步進梁式加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)的設計及應用

黃遵運，劉家弢，陳　揚（天津鋼鐵集團有限公司中厚板廠，天津300301）

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步進梁式加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)的設計及應用

黃遵運，劉家弢，陳揚
（天津鋼鐵集團有限公司中厚板廠，天津300301）

[摘要]為了實現(xiàn)降本增效，將汽化冷卻系統(tǒng)應用于天津鋼鐵集團有限公司中厚板150 t/h步進梁式加熱爐上。實際應用表明，該系統(tǒng)節(jié)省了能源、延長了被冷卻構(gòu)件壽命，取得了較好的經(jīng)濟效益。

[關(guān)鍵詞]加熱爐；汽化冷卻；節(jié)能；設計；應用

1　引言

我國是鋼鐵產(chǎn)量大國，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)是能源消耗和排放大戶，節(jié)約減排不僅是社會可持續(xù)性發(fā)展的必然要求，而且對企業(yè)降低成本，提高效益有明顯的作用。從20世紀60年代開始，我國鋼鐵廠推鋼式加熱爐就開始采用汽化冷卻技術(shù)，90年代中后期，步進梁式加熱爐汽化冷卻技術(shù)開始運用，目前這項技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。隨著各大鋼鐵企業(yè)綜合管線改造的完成和我國低參數(shù)蒸汽利用技術(shù)的逐步完善，汽化冷卻相對水冷的優(yōu)勢將更加顯現(xiàn)，也將改變我國部分地區(qū)鋼鐵廠還在采用水冷方式的局面，成為鋼鐵企業(yè)響應國家節(jié)能降耗的產(chǎn)業(yè)政策，走發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，改善環(huán)境持續(xù)發(fā)展道路的重要措施。

2　汽化冷卻系統(tǒng)概述

2.1汽化冷卻基本原理

汽化冷卻裝置水梁中水的循環(huán)是依靠循環(huán)水泵壓頭和循環(huán)回路下降管中欠飽和水，與上升管中汽水混合物的密度差產(chǎn)生的流動壓頭，克服回路總阻力而形成的。水梁單立柱管是由帶芯管的套管組成，外管受熱，芯管不受熱，立柱管是靠芯管內(nèi)外介質(zhì)的密度差產(chǎn)生的流動壓頭克服芯管內(nèi)外的流動阻力，形成自然循環(huán)來冷卻的。循環(huán)流動過程中利用水變?yōu)檎羝盏拇罅繜崃縼砝鋮s水梁及立柱。

2.2汽化冷卻的優(yōu)點

汽化冷卻與工業(yè)水冷相比有以下優(yōu)點：

（1）耗水量少。同等熱負荷的情況下，汽化冷卻的耗水量比水冷的耗水量少得多。例如，采用水冷，假設進出口水的平均溫差為25益，則1 kg水所帶走的熱量僅為104 kJ。而采用汽化冷卻之后，假設設計壓力在0.8 MPa，這時飽和水焓是742 kJ/kg，汽化潛熱是2 030 kJ/kg，因此1 kg水所能帶走的熱量為2 772 kJ。在爐底熱負荷相同的情況下，汽化冷卻的耗水量僅為水冷的1/30左右。

（2）能量損失少。采用水冷時，冷卻水帶走的熱量基本全部損失，很難回收利用，而采用汽化冷卻使，汽化系統(tǒng)中所產(chǎn)生的蒸汽則可以回收利用。

（3）延長爐底管的壽命。水冷時一般直接用硬度較高的工業(yè)水，很容易產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，導致水管被燒壞，使用壽命較短。而汽化冷卻的循環(huán)水則是軟化水，不容易產(chǎn)生水垢，對延長爐底管壽命有很大幫助。

（4）提高被加熱鋼坯品質(zhì)。采用汽化冷卻的爐底支撐梁，其表面溫度比水冷時高，這樣能夠減輕坯料加熱時形成的黑印，改善鋼坯溫度的均勻性。

2.3汽化冷卻系統(tǒng)的組成及流程

汽化冷卻系統(tǒng)包括循環(huán)冷卻系統(tǒng)及除氧給水系統(tǒng)。

汽化冷卻介質(zhì)為軟水，廠區(qū)軟水站來的軟水送至爐區(qū)汽化冷卻系統(tǒng)軟水箱寅軟水泵寅除氧器寅給水泵寅汽包寅循環(huán)泵組寅循環(huán)水總管寅進水旋轉(zhuǎn)接頭組（固定梁分配聯(lián)箱）寅活動梁（固定梁）寅回水旋轉(zhuǎn)接頭組（固定梁回水聯(lián)箱）寅集中上升總管寅汽包寅蒸汽在汽包中分離送至廠內(nèi)蒸汽管網(wǎng)，水留在系統(tǒng)內(nèi)繼續(xù)參與循環(huán)。汽化冷卻系統(tǒng)流程圖見圖1。

圖1　汽化冷卻系統(tǒng)流程圖

2.4汽化冷卻系統(tǒng)的主要技術(shù)措施

（1）整個強制水循環(huán)系統(tǒng)的設計。其中包括熱水循環(huán)泵組揚程、流量及數(shù)量的選擇，泵的揚程要能克服整個水循環(huán)系統(tǒng)的阻力并有一定裕量，泵的流量須保證每個冷卻回路折合成流速時應大于臨界流速，一般中型步進加熱爐水梁的入口流速必須大于1.5 m/s，大型加熱爐水梁的入口流速必須大于2.0 m/s。

（2）加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)中步進裝置的設計。加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)一般設置2套步進裝置，每一套步進裝置由進水聯(lián)箱、三或四組旋轉(zhuǎn)接頭組、回水聯(lián)箱、導向和防震裝置等組成，系統(tǒng)管路通過步進裝置實現(xiàn)了與爐底水梁的同步運動。旋轉(zhuǎn)接頭組示意圖見圖2。

圖2　旋轉(zhuǎn)接頭組

（3）安全措施。汽化冷卻系統(tǒng)中循環(huán)泵組和給水泵組均設置了3臺水泵，其中電動泵2臺，柴油泵1臺，正常運行時電動泵工作，一用一備。當出現(xiàn)停電事故時，柴油泵啟動，確保水梁得到有效冷卻。旋轉(zhuǎn)接頭組相互備用的設置保證在一組旋轉(zhuǎn)接頭出現(xiàn)泄漏的狀況時，通過隔離閥將單組旋轉(zhuǎn)接頭隔離并在線更換，不需停爐處理。

3　汽化冷卻系統(tǒng)設計的基本思路

汽化冷卻系統(tǒng)的設計，一般按以下步驟進行：根據(jù)用戶要求確定汽化冷卻系統(tǒng)的額定蒸汽參數(shù)（蒸汽的壓力和溫度）；根據(jù)爐溫計算出爐底水管的熱強度，從而計算出爐底水管的熱負荷；根據(jù)爐底水管的熱負荷計算出各冷卻回路所需的水量及產(chǎn)生的蒸汽量，以確定汽包的大小（汽包的直徑和長度）和循環(huán)泵的流量。結(jié)合整個車間廠房的情況，確定汽包和泵站的位置；根據(jù)爐底水管的結(jié)構(gòu)及汽包的位置，對循環(huán)回路進行組合，并結(jié)合工程特點詳細布置管道，確定管道的走向、大小、附件等，利用管道數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)阻力確定循環(huán)水泵的揚程，必要時做適當?shù)恼{(diào)整；根據(jù)對水質(zhì)的要求，對輔助系統(tǒng)進行設計，包括除氧系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、排污系統(tǒng)及給水系統(tǒng)的設計。

4　汽化冷卻系統(tǒng)應用分析

經(jīng)過多年的實踐及技術(shù)上的逐漸成熟，汽化冷卻系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于步進梁式加熱爐的水梁冷卻。現(xiàn)以筆者所參與改造的天津鋼鐵集團有限公司中厚板150 t/h步進梁式加熱爐為例，介紹汽化冷卻在步進式加熱爐上的應用。

加熱爐的基本參數(shù)如表1所示。

爐底水管結(jié)構(gòu)為固定梁4個，管徑為椎114×20；活動梁4個，管徑為椎127×20。

表1　加熱爐基本參數(shù)

根據(jù)以上這些基本條件及參數(shù)，對加熱爐的水梁由水冷改成汽化冷卻方式進行設計。

加熱爐汽化冷卻采用強制循環(huán)方式，根據(jù)蒸汽管網(wǎng)壓力將汽化冷卻系統(tǒng)工作壓力定為1.2 MPa。對爐底水梁的總熱負荷進行計算，得出相應的蒸發(fā)量，作為后面設計的依據(jù)。爐底水管外都包有保溫材料，當保溫材料最大脫落10%，求得蒸發(fā)量最大值約為10 t/h。由此確定汽包尺寸為椎1 600，長度為8 m。根據(jù)廠房平面的總體布置，將汽包泵房設置在加熱爐側(cè)面。

汽包外形尺寸及安裝位置確定之后，根據(jù)工業(yè)爐專業(yè)資料結(jié)合步進式加熱爐的結(jié)構(gòu)特點，將循環(huán)系統(tǒng)分為8個冷卻回路，4根固定梁組成4個回路，4根活動梁組成4個回路。整個系統(tǒng)采用集中下降，集中上升的方式。系統(tǒng)中各冷卻回路的入口要求流速為2 m/s,系統(tǒng)計算循環(huán)阻力為0.35 MPa,為保障水梁安全運行并留有一定裕量，設計中將實際工作流速提高到3 m/s,揚程按0.5 MPa考慮，選定的熱水循環(huán)泵的參數(shù)為：流量450 m3/h,揚程55 mH2O。

由于固定梁和活動梁各冷卻回路的管路結(jié)構(gòu)特性不一致，在每個回路入口設置了流量測量裝置和手動調(diào)節(jié)閥，調(diào)整各回路的流量基本都維持在45 m3/h左右。運行中，當某一回路的循環(huán)水流量低于設定值時，控制系統(tǒng)發(fā)出報警，通過流量調(diào)節(jié)裝置，使該回路的流量調(diào)至正常。

加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)的最大產(chǎn)汽量為10 t/h，考慮系統(tǒng)的排污損失，除氧給水系統(tǒng)的最大出力按12 m3/h設計，為保證汽化冷卻系統(tǒng)的軟水水質(zhì)，還設置了取樣冷卻器和加藥裝置，可對水質(zhì)進行檢測和調(diào)整。

改造前，加熱爐整體水冷系統(tǒng)耗水量為900 m3/h。改造后，加熱爐水梁系統(tǒng)耗水量6.5 t/h左右，蒸汽產(chǎn)量5.5 t/h左右，其它水冷系統(tǒng)耗水量170 m3/h，大大降低了循環(huán)水用量，產(chǎn)生蒸汽還能回收利用，充分發(fā)揮了節(jié)能降耗作用。

5　結(jié)論

步進梁式加熱爐采用強制循環(huán)汽化冷卻在節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量方面均有重要作用，且該技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已成熟可靠，它將逐步取代步進梁式加熱爐工業(yè)水冷卻的方式。雖然步進梁式加熱爐循環(huán)汽化冷卻系統(tǒng)設計目前已經(jīng)較為成熟，但還需設計人員進一步優(yōu)化，變參照為精確計算，使整個系統(tǒng)在更加經(jīng)濟的條件下運行，使該項技術(shù)在節(jié)能減排方面發(fā)揮更重要的作用。

參考文獻

[1]加熱爐汽化冷卻裝置設計參考資料[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1980.

[2]楊智勇，范乃春，姚群.步進梁式加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)設計研究[J].冶金動力，2008（1）：57-58.等工藝的優(yōu)化，改善了Q345qDZ25鋼板的內(nèi)部質(zhì)量，提高了鋼板的超聲波探傷合格率。

（上接第60頁）

修回日期：2015-04-10

Design and Application ofEvaporative Cooling System ofW alking Beam Type Reheating FurnaceHUANG Zun-yun,LIU Jia-taoand CHEN Yang

(Medium and Heavy Plate Rolling Mill,Tianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China) Abstract In orderto realize costreduction and benefitincrease,evaporative cooling system wasapplied to the 150 t/h walking beam type reheating furnace ofMedium and Heavy Plate Rolling Mill,Tianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.Practicalapplication presented the system saved energy,prolonged the service life of cooled componentand achieved good economicbenefit.

Key wordsreheatingfurnace;evaporativecooling;energysaving;design;application

收稿日期：2015-03-15

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.016

作者簡介：黃遵運（1978—），男，河南商城人，本科，工程師，主要從事中厚板加熱爐、熱處理爐技術(shù)管理工作。