步進梁式加熱爐水冷系統的改造與應用

覃永國，趙子祥，萬 喜，韋華興

（柳州鋼鐵股份有限公司，廣西柳州545002）

20 世紀90 年代，步進梁式加熱爐汽化冷卻技術開始在國內運用，隨著技術的不斷成熟，憑借技術優勢，目前步進梁式加熱爐汽化冷卻已得到普遍應用[1-2]。某企業一步進梁式加熱爐，建于2001 年，水梁采用水冷技術，該技術現已被列入高耗水工藝、技術和裝備淘汰目錄，為貫徹落實限時淘汰要求，以及企業自身節能降耗的需要，對該爐的水冷系統進行汽化冷卻改造。

1 加熱爐主要參數

該步進梁式加熱爐的用途是高線軋前鋼坯加熱，裝、出料方式是側進側出，側面和端部布置有調焰燒嘴12 個，頂部有平焰燒嘴30 個，采用換熱器預熱助燃空氣，縱梁和立柱均采用水冷，固定梁和活動梁管徑為Φ114 mm×20 mm。其主要參數如下：

加熱能力：110 t/h

有效爐底尺寸：10.7 m×21 m

坯料斷面尺寸：165 mm×165 mm

燃料種類：焦爐煤氣

加熱溫度：1 050～1 150 ℃

水梁冷卻方式：水冷

冷卻水流量：360～600 m3/h

2 改造方案及內容

2.1 改造內容

新增汽化冷卻系統，包括新建鋼結構汽包平臺，設備基礎，鋪設連接汽化冷卻系統到工廠之間的軟水管和蒸汽管，增加設備包括軟水箱、軟水泵、除氧器和除氧水箱、給水泵、加藥裝置、汽包、循環泵、汽化冷卻系統管道、上下聯箱，電器自動化設備，包括操作箱、檢測儀表、電動閥、上位機、PLC 系統等，以及新增汽化冷卻控制系統。

對原加熱爐水冷系統進行改造。原水梁水冷系統管道全部拆除、更換，爐內水梁及立柱全部拆除，重新設計、制作、安裝，水梁雙立柱位置重新設計、調整。因雙立柱位置調整，加熱爐下部鋼結構、水封槽、以及步進機械均需要進行對應的修改或重新開孔，相應部位的耐火材料也需要拆除重砌。

2.2 水循環可靠性計算

爐底管中水循環流動是否正常是決定爐底水梁安全的關鍵，若爐底管中發生流動倒流、停滯、汽水分層或脈動，常會導致爐底管燒壞、出現裂紋。設計中最主要的是應防止出現汽水分層[3]，各回路實際循環流速W應大于臨界循環流速Wlj[4]。

式中：P—汽包蒸汽絕對壓力，kg/cm2

qn—按爐底管內徑計算的熱強度，×4.18 kJ/（m2·h）

d—爐底管內徑，mm

爐底水梁管徑均為Φ114 mm×20 mm，汽包壓力范圍0.8～1.2 MPa,其中，活動梁兩組循環回路流量一致，固定梁3 組循環回路流量也都一樣。由式（1）可知，汽包壓力越大，熱強度越大，對應的臨界循環流速越大，因此，選擇溫度高的回路Ⅱ和回路Ⅲ、汽包壓力1.2 MPa、水梁包扎脫落嚴重、以及循環回路流量在下限時的工況條件下進行計算。該工況是系統最差的運行狀態，若該條件下，回路實際循環流速大于臨界循環流速，那么其他工況下也就不存在此問題。計算結果見表1。

表1 循環可靠性計算結果

從表1 看出，兩組循環回路的實際循環流速均大于臨界循環流速，因此水梁中不會出現汽水分層危險，水循環是安全可靠的。

汽化冷卻系統中循環泵的選擇，必須滿足克服水循環系統的阻力和每個回路流速要求。該加熱爐汽化冷卻共5 個循環回路，考慮一定的富余量，循環泵選擇單臺流量320 m3/h，揚程0.55 MPa。

2.3 水梁及立柱設計

縱梁采用上下雙管結構，水梁立柱有雙立柱和單立柱兩種形式。

縱水梁由立柱支撐，單立柱的設計可有效減少立柱表面積，同時減少爐底開孔面積，實現節能。單立柱采用巧妙的套管設計, 在中間套管頂端開斜剖口，剖口迎著汽水混合物的來流方向，如圖1 所示。立柱內套管熱負荷較小，溫度低，因此冷卻介質密度較大，而外管在高溫爐氣中受熱，溫度高，冷卻介質的密度較小，使內外套管間冷卻介質形成密度差而自然循環流動，達到冷卻立柱目的。

圖1 單立柱結構示意圖

2.4 水梁錯位布置

沿加熱爐長度方向，在加熱段與均熱段交界處，將固定梁和活動梁分段，分段后，縱梁在爐寬方向上錯開布置，這樣，鋼坯在加熱段形成水梁“黑印”。在進入均熱段后，之前形成的黑印經梁錯位后逐漸減輕，而進入均熱段后的水梁“黑印”則是剛形成，還不嚴重，因此可最大程度減少鋼坯水梁“黑印”，一般“黑印”溫差可減少15～20 ℃[5]。實測165 mm×165 mm方坯加熱出爐后采用錯位梁，鋼坯的水梁黑印相對直線梁降低了16 ℃。

2.5 安全措施

爐底水管承受著爐內鋼坯的全部重量，工作于爐內高溫環境中，其熱負荷較大，若得不到冷卻，將很快被壓塌。加熱爐爐內溫度高達1 250 ℃，故障時，即使立即關閉燒嘴停爐，爐內溫度也不會很快降下來，因此，汽化冷卻系統可靠的安全措施非常重要。

（1）備用泵。電動軟水泵、汽包給水泵及循環水泵均設備用泵，當其中一臺故障時，另一臺電動泵立即啟動。

（2）停電應急措施。汽包給水泵、循環水泵分別備了柴油泵，若出現停電，電動汽包給水泵、循環水泵無法運行或兩臺電動泵同時有故障，此時柴油泵啟動，確保汽化冷卻系統維持運行。

（3）停水應急措施。軟水箱接入保安工業水作為緊急補水，當停電或軟水停供時，向軟水箱緊急補水。

（4）超壓保護。當汽包壓力超高，汽包上的安全閥自動開啟泄壓。

3 強制循環汽化冷卻系統組成

3.1 汽化冷卻系統工作過程

加熱爐汽化冷卻系統構成如圖2 所示。汽化冷卻系統使用軟水作為冷卻介質，軟水由工廠管網提供，經軟水管接入軟水箱，經軟水泵送入除氧器，在除氧器內經熱力除氧后在給水泵前由加藥系統加入磷酸三鈉，再經給水泵加壓送入汽包。汽包中的飽和水經兩根下降集管，由循環水泵加壓后分成兩路，一路接至固定梁入口聯箱，另一路接至活動梁入口聯箱。

圖2 加熱爐汽化冷卻系統構成示意圖

固定梁循環系統：固定梁入口聯箱出來的飽和水分成3 路，分別接入固定梁立柱，依次流經3 根固定梁后從最后一根立柱進入上升支管，3 個循環回路匯合至出口聯箱，經上升集管最后返回汽包。

活動梁循環系統：活動梁入口聯箱出來的飽和水分成兩路，分別接入活動梁立柱，依次流經4 根活動梁后從最后一根立柱進入上升支管，兩個循環回路匯合至出口聯箱，經上升集管最后返回汽包。

正常運行過程中，返回汽包的汽水混合物，在汽包內進行汽水分離后，上方是飽和蒸汽，下方是飽和水，蒸汽外送公司蒸汽管網，回收利用。

3.2 汽化冷卻系統組成

3.2.1 除氧、給水系統

該系統主要包括：一個軟水箱、兩臺電動軟水泵、一個除氧器和除氧水箱、一套加藥裝置、兩臺電動給水泵、一臺柴油機給水泵及控制閥組。

對汽化冷卻的給水進行除氧，以防止水梁內表面受水中氣體的腐蝕。從汽包引入蒸汽至除氧器加熱給水，當給水通過噴嘴噴灑下落，與上升的蒸汽流相遇，被迅速加熱到沸騰溫度，溶解于水中的氣體全部逸出排除。

軟水箱的容積VS應考慮停水故障水梁安全，其計算由下式表示：

式中：Dmax—汽化冷卻裝置每小時的最大蒸發量，t/h

本次改造的加熱爐汽化冷卻最大蒸發量為6.7 t/h，選擇軟水箱容積為15 m3，軟水箱容積為最大蒸發量的2.2 倍。

3.2.2 汽包

汽包的作用是儲存一定水量，與管道連接構成閉路循環，并將返回汽包的汽水混合物加以分離，獲得一定品質的蒸汽。

正常運行時，汽包內水位以上部分稱為蒸汽空間，以下部分稱為水空間，水空間的容積（水容積）應能滿足發生事故情況下，緊急操作時間內的耗水量。

水容積V2計算由下式表示：

式中：t—存水時間，一般≥30～40 min，min

D—蒸發量，t/h

v′—水的比容，m3/t

本次改造的加熱爐汽化冷卻蒸發量為3～5 t/h，汽包尺寸為DN1 600 mm，L=5 m，運行時正常按中水位控制，則水容積為5 m3，存水時間為60～100 min。

3.2.3 循環水泵

配置三臺循環水泵，其中兩臺循環水泵是電機驅動，另一臺是柴油機驅動，作為停電事故備用。

3.2.4 水梁循環回路

加熱爐水梁沿長度方案在中間斷開，如圖1 所示，裝料端設有4 根固定梁+4 根活動梁，出料端設有5 根固定梁+4 根活動梁，每3 根固定梁及其立柱串聯形成一個循環回路，每4 根活動梁及其立柱串聯形成一個循環回路，共5 個循環回路。

3.2.5 取樣系統

為了檢查水質，系統設置有除氧水取樣冷卻器、汽包水取樣冷卻器、給水泵出口取樣點接口等。

3.2.6 排污系統汽包內水在不斷的循環和蒸汽蒸發過程中，水中的堿度會有所提高，為了保證汽包水質，需進行排污。汽化冷卻系統中的排污水進入排污擴容器，擴容減壓二次蒸發后，進入排水系統。

3.3 控制系統

3.3.1 汽包控制

汽包的蒸汽主管設有流量計、壓力調節閥，汽包水位和汽包壓力均為自動控制。汽包水位采用蒸汽流量、給水流量和汽包水位三個信號組成的三沖量調節；汽包壓力由雙調節閥控制，運行中使汽包壓力保持穩定。汽包設有一套雙色玻璃板就地水位計及一套磁翻板就地水位計，同時設有兩套獨立的遠傳水位信號指示。

3.3.2 除氧器水位、壓力控制

蒸汽管網來的蒸汽經過減壓閥降壓后，經過除氧器壓力調節閥通入除氧器，系統通過調節壓力調節閥開度以調節除氧器壓力。除氧水箱設置一臺磁翻板液位計測量除氧水箱液位，除氧水箱的水位和除氧器的壓力均采用自動調節閥控制。

3.3.3 水梁冷卻回路調節

在每一循環回路的進水管上均設置了流量測量及手動調節閥，調節每一回路循環流量。運行中，當某一回路的循環水流量低于設定值時發出報警，通過調整手動調節閥的開度，使該回路的流量恢復正常。

4 應用效果分析

（1）減少熱損失，降低煤氣消耗。水冷卻時，冷卻水出口溫度要控制在50 ℃以下，而汽化冷卻冷卻介質溫度可達170～190 ℃。汽化冷卻熱負荷大，冷卻介質溫度高，水梁溫度也有提高，水梁冷卻熱損失減少。相比于改造前，改造后噸鋼煤氣耗降低3.6 m3，下降了5.8%，每年可創效350 萬元。

（2）余熱回收利用。水冷卻產生的50 ℃的熱水，沒有利用價值，還得經冷卻塔冷卻，而汽化冷卻可把冷卻水梁的熱損失以飽和蒸汽的形式外送公司蒸汽管網加以利用。該加熱爐采用汽化冷卻后，外送蒸汽量為2.8 t/h，每生產一噸鋼可外送蒸汽32 kg，每年可創效180 萬元。

（3）用水節電。汽化冷卻是利用水汽化潛熱來帶走水梁熱量，理論上，在爐底熱負荷相同的情況下，汽化冷卻的耗水量僅為水冷的1/30 左右[4]。汽化冷卻在安全的循環倍率下運行，系統的循環流量為水冷卻時的0.5～0.7 倍，節水的同時，還降低了系統運行電耗成本。

（4）減輕水梁“黑印”，提高加熱質量。采用汽化冷卻，水梁表面溫度比水冷卻時高，因此，水梁“黑印”相對較輕，鋼溫均勻性更好。

（5）冷卻效果可靠，減少爐底水管故障。水冷時容易產生結垢現象，導致水梁故障，被迫停爐處理。汽化冷卻使用軟水作為冷卻介質，并經除氧處理，對水梁的腐蝕極小，不會造成結垢，因此，不易出現故障。

（6）有助于提高加熱爐產量。因水梁“黑印”減輕，減少了使鋼坯溫度均勻需要的在爐時間，可適當提高出鋼節奏，提高產量。

5 結論

（1）步進梁式加熱爐水梁由水冷卻改汽化冷卻，主要改造內容包括新增汽化冷卻系統，對原加熱爐水冷系統進行改造，爐內水梁及立柱全部拆除，重新設計、制作、安裝。

（2）汽化冷卻系統相對于水冷卻，通過降低煤氣消耗、蒸汽回收利用，本次改造加熱爐工序能耗降低了4.95 kgce/t，下降14%。節能減排效果顯著，推廣應用價值高。