徐南平　鄔士英　金永龍　林成城　姜偉忠　陳君明

(鞍山鋼鐵學(xué)院) (寶鋼煉鐵部)

　　摘 要　根據(jù)寶鋼3號高爐(3BF)冷卻壁純水密閉循環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn), 采用超聲波測量儀測量冷卻壁的水流量, 用數(shù)字測溫儀和紅外線測溫儀測量冷卻水的溫差, 取得了大量的冷卻壁熱負(fù)荷數(shù)據(jù)。對3BF各段冷卻壁的熱負(fù)荷分布進(jìn)行了分析, 并研究了冷卻壁破損原因及對策, 為3BF冷卻壁熱負(fù)荷的管理和降低燃料比提供了科學(xué)依據(jù)。

　　關(guān) 鍵 詞　高爐　冷卻壁　熱負(fù)荷　熱流強(qiáng)度

1 　前言

寶鋼3BF有效容積為4350m³ ,于1994年9月20日投產(chǎn), 是我國目前最大的高爐。在4年多的生產(chǎn)實(shí)踐中, 生產(chǎn)日趨穩(wěn)定, 各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在國內(nèi)居前列。但也暴露了一些問題, 如冷卻壁管子燒壞嚴(yán)重, 到1997年底, 燒壞破損已達(dá)109根。為了維護(hù)好冷卻壁, 保證高爐的順行, 為了更細(xì)致地了解正常條件下各段冷卻壁的熱負(fù)荷, 對冷卻壁的熱負(fù)荷進(jìn)行測定十分必要。3BF冷卻壁是純水密閉循環(huán)的, 常規(guī)的測試方法不適用^[1] ,而且測試?yán)鋮s壁熱負(fù)荷難度較大, 測試點(diǎn)數(shù)量多, 測試環(huán)境惡劣。采用現(xiàn)代超聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在正常生產(chǎn)情況下實(shí)時測定密閉循環(huán)系統(tǒng)中的水流量;用精度較高的紅外線測溫儀和數(shù)字測溫儀測量冷卻水的溫差, 解決了測試上的各種困難, 取得了大量可靠的數(shù)據(jù)。寶鋼3BF冷卻壁純水密閉循環(huán)系統(tǒng)熱負(fù)荷測定的成功, 在國內(nèi)是首例, 為寶鋼3BF冷卻壁熱負(fù)荷的管理和降低燃料比提供了科學(xué)依據(jù)。

2   3BF冷卻壁系統(tǒng)概況

圖1為3BF爐體的冷卻壁體系。其中從爐缸H₅以上到S₅的直管(Z)水冷部分稱為本體系, 圓周方向分四個區(qū), 每個區(qū)由A ,B , C ,D 4個管子供排水。由于測點(diǎn)少, 冷卻壁串聯(lián)塊數(shù)多(11 段)水管頭多(共有4952個), 局部地區(qū)熱量變化儀表上反映不靈敏。

強(qiáng)化系包括爐底以上四段橫型光面冷卻壁H₁ ,H₂ ,H₃ ,H₄ 及鐵口區(qū)四塊冷卻壁, 還有爐腹B₁ ,爐腰B₂ ,B₃及爐身S₁～ S₅各個水平角部(J)管和背部蛇形(S)管, B₂～B₃的凸臺(Γ)管, 爐身上面的R₁ ,R₂ , R₃ 的光面冷卻壁直(Z)管。

3   爐體純水密閉循環(huán)體系熱負(fù)荷測定和結(jié)果

按熱負(fù)荷定義, 熱負(fù)荷測定需要測定冷卻壁流水量和水溫差。常規(guī)的冷卻壁水流量測定是在排出端用容器和秒表分別測量流量和時間;冷卻水的溫度用水銀溫度計來測量。上述方法對于密閉循環(huán)系統(tǒng)來說是不適用的。因?yàn)橐坏├鋮s壁排水端敞開, 開口端壓力驟降, 水流量立即增加, 測得的流量不能代表工況流量, 所測溫度也不能代表水質(zhì)的工況溫度。對于密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)的水量測定, 要求在線無干擾情況下進(jìn)行。國內(nèi)兄弟廠沒有測過, 寶鋼也沒有測過。總之, 這方面還沒有經(jīng)驗(yàn)可借鑒, 有一定難度和困難。

根據(jù)寶鋼3BF的條件,采用了超聲波流量計,可以測得瞬間流量或累計流量,誤差在±3%以內(nèi)。采用這種儀器測冷卻壁水流量, 在國內(nèi)尚未見到報導(dǎo)。為慎重起見, 在實(shí)驗(yàn)室里對這套儀器進(jìn)行了試用、標(biāo)定, 獲得了測試經(jīng)驗(yàn), 選用了合適的超聲耦合劑, 掌握了使用方法, 并把誤差降到了較低水平。

3BF有18段冷卻壁, 由于受時間限制, 每段測4個方向的水管流量和水溫差。測定結(jié)果見圖2和圖3。由測定結(jié)果推算的冷卻壁各段的熱流強(qiáng)度及熱負(fù)荷見表1 。

從圖2,3 ,表1可以看出:

(1)5～15段冷卻壁本體系熱負(fù)荷為93.8 GJ/h ,占這些冷卻壁總熱負(fù)荷(133.4 GJ/h)的70.32 %。說明本體系承擔(dān)著大部分熱流,由于冷卻管比較靠近爐料及煤氣流, 爐內(nèi)的熱流變化能較靈敏地反映在本體系熱負(fù)荷變化上。

(2)從爐子4個方向看熱負(fù)荷是不均勻的, 如測定Ⅱ區(qū)的熱負(fù)荷明顯比其它區(qū)高。

(3)本體系由A ,B ,C , D四系列供排水, 測得冷卻壁中A ,D管熱負(fù)荷約占60%,而水流量占51.5 %～60.43 %。計算S₁冷卻壁內(nèi)A ,D管長各為2132mm ,B ,C管長各為1572mm。A ,D管占4根管總長的57.56 %,若長度與冷卻表面成正比,在處于同樣的熱流強(qiáng)度下,A ,D管熱負(fù)荷應(yīng)占總熱負(fù)荷的57.56 %,這與圖2測的結(jié)果基本相符。本體系中A ,D管的熱負(fù)荷較B ,C管高,從生產(chǎn)管理和設(shè)計角度看, 水流量應(yīng)高些。

(4)S₁ , S₂段熱流強(qiáng)度最高, 其次是S₃ , S₄ , S₅ ,B₃段,再其次是B₁ ,B₂及R₁ ,R₂ ,R₃段, T 段及H₅段上有風(fēng)口及鐵口冷卻, 因?yàn)槠錈崃鲝?qiáng)度較大,另計入。B₂補(bǔ)裝微型冷卻器一個, B₃段裝18個, S₁段裝了10個,每個微型冷卻器承擔(dān)熱負(fù)荷10.53×10⁷J/h 。

(5)微型冷卻器在B₃段已安裝了18個(截止于1998年4月15日), 共計熱負(fù)荷為189.6kJ/h ,為B₃段總熱負(fù)荷(1171.86 kJ/h)的16.18 %。微型冷卻器的安裝使用使B₃本體系的熱負(fù)荷由53%左右(根據(jù)S₁ ,B₂段本體系熱負(fù)荷內(nèi)插法推算)下降到32.47 %, 可能是掛上渣皮所致, 而蛇管、角部管熱負(fù)荷比例略有升高。銅制微型冷卻器圓斷面直徑僅為110mm, 但由于銅導(dǎo)熱系數(shù)為鋼鐵的8.5倍, 能經(jīng)受熱負(fù)荷的沖擊, 有利于渣皮的形成。今后還應(yīng)注意此類冷卻器的壽命。

4 　冷卻壁破損的原因及對策

從現(xiàn)有的資料可以看出:

(1)隨著爐齡的增加,冷卻壁管子破損量增加。1994年9月投產(chǎn)以來至1995 年3月前破損3根, 1996年破損23根, 1997年破損83根, 1998年2月2日前破損7 根。

(2)爐體熱負(fù)荷越高越易破損。這可以從1997年8～12月份的數(shù)據(jù)制作的圖4中看出。因?yàn)楸倔w系熱負(fù)荷與爐體熱負(fù)荷密切相關(guān), 所以圖4橫坐標(biāo)采用了本體系熱負(fù)荷。

(3)爐子懸料、滑料、崩料愈多, 破損愈多。見圖5。1997年管子破損較多, 由于破損原因很多,這里的線性關(guān)系不甚明顯。此外, 曲線隨著爐齡的增加而左移, 說明隨爐齡增加, 爐子不順管子更易破損。

從設(shè)計上看存在一些缺陷。如冷卻壁鑲磚采用Si₃N₄結(jié)合的SiC磚,這種磚與爐渣的親和力低, 渣皮容易脫落。其次, 凸臺對磚襯或渣皮有了支托作用,但凸臺又造成了冷卻壁溫度分布不均而形成了熱應(yīng)力, 尤其是當(dāng)爐溫波動時, 熱應(yīng)力也隨著變化, 致使冷卻壁基體材料疲勞破裂。開裂的鐵基冷卻壁在CO氣氛及水冷卻作用下, 激烈滲碳、沉積碳, 使裂紋進(jìn)一步發(fā)展, 有的甚至剝落,使得水管暴露燒壞。

基于上述認(rèn)識, 寶鋼煉鐵廠加大了對爐體冷卻壁維護(hù)的重視程度。如發(fā)現(xiàn)冷卻壁和爐殼間有煤氣通道就進(jìn)行壓力灌漿堵塞;加大通水量, 及時把過熱部分熱帶走。自1996年7月起, 強(qiáng)化系和本體系的備用泵投入了使用, 水速提高到2m/s左右, 提高了冷卻強(qiáng)度;1996年2月起強(qiáng)化系增加了一臺脫氣罐;加強(qiáng)了水質(zhì)管理, 及時對冷卻壁水管進(jìn)行清洗。最根本的是改善煤氣流分布, 既要確保爐況穩(wěn)定順行, 又要妥善地保護(hù)好冷卻壁?，F(xiàn)已采取了一系列措施, 如:調(diào)整無料鐘溜槽的檔位與傾角;調(diào)整礦石批重和料線;適當(dāng)?shù)亟档凸娘L(fēng)動能等等。以上措施使煤氣流分布更合理,CO利用率由49 %提高到52 %左右,懸料、崩料現(xiàn)象已基本消除,滑料現(xiàn)象也大為減少(見圖6),形成的渣皮也穩(wěn)定了, 熱負(fù)荷也有所下降, 有效地減緩了冷卻壁破損的發(fā)展。

由于本體系冷卻壁對爐內(nèi)熱流反應(yīng)較靈敏,熱負(fù)荷又較大, 應(yīng)增設(shè)流量、溫差在線測試儀器,在S5水出口8個方向16個點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測, 如發(fā)現(xiàn)不正常, 再分段測溫, 用超聲波測水流量, 這樣可找出癥結(jié)所在, 及時處理。熱負(fù)荷過高或過低, 都不利于高爐冶煉和冷卻壁維護(hù), 今后還應(yīng)更細(xì)致地探索出各段冷卻壁合理的熱流強(qiáng)度。

日本千葉6#高爐的壽命達(dá) 到了20年, 他們的設(shè)計、操作經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒。

5 　結(jié)論

(1)在國內(nèi)首次使用了超聲波流量計及數(shù)字測溫儀成功地測得了3BF純水密閉循環(huán)冷卻的各段冷卻壁熱負(fù)荷和熱流強(qiáng)度。所用的儀器比較先進(jìn), 測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠, 為熱負(fù)荷管理和冷卻壁維護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。

(2)微型冷卻器既能承受較高的熱負(fù)荷, 又有利于掛渣皮, 能起到良好的維護(hù)爐襯的作用。

(3)冷卻壁損壞的主要原因是:爐體熱負(fù)荷過高, 爐況順行不好;隨著爐齡的增加, 破損量增加;設(shè)計上有一些問題。

(4)主要對策是:應(yīng)增設(shè)熱負(fù)荷監(jiān)測儀器, 加強(qiáng)監(jiān)測;改善煤氣流分布, 確保爐況穩(wěn)定順行;增設(shè)微型冷卻器。

參 考 文 獻(xiàn)

1 　冶金工業(yè)部.工業(yè)爐窯熱平衡測定與計算方法暫行規(guī)定(續(xù)一).北京:冶金部《節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心》編輯出版,1984:1～34