蘇慶雨 張寧
轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)是轉(zhuǎn)爐煉鋼的重要設(shè)備之一，主要分為高壓循環(huán)系統(tǒng)、低壓循環(huán)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、蒸汽回收系統(tǒng)，其主要作用是冷卻轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧案郊又档娘柡驼羝Ｓ捎谄渌幍墓r惡劣，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，故汽化冷卻系統(tǒng)的故障率較高，對(duì)轉(zhuǎn)爐連續(xù)生產(chǎn)造成了不利影響。基于此，本文結(jié)合實(shí)例從汽化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)分析、故障處理等方面入手，分析了高壓循環(huán)系統(tǒng)、低壓循環(huán)系統(tǒng)的改造升級(jí)，成功解決了汽化尾部煙道流量不足導(dǎo)致的煙道疲勞開裂以及裙罩流量低導(dǎo)致的頻繁飛槍問(wèn)題。
一、轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)
轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)爐的冶煉周期而變化，具有熱負(fù)荷大、溫度變化大、熱應(yīng)力明顯等特點(diǎn)。其獨(dú)特性包括：高熱通量，對(duì)結(jié)構(gòu)和腐蝕的容忍性低；轉(zhuǎn)爐冶煉周期產(chǎn)生的高循環(huán)應(yīng)力，易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋；潛在低流速，膜態(tài)沸騰/金屬過(guò)熱；氣側(cè)沖蝕；轉(zhuǎn)爐停爐檢修期間造成腐蝕；補(bǔ)水水量波動(dòng)，除氧器除氧效果不佳；鍋爐水低濃縮倍數(shù)等。本文中高壓循環(huán)系統(tǒng)采用的是強(qiáng)制循環(huán)冷卻和自然循環(huán)冷卻相結(jié)合的復(fù)合循環(huán)冷卻方式。復(fù)合循環(huán)冷卻方式既能滿足煙道冷卻的要求，又能降低循環(huán)冷卻設(shè)備的成本投入，具有安全可靠、節(jié)能減排、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
二、汽化冷卻系統(tǒng)常見故障分析
煙道是汽化冷卻系統(tǒng)的重要設(shè)備，其工作原理是通過(guò)泵組或自然循環(huán)的方式將冷卻水經(jīng)由下降管供入汽化冷卻煙道，在水冷壁管內(nèi)受熱后，部分冷卻水發(fā)生汽化，形成的汽水混合物，經(jīng)上升管返回汽包或除氧器。冷卻水不斷地吸熱上升，新的冷卻水持續(xù)注入煙道，從而建立循環(huán)。同時(shí)，汽化冷卻煙道也是故障多發(fā)的部位，主要故障形式是煙道漏水，形成原因主要有冷卻水流量不足導(dǎo)致煙道過(guò)燒、轉(zhuǎn)爐煙道腐蝕沖刷、交變溫差影響、水質(zhì)不合格、產(chǎn)品焊接缺陷、設(shè)計(jì)原因等，本文將從設(shè)計(jì)方面作為切入點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例對(duì)汽化冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，進(jìn)而達(dá)到降低事故率、提高煙道使用壽命的目的。
(一)冷卻水流量不足
冷卻水的持續(xù)供應(yīng)是保證汽化冷卻煙道正常工作的必要條件。實(shí)踐中，各種因素都會(huì)導(dǎo)致冷卻水供應(yīng)不足，如冷卻循環(huán)方式選擇不當(dāng)。自然循環(huán)方式因吹煉初期煙氣溫度較低，水冷壁內(nèi)的水汽化效果不明顯，導(dǎo)致無(wú)法迅速建立有效循環(huán)，造成煙道過(guò)燒；煙道設(shè)計(jì)不合理。受空間影響，尾部煙道彎曲處角度過(guò)小，導(dǎo)致飽和蒸汽在此處續(xù)存而無(wú)法排出，造成局部冷卻水管長(zhǎng)期過(guò)熱或發(fā)生水擊現(xiàn)象，循環(huán)水不能快速、有效地冷卻管壁，管壁超溫破裂漏水。
(二)轉(zhuǎn)爐煙道腐蝕沖刷
轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的含塵爐氣，包括煙氣和煙塵。其中，煙氣的主要成分為一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)狻⒀鯕獾龋?jīng)汽化冷卻系統(tǒng)及一次除塵系統(tǒng)處理后回收至煤氣柜或放散；煙塵的主要成分為鐵氧化物、氧化鈣、二氧化硅及其他微量成分，這些微小的顆粒狀物質(zhì)在經(jīng)過(guò)汽化冷卻煙道時(shí)具有溫度高、流速快、硬度大等特點(diǎn)，必然會(huì)對(duì)汽化冷卻煙道的內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷磨蝕，時(shí)間久了就會(huì)造成煙道內(nèi)壁管及焊肉減薄，進(jìn)而造成漏水事故。
(三)交變溫差影響
受轉(zhuǎn)爐冶煉工藝的影響，從吹煉開始時(shí)，煙氣溫度會(huì)急劇上升至 1400～1600℃，使煙道熱負(fù)荷急劇增加，而停止吹煉后，煙氣溫度則會(huì)急劇下降，煙道的熱負(fù)荷急劇減小。以 100t 轉(zhuǎn)爐為例，每爐鋼冶煉周期為30～35min，吹煉時(shí)間為14min左右，煙道頻繁受到熱應(yīng)力影響，或因環(huán)保限產(chǎn)、定修計(jì)劃安排等特殊情況，停爐時(shí)間甚至更長(zhǎng)，煙氣溫差也更大，這種熱負(fù)荷的頻繁、劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致汽化冷卻煙道時(shí)刻受到交變應(yīng)力的作用，汽化冷卻煙道的工作狀態(tài)一直處于動(dòng)態(tài)變化中。在此惡劣的工況下，設(shè)計(jì)、選材、制作、安裝、使用中各環(huán)節(jié)存在的任何紕漏，都會(huì)造成煙道的熱疲勞，最終導(dǎo)致冷卻水管開裂、漏水的情況。
(四)水質(zhì)不合格的影響
1.汽化系統(tǒng)加藥
轉(zhuǎn)爐汽化系統(tǒng)對(duì)冷卻水的水質(zhì)要求較高，懸浮物、膠體等以污垢形式沉淀，可能會(huì)堵塞管路，造成循環(huán)不暢；無(wú)機(jī)的陽(yáng)離子、陰離子等形成有腐蝕性的鹽和堿性化合物，這些腐蝕性化合物會(huì)使管壁腐蝕、減薄，甚至穿孔。保證汽化系統(tǒng)運(yùn)行中水質(zhì)的良好與穩(wěn)定，能有效降低腐蝕、結(jié)垢及應(yīng)力對(duì)系統(tǒng)造成的損害，對(duì)延長(zhǎng)煙道使用壽命、保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用。通常，可以通過(guò)對(duì)汽化冷卻水加藥來(lái)解決，水處理化學(xué)藥劑方案包括以下幾個(gè)方面：補(bǔ)水pH值調(diào)節(jié)；化學(xué)除氧；鍋爐爐內(nèi)阻垢緩蝕處理；分散劑處理，即分散鍋爐水中的鐵、鈣及其他顆粒物質(zhì)。汽化冷卻系統(tǒng)運(yùn)行水質(zhì)要求見表1。
2.汽化冷卻系統(tǒng)煮爐
汽化冷卻系統(tǒng)設(shè)備及管件在制造、運(yùn)輸、安裝的過(guò)程中，受熱面管子、聯(lián)箱等部件的內(nèi)壁均會(huì)不可避免的產(chǎn)生氧化鐵皮、鐵銹及焊渣等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)和硅化物如不在投產(chǎn)前除去，則會(huì)在余熱鍋爐運(yùn)行中，使傳熱惡化，破壞鍋爐水循環(huán)，使管子過(guò)熱而損壞，同時(shí)也會(huì)使金屬內(nèi)壁腐蝕變薄、穿孔，甚至爆管。為提高余熱鍋爐的熱能利用效率，確保其安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)行，需要對(duì)余熱鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行煮爐，以清除氧化物、硅化物、油脂等雜質(zhì)。
(五)設(shè)計(jì)原因
汽化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于汽包、除氧器的選型、容積，煙道的排管，高壓泵、低壓泵、給水泵流量和揚(yáng)程的選擇，過(guò)濾器的選型，管損的計(jì)算，熱力學(xué)計(jì)算模型的建立等，均對(duì)汽化冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵性的作用。
三、改進(jìn)措施
以某鋼廠新建 100t 轉(zhuǎn)爐為例，汽化冷卻系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)冷卻和自然循環(huán)冷卻相結(jié)合的復(fù)合循環(huán)冷卻方式。強(qiáng)制循環(huán)冷卻又分為高壓強(qiáng)制循環(huán)冷卻和低壓強(qiáng)制循環(huán)冷卻，其中，裙罩、氧槍口、副槍口、下料管水套采用低壓強(qiáng)制循環(huán)冷卻，爐口段、移動(dòng)段采用高壓強(qiáng)制循環(huán)冷卻，中直段、末段采用自然循環(huán)冷卻；煙道截面為圓形，節(jié)圓直徑為 DN2800，為防止積渣，煙道拐點(diǎn)角度為55°，煙氣流速約為24m/s，煙道總長(zhǎng)度50m，煙道總受熱輻射圍檔面積約為480m2 ；汽包設(shè)計(jì)壓力為 4.3MPa，工作壓力為 3.0～3.5MPa，容積約為60m3 ，為保證末段建立有效的自然循環(huán)，在汽包內(nèi)部增加隔板，以形成足夠的液位差；除氧器的除氧能力為 30t/h，除氧水箱容積為 30m3 ，設(shè)計(jì)壓力為0.6MPa；為了便于運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)汽化冷卻系統(tǒng)的自動(dòng)控制，每座轉(zhuǎn)爐汽化冷卻裝置設(shè)置2臺(tái)鍋爐給水泵(開1備1)。汽包及除氧器上設(shè)安全閥，汽包、除氧器設(shè)有放散消聲器和安全閥排放消聲器。
(一)末段循環(huán)方式改造
1.現(xiàn)狀描述
現(xiàn)有設(shè)備的末段采用自然循環(huán)的方式進(jìn)行冷卻，汽包內(nèi)部橫向設(shè)置了隔板，末段下降管和強(qiáng)制循環(huán)上升管分別位于隔板兩側(cè)，吹煉初期可通過(guò)隔板迅速建立 450mm 左右的液位差，進(jìn)而建立循環(huán)，吹煉中期和后期通過(guò)水的汽化建立循環(huán)。轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)3個(gè)月后發(fā)現(xiàn)汽化冷卻煙道漏水，拆人孔檢查確定末段漏水，冷卻水管出現(xiàn)連續(xù)的橫向裂紋。
2.故障分析
汽化冷卻煙道在高溫條件下工作時(shí)，溫度并不恒定，而是急劇地、反復(fù)地變化的，由此造成了煙道的膨脹和收縮。煙道由于結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法自由縮放，內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，溫度反復(fù)變化，熱應(yīng)力也會(huì)隨之反復(fù)變化，從而使材料受到疲勞損傷，進(jìn)而產(chǎn)生橫裂紋。同時(shí)，從吹煉開始至3～5min內(nèi)，末段流量小于50t/ h，且波動(dòng)明顯，說(shuō)明冶煉初期未建立有效的循環(huán)，分析原因?yàn)槟┒螣煹朗俏r米彎結(jié)構(gòu)，下部回轉(zhuǎn)角度較小，蒸汽會(huì)滯留在末段煙道橫向冷卻水管的上部，導(dǎo)致此部位持續(xù)過(guò)燒，進(jìn)而對(duì)煙道造成損壞。
3.改進(jìn)措施
經(jīng)過(guò)綜合分析，計(jì)劃將末段高壓自然循環(huán)方式改成高壓自然循環(huán)與高壓強(qiáng)制循環(huán)并行的方式，需要在末段入口集箱前引入一路高壓強(qiáng)制循環(huán)管道，高壓強(qiáng)制循環(huán)管道為持續(xù)供水，從而有效保證吹煉初期自然循環(huán)尚未建立時(shí)，依然有強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)給末段煙道供水，并在引入的高壓強(qiáng)制循環(huán)管道出口處增加射流裝置，射流裝置可以通過(guò)冷卻水高速流動(dòng)帶動(dòng)自然循環(huán)盡早建立。因汽包至末段入口集箱管道直徑為 Φ325，而末段冷卻水管直徑為 Φ51，所以可能導(dǎo)致部分高壓強(qiáng)制循環(huán)水順末段下降管回流至汽包，另一部分高壓強(qiáng)制循環(huán)水則會(huì)經(jīng)入口集箱進(jìn)入末段，這樣不但不能帶動(dòng)自然循環(huán)，反而會(huì)導(dǎo)致自然循環(huán)徹底停擺，甚至影響整個(gè)高壓循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定。而如果射流裝置順下降管方向安裝，就避免了高壓強(qiáng)制循環(huán)水回流至汽包的問(wèn)題。
4.系統(tǒng)調(diào)試
(1)冷態(tài)調(diào)試
新增末段射流系統(tǒng)手動(dòng)閥關(guān)閉，汽化系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，緩慢開啟末段射流管道機(jī)械閥，每個(gè)點(diǎn)位停3min以使系統(tǒng)穩(wěn)定，全程記錄汽化系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)。因新增射流裝置主要影響爐口段、移動(dòng)段、末段的供水情況，應(yīng)著重統(tǒng)計(jì)這些數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行熱態(tài)。
(2)熱態(tài)調(diào)試
依托冷態(tài)調(diào)試的數(shù)據(jù)分析結(jié)論，進(jìn)行熱態(tài)調(diào)試，調(diào)試期間安排專人用點(diǎn)溫槍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)末段煙道溫度并記錄，若高于240℃或溫度急劇上升，則立即提槍，停止冶煉，防止發(fā)生煙道爆管事故。熱態(tài)調(diào)試參數(shù)見表2。
5.措施效果評(píng)價(jià)
對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)論：冶煉開始，末段由新增的射流裝置供水，流量穩(wěn)定，隨著冶煉的進(jìn)行，自然循環(huán)被射流裝置帶動(dòng)，末段流量逐步增大，至冶煉中、后期，末段冷卻水得到充分汽化，流量明顯增大，建立起穩(wěn)定的循環(huán)。
(二)低壓循環(huán)系統(tǒng)改造
1.現(xiàn)狀描述
現(xiàn)有低壓循環(huán)系統(tǒng)主要包括除氧器、低壓泵、裙罩、氧槍口、副槍口、下料管水套等，循環(huán)方式為：除氧器內(nèi)的二級(jí)除鹽水通過(guò)下降管進(jìn)入低壓泵，然后進(jìn)入裙罩、氧槍口、副槍口、下料管水套，再經(jīng)過(guò)上升管回流至除氧器。汽化冷卻系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)低壓循環(huán)系統(tǒng)冷卻水流量頻繁低報(bào)警，有時(shí)甚至是低低報(bào)警，造成飛槍故障。
2.故障分析
經(jīng)過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，低壓循環(huán)系統(tǒng)各設(shè)備的流量偏低，流量總和與低壓泵的額定流量差距較大。造成流量偏低的原因主要有：上升管安裝位置較高，超過(guò)了低壓泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程，造成低壓泵出口壓力偏大；低壓泵入口安裝有Y型過(guò)濾器，用來(lái)過(guò)濾、攔截管道中的雜質(zhì)，而此類型過(guò)濾器阻力較大，通過(guò)性差；清理過(guò)濾器發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)較多，堵塞濾網(wǎng)；管道距離較長(zhǎng)，錯(cuò)綜復(fù)雜，造成的管損較大；低壓循環(huán)系統(tǒng)各設(shè)備的流量與氧槍吹煉有連鎖保護(hù)，流量低于設(shè)置值時(shí)則自動(dòng)提槍，目的是避免煙道過(guò)燒。研究發(fā)現(xiàn)，其原因?yàn)槔鋮s水經(jīng)過(guò)低壓泵后會(huì)產(chǎn)生少量氣泡，汽包經(jīng)過(guò)流量計(jì)時(shí)造成流量計(jì)采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，待氣泡通過(guò)流量計(jì)觸點(diǎn)后，流量又恢復(fù)到正常值。
3.改進(jìn)措施
經(jīng)研究決定，計(jì)劃降低壓強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)的上升管高度至3m，在保證汽水混合物順利回流的前提下，減小低壓泵出口的壓力；將低壓泵入口的Y型過(guò)濾器更換為籃式過(guò)濾器，降低阻力，增加冷卻水的通過(guò)性；低壓系統(tǒng)勤排污，定期清理過(guò)濾網(wǎng)；更改自動(dòng)提槍的連鎖條件，將低壓循環(huán)系統(tǒng)的流量報(bào)警與自動(dòng)提槍連鎖條件延遲10s，即流量持續(xù)低于報(bào)警值10s以上，才會(huì)自動(dòng)提槍。
4.系統(tǒng)調(diào)試
以上改進(jìn)措施均完成后，啟動(dòng)低壓泵，觀察各系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行冷態(tài)調(diào)試，無(wú)問(wèn)題后進(jìn)行熱態(tài)調(diào)試。經(jīng)過(guò)多輪熱試發(fā)現(xiàn)，低壓系統(tǒng)各設(shè)備的流量均有不同程度的上漲，較改造之前有明顯提升，只偶爾出現(xiàn)低低報(bào)警，均在2～5s內(nèi)恢復(fù)到正常值，10s的延遲報(bào)警杜絕了誤判的風(fēng)險(xiǎn)。
5.措施效果評(píng)價(jià)
經(jīng)過(guò)多項(xiàng)措施的改進(jìn)與調(diào)試驗(yàn)證，汽化低壓循環(huán)系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運(yùn)行，系統(tǒng)流量低和低低報(bào)警飛槍的問(wèn)題均得到解決。綜上所述，汽化低壓循環(huán)系統(tǒng)改造的多項(xiàng)措施對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、延長(zhǎng)低壓系統(tǒng)各段設(shè)備的使用壽命及減少事故率有利。
四、結(jié)束語(yǔ)
本文從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行調(diào)試等方面入手，對(duì)轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)的常見故障進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)建議。同時(shí)，通過(guò)實(shí)例對(duì)典型問(wèn)題進(jìn)行了深入的剖析，結(jié)合多項(xiàng)措施確保了汽化冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保障了生產(chǎn)的順暢，也延長(zhǎng)了汽化冷卻系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命及安全性。