陽春新鋼鐵120 t 轉(zhuǎn)爐汽化煙道控制分析

聶金喜

（陽春新鋼鐵有限責(zé)任公司，廣東陽春 529600）

0 前言

轉(zhuǎn)爐汽化煙道是利用鍋爐無縫鋼管圍成的筒形結(jié)構(gòu)來回收轉(zhuǎn)爐煙氣余熱，冷卻收集轉(zhuǎn)爐煙氣，其運行狀況與轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝變化息息相關(guān)，在煉鋼廠占有十分重要的地位。汽化冷卻煙道運行，是冷卻循環(huán)水吸收轉(zhuǎn)爐煙氣中的熱量轉(zhuǎn)為蒸汽，降低煙道本體的整體溫度，保證系統(tǒng)的正常運行。而在實際的熱交換運行過程中，汽化系統(tǒng)運行控制由于各種原因，導(dǎo)致煙道受熱管經(jīng)常出現(xiàn)橫向開裂的漏水現(xiàn)象，嚴重影響轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)設(shè)備的可作業(yè)率，給生產(chǎn)帶來巨大的安全隱患。針對陽春新鋼鐵受熱管出現(xiàn)橫向開裂現(xiàn)象進行分析，首先對汽化冷卻煙道的工作原理進行闡述，綜合現(xiàn)場實際運行做出分析并制定預(yù)防措施。

1 汽化系統(tǒng)煙道運行現(xiàn)狀

陽春新鋼鐵120 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐系統(tǒng)汽化煙道采用自然循環(huán)（圖1），活動罩裙采用強制循環(huán)。固定段煙道運行處在鋼渣噴濺、煙氣磨損、高溫惡劣環(huán)境的條件下，自2010 年運行以來，使用周期僅為1 年半左右，并且在使用后期漏水事故率高，檢修勞動強度大，在安全運行上存在隱患，同時影響生產(chǎn)的穩(wěn)定順行及產(chǎn)能提升。運行前期，余熱鍋爐檢修只需每半月4 h常規(guī)維護即可滿足生產(chǎn)需求，運行中期6000 爐左右，煙道密排管開始出現(xiàn)橫向開裂漏水，每周需組織2 次及以上檢修，嚴重影響生產(chǎn)計劃的正常編排，降低了轉(zhuǎn)爐設(shè)備運行開動率。汽化冷卻煙道受熱管橫裂紋的問題，自投產(chǎn)以來一直困擾著管理人員，是轉(zhuǎn)爐冶煉最顯著的問題。

1.1 汽化冷卻煙道的工作原理

利用蒸汽密度比水小的原理，冶煉過程中下降管中水的密度遠大于上升管中蒸汽的密度，兩者密度差形成了水循環(huán)條件，再利用汽包內(nèi)水位質(zhì)量推動工質(zhì)流動，形成自然循環(huán)。汽化冷卻煙道的工作時間具有間歇性的特點，正常情況下，以轉(zhuǎn)爐每爐鋼水冶煉頻次36 min 為一個周期，其中有14 min 左右的吹氧時間，煙道熱交換只存在于這個吹氧過程當(dāng)中。汽化冷卻煙道在吹煉過程的不同階段所受到的熱負荷變化大，在溫差較大的影響下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生疲勞損壞，縮短其使用周期。

圖1 汽化煙道自然循環(huán)流程

1.2 汽化煙道運行現(xiàn)狀

陽春新鋼鐵余熱鍋爐系統(tǒng)，2016 年6 月至11 月進入中后期，因煙道漏點焊補，轉(zhuǎn)爐檢修時間共計：649.5 h，相當(dāng)于單爐檢修27 天，嚴重降低了轉(zhuǎn)爐設(shè)備運行開動率。2017 年以前使用周期僅為1 年半左右，在使用中期熱交換爐數(shù)6000～8000爐煙道受熱管開始出現(xiàn)橫向裂紋漏水、漏汽，影響生產(chǎn)的穩(wěn)定順行及產(chǎn)能提升（圖2）。2017 年我廠組織對此分析攻關(guān)，煙道運行13 000 爐以上未見開裂漏水，金相分析受熱管正常，各金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化級別為3 級，晶粒度為7.5 級，未出現(xiàn)晶粒長大和晶粒拉伸變形現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳層。橫斷面內(nèi)壁金相組織為正常的鐵素體+珠光體，裂紋以穿晶型裂紋為主。

圖2 受熱管橫向裂紋

2 汽化冷卻煙道出現(xiàn)漏水、漏汽的原因分析

2.1 受熱管裂口特征

裂口為橫向穿透性裂紋，裂口長度差異大，大部分均在10～35 mm。裂源起源于受熱管外壁，向內(nèi)壁擴展直至穿透。壁厚檢測結(jié)果顯示管壁厚度為5.1 mm，未出現(xiàn)減薄，裂口位置未出現(xiàn)明顯脹粗、減薄。對裂紋清理干凈后，用發(fā)絲大鐵線測得裂紋深度大部分在0.5～1 mm。

2.2 煙道工況周期性變化及冷卻管內(nèi)外壁溫差大

轉(zhuǎn)爐煙道由于運行工況周期性急劇變化，工作條件惡劣，使用壽命普遍很短，主要是因為轉(zhuǎn)爐冶煉工藝操作具有周期性，同時轉(zhuǎn)爐煙氣溫度高，爐口煙氣溫度可達1500 ℃以上，最低在50 ℃左右。當(dāng)冶煉時，煙氣把煙道管內(nèi)側(cè)溫度升高到700 ℃左右，而管外側(cè)只有180 ℃左右，內(nèi)壁的膨脹量遠大于外壁的膨脹量，如果是一根自由狀態(tài)的管道，必然會向外彎曲。由于煙道管被固定圈固定，無法向外彎曲，于是冷卻管外側(cè)被內(nèi)側(cè)的膨脹力拉長。雖然觀測上是同步增長，但實際上內(nèi)壁是膨脹增長，外壁是被機械力拉長；內(nèi)壁在溫度降低時，汽化煙道會自然收縮回原狀態(tài)，而外壁則不能恢復(fù)，此時內(nèi)壁又被外壁不可恢復(fù)的長度拉長了。這種熱負荷頻繁急劇變化引起煙道的熱應(yīng)力因素，導(dǎo)致煙道內(nèi)受熱管使用后期經(jīng)常出現(xiàn)橫向裂紋，直至破裂發(fā)生蒸汽泄漏。

2.3 工藝操作控制不規(guī)范

（1）尾段煙道出口溫度。根據(jù)尾段煙道出口溫度統(tǒng)計分析（圖3），前期凈化回收系統(tǒng)控制未規(guī)范及轉(zhuǎn)爐冶煉出鋼溫度高，導(dǎo)致煙道熱負荷增加，受熱面與非受熱面溫差增大，末端煙道出口最高溫度達1100 ℃以上，超設(shè)計要求，循環(huán)倍率降低。

圖3 末端煙道出口溫度對比

（2）除氧水箱溫度控制不穩(wěn)定。除氧水箱主要是對余熱鍋爐的補水進行加熱除氧，降低煙道受熱管的氧腐蝕，降低汽包水溫波動，提高冷卻效果。根據(jù)水的物性參數(shù)可知，100 ℃以上飽和水的比熱容及導(dǎo)熱性高于常溫水，煙道補水溫度低影響受熱管的熱交換能力及冷卻效果。1 kg 水每升高1 ℃，所吸收的熱量僅為4.2 kJ；而100 ℃等量的水變?yōu)?00 ℃的蒸汽，汽化過程吸收的熱量約為2253 kJ/kg，為前者的500 多倍，因此保證除氧水箱溫度可提高汽化冷卻的冷卻效率。2015 年除氧水箱溫度控制合格率（102～104 ℃）平均每月僅為66%，月合格率最高71%，最低50%。

（3）汽包水位控制。自然循環(huán)原理：冶煉過程中下降管中水的密度大于上升管中蒸汽的密度，兩者密度差形成了水循環(huán)條件，再利用汽包內(nèi)水位質(zhì)量推動工質(zhì)流動，形成自然循環(huán)。所以汽包水位控制不合理即影響冷卻循環(huán)，還影響汽包飽和蒸汽儲汽空間的合理分配。陽春新鋼鐵前期汽包水位控制波動大，冶煉過程中最高水達+550 mm 以上，最低水位達-470 mm 以下。

（4）爐口微壓差控制。目前陽春新鋼鐵未投爐口微差壓控制裝置，爐口負壓大，二次燃燒嚴重，煙道熱負荷增加。冶煉過程中爐口煙氣CO 濃度平均50%左右，負壓大導(dǎo)致罩內(nèi)燃燒1 m3轉(zhuǎn)爐煤氣可增加6676 kJ 的熱量。

綜上所述，爐口段煙道受熱管開裂主要是熱疲勞應(yīng)力開裂。

3 關(guān)于汽化冷卻煙道漏水現(xiàn)象的合理化建議

3.1 系統(tǒng)提升改善外委條件

①合理安排汽化系統(tǒng)檢修，減少汽化冷卻煙道泄水次數(shù)，降低因復(fù)產(chǎn)時自然循環(huán)啟動緩慢對煙道造成的損傷，檢修導(dǎo)致煙道保溫層的破損做到及時性恢復(fù)；②對汽化冷卻煙道中水循環(huán)過程中的水質(zhì)進行嚴格檢驗，提高水質(zhì)的評判標準，定期取樣化驗的管理機制，改善排污方式，生產(chǎn)期間，正常執(zhí)行排污制度；③做好生產(chǎn)主線系統(tǒng)溫降攻關(guān)工作，規(guī)范轉(zhuǎn)爐冶煉工藝操作減少噴濺，杜絕用氧氣吹掃沾結(jié)在煙道內(nèi)部的“假罩”，降低汽化冷卻煙道熱負荷。

3.2 優(yōu)化爐口微差壓的控制（表1）

表1 工藝控制參數(shù)對照表

根據(jù)表1、圖3，對汽化冷卻煙道內(nèi)負壓的有效控制，是避免煙道發(fā)生漏水的重要手段。當(dāng)轉(zhuǎn)爐處在吹煉階段的時候，轉(zhuǎn)爐爐口微差壓按±10 Pa 控制，若無檢測裝置可根據(jù)爐口火焰情況采用微正壓控制。陽春新鋼鐵目前主要綜合煙道出口溫度、單爐產(chǎn)汽量、煤氣熱值控制煙道內(nèi)負壓，保證爐口微正壓，杜絕罩內(nèi)的二次燃燒。綜合轉(zhuǎn)爐冶煉熱平衡情況及飽和蒸汽產(chǎn)汽情況，核算煙道的熱交換能力，視情調(diào)整RD 閥角度。

3.3 汽化冷卻煙道溫差控制

主要是降低煙道受熱面與非受熱面的溫差，杜絕煙道的急冷急熱。除了及時恢復(fù)煙道保溫層，可從工藝控制角度進行調(diào)整。陽春新鋼鐵采用一次風(fēng)機轉(zhuǎn)速及RD 閥與轉(zhuǎn)爐冶煉工藝連鎖，當(dāng)出鋼等未吹氧冶煉過程中風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低，RD 閥角度轉(zhuǎn)換至低角度控制，防止大量抽風(fēng)使煙道溫度急劇降低。汽化系統(tǒng)檢修完成后，從熱力發(fā)電站反送蒸汽對煙道及用水加熱、預(yù)熱。

4 結(jié)語

經(jīng)與同行業(yè)交流，汽化冷卻煙道出現(xiàn)橫向裂紋漏水是極其普遍的現(xiàn)象，只要根據(jù)設(shè)備的實際使用情況，實時規(guī)范調(diào)整工藝，控制好煙道的末端出口煙氣溫度及內(nèi)部壓力，降低煙道熱負荷，保證煙道用水質(zhì)量，就可以有效遏制漏水現(xiàn)象的發(fā)生，提高設(shè)備整體的工作效能。