青鋼2號高爐氣密箱冷卻水系統優化改進實踐

趙 強，薛 君，張宏星，潘積國

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島266409）

青鋼2號高爐氣密箱冷卻水系統優化改進實踐

趙 強，薛 君，張宏星，潘積國

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島266409）

青特鋼2號高爐氣密箱水冷管路系統采用開路冷卻方式，在系統調試過程中，發生斷流、擊穿水封甚至往爐內溢水的現象。經過優化改進系統管路布置、增加連通管、設置排氣裝置等措施，沒有再發生斷流現象，高爐冷卻水系統運行穩定，爐頂設備整體運行效果良好。

高爐；爐頂設備；氣密箱；冷卻水系統；管路

1 前言

青島特鋼2號高爐于2016年10月12日正式開爐投產，有效容積為1800m3。高爐設2個出鐵口，26個風口，年產生鐵161萬t。2號高爐以“高效、低耗、優質、長壽、環保”為設計理念，總體工藝裝備水平達到國內同類型高爐的先進水平。其中，爐頂無料鐘裝料系統采用首鋼國際型串罐式，氣密箱作為該系統最關鍵的設備，采用開路冷卻形式。在高爐調試過程中發現氣密箱冷卻系統存在斷流、溢水等問題，為此，對氣密箱冷卻系統進行優化改進。

2 氣密箱冷卻水系統設計

2.1 爐頂設備

爐頂設備結構主要分為7個部分：固定受料罐、上料閘、上密封閥、稱量罐（包括電子稱）、聯體閥（包括料流調節閥和下密封閥）、波紋管、布料裝置（包括氣密箱和布料溜槽），見圖1。主要有5個配套系統：液壓系統、干油潤滑系統、均壓放散系統、水冷氣密齒輪箱冷卻系統、上密封閥蒸汽加熱系統。

圖1 爐頂裝料設備組成

2.2 氣密箱的使用要求

氣密箱是無料鐘爐頂裝料設備的最關鍵設備，也是高爐生產關鍵設備之一，位于高爐爐頂裝料設備最下部，直接面對高爐頂部。受爐內高溫煤氣流影響，工作環境惡劣，正常情況下爐頂煤氣溫度約150～250℃，異常時短時間內可能達到600℃。為了保護氣密箱并使其正常工作，要求保證氣密箱內的溫度在70℃以下，為此設置了氣密箱氮氣密封和水冷卻系統。早期的氣密箱全采用氮氣密封和冷卻，氮氣消耗量大，同時氮氣進入高爐會使高爐煤氣貧化，降低煤氣發熱值。有些高爐采用高爐煤氣加壓作為氣密箱的冷卻和密封介質，從而消除煤氣貧化現象[1]。近年來，發展了水冷氣密箱，氣密箱主要用水來冷卻，氮氣僅作為氣封使用。

2.3 冷卻水系統設計

氣密箱冷卻水系統主要有密閉循環冷卻和開路冷卻兩種[2]。前者采用軟水冷卻，設置獨立的密閉循環系統，系統復雜，維護量大，運行費用高，一些進口型布料器水冷系統采用這種形式，如圖2所示[3]。2號高爐氣密箱采用開路冷卻方式，其使用介質為工業水，水質易控制，系統結構簡單，維護量小，運行費用低，其缺點是容易因爐頂壓力波動或操作不當造成系統擊穿或漏水。2號高爐氣密箱冷卻水系統設計進水溫度約35℃，冷卻后回水溫度約40℃；正常水量為5～15m3/h。供水源來自高爐本體工業凈環水系統，供水壓力為0.68 MPa，經減壓后供水壓力為0.4～0.5 MPa。其系統流程見圖3。

圖2 進口型布料器水冷系統工作原理示意圖

圖3 2號高爐氣密箱冷卻水系統流程

2.4 氣密箱水冷卻系統調試

2016年6月16日高爐進行試壓檢漏，試壓爐頂壓力達到150 kPa，在此過程中，爐頂氣密箱進行了3次通水試驗調試。

第1次通水試驗。高爐升壓前，冷卻水系統供水流量共12.4m3/h（主管路8.4m3/h，備用管路4m3/h），供水壓力0.3 MPa（表壓），經過減壓閥后為0.15 MPa，此時，系統運行正常穩定。當爐內頂壓升壓達到100 kPa左右時，供水量降至7m3/h以下，供水壓力上升至0.2 MPa左右。一段時間后，排水管出口突然斷水，緊接著又急速排出一柱水，然后又斷水，大約20 s時間不見出水，為了防止向爐內大量漏水，現場立刻切斷了供水。經過初步分析，原因是供水壓力不足而導致系統波動較大，造成斷水。供水閥組至氣密箱進口高差9.2m，加上供水管路阻損0～2m（與流量有關）和爐內壓力0.1 MPa，供水壓力0.15 MPa顯然不足，設計要求經減壓后供水壓力達到0.4～0.5 MPa。由于試驗時高爐本體工業凈環水泵未全部投入使用，出口壓力未升至設計值1.0 MPa，使得氣密箱供水壓力不足，因此決定提高供水壓力。

第2次通水試驗。初始供水流量共12.1m3/h（主管路4.1m3/h，備用管路8m3/h），供水壓力0.3 MPa（供水泵與1號高爐系統共用，供水受限），經過減壓閥后壓力為0.28 MPa。當爐內頂壓升壓達到100 kPa左右時，供水量降至8.9m3/h，此時排水出口水流發生變化，時斷時續，最后一段時間不見出水，現場立即停水。高爐泄壓后，打開爐頂人孔觀察爐內情況，發現氣密箱有從中心喉管處爐內漏水的痕跡，少量水順溜槽打到了爐墻上，十字測溫裝置上部有明顯水痕，并有少量存水，判斷為氣密箱水槽少量溢水。分析認為可能是剛開始時供水量過大所致，初始供水量最好＜5m3/h，待升壓穩定后再逐步加大水量。

第3次通水試驗。本次試驗主要目的一是試驗水冷系統最大供水能力，二是排查溢水的原因。在爐內無壓狀態下，對主管路和備用管路分別進行試驗。主管路減壓閥前供水壓力0.4 MPa，閥后0.15 MPa，最大水量11m3/h；備用管路減壓閥前供水壓力0.4 MPa，閥后0.25 MPa，最大水量15m3/h（實際還可以通更大水量）。為滿足閥后供水壓力要求，對主管路減壓閥進行了調節。然后備用管路保持關閉狀態，主管路通水5m3/h，減壓閥后供水壓力0.3 MPa。爐內逐步升壓至100 kPa，系統沒有斷水；加大供水量至6.9m3/h，系統運行正常；爐內再逐步升壓至145 kPa，水量降至5.4m3/h，水流開始波動，并出現斷流現象1～3 s；加大水量至10.9m3/h，出現斷流超過1min，之后水封被擊穿，爐頂排氣管噴出水汽，停止試驗。但本次打開人孔觀察后，沒有發現往爐內溢水情況。

經過排查現場管路和閥門情況，發現現場施工時對部分排水管道路進行了調整。在關鍵高度位置，水平管道過長，當爐內壓力波動時，水位隨之產生波動，造成水流時斷時續甚至斷流。因此，需要重新調整管路布置并優化排水管路系統設計。

3 冷卻水系統優化及改進

3.1 管路排氣裝置設計

根據現場試驗調試結果情況，在下水管與氣密箱之間增加1根聯通管，并設置了排氣裝置。其作用一是為了確保氣密箱4根DN80冷卻水出水管排水順暢；二是考慮到U型水封下水管壓力穩定，起到均勻作用；三是解決管內排氣問題，使下水管內氣體直接回流至氣密箱，不與出水口水流形成逆流之勢。

3.2 排水管路改進

排水管路修改是本次冷卻水系統改進的關鍵措施。通過計算并結合現場情況，優化了管路設計以及重新布置了管路，如圖4所示。

圖4 管路修改前后情況示意圖

1）把U型水封下水管由DN100改為DN150，保證管內氣體回流順暢，并且下水管直徑大于上水管直徑，可起到一定緩沖作用，能更好地適應管內壓力波動。

2）將水平管段由+31.850m改至+37.850m平臺上，同時把+10.600m平臺下未按圖施工的水平管段改為斜管段，大大減少了補充水體積，降低了出水口水流時斷時續以及斷流現象的發生。

3）增加了水封高度約3m，由+31.850m抬高至+34.800m，出水口由+23.450m平臺排水斗改為排至+32.850m平臺排水斗，減小了虹吸效應，同時增加水封高度有利于降低水封被擊穿的可能性。

4）在排水管上水管段增加1套電磁流量計，用于監測回水流量情況，以便將來生產中隨時檢查氣密箱是否往爐內溢水。

4 設備運行情況

管路優化改進后，系統重新調試，水量加大到15m3/h，再沒有發生斷流現象，保證了高爐順利投產。2號高爐投產近半年以來，氣密箱冷卻系統運行穩定，效果良好，從未發生爐頂氣密箱內溫度高影響裝料的問題。目前高爐運行頂壓174 kPa；頂溫150～170℃，最大約200℃；冷卻水供、回水流量12.9m3/h，控制在10m3/h以上，供、回水量一致，波動小；供水壓力0.5 MPa，減壓閥后壓力0.34 MPa；供水溫度27.4℃，回水溫度37.1℃，溫差達到近10℃；氣密箱使用氮氣量840～900m3/h；氣密箱內溫度24.3℃。

5 結語

無料鐘爐頂裝料設備是高爐生產關鍵設備之一，其氣密箱使用壽命長短取決于潤滑、密封、冷卻系統效果好壞。氣密箱采用開路水冷卻方式容易發生斷流、水封擊穿和溢水問題，設計和施工時需要考慮管路排氣和水封管路布置合理性。冷卻水系統建議設置供、回水流量計，并在高爐中控室進行實時監測，以便發現斷流或往爐內溢水的情況并及時采取措施。青鋼2號高爐爐頂設備水冷系統的優化改進取得較好運行效果，同時在系統調試和管路優化改進過程中，操作人員提高了對該冷卻系統的認識，掌握了調節方法，為今后系統穩定運行提供了保障。當爐頂設備運行穩定，氣密箱溫度較低時，可適當減少氮氣量和冷卻水量，以節約運行成本。

[1]朱來寶.3號高爐氣密箱水冷系統的設計及應用[J].梅鋼科技，1996（4）：43-45.

[2]周龍義.高爐無料鐘爐頂齒輪箱水冷技術新進展[C]//中國金屬學會.2012年全國煉鐵生產技術會議暨煉鐵學術年會文集（下）.北京：2012：521-524.

[3]蔣鋒.PW無料鐘爐頂設備的消化吸收及使用維護 [J].煉鐵，1999，18（Z）：70-74.

TF085

B

1004-4620（2017）04-0067-03

2017-05-16

趙強，男，1981年生，2004年畢業于青島科技大學機械工程及其自動化專業。現為青島特殊鋼鐵有限公司工程師，從事設備管理工作。