陽春新鋼鐵120 t 轉爐汽化煙道控制分析

聶金喜

（陽春新鋼鐵有限責任公司，廣東陽春 529600）

0 前言

轉爐汽化煙道是利用鍋爐無縫鋼管圍成的筒形結構來回收轉爐煙氣余熱，冷卻收集轉爐煙氣，其運行狀況與轉爐煉鋼工藝變化息息相關，在煉鋼廠占有十分重要的地位。汽化冷卻煙道運行，是冷卻循環水吸收轉爐煙氣中的熱量轉為蒸汽，降低煙道本體的整體溫度，保證系統的正常運行。而在實際的熱交換運行過程中，汽化系統運行控制由于各種原因，導致煙道受熱管經常出現橫向開裂的漏水現象，嚴重影響轉爐系統設備的可作業率，給生產帶來巨大的安全隱患。針對陽春新鋼鐵受熱管出現橫向開裂現象進行分析，首先對汽化冷卻煙道的工作原理進行闡述，綜合現場實際運行做出分析并制定預防措施。

1 汽化系統煙道運行現狀

陽春新鋼鐵120 t 頂底復吹轉爐余熱鍋爐系統汽化煙道采用自然循環（圖1），活動罩裙采用強制循環。固定段煙道運行處在鋼渣噴濺、煙氣磨損、高溫惡劣環境的條件下，自2010 年運行以來，使用周期僅為1 年半左右，并且在使用后期漏水事故率高，檢修勞動強度大，在安全運行上存在隱患，同時影響生產的穩定順行及產能提升。運行前期，余熱鍋爐檢修只需每半月4 h常規維護即可滿足生產需求，運行中期6000 爐左右，煙道密排管開始出現橫向開裂漏水，每周需組織2 次及以上檢修，嚴重影響生產計劃的正常編排，降低了轉爐設備運行開動率。汽化冷卻煙道受熱管橫裂紋的問題，自投產以來一直困擾著管理人員，是轉爐冶煉最顯著的問題。

1.1 汽化冷卻煙道的工作原理

利用蒸汽密度比水小的原理，冶煉過程中下降管中水的密度遠大于上升管中蒸汽的密度，兩者密度差形成了水循環條件，再利用汽包內水位質量推動工質流動，形成自然循環。汽化冷卻煙道的工作時間具有間歇性的特點，正常情況下，以轉爐每爐鋼水冶煉頻次36 min 為一個周期，其中有14 min 左右的吹氧時間，煙道熱交換只存在于這個吹氧過程當中。汽化冷卻煙道在吹煉過程的不同階段所受到的熱負荷變化大，在溫差較大的影響下，內部結構極易產生疲勞損壞，縮短其使用周期。

圖1 汽化煙道自然循環流程

1.2 汽化煙道運行現狀

陽春新鋼鐵余熱鍋爐系統，2016 年6 月至11 月進入中后期，因煙道漏點焊補，轉爐檢修時間共計：649.5 h，相當于單爐檢修27 天，嚴重降低了轉爐設備運行開動率。2017 年以前使用周期僅為1 年半左右，在使用中期熱交換爐數6000～8000爐煙道受熱管開始出現橫向裂紋漏水、漏汽，影響生產的穩定順行及產能提升（圖2）。2017 年我廠組織對此分析攻關，煙道運行13 000 爐以上未見開裂漏水，金相分析受熱管正常，各金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化級別為3 級，晶粒度為7.5 級，未出現晶粒長大和晶粒拉伸變形現象，未發現明顯的脫碳層。橫斷面內壁金相組織為正常的鐵素體+珠光體，裂紋以穿晶型裂紋為主。

圖2 受熱管橫向裂紋

2 汽化冷卻煙道出現漏水、漏汽的原因分析

2.1 受熱管裂口特征

裂口為橫向穿透性裂紋，裂口長度差異大，大部分均在10～35 mm。裂源起源于受熱管外壁，向內壁擴展直至穿透。壁厚檢測結果顯示管壁厚度為5.1 mm，未出現減薄，裂口位置未出現明顯脹粗、減薄。對裂紋清理干凈后，用發絲大鐵線測得裂紋深度大部分在0.5～1 mm。

2.2 煙道工況周期性變化及冷卻管內外壁溫差大

轉爐煙道由于運行工況周期性急劇變化，工作條件惡劣，使用壽命普遍很短，主要是因為轉爐冶煉工藝操作具有周期性，同時轉爐煙氣溫度高，爐口煙氣溫度可達1500 ℃以上，最低在50 ℃左右。當冶煉時，煙氣把煙道管內側溫度升高到700 ℃左右，而管外側只有180 ℃左右，內壁的膨脹量遠大于外壁的膨脹量，如果是一根自由狀態的管道，必然會向外彎曲。由于煙道管被固定圈固定，無法向外彎曲，于是冷卻管外側被內側的膨脹力拉長。雖然觀測上是同步增長，但實際上內壁是膨脹增長，外壁是被機械力拉長；內壁在溫度降低時，汽化煙道會自然收縮回原狀態，而外壁則不能恢復，此時內壁又被外壁不可恢復的長度拉長了。這種熱負荷頻繁急劇變化引起煙道的熱應力因素，導致煙道內受熱管使用后期經常出現橫向裂紋，直至破裂發生蒸汽泄漏。

2.3 工藝操作控制不規范

（1）尾段煙道出口溫度。根據尾段煙道出口溫度統計分析（圖3），前期凈化回收系統控制未規范及轉爐冶煉出鋼溫度高，導致煙道熱負荷增加，受熱面與非受熱面溫差增大，末端煙道出口最高溫度達1100 ℃以上，超設計要求，循環倍率降低。

圖3 末端煙道出口溫度對比

（2）除氧水箱溫度控制不穩定。除氧水箱主要是對余熱鍋爐的補水進行加熱除氧，降低煙道受熱管的氧腐蝕，降低汽包水溫波動，提高冷卻效果。根據水的物性參數可知，100 ℃以上飽和水的比熱容及導熱性高于常溫水，煙道補水溫度低影響受熱管的熱交換能力及冷卻效果。1 kg 水每升高1 ℃，所吸收的熱量僅為4.2 kJ；而100 ℃等量的水變為100 ℃的蒸汽，汽化過程吸收的熱量約為2253 kJ/kg，為前者的500 多倍，因此保證除氧水箱溫度可提高汽化冷卻的冷卻效率。2015 年除氧水箱溫度控制合格率（102～104 ℃）平均每月僅為66%，月合格率最高71%，最低50%。

（3）汽包水位控制。自然循環原理：冶煉過程中下降管中水的密度大于上升管中蒸汽的密度，兩者密度差形成了水循環條件，再利用汽包內水位質量推動工質流動，形成自然循環。所以汽包水位控制不合理即影響冷卻循環，還影響汽包飽和蒸汽儲汽空間的合理分配。陽春新鋼鐵前期汽包水位控制波動大，冶煉過程中最高水達+550 mm 以上，最低水位達-470 mm 以下。

（4）爐口微壓差控制。目前陽春新鋼鐵未投爐口微差壓控制裝置，爐口負壓大，二次燃燒嚴重，煙道熱負荷增加。冶煉過程中爐口煙氣CO 濃度平均50%左右，負壓大導致罩內燃燒1 m3轉爐煤氣可增加6676 kJ 的熱量。

綜上所述，爐口段煙道受熱管開裂主要是熱疲勞應力開裂。

3 關于汽化冷卻煙道漏水現象的合理化建議

3.1 系統提升改善外委條件

①合理安排汽化系統檢修，減少汽化冷卻煙道泄水次數，降低因復產時自然循環啟動緩慢對煙道造成的損傷，檢修導致煙道保溫層的破損做到及時性恢復；②對汽化冷卻煙道中水循環過程中的水質進行嚴格檢驗，提高水質的評判標準，定期取樣化驗的管理機制，改善排污方式，生產期間，正常執行排污制度；③做好生產主線系統溫降攻關工作，規范轉爐冶煉工藝操作減少噴濺，杜絕用氧氣吹掃沾結在煙道內部的“假罩”，降低汽化冷卻煙道熱負荷。

3.2 優化爐口微差壓的控制（表1）

表1 工藝控制參數對照表

根據表1、圖3，對汽化冷卻煙道內負壓的有效控制，是避免煙道發生漏水的重要手段。當轉爐處在吹煉階段的時候，轉爐爐口微差壓按±10 Pa 控制，若無檢測裝置可根據爐口火焰情況采用微正壓控制。陽春新鋼鐵目前主要綜合煙道出口溫度、單爐產汽量、煤氣熱值控制煙道內負壓，保證爐口微正壓，杜絕罩內的二次燃燒。綜合轉爐冶煉熱平衡情況及飽和蒸汽產汽情況，核算煙道的熱交換能力，視情調整RD 閥角度。

3.3 汽化冷卻煙道溫差控制

主要是降低煙道受熱面與非受熱面的溫差，杜絕煙道的急冷急熱。除了及時恢復煙道保溫層，可從工藝控制角度進行調整。陽春新鋼鐵采用一次風機轉速及RD 閥與轉爐冶煉工藝連鎖，當出鋼等未吹氧冶煉過程中風機轉速降低，RD 閥角度轉換至低角度控制，防止大量抽風使煙道溫度急劇降低。汽化系統檢修完成后，從熱力發電站反送蒸汽對煙道及用水加熱、預熱。

4 結語

經與同行業交流，汽化冷卻煙道出現橫向裂紋漏水是極其普遍的現象，只要根據設備的實際使用情況，實時規范調整工藝，控制好煙道的末端出口煙氣溫度及內部壓力，降低煙道熱負荷，保證煙道用水質量，就可以有效遏制漏水現象的發生，提高設備整體的工作效能。