攀鋼方坯連鑄LF爐蓋結構優化與應用

梁 強

(攀鋼提釩煉鋼廠,四川攀枝花617062)

攀鋼方坯連鑄LF爐蓋結構優化與應用

梁 強

(攀鋼提釩煉鋼廠,四川攀枝花617062)

分析了方坯連鑄機LF爐水冷爐蓋漏水的主要原因,通過取消內爐蓋等結構優化措施,提高水冷爐蓋冷卻水管道的使用壽命,進而延長爐蓋的大修周期,降低了爐蓋在線漏水頻率,提高了設備對生產的保障能力。

LF爐;水冷爐蓋;結構;優化

1 引言

水冷爐蓋是精煉系統中重要設備之一,主要用于收集LF爐冶煉過程中產生的煙塵并通過通風除塵系統抽走后凈化除塵,以保護環境,同時使大氣與鋼水的接觸減到最小,保持爐內最佳還原氣氛。

水冷爐蓋由爐蓋上罩、爐蓋下罩、水冷吸煙管道、合金加料門、測溫取樣門、觀察操作門、行程開關、氣控系統及配管等組成。水冷爐蓋采用全水冷管式環形密排結構,用無縫鋼管和特制彎頭組焊而成,形成均流無死點的高效水冷強制循環,水冷爐蓋鋼管材質為20g。

該設備的正常投運與否直接影響到設備安全運行和鑄機的生產順行。

2 結構優化前存在的問題

方坯連鑄機LF爐水冷爐蓋結構優化前在使用過程中存在的最大問題是水冷管道損壞導致爐蓋大修周期過短和水冷管道頻繁漏水嚴重影響了方坯鑄機的生產順行及安全生產。

在結構優化前,該LF爐使用6個月左右的爐蓋就需下線大修,更換所有的金屬軟管和部分龜裂、穿孔的水冷管道。在大修周期內,爐蓋水冷管道漏水頻繁。從現場統計結果看,結構優化前的爐蓋漏水平均每周一次,頻率最高達到了單臺LF爐每周2-3次。水冷管道因龜裂、焊縫裂紋、穿孔等原因一旦漏水嚴重,出現水柱噴淋電極或冷卻水漏入鋼水罐等現象時,因存在重大的安全隱患,LF系統必須停機處理水冷爐蓋漏點。每次處理爐蓋漏水的時間需要3h～4h,嚴重影響了鑄機的生產順行。

3 原因分析

經現場統計,爐蓋漏水主要集中在內爐蓋下方離鋼水液面最近的水冷管道。漏水原因主要是該處管道龜裂以及焊縫裂紋形成的滲水和漏水,另有小部分為電弧擊傷穿孔導致漏水。該處爐蓋冷卻水管工作負荷主要為鋼液熱輻射、加熱弧區熱輻射、加熱時鋼渣飛濺。水冷爐蓋工作負荷示意圖見圖1。

LF爐主要熱源是電極下的電弧放熱和鋼液熱輻射,此兩種熱源也為水冷爐蓋主要承受的熱負荷。電弧及鋼水距爐蓋內襯距離是影響熱負荷大小的主要因素之一。在LF爐加熱過程中,弧區溫度在3 000℃以上,鋼水液面溫度達1 600℃左右,內爐蓋下方的水冷管道離鋼水液面在450mm左右,水冷管道受熱輻射的強度較大。在溫差應力的作用下,向熱面管壁易皸裂。

在LF爐加熱過程中,飛濺的鋼渣對該處水冷管道外壁的沖刷也最嚴重,導致該處水冷管道管壁因磨損損壞而漏水。飛濺的鋼渣為水冷爐蓋另一主要的工作負荷。

圖1 水冷爐蓋工作負荷示意圖

4 結構優化措施

通過對該LF爐爐蓋的漏水成因分析,要控制爐蓋水冷管道漏水,提高爐蓋冷卻水管道的使用壽命,進而延長爐蓋的在線使用時間,延長爐蓋大修周期,可以通過以下方法實現。

(1)對向熱面的水冷管道進行遮蔽保護。

(2)通過提高水冷爐蓋極限。

(3)優化爐蓋結構的方法,讓爐蓋下緣遠離鋼液面,減小熱輻射及鋼渣沖刷對冷卻水管道的影響。

對向熱面的水冷管道進行遮蔽保護,主要措施是在爐蓋內壁澆鑄高鋁耐材的耐熱防護層。但這種方式存在防護層易脫落、防護成本高的缺點。

采用提高水冷爐蓋極限,讓爐蓋下緣遠離鋼液面的方法,勢必增大外爐蓋與鋼水罐外沿的間隙。帶來的負面效應有三點:

(1)是煙氣外泄,除塵效果會變差,對環境的影響是負面的。

(2)是增加空氣的進入量,改變爐內的還原氣氛,對鋼種品質的保證不利,會增加相應合金的消耗。

(3)是增大鋼包在等待時鋼液的溫降,會增加相應的加熱電力消耗。

基于以上考慮,只有采用通過改進內爐蓋的結構的方法,來增大內爐蓋與鋼水液面的間距,減小熱輻射及鋼渣沖刷對爐蓋冷卻水管道的影響。

4.1 爐蓋結構優化措施

改變爐蓋結構的目的是要增大內爐蓋冷卻水管與鋼水液面間的距離,即增加爐蓋內部的凈空,減輕熱輻射和鋼渣沖刷對水冷管道的損害,避免電弧對水冷管道的損傷。同時,新結構的設計必須保證水冷爐蓋吸風管道暢通,方便吸風口積渣的清理,在吸風口上方開人孔,減少清渣需要的時間。

該LF爐水冷爐蓋結構優化主要體現在以下兩個方面:

(1)將水冷爐蓋內爐蓋取消,剩余的水冷管道距鋼水液面的距離增大。結構優化后,爐蓋內側水冷管道距鋼液面的垂直距離最小處約為1 250mm(鋼水罐凈空高度為300mm),較改造前提高了800 mm。由于距離的增加,冷卻水管道受熱輻射和鋼渣沖刷的影響減小,劣化程度減輕。結構優化后的爐蓋主要分為爐蓋上部和爐蓋下部兩個可以獨立的部分。

(2)將吸風口上方插板前面的水管割除,制作一塊500mm×600mm,厚度為30mm的活動蓋板封堵,當吸風口集渣嚴重時,將活動蓋板吊開即可,既不影響生產,又降低了勞動強度。水冷爐蓋結構優化前后對比如圖2-圖9。

圖2 水冷爐蓋結構優化前剖視圖

圖3 水冷爐蓋結構優化前三維剖視圖

4.2 爐蓋結構優化后冷卻水用量計算

因結構優化后,水冷爐蓋的受熱面積發生變化,需計算爐蓋所需的冷卻水量,核定現有冷卻水水系統能否滿足結構優化改造后的水冷爐蓋。

冷卻水用量計算,由公式[2]:

Q=ε×K×q×F/c/(T2-T1)

式中:Q為冷卻水用量,kg/h;ε為材料輻射黑度,鋼管取0.8;q為水冷爐蓋吸熱度,中型精煉爐取(33.44∽37.62)×104kJ/m2h; F為水冷爐蓋吸熱面積,改造后水冷爐蓋的吸熱面積為32.44 m2;c為比熱容,水的比熱容為4.2kJ/kg℃;T1為冷卻水進水溫度,取35℃;T2為冷卻水出水溫度,取55℃;K為安全系數,取1.5。

將各參數代入公式得Q=154 970 kg/h,取Q=160t/h。

圖4 水冷爐蓋改造后剖視圖

圖5 水冷爐蓋改造后三維剖視圖

圖6 吸風口改造前俯視圖

圖7 吸風口改造后俯視圖

圖8 水冷爐蓋改造前水冷原理圖

現有冷卻水水系統能滿足結構優化改造后的水冷爐蓋冷卻水用量,因結構優化后的爐蓋冷卻水總量不變,進水總管的直徑也無需改變。

4.3 爐蓋結構優化后受力分析

(1)爐蓋內部受力分析

水冷爐蓋各部分無縫鋼管和特制彎頭用E4315焊條連續致密組焊而成,與結構改造前采用同樣的方法和標準,故水冷爐蓋各部分單體的結構強度滿足生產要求。

(2)爐蓋各部分之間

改造后爐蓋分上爐蓋和下爐蓋兩個獨立的部分,上爐蓋結構保持不變,其安裝位置和安裝方式也不變,如圖10所示。

圖9 水冷爐蓋改造后水冷原理圖

圖10 三孔板、爐蓋上部、爐蓋下部安裝示意圖

爐蓋上部水平面鋼管承受爐蓋上部和三孔板的重量,由于爐蓋上部和三孔板自重不變,爐蓋下部結構強度未變,因此爐蓋各部分之間受力滿足需求。

(3)爐蓋吊掛受力分析

爐蓋整體的安裝是通過兩兩對稱的四個吊點,用吊掛與升降機構相連。吊掛所承受的負荷取決于爐蓋的自重。改造后的爐蓋因取消內爐蓋,自重較改造前減輕,故吊掛的負荷變小,同時吊掛本身未做改變,故吊掛能滿足爐蓋改造后的需求。

5 結構優化后爐蓋試用效果

結構優化后的爐蓋先后在2#方坯連鑄機LF爐和1#方坯連鑄機LF爐上線試用。試用發現,結構優化后的爐蓋在線使用漏水頻率大幅度降低,大修周期明顯延長,并且結構優化后的爐蓋采購成本較結構優化前爐蓋降低。改造后水冷爐蓋工作負荷示意圖見圖11。

圖11 結構優化后水冷爐蓋工作負荷示意圖

5.1 漏水頻率統計

1#方坯連鑄機LF爐結構優化爐蓋2011年11月15日上線,2012年9月14日下線,在線使用時間10個月。2#方坯連鑄機LF爐結構優化爐蓋2011年3月24日上線,仍在用,在線使用時間已達20個月。在線使用期間,爐蓋漏水情況統計見表1及表2。

表1 一號方坯連鑄機LF爐爐蓋漏水情況統計

表2 二號方坯連鑄機LF爐爐蓋漏水情況統計

從上表中看出,1#方坯連鑄機LF爐爐蓋結構優化的爐蓋漏水率0.8次/月,2#方坯連鑄機LLF爐爐蓋結構優化的爐蓋漏水率0.35次/月,較結構優化前水冷爐蓋漏水率大幅度降低。

圖12 結構優化前后月平均漏水次數對比柱狀圖

5.2 大修周期

2#方坯連鑄機LF爐水冷爐蓋仍在線使用,在線時間20個月。1#方坯連鑄機LF爐水冷爐蓋于2012年9月14日下線大修,在線使用時間10個月。考慮作業率因素影響,結構優化后的爐蓋大修周期以1#方坯數據為依據,大修周期可定為12個月,較結構優化前的爐蓋可延長6個月。

5.3 采購成本

結構優化后的水冷爐蓋因取消內爐蓋,簡化了制作工藝,降低了材料消耗,故在采購費用上較結構優化前的的爐蓋大幅度降低。原結構爐蓋新制備件成本99萬元,新結構爐蓋成本42.5萬元,單臺爐蓋費用降低56.5萬元。

圖13 結構優化前后大修周期對比柱狀圖

圖14 結構優化前后爐蓋采購費用對比柱狀圖

6 結語

結構優化后的爐蓋因增大了水冷管道距電弧和鋼水液面的距離,受熱輻射和鋼渣沖刷的影響減小,達到了減少爐蓋在線漏水次數,延長了爐蓋大修周期的目的。同時,因爐蓋結構的優化,生成爐蓋的材料消耗減少,降低了爐蓋的采購成本。通過對方坯連鑄機LF爐水冷爐蓋結構的優化,取得了較好的經濟效益。

[1] 張 鑒.爐外精煉的理論與實踐[M].北京:冶金工業出版社,1993.

[2] 譚牧田.氧氣轉爐煉鋼設備[M].北京:機械工業出版社,1983.

PZH Steel Billet Continuous Casting LF Furnace Cover Structure Optimization and Application

LIANG Qiang
(PZH steel mention of vanadium steel mills,Panzhihua 617062,Sichuan,China)

This article analyses the billet continuous casting in Panzhihua LF the main cause of water cooling furnace cover is leaking,by removing the furnace cover structure optimization measures,such as improving the service life of water cooling furnace cover cooling water pipes,and then extend the overhaul period of furnace cover,reduces the online leak frequency furnace cover,improve the support capability of production equipment.

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TF148

:B

1001-5108(2015)03-0077-06

梁強,助理工程師,主要從事煉鋼轉爐的設備管理工作。