高爐開口機霧化冷卻穩壓技術在中金公司煉鐵廠的應用

摘 要：針對柳鋼集團中金公司2號高爐開口機使用過程中存在的問題進行分析，通過對高爐開口機實施改造并應用了霧化冷卻穩壓新技術。實踐表明，改造后能夠顯著提升開口機霧化冷卻效果并保證設備運行穩定性，保障生產安全和減少二次粉塵污染，降低爐前職工勞動強度的同時降低爐前耗材成本，對提高生產效率和經濟效益具有重要意義。

關鍵詞：高爐開口機；霧化冷卻穩壓技術；生產安全；生產效率；經濟效益

Abstract：An analysis was conducted on the issues encountered during the operation of the No. 2 blast furnace tap hole machine at ZhongJin Company， a subsidiary of Liugang Group. The machine was renovated and a new atomizing cooling and stabilizing pressure technology was applied. Practical results have shown that the renovation significantly enhances the atomizing cooling effect of the tap hole machine， ensuring equipment stability， production safety， and reducing secondary dust pollution. This not only decreases the labor intensity of front-line workers and cuts down on front-line material costs but also holds significant importance in improving production efficiency and economic benefits.

Key words：BF tap hole machine；Atomization cooling and stabilization technology；production safety；production efficiency；economic benefits

0 前 言

開口機是高爐重要的爐前設備之一，用于鉆開由泥炮封堵的鐵口。它的性能和效率直接影響到高爐的正常生產。開口時產生的二次煙塵又是鋼鐵企業的主要污染源之一，開口時間越長則污染越大[1]。

目前大型高爐采用的開口機基本上都具備旋轉和沖擊功能。在打開鐵口的過程中，經高溫固化后的炮泥被沖擊破碎，碎屑被壓縮空氣吹出形成較大的粉塵。同時高溫環境中鉆頭在鉆開堅硬的泥炮時極易發熱，硬度降低。在鐵口鉆至1.5 m左右時鉆頭經常與鐵口中的殘渣粘結，出現開鐵口難，鉆頭損耗嚴重的現象。因此在開鐵口的過程中，強化開口機鉆頭冷卻是一個值得探討的課題。

1 現狀分析

中金公司煉鐵廠2#高爐建設容積為1-680-m3，設置2個鐵口，每個鐵口布置有1套KD-IA型液壓開鐵口機，于2021年5月建成投產。投產初期開口機開爐前鐵口時采用壓縮空氣冷卻。在開鐵口過程中，開口機鑿巖機密封件易老化或過熱燒損而出現漏油現象。由于高爐鐵口深度增加，爐墻厚度增大，炮泥強度提高，開鐵口時間延長，開口機振打桿、弧形螺母及鉆桿螺紋等處易斷裂損壞，鉆頭和鉆桿消耗量增大。并且開一次鐵口有時需要多次更換鉆頭和鉆桿，振動馬達中旋轉結構的齒輪和軸承磨損嚴重，在鉆開鐵口阻力大時經常發生旋轉齒輪打滑或鉆桿卡死等現象，職工勞動強度增大[2]。

正常生產時開口機在打開鐵口過程中，鐵口通道的溫度隨著鉆桿的深入由200 ℃上升到1-400-℃，為一個多梯度的溫度變化的復雜環境。開鐵口機鉆頭刀片材質為鎢鈷類硬質合金，耐熱程度一般在800℃左右。鉆頭在進鐵口2 m 后，炮泥溫度已經超過800℃，再往里鉆進，環境溫度很快將達到1-000-℃以上。鉆頭承受著高溫和機械力的共同作用，在高溫和機械力的共同作用下，鉆桿強度下降并發生彎曲變形，鉆銷效率降低，鉆頭開始出現較大的縮性變形，刀片與刀頭體刀槽之間產生裂紋，刀片從刀槽中脫落，致使鉆頭失效。特別是當鐵口紅硬層較厚時，由于壓縮空氣中含有大量氧氣使得鉆桿燒紅、融化折斷，甚至無法打開鐵口。

投產初期KD-IA型液壓開口機鉆頭冷卻介質主要是壓縮空氣，通過支管路流向鑿巖開口機→鉆桿→鉆頭，實現開鐵口作業通氣冷卻。由于壓縮空氣壓力低，約為0.6 MPa，在開鐵口沖鉆過程中容易堵塞，壓縮空氣不能有效流通冷卻，因此液壓開口機鉆頭極易損壞，嚴重影響生產節奏。

目前通常所用的鉆頭殼體材料采用40Cr鋼材， 硬度為HRC30-40。鉆桿材質采用40Cr鋼材，硬度為HRC28-35，鉆桿螺紋端硬度≥HRC40。使用工況為高溫高粉塵區域，生產時環境溫度＞50 ℃，可鉆鐵口深度≥3 m。合格的鉆頭及鉆桿產品質量總體要求為在爐況正常、鑿巖機設備運轉正常的情況下，保證單個鉆頭出鐵次數不低于使用2次；鉆桿在正常使用情況下不低于使用5次。如果開鐵口時間過長，開一次鐵口有時需要多次更換鉆頭、鉆桿。為解決高爐開鐵口鉆頭符合高性能的要求，急需深入探究高爐開口機霧化冷卻技術，來扭轉當前這種被動的局面。

2 高爐開口機霧化冷卻穩壓技術概述

中金公司煉鐵廠相關技術人員通過試驗研究，于2021年12月研究開發具有自主知識產權的高爐開口機霧化冷卻穩壓新技術，設計出一種高爐開口機鉆頭霧化冷卻裝置，該新型裝置于2023年6月獲得國家實用新型專利，并通過生產實踐驗證，取得了顯著效果。

2.1 高爐開口機霧化冷卻穩壓技術的基本原理

常見冷卻方式兩種：風冷與水冷。由于介質的比熱容不同，水冷具一定的急劇性，急劇冷卻會造成內部氣化急劇膨脹而形成爆裂，因此使用水冷鉆頭會有一定風險。所以要求設計一種水霧化裝置產生水霧作為冷卻介質，可結合兩種介質的優點。開口機霧化冷卻穩壓技術目的就是提供一種水霧化裝置，將冷卻水與氣體充分混合成霧化狀態，充滿開口機鉆頭作業腔內，增大冷卻效果，以解決高爐開口機開爐前鐵口時，鉆頭作業處于高溫環境的問題。

在目前KD-IA型液壓開口機基礎上改造高壓水霧化裝置，管道工業水壓力僅為0.4 MPa，管道氮氣為主要動力源，壓力為2.0 MPa。將工業水加壓霧化并與氮氣充分混合并輸送到開鐵口鉆頭作業腔內對鉆頭進行冷卻的一套霧化冷卻穩壓裝置。該裝置由增壓供水包、霧化發生器兩個部分組成：①增壓供水包采用氮氣為動力源，給水包冷卻水加壓，提供霧化動力，并在供水包基礎上整合了其他氣動元件。例如：壓力表、排氣閥、及單向閥（避免冷卻水倒流，造成壓力損失）等。②霧化發生器由冷卻水噴頭與氮氣源并聯組成，在高壓氮氣作用下與水充分混合形成水霧化，并以高壓形式打入開鐵口鉆頭作業腔內，具有靈活、冷卻效果好、可操作性強的優點。

結合圖1所示的一種高爐開口機霧化冷卻穩壓裝置的霧化系統原理圖，打開球閥1利用儲水包進行儲水，儲滿水后關閥球閥1并打開球閥2進入運行狀態，調節球閥3球閥4為開口機鉆提供霧化冷卻介質。當鉆頭受到負載時，氮氣自動給儲水包補壓，為開口機鉆頭提供持續霧化水介質，以滿足開口機鉆頭冷卻問題。

2.2 技術關鍵點

1）開口機霧化冷卻穩壓技術的應用建立在不改變生產設備主體管道結構和原有生產設備工藝的基礎上實施。這樣既可以確保高爐開口機冷卻系統的完整性，也能讓開堵鐵口設備安全可靠的運行，將成本降到最低。操作簡便、維修容易、布局合理、便于實施。霧化裝置管路設計簡單又靈巧，氮氣管道起動力源效果，既能滿足氮氣壓力，同時補償水壓力，平衡壓差。單向閥與水管路相連，又能起到供能保壓通水作用。

2）水霧化裝置通過串接水管及氣管、增加單向閥、安裝蓄能水箱、調節控制閥等使得冷卻水形成與氮氣均壓條件，霧化效果顯著，避免鉆頭孔在工作過程中被渣鐵堵塞出現水霧化斷續現象。實現高效冷卻效果，完全滿足了輔助生產工藝的需求，功能匹配上滿足高爐鐵口開口作業高強度需求。

3）水霧化裝置通過增加壓力調節閥門、機械壓力表，即可實時調壓也可現場監測壓力值，與生產節奏同步，便于生產操作過程中及時得到設備運行狀況的反饋，調定更合理的壓力值，有效監測壓力損失，完全符合設計預期。運行穩定，結構簡單，安全可靠，成本低，方便維護保養，運行效果好。實際場景見圖2。

3 應用效果

2021年12月中金公司煉鐵廠在2號高爐南、北出鐵場分別改造了開口機水霧冷卻穩壓裝置。工業冷卻水和氮氣的流量、壓力均可以調節，水與氣混合后產生均勻細膩的水霧達到抑塵和冷卻設備的目的。投用后經過生產實踐驗證，達到了預期效果，并具有5個優點。

3.1 鐵口的維護得到了保障

簡化了鐵口的維護，并且在炮泥強度逐步提高的過程中，泥套滲鐵情況逐步消除，泥套深度基本穩定。出鐵場鐵口泥套深度穩定在3 m左右，泥套斷裂的現象明顯減少，泥套深度合格率提高。鐵口深度也得到了保證，使出鐵更加的平穩且耐侵蝕。

3.2 鐵口作業率得到了提高

提高了鐵口鉆開率、正點率、出鐵均勻率，原來正常開鐵口的時間為12 min左右，減少到目前的5 min左右。同時也降低了鐵口鉆不開或卡鉆桿而進行燒氧開鐵口的頻率，極大地提高了開鐵口的工作效率。

3.3 鐵口煙塵粉塵污染得到了降低

開口機在鉆進過程中，開口機的水霧冷卻穩壓裝置使得冷卻水和壓縮空氣混合后產生細膩均勻的水霧，旋轉及沖擊所產生的粉塵污染在霧化水的吹掃下受到壓制和凝結，在一定程度上降低了粉塵煙塵的排放。由于開鐵口時間縮短，揚塵時間也減少，符合公司對環保除塵、節能降耗的要求。

3.4 崗位工勞動強度得到了減輕

開鐵口時間縮短，開口機在鐵溝上受到鐵水高溫烘烤的時間變短了，開口機漏油及其他設備故障相應的減少了，延長了設備的使用壽命，設備的正常運行使得維護簡單易行。崗位工在鐵口區域燒氧、處理設備問題的作業時間縮短了，崗位工的勞動強度得到了減輕。

4.5 爐前鉆具的消耗得到了降低

由于水霧對鉆頭、鉆桿達到了冷卻降溫作用，解決了鉆頭、鉆桿被鐵水烘烤變形和燒毀的難題。使得鉆頭、鉆桿多次使用，降低了鉆具的消耗，延長了設備使用壽命。開口機水霧冷卻穩壓裝置投用后，每月可節省鉆具費用57%以上。見表1，通過對開口機霧化冷卻改造前后的耗材對比，可以直觀的觀察到：每天可以節約鉆頭9個，每個鉆頭32元；每天可以節約鉆桿3根，每根鉆桿230元，每天可以節約氧管14根，每根39元。一年可以節省高爐鉆具耗材的生產成本56萬元。

4 結 語

中金公司煉鐵廠通過對開口機應用了霧化冷卻穩壓新技術，縮短了開鐵口時間，降低了鉆頭、鉆桿等采購經費，滿足了生產需求，改善了爐前操作環境，減輕了操作人員的勞動強度。開口機水霧冷卻穩壓裝置的應用，提高了開口機在高溫環境中鉆桿的使用性能，使得鉆進速度更高效，并為穩定連續的生產提供了可靠的保證。

參考文獻

[1] 郭進華，秦洪冰，王鍵.2 000 m3高爐開口機改造與實踐[J].冶金設備，2013（01）：54-56+14.

[2] 楊士嶺，董英.煉鐵高爐開口機霧化冷卻裝置[J].設備管理與維修，2011（02）：67.

第一作者：莫祖杰，男，44歲，高級工程師

收稿日期：2024-07-04