煉鋼轉爐余熱鍋爐結構設計中需要注意的問題

摘要：煉鋼轉爐余熱爐的質量、運行狀況影響到煉鋼的持續進行與否，關系到煉鋼行業的效益。文章從結構設計的角度說明了煉鋼轉爐余熱鍋爐需要注意的問題，提出在設計中應把握住密封、水循環安全性、熱膨脹、低周疲勞等，以實現余熱鍋爐的正常運行，實現煉鋼的經濟效益和環保效益，為煉鋼行業發展提供支持。

關鍵詞：煉鋼轉爐余熱鍋爐；結構設計；水循環；熱膨脹；低周疲勞

中圖分類號：TK473 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）25-0069-02

煉鋼轉爐余熱爐是煉鋼所用重要設備，其不但可回收煤氣、蒸汽及氧化鐵塵，實現煉鋼過程中的熱量調節，且對環境保護、提升資源利用率具有重要作用。結構設計環節是設備投入生產及生產實效的前提，設計質量直接關系到設備的運轉、效能，因此，必須關注煉鋼轉爐余熱鍋爐結構設計研究，以提升煉鋼效率、維護能源安全。

1 煉鋼轉爐余熱爐結構設計的重要性

煉鋼轉爐余熱爐參與到煉鋼生產中，設備運行情況影響到煉鋼生產的經濟效益、環保效益及社會效益，尤其在環保理念、持續發展觀念增強的今天，必須從各個環節強化設備綜合效益研究。煉鋼轉爐余熱爐結構設計是此設備生產的初始環節，設計質量直接影響到煉鋼轉爐余熱爐的工作狀況。首先，煉鋼轉爐運行狀況直接影響其余熱爐運行狀況；其次，從當前看，煉鋼轉爐余熱爐的使用壽命較短，上段冷卻煙道約6～7年，下段冷卻煙道約2～3年，工作環境越是惡劣，其壽命越短；最后，受運行環境影響，余熱爐發生故障的可能性極高，且后期維修困難，這不但影響了正常煉鋼，且容易造成安全問題。因此，要避免以上問題，需在設備進場的結構設計階段下工夫，通過控制余熱爐的熱膨脹問題、水循環安全性問題等，實現延長余熱爐使用壽命、提升其工作效率以及降低安全危害的工作目標。

2 煉鋼轉爐余熱鍋爐結構設計中需要注意的問題

2.1 熱膨脹問題

煉鋼轉爐余熱爐的溫度承受能力、調節能力直接影響其壽命及工作狀況，且對減少后期維修、節省生產成本、降低安全隱患具有重要作用，因此，熱膨脹問題是煉鋼轉爐余熱爐結構設計中所關注的重點問題。在熱膨脹設計中應注意的問題有：

2.1.1 軸向熱膨脹設計。以往軸向熱膨脹設計主要集中在煙道連接處所使用的不銹鋼膨脹節、耐高溫塑性材料可吸收的熱膨脹量、鍋爐支點鉸支及懸吊點以衡力彈簧所調節的鍋爐膨脹位移等。

2.1.2 徑向熱膨脹設計。相對于軸向熱膨脹，徑向熱膨脹設計關注度較少，從事故引發原因上分析，部分事故均由徑向熱膨脹問題引起，如余熱爐高溫狀態工作時，因內部溫度過高造成內外壓力失衡，使管壁滲漏，造成設備故障或無法正常運行，因此，應在剛性梁柱設計中關注膨脹間隙問題，設計剛性梁柱時預留一定空隙，防止管道內外壓力失衡而造成管道脹裂。

2.2 低周疲勞問題

低周疲勞是余熱爐運行中的常見問題，其多由余熱爐運行狀況及其周期性變更引發，此問題的存在影響著設備的工作效率，結構設計時應關注此問題，集中處理引發低周疲勞的關鍵部位，并對可能性影響位置進行設計。

2.2.1 集箱與管接頭連接部位的設計。管接頭部位和集箱部位的連接處是引發低周疲勞破壞的主要地方，設計時應尤為關注此部位設計。在集箱與管接頭部位連接設計時，多以插入式或平坐式設計方式進行設計，而這兩種設計均為考慮到煉鋼轉爐余熱爐運行過程中有可能發生的低周疲勞問題，從而影響了煉鋼轉爐的正常運行。因此，為增強集箱和管接頭連接部位的抗低周疲勞能力，設計時應全面考慮低周疲勞問題，連接形式可根據實際采用高壓鍋爐盆座式設計。

2.2.2 水下降管、蒸汽引出管的設計。水下降管和蒸汽管與集箱的連接形式影響到開孔口徑的大小，開口孔徑越大，低周疲勞越嚴重，設備損壞越嚴重，因此，對大口徑飽和的蒸汽引管及水下降管多采用騎座式設計，以縮小開孔口徑，降低設備損壞，延長設備壽命。

2.2.3 水冷壁管設計。水冷壁是煉鋼鍋爐的主要受熱面，其由并列的上升管構成，管子排列越緊密其對爐墻的保護作用越好，因此，設計時應選擇輕質、耐熱的耐火材料及保溫性較好的保溫材料為爐墻材料，也可將其敷設在水冷壁上，使其成為水冷壁管敷管式爐墻，對于小容量、中低壓的鍋爐可采用光管式水冷壁。

2.3 水循環安全性問題

水冷壁管傳熱惡化、爆破往往會造成嚴重的經濟問題與安全問題，因此，結構設計必須關注水循環安全性問題。

2.3.1 汽水兩相流動狀況設計。煉鋼轉爐余熱爐多傾斜布置，受熱條件下，傾斜的水冷壁管管內的汽水混合物常常出現汽水分離，而汽水分離后，汽側對向火面的管子極易出現傳熱惡化現象，進而造成設備無法持續運行。針對此情況，必須以設計來改進氣側面向火面的管內的汽水兩相流動狀況。當前設計中多采用對向火面的管子采用螺紋管或將不銹鋼螺旋板加裝在此部分管子內部這兩種方式，前者結構上比較簡單，操作較容易，但受材料限制，后者在阻止水汽分層，消除或減少傳熱惡化現象的發生具有重要作用，且效果優于前者，因此，建議采用加裝不銹鋼螺旋板方式來改善管內的傳熱狀況及汽水兩相流動狀況。

2.3.2 下降管設計。煉鋼轉爐余熱爐內部熱負荷呈周期變化，熱負荷下降水冷壁管的產汽量減少，使得冷壁管內循環壓力減少，此情況下，可能發生上升管和下降管所存壓差不能維持自然循環工況。針對此問題，可采用將爐循環水泵加裝在下降管的方式來維持癥狀循環壓差。

2.3.3 鍋筒壓力控制設計。鍋筒壓力波動可影響水循環安全性，當鍋筒壓力急速下降時，鍋爐的飽和水發生汽化，使下降管帶汽，降低循環頭壓力，導致水冷壁管內流速下降，引發傳熱惡化，甚至造成水冷壁管爆破，因此，設計時應進行熱工控制，以降低鍋筒壓力差，防止傳熱惡化。

2.3.4 復合循環系統設計。近年來，人們的環保觀念、節約理念越來越強，考慮到環保效益及資源使用有效率，結構設計時可將自然循環與強制循環相結合，設計轉爐吹煉系統，當煉鋼轉爐余熱爐熱負荷較高時采用自然循環系統，停止吹煉，當其熱負荷較低時，則采用強制循環系統，以減少循環所用電耗，實現節省能源目標。

2.4 密封問題

煉鋼轉爐余熱鍋爐若密封不好則會發生煤氣泄漏、空氣進入爐膛等現象，進而造成安全問題、煤氣質量問題等。針對此問題可采用膜式水冷壁結構取代密排管結構的設計方式，此外并對爐膛上的開孔進行有效密封。

3 結語

煉鋼轉爐余熱鍋爐質量狀況影響到煉鋼效益，一旦某個部位出現問題可能致使整個系統的癱瘓，嚴重的將釀成安全事故。為確保設備安裝過程的有序、安全和高質量，需采取謹慎的常規安裝方式來進行。對每一套設備的安裝，都要按照固定的作業方式和工序進行，其結構設計中應把握住密封、水循環安全性、熱膨脹、低周疲勞等問題，以相應的措施處理好這些問題，在實現余熱鍋爐正常運行的同時，實現煉鋼的經濟效益、環保效益。

參考文獻

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作者簡介：張世建（1976-），男，山東沾化人，杭州杭汽輪鍋爐有限公司技術部部長，研究方向：鍋爐設計。endprint