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高炉软水冷却系统设计若干问题的探讨

时间:2020-02-07 03:40来源:中冶南方工程 作者:潘钊彬 点击:
  • 摘  要  从联合软水系统和独立软水系统的比较、风口小套是否单独设置工业净循环开路冷却、冷却壁分段调水、是否采用双层水冷冷却壁、若干冷却参数的选取等方面对高炉软水系统设计进行了分析和探讨,并给出了自己的观点和建议。

    关键词  高炉  联合软水  风口小套  冷却壁


    高炉冷却系统的好坏直接关系到各种冷却设备的寿命,从而影响整个高炉的寿命。软水密闭循环冷却系统具有不结垢、无污染、冷却效果好、余压完全得到利用、能耗低、泄漏少、自动化程度高、运行安全可靠等诸多优点,在国内外大中型高炉上已得到了广泛应用。软水密闭循环冷却代替工业净环水冷却已是大势所趋。

    经过不断的改进和完善,软水密闭循环冷却工艺已日趋成熟,但是软水冷却系统设计在一些细节上尚有争议。本文将从这些细节上对软水系统设计进行探讨。

    1  联合软水系统和独立软水系统的比较

    高炉软水密闭循环冷却系统主要由供水泵组、供回水主管及支管、冷却器、脱汽罐和膨胀罐、热交换器及二次水系统、仪表检测及自动控制系统、软水补水系统组成。按系统的组成特点,可分为联合软水密闭循环冷却系统(以下简称联合软水)和独立软水密闭循环冷却系统(以下简称独立软水)两种方案。

    联合软水方案:通过串联与并联的方式,将炉底、冷却壁、风口各套、直吹管、热风阀等子系统合并成一个系统,系统由冷却壁一级冷却回路和风口、热风阀二级冷却回路组成,仅需设置一套膨胀罐、脱汽罐、换热器及二次水系统。

    独立软水方案:各区域冷却器单独加压供水,各系统相互独立,有多套膨胀罐、脱汽罐、换热器及二次水系统。

    下面从投资成本、运行能耗及可靠性等三个方面对上述两种方案进行对比分析。

    从投资成本角度来看,在保证相同冷却效果的前提下,与独立软水相比,联合软水在柴油机泵数量、换热器数量、二次冷却泵组配置、管道材料量、脱气罐和膨胀罐及其检测元件的数量等方面的设备投资以及相应的土建结构投资均大大减少。经核算,一座5000m3级别的高炉,联合软水系统的投资成本要比独立软水系统节省30%。

    从运行能耗角度来看,联合软水的总循环水量远小于独立软水,相应的,其换热用的二次冷却水量也远小于独立软水,因此运行能耗大大减少。经核算,一座5000m3级别的高炉,联合软水系统一年的运行费用比独立软水系统节省12%。

    从系统可靠性角度来看,联合软水中各子系统在事故状态时可以互为备用。例如中压和高压加压系统中任一个系统出现故障且备用系统也无法启动时,另一个系统的备用系统会自动启动,充当其该系统备用角色。而当中压和高压加压系统出现故障且备用设施均无法启动时,冷却壁及炉底主冷却系统可通过回水总管的气动调节阀门自动调节,将一部分冷却水调剂给中压及高压水系统,充当备用角色。这种相互备用的模式多达十几种情况,较独立软水而言,大大提高了系统运行的可靠性。

    综上所述,与独立软水系统相比,联合软水系统在投资成本、运行能耗、可靠性等方面具有明显优势,新建高炉应采用联合软水密闭循环冷却系统。

    2  风口小套是否单独设置工业水开路循环冷却

    有些钢厂将风口小套冷却从联合软水系统中分离出来,单独设置工业水开路循环冷却,理由是联合软水系统中风口小套检漏不方便,且风口小套更换频繁,会影响到系统其它用户的正常运行。事实上,联合软水系统中风口小套的检漏并没有想象中那么复杂和困难。与开路工业水相比,联合软水系统通过完善的自动化检测手段一样可以实现检漏,甚至更快捷,更高效。联合软水系统在风口小套进出水支管上均设有高精度流量计,压力计及温度计,同时具备报警功能和历史趋势曲线,结合系统的水位监控、自动补水、破损报警等功能,可以非常快捷高效地实现小套自动检漏,大大减少人工检漏的工作量。同时,风口小套还设置了事故水处理系统,当个别风口产生微漏时,微漏风口可通过专门设置的管路切换成工业水冷却,不影响系统其它用户的正常运行。

    以武钢为代表的部分采用联合软水系统的钢厂,经过不断的实践和摸索,已经总结出一套行之有效的高炉检漏方法,能够熟练、快速地实现冷却壁、风口中套、风口小套等用户的检漏,系统运行非常平稳。

    由于联合软水系统中风口小套能够实现快捷高效的自动化检漏,不会影响到其他用户的正常运行,加上联合软水系统固有的不结垢、无污染、能耗低、冷却效果好、自动化程度高、运行安全可靠等优点,对于新建高炉,建议风口小套冷却并入联合软水系统,对于老高炉改造或技术水平稍弱的钢厂,风口小套采用工业水开路循环冷却也是可以的。

    3  关于冷却壁分段调水

    目前采用软水冷却的高炉冷却壁配管方式普遍采用一串到顶的方式,也有少数厂家提出分段调水的方式。

    分段调水方式通过在炉腹及炉身中部分别设置环管及旁通分水管,将高炉沿高度方向分为炉底炉缸区、炉腹至炉身下部高热负荷区、炉身中上部区三个区域,各区域的水量独立可调。其目的是为了解决生产过程中炉腹及以上区域冷却强度与热负荷不匹配的问题,在生产中出现炉墙结厚时可以通过减小该区域水量来减小炉墙厚度,或者在炉役后期炉缸水量增加时维持该区域水量不变,防止高炉结厚。

    采用软水冷却的高炉,为及时带走水管中的气泡,避免气塞,冷却壁水速必须大于1。5m/s。根据传热学的研究,当水速超过1。5m/s后,水速的改变对冷却器冷却能力的影响非常有限,当水速超过2。0m/s后,这种影响已微乎其微。因此,想要通过小范围内调节中部水量即所谓的“中部调剂”来解决高炉结厚问题,其作用是非常有限的。采用分段调水,不仅增加投资、配管复杂、排汽不畅、维护难度增大、汽化冷却功能弱化,还会降低冷却壁抵抗炉内热流冲击的能力,从而加速冷却壁的损坏。

    因此,高炉应采用一串到顶的配管方式,如果出现炉墙结厚,应通过有针对性的上、下部调剂,结合调整冷却壁进水温度来进行炉况调节。

    4  关于是否采用双层水冷冷却壁

    实践表明,冷却壁的损坏与热震造成的热应力疲劳损坏有很大关系。生产过程中,冷却壁在热应力作用下,壁体产生微裂纹,在温度交变影响下,裂纹逐渐变深变大,最终拉裂水管,导致冷却壁损坏。有研究表明[1],冷却壁热面最高温度及热应力跟壁体厚度有关,在壁体厚度小于180 mm时,随着壁体厚度的增加,热面最高温度和热应力是下降的;当壁体厚度大于180 mm时,随着壁体厚度的增加,热面最高温度和热应力却快速上升。

    因此,冷却壁设计应兼顾冷却和厚度,在保证冷却能力的前提下,冷却壁应尽量减小厚度。对于双层水冷冷却壁,由于其外层水管处于低温区,冷却能力有限,却会大大增加冷却壁厚度,因此应尽量避免使用,如果非得使用,也应尽量压缩两层水管的间距,并适当减小外层水管直径,以减小冷却壁厚度。

    5  若干设计参数的选取

    5。1  冷却水量

    软水系统设计时,冷却水量一般分为基准水量和最大水量,分别对应开炉初期和炉役后期的炉况。高炉在不同的生产时期及不同的生产状况下,对冷却强度的需求是不一样的。初期热负荷相对稳定,不需要太高的冷却强度,维持基准水量即可。高炉生产到炉役中后期或异常侵蚀发生,需要提高冷却强度时,通过提高冷却水流速加大冷却水量,来降低内衬热面温度。

    在一定范围内,冷却器的冷却能力随着水速的增加而提高,当水速超过1.5m/s后,随着水速增加,冷却器冷却能力提高非常缓慢,当水速超过2.0m/s后,增加水速对提高冷却能力的作用已微乎其微。有些钢厂一味追求冷却强度,在设计基准水量时将流速取1.8m/s甚至2.0m/s,最大流速达到2.4m/s甚至更高。由于管道阻损与流速的平方成正比,因此流速过大必然带来管道阻损增大,水泵扬程也相应增加。在炉役初期,由于高炉不需要太高的冷却强度,系统总水量应调到基准水量甚至基准水量以下。这时,由于系统能力过大,需要通过大幅度减小系统末端阀门的开度来降低水量,一方面导致系统压力大幅度增大,危害系统运行安全,另一方面泵组长期不在最佳工况点工作,相当一部分扬程消耗在系统末端阀门处,能耗浪费严重,系统运行非常不经济。

    因此,基准设计流速和最大设计流速应控制在合理的范围内,不应过大。建议冷却壁基准流速取1.6m/s,最大流速取2.0m/s,这样既能保证炉役后期的冷却强度,又不影响系统运行安全,避免能耗过度浪费。

    5.2  冷却比表面积

    冷却壁设计的是否合理,能不能适应一代炉役不同阶段冷却强度的需要,冷却比表面积的选取至关重要。冷却比表面积是水管表面积与冷却壁表面积之比,计算公式为:K=p´D´L´n/S,式中D表示水管直径,L表示一块冷却壁水管有效冷却长度,n表示冷却壁块数,S表示该段冷却壁总表面积。冷却比表面积越大,说明冷却强度越大,冷却效果越好。通过对部分炉缸烧穿的高炉分析发现,冷却比表面积过小是导致炉缸烧穿的一个重要因素。冷却比表面积过小,冷却强度低,热量不能通过冷却水及时传导出去,炭砖前端不能形成有效凝铁层,在铁水环流冲刷、热应力、铁水熔蚀等作用下象脚区炭砖侵蚀加剧,最终导致炉缸烧穿。实践证明,合适的冷却比表面积范围在0.9~1.2之间,建议炉缸部位冷却比表面积不小于1.0。

    5.3  水泵扬程

    联合软水系统为闭路循环,回水静压力能够完全得到利用,水泵的扬程由系统的阻损决定。因此在选取水泵的扬程时,精确计算系统的阻损就显得十分关键。阻损的计算与管径、管长、阀门规格与数量、弯头规格与数量、水量、摩擦阻力系数、局部阻损系数等有关,计算时应精确统计管径、管长等数据以及合理确定摩擦阻力系数、局部阻损系数等参数。笔者在多个调试多个高炉软水系统时发现,系统各区域的实际阻损均小于理论计算值,系统实际总阻损远低于系统理论计算总阻损。这就意味着,根据理论阻损选取的水泵扬程要远高于系统实际总阻损。在实际运行过程中,需要大幅度调节系统末端阀门的开度,使系统总阻损与水泵扬程相匹配,从而获得设计水量值。人为增大系统阻损的结果就是水泵的扬程大量消耗在系统末端阀门上,能源浪费严重,另一方面,也使得系统压力升高,危害系统运行安全。据统计,部分高炉软水系统末端阀门处的阻损占系统总阻损的30~50%,造成运行能耗极大的浪费。

    因此,高炉设计者在选取水泵的扬程时,应精确统计软水系统各部位的管径、管长、阀门规格与数量等数据,同时合理取值摩擦阻力系数、局部阻损系数等参数,并根据以往高炉的运行情况对其进行不断修正,避免简单参考、照搬照套导致水泵扬程过大,系统运行能耗严重浪费。

    6  结语

    (1)与独立软水系统相比,联合软水系统在投资成本、运行能耗、维护管理等方面具有明显优势,新建高炉应采用联合软水密闭循环冷却系统。

    (2)联合软水系统中风口小套能够实现快捷高效的自动化检漏,不会影响到其他用户的正常运行,加上联合软水系统固有的不结垢、无污染、能耗低、冷却效果好、自动化程度高、运行安全可靠等优点,建议风口小套冷却并入联合软水系统,而不是单独设置工业净循环开路冷却。

    (3)分段调水量的方式对中部调节、防止结厚的作用非常有限,反而会降低冷却壁抵抗炉内热流冲击的能力,从而影响冷却壁的使用寿命。高炉应采用一串到顶的配管方式,如果出现炉墙结厚,应通过有针对性的上、下部调剂,结合调整冷却壁进水温度来进行炉况调节。

    (4)冷却壁设计应兼顾冷却和厚度,在保证冷却能力的前提下,冷却壁应尽量减小厚度。

    (5)软水系统基准设计流速和最大设计流速应在合理的范围内,不应过大。建议冷却壁基准流速取1.6m/s,最大流速取2.0m/s。

    (6)应重视冷却壁的冷却比表面积的选取。合适的冷却比表面积范围在0.9~1.2之间,建议炉缸部位冷却比表面积不小于1.0。

    (7)高炉设计者在选取水泵的扬程时,应精确统计软水系统各部位的管径、管长、阀门规格与数量等数据,同时合理取值摩擦阻力系数、局部阻损系数等参数,并根据以往高炉的运行情况对其进行不断修正,避免简单参考、照搬照套导致水泵扬程过大,系统运行能耗严重浪费。

    7  参考文献

    [1] 邓凯,程惠尔,吴俐俊,钱中。  结构参数对高炉冷却壁温度场及热应力分度的影响。 钢铁研究学报[J],2006,18(2):4。

    (责任编辑:zgltw)
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