jìn)冷卻水，沒有對驅(qū)動側(cè)耳軸進(jìn)行冷卻。以免冶煉噴濺損壞管路。

托圈內(nèi)腔布置有內(nèi)隔板、密封板和導(dǎo)水管。內(nèi)隔板和密封板將托圈分成四個大空腔，當(dāng)水位達(dá)到托圈頂部，通過導(dǎo)水管使水流從一個腔流到另一個腔中，保證了托圈內(nèi)部的高水位。由于出水口進(jìn)水試壓會導(dǎo)致很多的空氣憋氣，設(shè)計(jì)試壓內(nèi)部管路注水方向應(yīng)從進(jìn)水口一側(cè)。為了試壓方便，在適當(dāng)位置設(shè)排氣閥門，并將托圈內(nèi)所有筋板上部開孔，已確?？諝庾畲蟪潭鹊呐趴铡Ｗ⑺脼⑺囆Ч芎?。

圖6 托圈內(nèi)部配管

3 設(shè)備運(yùn)行

出鋼側(cè)不設(shè)置軟管，以防軟管漏水進(jìn)入鋼包發(fā)生事故。出鋼側(cè)設(shè)托圈防護(hù)板以防止出鋼過程中鋼水濺到托圈上引起事故[6]，而且可以阻擋鋼水對托圈的熱輻射。由于不便于更換，托圈與爐體之間不設(shè)軟管，但為了適應(yīng)托圈和爐體間的相對位移，該處的固定管夾設(shè)置盡量遠(yuǎn)離，給硬管較大的變形空間。分配器、手動閥門、軟管等均設(shè)置在工作人員便于操作處。

爐體和托圈的連接采用串聯(lián)方式，先冷卻爐體，后匯總進(jìn)入托圈冷卻。流量和溫升都可滿足設(shè)計(jì)需求。由于滑板擋渣液壓管路壓力等級高，為了便于管理，避免與其他管路互相影響，液壓管路采用專用旋轉(zhuǎn)接頭，與其他介質(zhì)旋轉(zhuǎn)接頭分開設(shè)置。為了軟管更換方便，底吹配管設(shè)置一段短軟管，底部設(shè)分體獨(dú)立防護(hù)罩，蓋子打開面積大，短軟管更換時只需打開對應(yīng)的罩子。

湛鋼轉(zhuǎn)爐設(shè)備目前運(yùn)行已有3年，現(xiàn)場監(jiān)測爐帽溫度在170 ℃、爐腹風(fēng)冷段100 ℃、托圈80 ℃左右，其余部位也都控制在鋼板材料蠕變溫度以下，爐殼和托圈之間隙值設(shè)計(jì)值為250 mm，使用至今無變化。設(shè)備目前運(yùn)行狀態(tài)良好。

4 大型轉(zhuǎn)爐本體冷卻系統(tǒng)對比分析

湛江350 t轉(zhuǎn)爐本體冷卻系統(tǒng)采用大風(fēng)量空冷設(shè)計(jì)，冷卻效果更好，水冷系統(tǒng)操作便利。湛鋼轉(zhuǎn)爐的冷卻方式與國內(nèi)某兩個大型轉(zhuǎn)爐本體的對比見表2。

表1 轉(zhuǎn)爐本體冷卻系統(tǒng)對比

為了達(dá)到大風(fēng)量30 000 Nm3/h的冷卻要求，若將耳軸中心孔和旋轉(zhuǎn)接頭作為通風(fēng)管道，在滿足常規(guī)設(shè)計(jì)風(fēng)速15～20 m/s的前提下，風(fēng)管通徑需達(dá)到720 mm。而耳軸中心開孔直徑如設(shè)計(jì)尺寸大于450 mm，將對耳軸強(qiáng)度有較大影響(通徑由450增大到500，則耳軸最大應(yīng)力到516 MPa，增加幅度約120 MPa)，而且旋轉(zhuǎn)接頭在此空間條件下也很難做到這么大通徑。如通徑取450 mm，風(fēng)速則達(dá)到約52.4 m/s，風(fēng)速過大會造成巨大噪聲和震動，同時會造成風(fēng)阻增大，能耗增大，使得風(fēng)機(jī)壓頭壓力變大，要求的風(fēng)機(jī)功率也需要增加。因此采用之前常規(guī)旋轉(zhuǎn)接頭和耳軸中心孔的方式，難以實(shí)現(xiàn)大風(fēng)量冷卻。采用旋轉(zhuǎn)風(fēng)箱盤的結(jié)構(gòu)，有效增大了通風(fēng)截面，避免了風(fēng)管通路的縮徑問題。

湛江350 t轉(zhuǎn)爐冷卻水系統(tǒng)，1路進(jìn)水總管接從驅(qū)動側(cè)旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)水口，旋轉(zhuǎn)接頭分13路出水口，分別與耳軸端部的13個冷卻水開孔通過管道連接，并在此設(shè)置截止閥。每路冷卻水從耳軸開孔引入爐體后，爐體上進(jìn)水管路上無需再設(shè)置截止，爐體上每路回水均設(shè)置逆止閥。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)某爐體冷卻水有泄露故障時，在轉(zhuǎn)爐主操作平臺關(guān)閉相應(yīng)水路的截止閥就可關(guān)閉該路水循環(huán)，操作安全便捷，且對生產(chǎn)的影響最小。

5 結(jié)束語

(1)湛江350 t大型轉(zhuǎn)爐冷卻系統(tǒng)包括爐口水冷、爐帽水冷、爐腹空冷、托圈內(nèi)部水冷的冷卻。冷卻管路復(fù)雜，在滿足水量和風(fēng)量要求的同時，力求受力合理，保證運(yùn)行安全可靠。

(2)盤式風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)，大軸套介質(zhì)分配管設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)在國內(nèi)僅寶鋼應(yīng)用。對于多管路布置下，使托圈及耳軸最大程度減少強(qiáng)度損失，以及應(yīng)力集中的發(fā)生。并且易于發(fā)現(xiàn)隱患，流程更短，故障點(diǎn)少。

(3)爐殼和托圈間的間隙，是爐體壽命的重要影響因素。設(shè)備運(yùn)行三年至今，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，爐殼溫度一直控制在材料蠕變溫度以下，設(shè)備變形率小，冷卻系統(tǒng)行之有效。