XZ-IV齒輪箱水冷系統的設計

楊立江 惠展 王崗

(中鋼集團西安重機有限公司 陜西西安 710201)

1 前言

目前國內制造水冷傳動齒輪箱廠家較多，因各家水冷傳動齒輪箱結構原理不同，水冷系統原理也各不相同。但基本有兩種原理：一種為“閉式帶壓水冷系統”；另一種為“開式水冷系統”。“閉式帶壓水冷系統”是齒輪箱外部水冷系統與齒輪箱內部水冷管直接相連，整個水冷系統在帶壓的狀態下工作。“開式水冷系統”是齒輪箱外部水冷系統與齒輪箱內部水冷板沒有直接相連，冷卻水通過外部系統進入上水槽，水流因重力從齒輪箱中的上水槽經冷卻蛇形管流到下水槽中，然后排到箱外水冷系統，或冷卻水直接通過噴淋的方式進入下水槽中，然后排到箱外水冷系統。相比較，“閉式水冷系統”具有冷卻水流量大、冷卻效果好、維護方便、運行成本低的特點。

XZ-IV齒輪箱水冷系統采用閉式水冷系統原理，適合750～1800m3高爐工藝要求。

2 水冷系統的目的

水冷系統作用是通過熱交換原理降低水冷傳動齒輪箱內部的溫度，使水冷傳動齒輪箱在正常的溫度下工作。水冷傳動齒輪箱安裝在爐頂法蘭上，爐頂法蘭焊接在煉鐵高爐最上部的爐喉錐段，即水冷齒輪箱位于高爐爐頂裝料設備的最下部，直接受高爐爐溫的高熱影響，正常情況下爐頂溫度約150～250℃，事故狀態下達600℃甚至更高。

為了保護水冷傳動齒輪箱并使其正常工作，在水冷傳動齒輪箱內部布置有水冷板，水冷板內盤有蛇形管，水冷齒輪箱外部水冷系統與水冷板聯接，循環的冷卻水從管內流過，通過熱交換原理降低水冷傳動齒輪箱內部的溫度，以保證水冷齒輪箱內部的溫度在允許范圍55℃以下工作。

3 水冷系統的組成

XZ-IV齒輪箱水冷系統如圖1所示，由水冷傳動齒輪箱外部進水系統和水冷傳動齒輪箱內部水冷系統組成。XZ-IV齒輪箱水冷系統的水從進水管經過過濾器到水冷傳動齒輪箱內部，然后水流再經過水冷傳動齒輪箱的蛇形管到回水管路，整個過程為閉式、帶壓操作。

圖1 齒輪箱外部進水和回水系統原理

圖2 齒輪箱外部進水和回水系統的元件

3.1 水冷傳動齒輪箱外部水冷系統

XZ-IV齒輪箱如圖1所示，由進水和回水系統原理組成。由熱電阻1.1～1.6、雙金屬溫度計2.1～2.4、壓力表3.1～3.4、蝶閥4.1～4.8、止回閥5.1～5.3、過濾器6.1和6.2、帶限位開關的手動球閥7.1～7.2、流量變送器8.1、手動流量控制閥9.1、流量孔板10.1～10.4、排氣閥11.1及管道組成。

3.1.1 進水系統

齒輪箱外部進水系統如圖1所示，冷卻水通過DN50的主水管，經過止回閥、蝶閥、過濾器、熱電阻、雙金屬溫度計、壓力表后分別流進兩個DN32的水管然后進入水冷傳動齒輪箱。一根DN32的水管接到水冷傳動齒輪箱下部；另一根DN32的水管接到水冷傳動齒輪箱上部。

在水冷系統進水管路上安裝兩個手動過濾器6.1和6.2(一用一備)以防止顆粒堵塞管道。過濾器采用手搖刷式排污過濾器，檢修時搖動過濾筒蓋上手柄，使不銹鋼刷對過濾器網上的雜質顆粒進行刷除清洗，并由排污網排出，刷洗過程中水流不能中斷。手搖刷式排污過濾器是在全自動清洗過濾器的基礎上簡化而成的，其特點是結構簡單、操作可靠。

緊急冷卻：在DN50主水管上有一根DN15管子和接到水冷傳動齒輪箱底部的DN25的氮氣管連接，由止回閥5.2、流量孔板10.1、帶限位開關的手動球閥7.1組成。緊急冷卻為水冷傳動齒輪箱溫度過高時DN15管子向水冷傳動齒輪箱底部噴水，通過手動完成緊急冷卻，正常情況下處于關閉狀態。

3.1.2 回水系統

齒輪箱外部回水系統如圖1所示，齒輪箱上部和下部冷卻水經過齒輪箱DN20出水口后，分別通過DN32的回水管連接到一根DN50回水總管上。該回路由止蝶閥、流量變送器、手動流量控制閥、排氣閥、熱電阻、雙金屬溫度計、壓力表組成。

在底部DN32回水管路上安裝了一個流量孔板10.4，以補償水平冷卻管路與垂直冷卻管路之間由于管子長度不同造成的壓差。

兩根DN32的回水管子連接到一根DN50的總管上。在DN50的總管上安裝了流量變送器8.1及手動流量調節閥9.1，用來調節控制流量。當流量降低20%時，冷卻效果降低，發出報警信號。

3.2 水冷傳動齒輪箱內部水冷系統

XZ-IV齒輪箱內部水冷結構如圖3所示。水冷管固定在水冷傳動齒輪箱的箱體上，水冷管之間填充導熱澆注料便于熱量傳遞，水冷管外部安裝隔熱澆注料，阻擋熱量傳遞到水冷管。水冷傳動齒輪箱上部中心部分有3根垂直布置的蛇形管，底部有4根水平布置的蛇形管，冷卻水通過齒輪箱外部進水水冷系統分別進入上部垂直蛇形管的3個進水口和底部冷卻4個進水口，通過熱交換后冷卻水從上部垂直蛇形管的3個出水口和底部冷卻4個出水口進入齒輪箱外部回水水冷系統，達到冷卻齒輪箱內部溫度的作用。

3.3 補水系統

XZ-IV齒輪箱水冷系統采用閉式循環冷卻，回水管路最終流向回水槽，自然冷卻或通過循環冷卻系統冷卻后再進入水冷系統，補充水系統用來補充水系統中的自然損失、泄露損失。補水系統采用工業軟水，水質與整個水冷系統要求一致。

圖3 齒輪箱內部水冷結構1-上部進出水接口;2-垂直冷卻管路;3-下部進出水接口;4-水平冷卻管路;5-底部密封氮氣口

4 水冷系統的控制

如圖1所示XZ-IV齒輪箱水冷系統中安裝有溫度計、熱電阻用來檢測水冷系統是否正常，水冷系統中共安裝6個鉑電阻溫度計、4個雙金屬溫度計。鉑電阻溫度計和雙金屬溫度計檢測位置如表1、表2。

表1 鉑電阻溫度計

表2 雙金屬溫度計

4.1 熱電阻報警溫度及處理措施

為保證設備的正常運行，當熱電阻發出警報時，需按照以下措施處理。

如果檢測水冷傳動齒輪箱進出口的熱電阻溫度計1.5和1.6溫差高于5℃則發出報警信號，在這種情況下，冷卻效果會下降，檢查水流量和高爐爐頂煤氣溫度。當水冷傳動齒輪箱進水溫度1.5超過50℃時發出報警信號，進水溫度太高，達不到冷卻效果，檢查水冷系統。

表3 齒輪箱水冷系統報警溫度及采取措施

4.2 水和氮氣的霧化組合冷卻

水冷傳動齒輪箱底板上的溫度計1.4，溫度達120℃時，必須通過圖2中的齒輪箱底部密封氮氣口5向齒輪箱底板噴霧化的水和氮氣。氮氣管路上，手動打開氮氣管路上的靠近水冷傳動齒輪箱的DN25帶限位開關的手動球閥7.2。水冷管路上，手動打開水管路上靠近水冷傳動齒輪箱的的DN25帶限位開關的手動球閥7.1。氮氣管路上和水冷管路上分別安裝流量孔板10.3和10.1，控制氮氣流量和水流量，確保達到理想的水霧效果。氮氣管路上的球閥DN25和水管路上的球閥DN15必須同時打開，否則達不到水霧效果。當溫度降低后，停止緊急冷卻水和氮氣的霧化組合冷卻。

4.3 事故氮氣緊急冷卻

除非檢修水冷系統，正常情況下水冷系統應連續的運轉，如果水冷系統發生故障，必須開啟事故氮氣冷卻。通過手動打開水冷傳動齒輪箱事故氮氣管道上的DN100碟閥4.8，將500Nm3/h氮氣噴到水冷傳動齒輪箱上緊急冷卻，最長時間不能超過2個小時。

5 水冷系統的調試

5.1 水質要求

為防止沉淀物堆積在水冷傳動齒輪箱的蛇形管內，避免水的酸度提高，整個系統的水為過濾的、軟化的、被阻蝕劑處理過的工業水。阻蝕劑的原理是在管子和冷卻設備的里面形成一層保護層，防護管子及冷卻設備。用阻蝕劑處理過的工業軟水應符合表4的要求。

表4 水冷系統水質要求

5.2 水冷系統的清洗

水冷系統管路安裝時必須有1%的斜度，以便于排空空氣。水冷系統安裝完后需對管道進行清洗，所有閥門均處于正常的工作位置，關閉進水管路上的DN50手動碟閥4.1和回水管路上的手動流量控制閥9.1，打開回水管路上的排氣閥11.1。慢慢打開進水管路上的手動碟閥4.1，當回水管道充滿水時，排氣閥11.1溢有出水時，關閉回水管路上的排氣閥11.1。然后清洗安裝在進水管路的過濾器。

水冷管道安裝完后應進行酸洗處理，酸洗的目的是通過化學作用將管道的所有殘余物質、鐵片、焊渣、爐渣、二氧化硅、油漆及安裝過程中進入循環系統的雜質去除。

管道鈍化的目的是為了在光滑的管道內表面形成一層均勻的氧化膜，抵抗水對管道表面的腐蝕。

也可避免在使用之前被空氣的物質快速重新氧化。

5.3 閉式水冷系統的注滿及壓力調節

水冷系統完成清洗、酸洗和鈍化后，按照5.1方法把水注入整個系統。在整個系統被注滿且清洗后，打開DN50手動流量控制閥9.1，關閉DN50碟閥4.1和4.7。打開排氣閥11.1，在排氣閥11.1處通氮氣來增壓，將整個循環系統壓力置于1.25倍正常設計壓力，保壓20分鐘沒有泄露，關閉氮氣增壓，將循環系統的壓力調節到系統設定的壓力。

6 閉式水冷系統的維護

水冷傳動齒輪箱水冷系統應至少每年維護一次。當通過水冷傳動齒輪箱冷卻蛇形管的正常測量壓降，比調試期間的壓降提高了25%，意味管路有堵塞現象，必須進行一次管道清掃維護處理。

在高爐休風期間不能停止水冷系統，只有在維修冷卻系統時才可以停止水冷系統。

7 結語

XZ-IV齒輪箱水冷系統采用閉式加壓冷卻，冷卻水和氮氣分離，冷卻水不被污染且不需要定期維護，具有冷卻水流量大、冷卻效果好、維護方便、運行成本低的特點。