高爐本體軟水密封循環(huán)冷卻技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新

孟淑敏，陳 凌，王 冰，于欣淼

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司 煉鐵設(shè)計(jì)部，山東 濟(jì)南 250101）

某鋼鐵廠高爐為矮胖型， 有效容積1 460 m3，采用全冷卻壁冷卻方式。高爐水系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)安全、經(jīng)濟(jì)、易維護(hù)和冷卻均勻原則，針對(duì)不同冷卻部位特點(diǎn)共設(shè)計(jì)3套冷卻系統(tǒng)：高爐本體軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)、常壓工業(yè)水冷卻系統(tǒng)和高壓工業(yè)水冷卻系統(tǒng)。 高爐本體軟水系統(tǒng)水量通過(guò)冷卻設(shè)備內(nèi)水流速度來(lái)合理選擇，同時(shí)又通過(guò)熱負(fù)荷計(jì)算，來(lái)確定系統(tǒng)運(yùn)行溫差，兩者合理比對(duì)確定高爐合理水量。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及用戶具體需求，軟水設(shè)計(jì)了實(shí)用方便的冷卻壁檢漏系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)； 為了保障液態(tài)熔渣穩(wěn)固地黏結(jié)在銅冷卻壁熱面，形成穩(wěn)定的保護(hù)性渣皮，在關(guān)鍵部位形成“無(wú)過(guò)熱過(guò)冷”冷卻體系[1]，創(chuàng)新設(shè)計(jì)爐腹?fàn)t腰爐身下部第5～8段銅冷卻壁供水管路水量可調(diào)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)口以上各部位不等量供水， 并有利于風(fēng)口以上銅冷卻壁查漏和控水。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)爐底、爐缸、爐腰、爐腹、爐身中下部冷卻壁的水溫差、熱負(fù)荷、操作爐型、渣皮厚度及渣皮脫落頻率的在線監(jiān)測(cè)，在相應(yīng)冷卻壁的進(jìn)出水管上安裝溫度和流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)， 即高爐冷卻水溫差（熱負(fù)荷）檢測(cè)系統(tǒng)。 為保證系統(tǒng)運(yùn)行安全，設(shè)置了系統(tǒng)自動(dòng)穩(wěn)壓、自動(dòng)排氣、自動(dòng)檢漏和自動(dòng)補(bǔ)水， 軟水系統(tǒng)在泵房?jī)?nèi)設(shè)立柴油機(jī)水泵機(jī)組備用系統(tǒng)。

1 高爐本體冷卻系統(tǒng)總方案

1.1 高爐本體冷卻設(shè)備

高爐本體采用全冷卻壁冷卻方式，共設(shè)14段。爐缸及風(fēng)口以下采用4段光面耐熱鑄鐵冷卻壁，關(guān)鍵部位（爐腹、爐腰及爐身下部）采用4段鑲磚銅冷卻壁，爐身中上部采用6段鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁，爐喉鋼磚為鑄鋼件，采用水冷結(jié)構(gòu)。

1.2 高爐本體冷卻系統(tǒng)

高爐冷卻水一般分為工業(yè)凈環(huán)水系統(tǒng)和軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)， 軟水系統(tǒng)又分為聯(lián)合軟水系統(tǒng)和并聯(lián)軟水系統(tǒng)。 本高爐綜合考慮到高爐本體系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，決定爐體冷卻系統(tǒng)由軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)、 常壓工業(yè)水冷卻系統(tǒng)及高壓工業(yè)水冷卻系統(tǒng)組成。

1.3 高爐本體軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)

高爐本體軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)用戶包括爐底、冷卻壁、風(fēng)口中套、風(fēng)口大套和齒輪箱；熱風(fēng)爐閥門(mén)采用獨(dú)立軟水冷卻系統(tǒng)， 冷卻系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1，爐前供水壓力0.8 MPa。

2 軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及創(chuàng)新應(yīng)用

2.1 熱負(fù)荷、水速和水量設(shè)計(jì)選型

系統(tǒng)水量的確定首先要依賴于冷卻設(shè)備內(nèi)水流速度，同時(shí)又要通過(guò)熱負(fù)荷計(jì)算，來(lái)確定系統(tǒng)運(yùn)行溫差，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)水冷的合理性。

理論和實(shí)踐證明，隨著水速增大，耐材與冷卻水的綜合換熱系數(shù)增大。 近年來(lái)， 隨著操作水平的提高，高爐冶煉強(qiáng)度逐漸提高。這就需要合理的冷卻水流速和冷卻水量與熱負(fù)荷相匹配[2]。根據(jù)上述設(shè)計(jì)理念，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)根據(jù)冷卻壁的材質(zhì)及熱負(fù)荷不同，選擇合理的水速：常規(guī)設(shè)計(jì)水速一般為2.0 m/s，為強(qiáng)化高熱負(fù)荷區(qū)域的冷卻，本設(shè)計(jì)水速調(diào)整為2.3 m/s，冷卻壁供水總量3 600 m3/h。 通過(guò)熱負(fù)荷計(jì)算和同級(jí)別高爐水量對(duì)比，確定各部分用水量，見(jiàn)表1。

表1 高爐本體軟水水量

通過(guò)冷卻壁供水系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算， 來(lái)確定系統(tǒng)運(yùn)行溫差，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)水冷的合理性，系統(tǒng)水溫差計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷及水溫差計(jì)算

2.2 冷卻設(shè)備檢漏、排氣閥門(mén)的設(shè)計(jì)

為利于系統(tǒng)排氣， 冷卻壁系統(tǒng)管網(wǎng)均嚴(yán)格遵循“步步高”的布管原則，沒(méi)有任何水管向下迂回，冷卻壁采用“一串到頂”的冷卻方式。 在每段冷卻壁聯(lián)管最高點(diǎn)上設(shè)置DN15內(nèi)螺紋球閥作為排氣閥，在每根供回水總管的最高點(diǎn)設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)排氣閥。 在軟水回水總管上設(shè)置脫氣罐，脫氣罐放在爐頂大平臺(tái)。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：將管道內(nèi)聚集的氣體快速排出，防止發(fā)生氣塞，避免設(shè)備發(fā)生燒壞和泄漏。

冷卻壁檢漏設(shè)計(jì)：在第5～6段、第6～7段、第7～8段，第9～10段、第10～11段冷卻壁聯(lián)管設(shè)置一道兩通球閥； 高爐正常時(shí)， 如果軟水冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)漏水跡象， 則依次關(guān)閉可能存在漏水區(qū)域的冷卻壁進(jìn)水閥門(mén)和冷卻壁出水閥門(mén)， 打開(kāi)此段冷卻壁出水管路上的排氣閥，觀察排氣閥出水情況，配合煤氣報(bào)警儀，監(jiān)測(cè)外泄物含煤氣時(shí)， 可以準(zhǔn)確判斷此冷卻壁存在縱向破損情況。 這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)銅冷卻壁區(qū)域、爐身中部、爐身上部分區(qū)域分段查漏，更加快速準(zhǔn)確地確定冷卻壁管道破損部位， 及時(shí)采取措施減少軟水向爐內(nèi)漏水，減少軟水系統(tǒng)波動(dòng)，并減少水工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率[3]。

2.3 關(guān)鍵部位水量調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

高爐關(guān)鍵部位(爐腹、爐腰和爐身下部)采用4段鑲磚銅冷卻壁， 銅冷卻壁能夠延長(zhǎng)爐體使用壽命的關(guān)鍵在于能迅速形成“渣皮”[4]，當(dāng)“渣皮”脫落后，銅冷卻壁大約13 min左右就可形成新的 “渣皮” 保護(hù)層。銅冷卻壁與“渣皮”的結(jié)合能力低，當(dāng)“渣皮”達(dá)到一定厚度時(shí)，容易發(fā)生脫落。因此使液態(tài)熔渣穩(wěn)固地黏結(jié)在銅冷卻壁熱面，形成穩(wěn)定的保護(hù)性渣皮，是高爐爐況順行的有利保障。 高爐軟水系統(tǒng)為了充分發(fā)揮關(guān)鍵部位的重要作用， 設(shè)計(jì)并采用了關(guān)鍵部位水量可調(diào)節(jié)技術(shù)。

關(guān)鍵部位水量可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)：在爐腹、爐腰、爐身下部關(guān)鍵部分銅冷卻壁水量可調(diào)節(jié)，第5段冷卻壁進(jìn)水及第8段冷卻壁回水間設(shè)置分區(qū)可調(diào)環(huán)管，上下環(huán)管間增加旁通，通過(guò)調(diào)節(jié)旁通回水管可實(shí)現(xiàn)第5～8段冷卻壁供水量可調(diào)，見(jiàn)圖2。 高爐生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位冷卻壁水管水溫差和冷卻壁壁體溫度，對(duì)冷卻壁關(guān)鍵部位水量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)直至銅冷卻壁形成穩(wěn)定的保護(hù)渣皮，防止“過(guò)冷過(guò)熱”現(xiàn)象發(fā)生，保證高爐穩(wěn)定順利運(yùn)行。

圖2 關(guān)鍵部分水量可調(diào)系統(tǒng)流程圖

2.4 高爐本體流暢的管道布置

高爐本體冷卻壁取消分區(qū)分段供水方式，第1段42塊冷卻壁，168個(gè)水頭由爐底Φ820 mm環(huán)管統(tǒng)一供水，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：供水環(huán)管相當(dāng)于一個(gè)供水水包，起到均衡管內(nèi)壓力和均分水量的作用，使冷卻壁每個(gè)進(jìn)水水量基本相同。 1～13段冷卻壁外聯(lián)管由下到上串聯(lián)， 在第1段冷卻壁進(jìn)水支管設(shè)置300 mm長(zhǎng)金屬軟管，防止?fàn)t殼上漲拉裂水管。 第2～4段冷卻壁外聯(lián)管采用硬管連接， 第5～13段冷卻壁外聯(lián)管采用金屬軟管連接，使冷卻壁在運(yùn)行中收縮自如，保護(hù)冷卻壁水管。冷卻壁外聯(lián)管由下而上一直向上，不折返，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是管道阻損小，整體管道布置簡(jiǎn)潔美觀，水流通暢，排氣順利，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

2.5 軟水系統(tǒng)控制

2.5.1 補(bǔ)水控制

軟水系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地發(fā)生泄漏現(xiàn)象，這時(shí)就需要對(duì)軟水進(jìn)行補(bǔ)水，當(dāng)前軟水系統(tǒng)補(bǔ)水有脫氣罐補(bǔ)水和軟水泵房補(bǔ)水兩種常見(jiàn)方式。 本高爐采用在軟水泵房泵前補(bǔ)水方式， 這種補(bǔ)水方式比較平穩(wěn)，補(bǔ)水時(shí)軟水系統(tǒng)的壓力波動(dòng)比較小[5]。

高爐本體密閉系統(tǒng)及熱風(fēng)爐軟水密閉系統(tǒng)共用一套軟水補(bǔ)水系統(tǒng)，正常滲漏水量由各自穩(wěn)壓膨脹罐（15 m3）和兩臺(tái)補(bǔ)水泵（其中一臺(tái)變頻）向系統(tǒng)中補(bǔ)充，事故狀態(tài)由一臺(tái)緊急補(bǔ)水泵和一臺(tái)緊急補(bǔ)水柴油機(jī)泵組進(jìn)行補(bǔ)充，補(bǔ)水點(diǎn)位于高爐本體密閉系統(tǒng)及熱風(fēng)爐軟水密閉系統(tǒng)供水泵吸水管路上。

2.5.2 水位和水壓控制

軟水系統(tǒng)的壓力控制是通過(guò)控制脫氣罐內(nèi)的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 壓力大小的確定原則是當(dāng)冷卻壁發(fā)生漏水事故時(shí)，爐內(nèi)的煤氣不能進(jìn)入軟水系統(tǒng)。根據(jù)這一原則， 通過(guò)控制膨脹罐的水位和壓力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)穩(wěn)壓、自動(dòng)排氣、系統(tǒng)自動(dòng)檢漏和自動(dòng)補(bǔ)水。

在膨脹罐上， 設(shè)有水位檢測(cè)裝置和充N2穩(wěn)壓措施，膨脹罐壓力設(shè)定值宜保證在0.2～0.3 MPa之間（根據(jù)系統(tǒng)工作情況設(shè)定值可調(diào)），以保證最上一段冷卻壁冷卻水工作壓力高于爐內(nèi)壓力。

2.6 軟水系統(tǒng)安全保障措施

冷卻壁軟水密閉系統(tǒng)設(shè)置一套柴油機(jī)泵組，負(fù)責(zé)系統(tǒng)安全供水。 柴油機(jī)泵組在軟水系統(tǒng)突然斷電5 s內(nèi)自動(dòng)啟動(dòng)，10 s內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)工況，向系統(tǒng)提供不少于100%設(shè)計(jì)流量的保安水量。

為保證水質(zhì)， 系統(tǒng)中設(shè)一套加藥裝置定量投加緩蝕劑和滅藻劑， 并設(shè)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置和旁路式掛片裝置，隨時(shí)掌握運(yùn)行水質(zhì)指標(biāo)和管道腐蝕狀況。

2.7 冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行管理

冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行管理關(guān)鍵是把水溫差和熱負(fù)荷控制在最佳范圍之內(nèi)，尤其是爐腹、爐腰和爐身下部的水溫差和熱負(fù)荷。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)爐底、爐缸、爐腰、爐腹、爐身中下部冷卻壁的水溫差、熱負(fù)荷、操作爐型、渣皮厚度及渣皮脫落頻率的在線監(jiān)測(cè)， 在相應(yīng)冷卻壁的進(jìn)出水管上安裝溫度和流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即高爐冷卻水溫差（熱負(fù)荷）檢測(cè)系統(tǒng)：該系統(tǒng)對(duì)高爐本體各個(gè)冷卻水系統(tǒng)的溫度、流量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)高爐冷卻壁冷卻水管道的進(jìn)出水溫差， 并據(jù)此計(jì)算出熱負(fù)荷值，見(jiàn)表3。

表3 高爐本體水溫差測(cè)點(diǎn)布置

3 結(jié)語(yǔ)

1#1 460 m3高爐于2020年12月12日點(diǎn)火開(kāi)爐，2#1 460 m3高爐于2021年1月8日點(diǎn)火開(kāi)爐，投產(chǎn)以來(lái)水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，正常生產(chǎn)時(shí)高爐軟水的實(shí)際用量為4 200 m3/h，水泵出口壓力0.8 MPa，爐前供水壓力0.77 MPa，平均溫升約2.3 ℃。實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐表明高爐本體水系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)合理，為高爐高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。