轉爐汽化煙道末段漏水原因分析及改進措施

宋君瑞

（河鋼樂亭鋼鐵有限公司，河北 唐山 063011）

在整個煉鋼工藝中，轉爐汽化系統主要通過將煙道內冷卻軟水變為水蒸汽，以達到吸收煙氣熱量及降低煙氣溫度的目的，并通過蓄熱器穩壓后外送蒸汽發電機組進行發電。同時，作為轉爐煉鋼工藝的一部分，汽化煙道疏導吹煉時產生的煙氣進入除塵系統，直接參與煉鋼生產[1]，在冶金生產中占有十分重要的地位。

以唐鋼二鋼軋廠65t轉爐為例，汽化煙道共分五段，按煙氣流向依次為：活動煙罩、Ⅰ段煙道（爐口段）、Ⅱ段煙道、Ⅲ段煙道和末段煙道，結構示意圖見圖1。活動煙罩采用強制循環冷卻，其余各段采用自然循環冷卻。在生產后期，轉爐末段煙道頻繁出現漏點，引發漏水事故。煙道漏水會產生以下影響：

圖1 煙道結構示意圖

（1）煙道內漏水會產生大量蒸汽，導致煙道內過風量增大，易造成煙氣外溢，引發環保事故。

（2）漏水處理不及時，爐坑內出現積水時，熔融金屬遇水會引發爆炸，造成重大安全事故。

（3）造成軟水資源浪費。

（4）影響煤氣收得率。

（5）影響煙氣余熱回收率。

1 漏水原因分析

考慮到生產節奏緊張，當末段煙道出現漏水時，為了盡可能減少對正常生產運行的影響，只能進行臨時焊補，不僅耗費大量人力物力，而且極易發生復漏，無法從根本上解決漏水問題。為了減少事故時間，保證生產順利運行，我廠著手對煙道漏水問題進行深入分析研究，找出問題根源并提出解決方案。

1.1 循環水水質的影響

在汽化系統運行過程中，受水質影響，冷卻水不斷受熱蒸發濃縮，雜質不斷沉降聚積。一方面，部分雜質逐漸形成具有腐蝕性的沉積物，受該部分腐蝕性化合物影響，煙道受熱管管壁逐漸被侵蝕，直至破裂漏水；另一方面，水質不良或除氧器滿足不了使用要求時，易形成硅酸鹽、碳酸鹽等水垢。長此以往，水垢厚度不斷增加，導致受熱管受熱不均，最終被燒穿。

通過對切割下來的破損受熱管進行觀察研究，發現管內壁較為光滑，無腐蝕變薄及水垢堆積等痕跡。同時，通過定點抽樣化驗冷卻水水質，多次測量取平均值后，發現其各項數值均符合《工業鍋爐水質GB1576-2008》標準，具體數據見表1。

表1 汽化系統水質指標

通過以上分析可以確定，冷卻水的水質并非造成煙道漏水的主要因素。

1.2 煙道結構形式及材質的影響

汽化煙道結構形式不合理，達不到設計要求時，煙道受熱管會遭受過大的熱負荷、外應力以及煙塵中微粒的沖刷，影響受熱管的使用壽命。同時，如果受熱管材質滿足不了使用要求，也會造成管壁過早破損。

我廠汽化煙道的爐口段、Ⅲ段和末段均由高壓鍋爐管與扁鋼密排焊接而成，基本構造相近，且均使用?51×5的20G管作為受熱管。同時，通過爐口段、Ⅲ段煙道的煙氣溫度和煙氣流速均大于末段煙道，但爐口段、Ⅲ段煙道的漏水頻率遠小于末段煙道。由此可以確定，煙道的結構形式和使用材質并非造成煙道漏水的主要因素。

1.3 循環冷卻方式的影響

末段煙道采用自然循環冷卻方式，所謂自然循環，是指利用下降管中的水與水冷管中的汽水混合物之前的壓差，使下降管中的水自然下降，同時推動汽水混合物上升進入汽包，形成一個整體循環[2]。由于該區域煙氣溫度僅有800℃～1000℃，熱循環效果較差，且該段煙道配水管結構復雜，導致受熱管內冷卻水流動相對緩慢，甚至出現停滯。末段煙道冷卻水為低進高出，煙氣流向為高進低出。當冷卻水進入煙道后，受熱開始蒸發，當水流至煙道頂部的平直段后，在重力作用下易形成汽水分離。加之末段煙道內水動力不足，不足以將氣泡沖走，這樣就會造成煙道下弧段內側受熱管冷卻不足。長此以往，最終致使該部位煙道燒穿漏水，具體位置見圖2。因此，末段煙道冷卻水動力不足是造成煙道漏水的主要原因。

圖2漏水位置

2 改進對策

通過分析研究，可以確定冷卻水動力不足是造成末段煙道漏水的主要原因。解決這一問題的關鍵在于如何增加冷卻水流速，抑制汽水分離層的形成。對此，我們提出以下幾種改進方案。

2.1 方案一：增加汽包高度，優化汽包供水

通過分析計算，在不改變煙道結構及滿足各段煙道冷卻水循環的基礎上，可以將汽包高度增加2m，從而增加汽包內水的重力勢能，提高末段煙道受熱管內冷卻水的流速。同時，采用一種模糊自適應PID控制系統，優化汽包的供水，準確控制汽包內水位高度，實現汽包水位的自適應調節，消除補水對末段煙道循環的影響[3]。

2.2 方案二：加裝擾動設備，消除汽水分離

末段煙道冷卻水低進高出，冷卻水進入煙道后受煙氣溫度影響，在流動的過程中逐漸產生水蒸氣。通過分析研究，發現可以在煙道沿進水方向2/3左右位置的管道內部加裝不銹鋼螺旋板，通過螺旋板的影響，增大流動中的循環水擾動，可以有效地避免汽包在煙道頂部平直段聚集，從而解決煙道下弧段內側受熱管內汽水混合物產生分層的問題。

2.3 方案三：加裝循環泵，提高水動力

在汽包與煙道之間管道上加裝循環泵，改自然循環為強制循環，保證管內冷卻水的流速和流量，使煙道下弧段內側受熱管處無法形成汽水分離區域，避免受熱管燒穿漏水。

我廠轉爐冶煉周期為26-28分鐘，吹氧時間為12分鐘左右。由于汽化煙道僅在氧槍吹氧時間段內承受熱負荷較大，其余時間內基本不受熱，故在該段時間內循環泵作用較小，長此以往，只能白白浪費大量電能。

國內大部分鋼廠汽化系統的活動煙罩和爐口段一般采用強制循環，其余各段煙道采用自然循環的方式。為此，特提出如下備選方案，供有類似情況的鋼廠進行參考。

為使爐口段循環泵發揮充分作用，可以將爐口段強制循環下降管與煙道末段自然循環下降管相連通，利用循環泵為末段煙道循環水提供部分動力，具體結構見圖3。

圖3 循環系統改造示意圖

從圖中可以看出，爐口段下降管及連通管上均裝有流量計，通過調節連通管上兩個截止閥的開度，控制通過連通管的循環水流量，使其保持在爐口段循環水量的10%左右。同時，連通管上的止回閥可以防止在故障時末段煙道內循環水倒流至爐口段下降管。當連通管損壞需要更換時，將連通管上兩個截止閥關閉，即可進行施工。

2.4 方案四：使用新型焊條，提升管道壽命

考慮到以上三種方案工程量大，耗費時間過長，實施起來嚴重影響生產節奏，故而提供一種臨時解決方案：使用耐高溫耐腐蝕堆焊耐磨焊條[4]，在管壁漏點表面及臨近區域進行堆焊。同時，采用熱噴涂技術與焊補工藝相結合的汽化煙道裂紋修復工藝[5]，在堆焊結束后噴涂FeCrAl涂層、NiCrBSi涂層，進一步增加受熱管的耐高溫、耐腐蝕和耐沖刷等性能。

3 分析評價

對于方案一，要想提高汽包高度，需要在廠房頂搭設承重平臺、進行汽包抬升及管道焊接等作業，不僅要使用專業起重設備，施工難度也非常大。綜合來看，不建議采納此方案。

對于方案二，在煙道受熱管內加裝螺旋擾動裝置，由于安裝地點位置特殊，不利于檢修人員作業，同時該項作業工作量大、工序繁瑣且工作環境惡劣，不適宜在線上進行操作，只適用于在煙道安裝前進行改造。

對于方案三，從經濟方面考慮，如果僅在末段煙道加裝循環泵，循環泵利用率不高且施工難度大，故不考慮此方案。對于備選方案，一方面可以充分利用爐口段循環泵，減少能源浪費，另一方面也可以有效緩解末端煙道循環水的汽水分離現象，具有一定的參考價值。

對于方案四，使用耐高溫耐腐蝕堆焊耐磨焊條進行堆焊，并輔以耐磨耐腐蝕涂層，將熱噴涂技術與恰當的焊補工藝相結合進行有效結合，工作量小且工作相對簡單。經過修復后，煙道漏水頻率大幅度下降，滿足正常生產需求。

由于我廠面臨搬遷，不宜進行大規模的改造工作，但前三種方案可以為新廠汽化系統的設計提供參考。綜上所述，可以采用方案四，對漏點區域進行相對簡單的處理，確保該部位長時間內不再漏水，保證搬遷之前鋼廠的正常生產運行。

4 結論

本文以唐鋼二鋼軋廠65t轉爐汽化系統末段煙道為研究對象，從水質、材質、煙道結構及循環方式等方面綜合分析末段煙道漏水的原因，經過分析研究后給出相應的對策，以保證末段煙道可以在停產前的使用年限內不發生或極少次數發生漏水事故。