300 t轉爐裙罩技改淺談

趙英春

(煙臺國冶冶金水冷設備有限公司,山東 煙臺 265500)

轉爐余熱鍋爐,即汽化冷卻型煙道式余熱鍋爐[1-3],是我國長流程煉鋼環節中進行煉鋼余熱回收的主要裝置。其不僅用來輸送含塵的高溫煙氣,同時位于轉爐冶煉生產流程中,承上啟下,其使用情況的好壞,決定了煉鋼轉爐能否正常生產,在煉鋼廠中占有主導地位。當轉爐吹氧煉鋼時,含CO的約1 450 ℃的大量高溫煙氣,快速通過汽化冷卻煙道并進行冷卻,導致煙道內的熱負荷急劇增加,受熱管壁溫、循環水溫度隨之升高;當吹煉終止時,煙道熱負荷快速降低,裙罩入口煙溫降至約120 ℃左右,受熱管壁溫、冷卻水溫度隨之下降。一般每爐鋼的煉制時長約36 min,在正常生產的情況下,該溫度將持續周期性的變化?，F場工況如此惡劣,必會影響轉爐余熱鍋爐的使用壽命[4]。

裙罩作為鍋爐系統的煙氣入口,布置在轉爐爐口正上方,由液壓升降機構吊掛在固定框架上,在生產過程中,需要隨煉鋼周期頻繁升降約800 mm,以便捕集從轉爐爐口溢出的煙塵,同時防止空氣混入余熱鍋爐系統內。因此也被稱為活動煙罩。其使用壽命短主要體現在過早地出現裂紋漏水甚至是爆管,擾亂正常的生產節奏,也容易引發次生事故。研究探討影響轉爐裙罩使用壽命的各種因素[5-9],延長裙罩的使用壽命具有一定的現實意義。

1 技改前裙罩的情況

某煉鋼廠現有300 t轉爐三座,原裙罩為20世紀80年代日本OG煤氣回收技術裝備,曾于2011年配合OG回收系統進行過技術升級改造,主要由下集箱、水冷壁、上集箱、水封槽系統、配水集箱、配水管、吊耳裝置等組成。下集箱的中徑是6 020 mm,上集箱的中徑是5 325 mm,高度為1 720 mm,水冷壁由272根直徑48 mm的鋼管豎排在上下集箱之間組成(見圖1),最窄處距離下部煙罩外壁的間距為62 mm。裙罩上部設有水封槽,采用了水封插板配合水封槽的密封樣式來保證其與下部煙罩的密封,阻止煤氣外泄。其使用工況十分惡劣還體現在如下方面:

圖1 原裙罩

(1) 安裝位置離爐口近,轉爐冶煉時爐內溫度最高達1 450 ℃,裙罩內表面被高溫火焰和含塵煙氣直接沖刷,造成受熱面溫度過高,沖刷磨損嚴重;

(2) 受冶煉爐料影響,高溫煙氣中可能含有SO2等酸性腐蝕性物質和水蒸氣等,使裙罩受到酸性氣體的高溫腐蝕和水蒸氣的氧化;

(3)為了保護爐體,轉爐在煉鋼過程中會生成大量的泡沫渣,泡沫渣在高壓氧的吹射下會四處噴濺,易在裙罩內表面堆積附著。

這種裙罩不能較好滿足轉爐吹煉的高溫、噴濺大的惡劣工況,導致故障易發、壽命短,為了滿足激烈的市場競爭,提高裙罩使用壽命顯得至關重要。

2 影響裙罩使用壽命的因素

2.1 設計方面的影響

2.1.1 受熱管布置方式的影響

在正常生產及足夠冷卻水的條件下,設計方面的影響主要與設備結構相關。

原裙罩水路安排是分組下降,再分組上升,如圖2所示,即整個水冷工藝流程是循環水由配水集箱的進水管流入配水集箱,再經配水管,流進下集箱,再由下集箱進一步分組分配給各水冷管,然后流到上集箱,由出水管引出。如此循環往復,使裙罩得到冷卻。這樣的循環方式,每組管組里的單支受熱管,易存在受熱強度偏差,有進一步優化的空間。

圖2 原裙罩水路及布管示意

2.1.2 密封方式的影響

原裙罩為了靈活升降,與下部煙罩之間單邊間距62 mm,通過水封槽密封,因裙罩所處的環境惡劣,溫度高、粉末粉塵量大。當粉塵飛濺到水槽中后,易被水吸附,隨之粘連結塊落入水封槽底,當沉淀物在槽內堆積到一定高度后,即可造成下部煙罩上的水封插板行程不夠,導致裙罩出現提升不到位或卡死,在過載的情況下,使設備過早出現損傷。

傳統的煙罩密封方式,還有砂封形式(見圖3),砂封主要缺點是密封不夠嚴密、易跑煙冒火,密封砂子易被吹走,但砂封一般不存在密封槽中堆積灰渣的問題。

圖3 砂封及砂封泄露示意

為了解決水封及砂封存在的問題,興起一種干式密封技術,即所謂的“氣封”技術[10]。一般通過加裝密封裝置(見圖4),利用氮氣幕或蒸汽幕來進行密封。在裙罩上部加裝氮封裝置較常見,利用圓周分布的大量噴嘴噴出氣幕,達到了密封效果。

圖4 氣封設備示意

干式氣封技術,解決了水封、砂封存在的問題,存在的缺點主要是工作中噪聲較大,消耗了一定量的氮氣或蒸汽資源,而且氣封噴嘴因處于高溫環境中,上線幾個月后,易被燒損,局部會喪失了密封功能。

2.2 制造過程的影響

設備制造過程中主要應注意對設備內部清潔度的監控。受熱管機械坡口后應一管一清,不要后期統一清理鐵屑,預防鐵屑意外進入管道內部,受熱管在組裝前要對所有管路進行高壓空氣徹底吹掃,確保殘渣吹凈后停止。產品制造過程中,對暴露的開孔采取封閉措施,防止異物進入系統內部,導致循環水路堵塞。

為保證裙罩與下部煙罩之間的相對運動,組焊后裙罩及下部煙罩的圓度均應控制在橢圓度0～5mm,同軸度0～2mm。

2.3 安裝方面的影響

裙罩安裝不正,升降時,會和下部煙罩發生剮蹭,加大了裙罩內壁的磨損。

2.4 運行維護的影響

轉爐裙罩的長期穩定運行是保證轉爐生產計劃順利完成的重要因素之一,在鋼廠冶煉過程中,意外漏水,導致出現熱停爐的情況頻發,影響了鋼廠的生產效率。

2.4.1 水質影響

當裙罩循環水水質不達標時,設備內部容易結垢,導致設備傳熱效率下降。日積月累之下,冷卻不好的部位在熱應力等交變載荷作用下漏水。

2.4.2 清渣造成的機械撞擊

當轉爐煙道停機維修時,從安全方面考慮,需對裙罩內壁黏渣進行清理。若清理不當,可能對裙罩造成損傷。

3 改進型裙罩結構

3.1 基本設計參數

改進型裙罩為橫向水冷壁管圍成圓臺型結構,由進出口集箱連接(見圖5),也設有吊點機構。具體參數如下:

圖5 技改后裙罩

結構形式:水平排列水冷壁管,機械密封;

設計壓力:1.2 MPa;

設計溫度:200 ℃;

工作壓力:0.9 MPa;

水冷壁管規格:Φ48 mm×5 mm

水冷壁管材質: 20G (GB/T5310—2017);

水冷壁直徑:5 405 mm/5 080mm;

裙罩高度:1 620 mm;

裙罩行程:800 mm;

冷卻方式:低壓強制循環水冷。

3.2 設計改造特點

裙罩冷卻水路改造是把冷卻水路設計成27支環管水路,相當于27條支路水平并聯于進出水集箱之間,這樣同一時間的裙罩冷卻強度得到加強。利用節流技術,保證每條冷卻水循環管路路徑基本相等,阻力大致相同,使得裙罩整體冷卻均勻,避免因受熱偏差而產生較大的熱應力。

此次改造后用機械密封來代替水封,其結構簡單,密封可靠(見圖6、圖7),節約密封用水量約50 t/h,不僅降低了能源的損耗,也降低了檢修作業難度。

圖6 機械密封示意圖

圖7 新裙罩安裝圖

因密封方式的更改,原水封槽取消,整個裙罩的荷載由改造前的25 t降低了約10 t,有利于液壓提升系統的壽命提升。而且整個吊架系統采用有利于熱膨脹釋放的結構,有利于提高裙罩壽命。

4 結 論

經過長期的現場使用情況反饋和跟蹤觀察,對裙罩的技改,取得了較令人滿意的效果。設備提升不到位等情況被杜絕,節約了資源,提高了裙罩設備服役周期,有力保障了轉爐生產的順利進行,為實現鋼鐵企業的效益提升創造了有利條件。