徐南平　鄔士英　金永龍　林成城　姜偉忠　陳君明

(鞍山鋼鐵學院) (寶鋼煉鐵部)

　　摘 要　根據寶鋼3號高爐(3BF)冷卻壁純水密閉循環系統的特點, 采用超聲波測量儀測量冷卻壁的水流量, 用數字測溫儀和紅外線測溫儀測量冷卻水的溫差, 取得了大量的冷卻壁熱負荷數據。對3BF各段冷卻壁的熱負荷分布進行了分析, 并研究了冷卻壁破損原因及對策, 為3BF冷卻壁熱負荷的管理和降低燃料比提供了科學依據。

　　關 鍵 詞　高爐　冷卻壁　熱負荷　熱流強度

1 　前言

寶鋼3BF有效容積為4350m³ ,于1994年9月20日投產, 是我國目前最大的高爐。在4年多的生產實踐中, 生產日趨穩定, 各項技術經濟指標在國內居前列。但也暴露了一些問題, 如冷卻壁管子燒壞嚴重, 到1997年底, 燒壞破損已達109根。為了維護好冷卻壁, 保證高爐的順行, 為了更細致地了解正常條件下各段冷卻壁的熱負荷, 對冷卻壁的熱負荷進行測定十分必要。3BF冷卻壁是純水密閉循環的, 常規的測試方法不適用^[1] ,而且測試冷卻壁熱負荷難度較大, 測試點數量多, 測試環境惡劣。采用現代超聲技術實現了在正常生產情況下實時測定密閉循環系統中的水流量;用精度較高的紅外線測溫儀和數字測溫儀測量冷卻水的溫差, 解決了測試上的各種困難, 取得了大量可靠的數據。寶鋼3BF冷卻壁純水密閉循環系統熱負荷測定的成功, 在國內是首例, 為寶鋼3BF冷卻壁熱負荷的管理和降低燃料比提供了科學依據。

2   3BF冷卻壁系統概況

圖1為3BF爐體的冷卻壁體系。其中從爐缸H₅以上到S₅的直管(Z)水冷部分稱為本體系, 圓周方向分四個區, 每個區由A ,B , C ,D 4個管子供排水。由于測點少, 冷卻壁串聯塊數多(11 段)水管頭多(共有4952個), 局部地區熱量變化儀表上反映不靈敏。

強化系包括爐底以上四段橫型光面冷卻壁H₁ ,H₂ ,H₃ ,H₄ 及鐵口區四塊冷卻壁, 還有爐腹B₁ ,爐腰B₂ ,B₃及爐身S₁～ S₅各個水平角部(J)管和背部蛇形(S)管, B₂～B₃的凸臺(Γ)管, 爐身上面的R₁ ,R₂ , R₃ 的光面冷卻壁直(Z)管。

3   爐體純水密閉循環體系熱負荷測定和結果

按熱負荷定義, 熱負荷測定需要測定冷卻壁流水量和水溫差。常規的冷卻壁水流量測定是在排出端用容器和秒表分別測量流量和時間;冷卻水的溫度用水銀溫度計來測量。上述方法對于密閉循環系統來說是不適用的。因為一旦冷卻壁排水端敞開, 開口端壓力驟降, 水流量立即增加, 測得的流量不能代表工況流量, 所測溫度也不能代表水質的工況溫度。對于密閉循環冷卻系統的水量測定, 要求在線無干擾情況下進行。國內兄弟廠沒有測過, 寶鋼也沒有測過?？傊? 這方面還沒有經驗可借鑒, 有一定難度和困難。

根據寶鋼3BF的條件,采用了超聲波流量計,可以測得瞬間流量或累計流量,誤差在±3%以內。采用這種儀器測冷卻壁水流量, 在國內尚未見到報導。為慎重起見, 在實驗室里對這套儀器進行了試用、標定, 獲得了測試經驗, 選用了合適的超聲耦合劑, 掌握了使用方法, 并把誤差降到了較低水平。

3BF有18段冷卻壁, 由于受時間限制, 每段測4個方向的水管流量和水溫差。測定結果見圖2和圖3。由測定結果推算的冷卻壁各段的熱流強度及熱負荷見表1 。

從圖2,3 ,表1可以看出:

(1)5～15段冷卻壁本體系熱負荷為93.8 GJ/h ,占這些冷卻壁總熱負荷(133.4 GJ/h)的70.32 %。說明本體系承擔著大部分熱流,由于冷卻管比較靠近爐料及煤氣流, 爐內的熱流變化能較靈敏地反映在本體系熱負荷變化上。

(2)從爐子4個方向看熱負荷是不均勻的, 如測定Ⅱ區的熱負荷明顯比其它區高。

(3)本體系由A ,B ,C , D四系列供排水, 測得冷卻壁中A ,D管熱負荷約占60%,而水流量占51.5 %～60.43 %。計算S₁冷卻壁內A ,D管長各為2132mm ,B ,C管長各為1572mm。A ,D管占4根管總長的57.56 %,若長度與冷卻表面成正比,在處于同樣的熱流強度下,A ,D管熱負荷應占總熱負荷的57.56 %,這與圖2測的結果基本相符。本體系中A ,D管的熱負荷較B ,C管高,從生產管理和設計角度看, 水流量應高些。

(4)S₁ , S₂段熱流強度最高, 其次是S₃ , S₄ , S₅ ,B₃段,再其次是B₁ ,B₂及R₁ ,R₂ ,R₃段, T 段及H₅段上有風口及鐵口冷卻, 因為其熱流強度較大,另計入。B₂補裝微型冷卻器一個, B₃段裝18個, S₁段裝了10個,每個微型冷卻器承擔熱負荷10.53×10⁷J/h 。

(5)微型冷卻器在B₃段已安裝了18個(截止于1998年4月15日), 共計熱負荷為189.6kJ/h ,為B₃段總熱負荷(1171.86 kJ/h)的16.18 %。微型冷卻器的安裝使用使B₃本體系的熱負荷由53%左右(根據S₁ ,B₂段本體系熱負荷內插法推算)下降到32.47 %, 可能是掛上渣皮所致, 而蛇管、角部管熱負荷比例略有升高。銅制微型冷卻器圓斷面直徑僅為110mm, 但由于銅導熱系數為鋼鐵的8.5倍, 能經受熱負荷的沖擊, 有利于渣皮的形成。今后還應注意此類冷卻器的壽命。

4 　冷卻壁破損的原因及對策

從現有的資料可以看出:

(1)隨著爐齡的增加,冷卻壁管子破損量增加。1994年9月投產以來至1995 年3月前破損3根, 1996年破損23根, 1997年破損83根, 1998年2月2日前破損7 根。

(2)爐體熱負荷越高越易破損。這可以從1997年8～12月份的數據制作的圖4中看出。因為本體系熱負荷與爐體熱負荷密切相關, 所以圖4橫坐標采用了本體系熱負荷。

(3)爐子懸料、滑料、崩料愈多, 破損愈多。見圖5。1997年管子破損較多, 由于破損原因很多,這里的線性關系不甚明顯。此外, 曲線隨著爐齡的增加而左移, 說明隨爐齡增加, 爐子不順管子更易破損。

從設計上看存在一些缺陷。如冷卻壁鑲磚采用Si₃N₄結合的SiC磚,這種磚與爐渣的親和力低, 渣皮容易脫落。其次, 凸臺對磚襯或渣皮有了支托作用,但凸臺又造成了冷卻壁溫度分布不均而形成了熱應力, 尤其是當爐溫波動時, 熱應力也隨著變化, 致使冷卻壁基體材料疲勞破裂。開裂的鐵基冷卻壁在CO氣氛及水冷卻作用下, 激烈滲碳、沉積碳, 使裂紋進一步發展, 有的甚至剝落,使得水管暴露燒壞。

基于上述認識, 寶鋼煉鐵廠加大了對爐體冷卻壁維護的重視程度。如發現冷卻壁和爐殼間有煤氣通道就進行壓力灌漿堵塞;加大通水量, 及時把過熱部分熱帶走。自1996年7月起, 強化系和本體系的備用泵投入了使用, 水速提高到2m/s左右, 提高了冷卻強度;1996年2月起強化系增加了一臺脫氣罐;加強了水質管理, 及時對冷卻壁水管進行清洗。最根本的是改善煤氣流分布, 既要確保爐況穩定順行, 又要妥善地保護好冷卻壁?，F已采取了一系列措施, 如:調整無料鐘溜槽的檔位與傾角;調整礦石批重和料線;適當地降低鼓風動能等等。以上措施使煤氣流分布更合理,CO利用率由49 %提高到52 %左右,懸料、崩料現象已基本消除,滑料現象也大為減少(見圖6),形成的渣皮也穩定了, 熱負荷也有所下降, 有效地減緩了冷卻壁破損的發展。

由于本體系冷卻壁對爐內熱流反應較靈敏,熱負荷又較大, 應增設流量、溫差在線測試儀器,在S5水出口8個方向16個點進行監測, 如發現不正常, 再分段測溫, 用超聲波測水流量, 這樣可找出癥結所在, 及時處理。熱負荷過高或過低, 都不利于高爐冶煉和冷卻壁維護, 今后還應更細致地探索出各段冷卻壁合理的熱流強度。

日本千葉6#高爐的壽命達 到了20年, 他們的設計、操作經驗值得我們借鑒。

5 　結論

(1)在國內首次使用了超聲波流量計及數字測溫儀成功地測得了3BF純水密閉循環冷卻的各段冷卻壁熱負荷和熱流強度。所用的儀器比較先進, 測得的數據準確、可靠, 為熱負荷管理和冷卻壁維護提供了科學依據。

(2)微型冷卻器既能承受較高的熱負荷, 又有利于掛渣皮, 能起到良好的維護爐襯的作用。

(3)冷卻壁損壞的主要原因是:爐體熱負荷過高, 爐況順行不好;隨著爐齡的增加, 破損量增加;設計上有一些問題。

(4)主要對策是:應增設熱負荷監測儀器, 加強監測;改善煤氣流分布, 確保爐況穩定順行;增設微型冷卻器。

參 考 文 獻

1 　冶金工業部.工業爐窯熱平衡測定與計算方法暫行規定(續一).北京:冶金部《節能技術服務中心》編輯出版,1984:1～34