青钢2号高炉气密箱冷却水系统优化改进实践

赵 强，薛 君，张宏星，潘积国

（青岛特殊钢铁有限公司，山东 青岛266409）

青钢2号高炉气密箱冷却水系统优化改进实践

赵 强，薛 君，张宏星，潘积国

（青岛特殊钢铁有限公司，山东 青岛266409）

青特钢2号高炉气密箱水冷管路系统采用开路冷却方式，在系统调试过程中，发生断流、击穿水封甚至往炉内溢水的现象。经过优化改进系统管路布置、增加连通管、设置排气装置等措施，没有再发生断流现象，高炉冷却水系统运行稳定，炉顶设备整体运行效果良好。

高炉；炉顶设备；气密箱；冷却水系统；管路

1 前言

青岛特钢2号高炉于2016年10月12日正式开炉投产，有效容积为1800m3。高炉设2个出铁口，26个风口，年产生铁161万t。2号高炉以“高效、低耗、优质、长寿、环保”为设计理念，总体工艺装备水平达到国内同类型高炉的先进水平。其中，炉顶无料钟装料系统采用首钢国际型串罐式，气密箱作为该系统最关键的设备，采用开路冷却形式。在高炉调试过程中发现气密箱冷却系统存在断流、溢水等问题，为此，对气密箱冷却系统进行优化改进。

2 气密箱冷却水系统设计

2.1 炉顶设备

炉顶设备结构主要分为7个部分：固定受料罐、上料闸、上密封阀、称量罐（包括电子称）、联体阀（包括料流调节阀和下密封阀）、波纹管、布料装置（包括气密箱和布料溜槽），见图1。主要有5个配套系统：液压系统、干油润滑系统、均压放散系统、水冷气密齿轮箱冷却系统、上密封阀蒸汽加热系统。

图1 炉顶装料设备组成

2.2 气密箱的使用要求

气密箱是无料钟炉顶装料设备的最关键设备，也是高炉生产关键设备之一，位于高炉炉顶装料设备最下部，直接面对高炉顶部。受炉内高温煤气流影响，工作环境恶劣，正常情况下炉顶煤气温度约150～250℃，异常时短时间内可能达到600℃。为了保护气密箱并使其正常工作，要求保证气密箱内的温度在70℃以下，为此设置了气密箱氮气密封和水冷却系统。早期的气密箱全采用氮气密封和冷却，氮气消耗量大，同时氮气进入高炉会使高炉煤气贫化，降低煤气发热值。有些高炉采用高炉煤气加压作为气密箱的冷却和密封介质，从而消除煤气贫化现象[1]。近年来，发展了水冷气密箱，气密箱主要用水来冷却，氮气仅作为气封使用。

2.3 冷却水系统设计

气密箱冷却水系统主要有密闭循环冷却和开路冷却两种[2]。前者采用软水冷却，设置独立的密闭循环系统，系统复杂，维护量大，运行费用高，一些进口型布料器水冷系统采用这种形式，如图2所示[3]。2号高炉气密箱采用开路冷却方式，其使用介质为工业水，水质易控制，系统结构简单，维护量小，运行费用低，其缺点是容易因炉顶压力波动或操作不当造成系统击穿或漏水。2号高炉气密箱冷却水系统设计进水温度约35℃，冷却后回水温度约40℃；正常水量为5～15m3/h。供水源来自高炉本体工业净环水系统，供水压力为0.68 MPa，经减压后供水压力为0.4～0.5 MPa。其系统流程见图3。

图2 进口型布料器水冷系统工作原理示意图

图3 2号高炉气密箱冷却水系统流程

2.4 气密箱水冷却系统调试

2016年6月16日高炉进行试压检漏，试压炉顶压力达到150 kPa，在此过程中，炉顶气密箱进行了3次通水试验调试。

第1次通水试验。高炉升压前，冷却水系统供水流量共12.4m3/h（主管路8.4m3/h，备用管路4m3/h），供水压力0.3 MPa（表压），经过减压阀后为0.15 MPa，此时，系统运行正常稳定。当炉内顶压升压达到100 kPa左右时，供水量降至7m3/h以下，供水压力上升至0.2 MPa左右。一段时间后，排水管出口突然断水，紧接着又急速排出一柱水，然后又断水，大约20 s时间不见出水，为了防止向炉内大量漏水，现场立刻切断了供水。经过初步分析，原因是供水压力不足而导致系统波动较大，造成断水。供水阀组至气密箱进口高差9.2m，加上供水管路阻损0～2m（与流量有关）和炉内压力0.1 MPa，供水压力0.15 MPa显然不足，设计要求经减压后供水压力达到0.4～0.5 MPa。由于试验时高炉本体工业净环水泵未全部投入使用，出口压力未升至设计值1.0 MPa，使得气密箱供水压力不足，因此决定提高供水压力。

第2次通水试验。初始供水流量共12.1m3/h（主管路4.1m3/h，备用管路8m3/h），供水压力0.3 MPa（供水泵与1号高炉系统共用，供水受限），经过减压阀后压力为0.28 MPa。当炉内顶压升压达到100 kPa左右时，供水量降至8.9m3/h，此时排水出口水流发生变化，时断时续，最后一段时间不见出水，现场立即停水。高炉泄压后，打开炉顶人孔观察炉内情况，发现气密箱有从中心喉管处炉内漏水的痕迹，少量水顺溜槽打到了炉墙上，十字测温装置上部有明显水痕，并有少量存水，判断为气密箱水槽少量溢水。分析认为可能是刚开始时供水量过大所致，初始供水量最好＜5m3/h，待升压稳定后再逐步加大水量。

第3次通水试验。本次试验主要目的一是试验水冷系统最大供水能力，二是排查溢水的原因。在炉内无压状态下，对主管路和备用管路分别进行试验。主管路减压阀前供水压力0.4 MPa，阀后0.15 MPa，最大水量11m3/h；备用管路减压阀前供水压力0.4 MPa，阀后0.25 MPa，最大水量15m3/h（实际还可以通更大水量）。为满足阀后供水压力要求，对主管路减压阀进行了调节。然后备用管路保持关闭状态，主管路通水5m3/h，减压阀后供水压力0.3 MPa。炉内逐步升压至100 kPa，系统没有断水；加大供水量至6.9m3/h，系统运行正常；炉内再逐步升压至145 kPa，水量降至5.4m3/h，水流开始波动，并出现断流现象1～3 s；加大水量至10.9m3/h，出现断流超过1min，之后水封被击穿，炉顶排气管喷出水汽，停止试验。但本次打开人孔观察后，没有发现往炉内溢水情况。

经过排查现场管路和阀门情况，发现现场施工时对部分排水管道路进行了调整。在关键高度位置，水平管道过长，当炉内压力波动时，水位随之产生波动，造成水流时断时续甚至断流。因此，需要重新调整管路布置并优化排水管路系统设计。

3 冷却水系统优化及改进

3.1 管路排气装置设计

根据现场试验调试结果情况，在下水管与气密箱之间增加1根联通管，并设置了排气装置。其作用一是为了确保气密箱4根DN80冷却水出水管排水顺畅；二是考虑到U型水封下水管压力稳定，起到均匀作用；三是解决管内排气问题，使下水管内气体直接回流至气密箱，不与出水口水流形成逆流之势。

3.2 排水管路改进

排水管路修改是本次冷却水系统改进的关键措施。通过计算并结合现场情况，优化了管路设计以及重新布置了管路，如图4所示。

图4 管路修改前后情况示意图

1）把U型水封下水管由DN100改为DN150，保证管内气体回流顺畅，并且下水管直径大于上水管直径，可起到一定缓冲作用，能更好地适应管内压力波动。

2）将水平管段由+31.850m改至+37.850m平台上，同时把+10.600m平台下未按图施工的水平管段改为斜管段，大大减少了补充水体积，降低了出水口水流时断时续以及断流现象的发生。

3）增加了水封高度约3m，由+31.850m抬高至+34.800m，出水口由+23.450m平台排水斗改为排至+32.850m平台排水斗，减小了虹吸效应，同时增加水封高度有利于降低水封被击穿的可能性。

4）在排水管上水管段增加1套电磁流量计，用于监测回水流量情况，以便将来生产中随时检查气密箱是否往炉内溢水。

4 设备运行情况

管路优化改进后，系统重新调试，水量加大到15m3/h，再没有发生断流现象，保证了高炉顺利投产。2号高炉投产近半年以来，气密箱冷却系统运行稳定，效果良好，从未发生炉顶气密箱内温度高影响装料的问题。目前高炉运行顶压174 kPa；顶温150～170℃，最大约200℃；冷却水供、回水流量12.9m3/h，控制在10m3/h以上，供、回水量一致，波动小；供水压力0.5 MPa，减压阀后压力0.34 MPa；供水温度27.4℃，回水温度37.1℃，温差达到近10℃；气密箱使用氮气量840～900m3/h；气密箱内温度24.3℃。

5 结语

无料钟炉顶装料设备是高炉生产关键设备之一，其气密箱使用寿命长短取决于润滑、密封、冷却系统效果好坏。气密箱采用开路水冷却方式容易发生断流、水封击穿和溢水问题，设计和施工时需要考虑管路排气和水封管路布置合理性。冷却水系统建议设置供、回水流量计，并在高炉中控室进行实时监测，以便发现断流或往炉内溢水的情况并及时采取措施。青钢2号高炉炉顶设备水冷系统的优化改进取得较好运行效果，同时在系统调试和管路优化改进过程中，操作人员提高了对该冷却系统的认识，掌握了调节方法，为今后系统稳定运行提供了保障。当炉顶设备运行稳定，气密箱温度较低时，可适当减少氮气量和冷却水量，以节约运行成本。

[1]朱来宝.3号高炉气密箱水冷系统的设计及应用[J].梅钢科技，1996（4）：43-45.

[2]周龙义.高炉无料钟炉顶齿轮箱水冷技术新进展[C]//中国金属学会.2012年全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会文集（下）.北京：2012：521-524.

[3]蒋锋.PW无料钟炉顶设备的消化吸收及使用维护 [J].炼铁，1999，18（Z）：70-74.

TF085

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1004-4620（2017）04-0067-03

2017-05-16

赵强，男，1981年生，2004年毕业于青岛科技大学机械工程及其自动化专业。现为青岛特殊钢铁有限公司工程师，从事设备管理工作。