蘇慶雨 張寧
轉爐汽化冷卻系統(tǒng)是轉爐煉鋼的重要設備之一，主要分為高壓循環(huán)系統(tǒng)、低壓循環(huán)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、蒸汽回收系統(tǒng)，其主要作用是冷卻轉爐冶煉時產生的高溫煙氣及附加值的飽和蒸汽。由于其所處的工況惡劣，運行環(huán)境復雜，故汽化冷卻系統(tǒng)的故障率較高，對轉爐連續(xù)生產造成了不利影響?；诖?，本文結合實例從汽化冷卻系統(tǒng)的設計、設備運行參數分析、故障處理等方面入手，分析了高壓循環(huán)系統(tǒng)、低壓循環(huán)系統(tǒng)的改造升級，成功解決了汽化尾部煙道流量不足導致的煙道疲勞開裂以及裙罩流量低導致的頻繁飛槍問題。
一、轉爐汽化冷卻系統(tǒng)的特點
轉爐汽化冷卻系統(tǒng)隨轉爐的冶煉周期而變化，具有熱負荷大、溫度變化大、熱應力明顯等特點。其獨特性包括：高熱通量，對結構和腐蝕的容忍性低；轉爐冶煉周期產生的高循環(huán)應力，易出現應力腐蝕裂紋；潛在低流速，膜態(tài)沸騰/金屬過熱；氣側沖蝕；轉爐停爐檢修期間造成腐蝕；補水水量波動，除氧器除氧效果不佳；鍋爐水低濃縮倍數等。本文中高壓循環(huán)系統(tǒng)采用的是強制循環(huán)冷卻和自然循環(huán)冷卻相結合的復合循環(huán)冷卻方式。復合循環(huán)冷卻方式既能滿足煙道冷卻的要求，又能降低循環(huán)冷卻設備的成本投入，具有安全可靠、節(jié)能減排、使用壽命長等優(yōu)點。
二、汽化冷卻系統(tǒng)常見故障分析
煙道是汽化冷卻系統(tǒng)的重要設備，其工作原理是通過泵組或自然循環(huán)的方式將冷卻水經由下降管供入汽化冷卻煙道，在水冷壁管內受熱后，部分冷卻水發(fā)生汽化，形成的汽水混合物，經上升管返回汽包或除氧器。冷卻水不斷地吸熱上升，新的冷卻水持續(xù)注入煙道，從而建立循環(huán)。同時，汽化冷卻煙道也是故障多發(fā)的部位，主要故障形式是煙道漏水，形成原因主要有冷卻水流量不足導致煙道過燒、轉爐煙道腐蝕沖刷、交變溫差影響、水質不合格、產品焊接缺陷、設計原因等，本文將從設計方面作為切入點，通過現場實例對汽化冷卻系統(tǒng)進行改造升級，進而達到降低事故率、提高煙道使用壽命的目的。
(一)冷卻水流量不足
冷卻水的持續(xù)供應是保證汽化冷卻煙道正常工作的必要條件。實踐中，各種因素都會導致冷卻水供應不足，如冷卻循環(huán)方式選擇不當。自然循環(huán)方式因吹煉初期煙氣溫度較低，水冷壁內的水汽化效果不明顯，導致無法迅速建立有效循環(huán)，造成煙道過燒；煙道設計不合理。受空間影響，尾部煙道彎曲處角度過小，導致飽和蒸汽在此處續(xù)存而無法排出，造成局部冷卻水管長期過熱或發(fā)生水擊現象，循環(huán)水不能快速、有效地冷卻管壁，管壁超溫破裂漏水。
(二)轉爐煙道腐蝕沖刷
轉爐煉鋼生產過程中會產生大量的含塵爐氣，包括煙氣和煙塵。其中，煙氣的主要成分為一氧化碳、二氧化碳、氮氣、氧氣等，經汽化冷卻系統(tǒng)及一次除塵系統(tǒng)處理后回收至煤氣柜或放散；煙塵的主要成分為鐵氧化物、氧化鈣、二氧化硅及其他微量成分，這些微小的顆粒狀物質在經過汽化冷卻煙道時具有溫度高、流速快、硬度大等特點，必然會對汽化冷卻煙道的內壁產生強烈沖刷磨蝕，時間久了就會造成煙道內壁管及焊肉減薄，進而造成漏水事故。
(三)交變溫差影響
受轉爐冶煉工藝的影響，從吹煉開始時，煙氣溫度會急劇上升至 1400～1600℃，使煙道熱負荷急劇增加，而停止吹煉后，煙氣溫度則會急劇下降，煙道的熱負荷急劇減小。以 100t 轉爐為例，每爐鋼冶煉周期為30～35min，吹煉時間為14min左右，煙道頻繁受到熱應力影響，或因環(huán)保限產、定修計劃安排等特殊情況，停爐時間甚至更長，煙氣溫差也更大，這種熱負荷的頻繁、劇烈波動，導致汽化冷卻煙道時刻受到交變應力的作用，汽化冷卻煙道的工作狀態(tài)一直處于動態(tài)變化中。在此惡劣的工況下，設計、選材、制作、安裝、使用中各環(huán)節(jié)存在的任何紕漏，都會造成煙道的熱疲勞，最終導致冷卻水管開裂、漏水的情況。
(四)水質不合格的影響
1.汽化系統(tǒng)加藥
轉爐汽化系統(tǒng)對冷卻水的水質要求較高，懸浮物、膠體等以污垢形式沉淀，可能會堵塞管路，造成循環(huán)不暢；無機的陽離子、陰離子等形成有腐蝕性的鹽和堿性化合物，這些腐蝕性化合物會使管壁腐蝕、減薄，甚至穿孔。保證汽化系統(tǒng)運行中水質的良好與穩(wěn)定，能有效降低腐蝕、結垢及應力對系統(tǒng)造成的損害，對延長煙道使用壽命、保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行起著重要作用。通常，可以通過對汽化冷卻水加藥來解決，水處理化學藥劑方案包括以下幾個方面：補水pH值調節(jié)；化學除氧；鍋爐爐內阻垢緩蝕處理；分散劑處理，即分散鍋爐水中的鐵、鈣及其他顆粒物質。汽化冷卻系統(tǒng)運行水質要求見表1。
2.汽化冷卻系統(tǒng)煮爐
汽化冷卻系統(tǒng)設備及管件在制造、運輸、安裝的過程中，受熱面管子、聯(lián)箱等部件的內壁均會不可避免的產生氧化鐵皮、鐵銹及焊渣等雜質，這些雜質和硅化物如不在投產前除去，則會在余熱鍋爐運行中，使傳熱惡化，破壞鍋爐水循環(huán)，使管子過熱而損壞，同時也會使金屬內壁腐蝕變薄、穿孔，甚至爆管。為提高余熱鍋爐的熱能利用效率，確保其安全、經濟、可靠的運行，需要對余熱鍋爐系統(tǒng)進行煮爐，以清除氧化物、硅化物、油脂等雜質。
(五)設計原因
汽化冷卻系統(tǒng)設計時對于汽包、除氧器的選型、容積，煙道的排管，高壓泵、低壓泵、給水泵流量和揚程的選擇，過濾器的選型，管損的計算，熱力學計算模型的建立等，均對汽化冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起著關鍵性的作用。
三、改進措施
以某鋼廠新建 100t 轉爐為例，汽化冷卻系統(tǒng)采用強制循環(huán)冷卻和自然循環(huán)冷卻相結合的復合循環(huán)冷卻方式。強制循環(huán)冷卻又分為高壓強制循環(huán)冷卻和低壓強制循環(huán)冷卻，其中，裙罩、氧槍口、副槍口、下料管水套采用低壓強制循環(huán)冷卻，爐口段、移動段采用高壓強制循環(huán)冷卻，中直段、末段采用自然循環(huán)冷卻；煙道截面為圓形，節(jié)圓直徑為 DN2800，為防止積渣，煙道拐點角度為55°，煙氣流速約為24m/s，煙道總長度50m，煙道總受熱輻射圍檔面積約為480m2 ；汽包設計壓力為 4.3MPa，工作壓力為 3.0～3.5MPa，容積約為60m3 ，為保證末段建立有效的自然循環(huán)，在汽包內部增加隔板，以形成足夠的液位差；除氧器的除氧能力為 30t/h，除氧水箱容積為 30m3 ，設計壓力為0.6MPa；為了便于運行管理，實現汽化冷卻系統(tǒng)的自動控制，每座轉爐汽化冷卻裝置設置2臺鍋爐給水泵(開1備1)。汽包及除氧器上設安全閥，汽包、除氧器設有放散消聲器和安全閥排放消聲器。
(一)末段循環(huán)方式改造
1.現狀描述
現有設備的末段采用自然循環(huán)的方式進行冷卻，汽包內部橫向設置了隔板，末段下降管和強制循環(huán)上升管分別位于隔板兩側，吹煉初期可通過隔板迅速建立 450mm 左右的液位差，進而建立循環(huán)，吹煉中期和后期通過水的汽化建立循環(huán)。轉爐生產3個月后發(fā)現汽化冷卻煙道漏水，拆人孔檢查確定末段漏水，冷卻水管出現連續(xù)的橫向裂紋。
2.故障分析
汽化冷卻煙道在高溫條件下工作時，溫度并不恒定，而是急劇地、反復地變化的，由此造成了煙道的膨脹和收縮。煙道由于結構限制，無法自由縮放，內部就會產生內應力，溫度反復變化，熱應力也會隨之反復變化，從而使材料受到疲勞損傷，進而產生橫裂紋。同時，從吹煉開始至3～5min內，末段流量小于50t/ h，且波動明顯，說明冶煉初期未建立有效的循環(huán)，分析原因為末段煙道是蝦米彎結構，下部回轉角度較小，蒸汽會滯留在末段煙道橫向冷卻水管的上部，導致此部位持續(xù)過燒，進而對煙道造成損壞。
3.改進措施
經過綜合分析，計劃將末段高壓自然循環(huán)方式改成高壓自然循環(huán)與高壓強制循環(huán)并行的方式，需要在末段入口集箱前引入一路高壓強制循環(huán)管道，高壓強制循環(huán)管道為持續(xù)供水，從而有效保證吹煉初期自然循環(huán)尚未建立時，依然有強制循環(huán)系統(tǒng)給末段煙道供水，并在引入的高壓強制循環(huán)管道出口處增加射流裝置，射流裝置可以通過冷卻水高速流動帶動自然循環(huán)盡早建立。因汽包至末段入口集箱管道直徑為 Φ325，而末段冷卻水管直徑為 Φ51，所以可能導致部分高壓強制循環(huán)水順末段下降管回流至汽包，另一部分高壓強制循環(huán)水則會經入口集箱進入末段，這樣不但不能帶動自然循環(huán)，反而會導致自然循環(huán)徹底停擺，甚至影響整個高壓循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定。而如果射流裝置順下降管方向安裝，就避免了高壓強制循環(huán)水回流至汽包的問題。
4.系統(tǒng)調試
(1)冷態(tài)調試
新增末段射流系統(tǒng)手動閥關閉，汽化系統(tǒng)正常運轉，緩慢開啟末段射流管道機械閥，每個點位停3min以使系統(tǒng)穩(wěn)定，全程記錄汽化系統(tǒng)的各項參數。因新增射流裝置主要影響爐口段、移動段、末段的供水情況，應著重統(tǒng)計這些數據，然后對數據進行分析，確認無誤后進行熱態(tài)。
(2)熱態(tài)調試
依托冷態(tài)調試的數據分析結論，進行熱態(tài)調試，調試期間安排專人用點溫槍實時監(jiān)測末段煙道溫度并記錄，若高于240℃或溫度急劇上升，則立即提槍，停止冶煉，防止發(fā)生煙道爆管事故。熱態(tài)調試參數見表2。
5.措施效果評價
對試驗數據進行分析得出結論：冶煉開始，末段由新增的射流裝置供水，流量穩(wěn)定，隨著冶煉的進行，自然循環(huán)被射流裝置帶動，末段流量逐步增大，至冶煉中、后期，末段冷卻水得到充分汽化，流量明顯增大，建立起穩(wěn)定的循環(huán)。
(二)低壓循環(huán)系統(tǒng)改造
1.現狀描述
現有低壓循環(huán)系統(tǒng)主要包括除氧器、低壓泵、裙罩、氧槍口、副槍口、下料管水套等，循環(huán)方式為：除氧器內的二級除鹽水通過下降管進入低壓泵，然后進入裙罩、氧槍口、副槍口、下料管水套，再經過上升管回流至除氧器。汽化冷卻系統(tǒng)運行中發(fā)現低壓循環(huán)系統(tǒng)冷卻水流量頻繁低報警，有時甚至是低低報警，造成飛槍故障。
2.故障分析
經過研究分析發(fā)現，正常運轉情況下，低壓循環(huán)系統(tǒng)各設備的流量偏低，流量總和與低壓泵的額定流量差距較大。造成流量偏低的原因主要有：上升管安裝位置較高，超過了低壓泵的設計揚程，造成低壓泵出口壓力偏大；低壓泵入口安裝有Y型過濾器，用來過濾、攔截管道中的雜質，而此類型過濾器阻力較大，通過性差；清理過濾器發(fā)現雜質較多，堵塞濾網；管道距離較長，錯綜復雜，造成的管損較大；低壓循環(huán)系統(tǒng)各設備的流量與氧槍吹煉有連鎖保護，流量低于設置值時則自動提槍，目的是避免煙道過燒。研究發(fā)現，其原因為冷卻水經過低壓泵后會產生少量氣泡，汽包經過流量計時造成流量計采集數據不準，待氣泡通過流量計觸點后，流量又恢復到正常值。
3.改進措施
經研究決定，計劃降低壓強制循環(huán)系統(tǒng)的上升管高度至3m，在保證汽水混合物順利回流的前提下，減小低壓泵出口的壓力；將低壓泵入口的Y型過濾器更換為籃式過濾器，降低阻力，增加冷卻水的通過性；低壓系統(tǒng)勤排污，定期清理過濾網；更改自動提槍的連鎖條件，將低壓循環(huán)系統(tǒng)的流量報警與自動提槍連鎖條件延遲10s，即流量持續(xù)低于報警值10s以上，才會自動提槍。
4.系統(tǒng)調試
以上改進措施均完成后，啟動低壓泵，觀察各系統(tǒng)的參數進行冷態(tài)調試，無問題后進行熱態(tài)調試。經過多輪熱試發(fā)現，低壓系統(tǒng)各設備的流量均有不同程度的上漲，較改造之前有明顯提升，只偶爾出現低低報警，均在2～5s內恢復到正常值，10s的延遲報警杜絕了誤判的風險。
5.措施效果評價
經過多項措施的改進與調試驗證，汽化低壓循環(huán)系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運行，系統(tǒng)流量低和低低報警飛槍的問題均得到解決。綜上所述，汽化低壓循環(huán)系統(tǒng)改造的多項措施對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、延長低壓系統(tǒng)各段設備的使用壽命及減少事故率有利。
四、結束語
本文從設計、制造、運行調試等方面入手，對轉爐汽化冷卻系統(tǒng)的常見故障進行了分析，并提出了改進建議。同時，通過實例對典型問題進行了深入的剖析，結合多項措施確保了汽化冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，保障了生產的順暢，也延長了汽化冷卻系統(tǒng)設備的使用壽命及安全性。