王大中，馬維國，趙銳銳
北京鋼鐵設(shè)計研究總院，北京　100053

　　摘　要：為了將高爐在冶煉過程中產(chǎn)生大量的熱量散掉，需對高爐進(jìn)行冷卻。密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)優(yōu)于敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。通過設(shè)計實(shí)例，簡要介紹了軟水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在高爐循環(huán)冷卻中的應(yīng)用及設(shè)計要點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞：高爐；循環(huán)冷卻水；冷卻器
　　中圖分類號：TU991.41
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
　　文章編號： 1009-2455(2000)02-0016-03

概況

　　高爐在冶煉過程中產(chǎn)生大量的熱，如果不及時將這些熱量散掉，高爐的爐襯就會被侵蝕，直接影響高爐的壽命，因此，改善高爐冷卻效果是延長高爐壽命的重要因素。
　　傳統(tǒng)的高爐冷卻都是利用工業(yè)水作為冷卻介質(zhì)。采用敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。由于系統(tǒng)蒸發(fā)、風(fēng)吹、排污等原因水量損失較大，不宜使用成本高的優(yōu)質(zhì)水作為冷卻水。即使循環(huán)冷卻水處理技術(shù)可以使敞開循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水垢沉積、腐蝕速度減緩，但這種系統(tǒng)仍不能根除結(jié)垢和腐蝕之患。
　　密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用優(yōu)質(zhì)的軟化水或除鹽水作為冷卻介質(zhì)冷卻設(shè)備為空氣／水或水／水熱交換器，這些都是間接換熱設(shè)備。
　　采用空冷器的密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與敞開系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：
　?、? 冷卻構(gòu)件表面無水垢沉積，傳熱效率高，保證了高爐有效地冷卻，延長了高爐的壽命。如一座采用密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻的高爐，一代壽命可達(dá)10年以上，中間無需中修。
　?、? 節(jié)水效果顯著。系統(tǒng)除了滲漏以外，無其它損失，一般認(rèn)為，補(bǔ)充水量僅為系統(tǒng)容積的0.1％，我院在某高爐進(jìn)行的有關(guān)試驗(yàn)，實(shí)測的補(bǔ)水量小于0.1％，僅占相同循環(huán)水量敞開系統(tǒng)補(bǔ)水量的0.09％，這對于我國北方缺水地區(qū)是很有意義的。
　　另外，由于補(bǔ)充水量少，所以水處理藥劑費(fèi)用也少。外排廢水少，對環(huán)境污染也小。
　　③ 節(jié)能。密閉循環(huán)回水不泄壓，因此節(jié)約動能，如系統(tǒng)循環(huán)水量為3500m³／h，密閉系統(tǒng)每年能耗為6.92×10⁶kWh，而敞開系統(tǒng)為8.33×10⁶kWh。

1　密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的構(gòu)成

　　高爐密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)由高爐水冷卻構(gòu)件、給水圍管、回水集管、膨脹罐、空氣／水或水／水換熱器、循環(huán)水泵站及給水和回水管路所組成。
1.1　水冷構(gòu)件
　　高爐的水冷構(gòu)件有多種，如冷卻壁、冷卻箱、風(fēng)口套、爐底等。
1.2　給水圍管與集水圍管
　　給水圍管位于高爐下部，共有4圈，都是自循環(huán)水系統(tǒng)給水總管來水。冷卻壁的4根冷卻水管由相應(yīng)的給水圍管供水。
　　集水圍管位于高爐上部，有4圈，收集冷卻壁4根冷卻水管的回水。當(dāng)膨脹罐位于爐頂時，4個集水圍管分別與相應(yīng)的膨脹罐相連。
1.3　膨脹罐
　　膨脹罐系密閉容器，其下部為循環(huán)冷卻水，上部空間充有氮?dú)狻Ｅ蛎浌抻糜谡{(diào)節(jié)循環(huán)水溫度變化引起的體積變化。如果循環(huán)水因過熱而汽化，膨脹罐亦可起汽水分離作用（指置于爐頂?shù)那闆r）。膨脹罐上部充氮可以維持系統(tǒng)所需工作壓力，同時還可避免氧氣進(jìn)入系統(tǒng)。
　　向系統(tǒng)補(bǔ)充水可通過膨脹罐的水位變化進(jìn)行，當(dāng)因水損失、膨脹罐內(nèi)水位下降至設(shè)定水位時，即向系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)水。當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫Τ^設(shè)定值，即通過安全閥放散。
　　當(dāng)膨脹罐水位下降，氮?dú)馊莘e擴(kuò)大，而壓力下降，此時為維持設(shè)定之氮壓，氮?dú)庾詣映淙牍迌?nèi)。
1.4　換熱設(shè)備
　　常用的有空氣/水和水/水熱交換器兩種。
　　空氣/水換熱設(shè)備常用空氣冷卻器。冷卻水于翅片管內(nèi)流動，空氣于管外吹過，將冷卻水的熱量帶走。
　　水/水換熱設(shè)備常用板式換熱器。?
1.5　循環(huán)水泵
　　密閉式系統(tǒng)的水泵與敞開式系統(tǒng)要求不同。密閉系統(tǒng)要求水泵蜜蜂良好，不漏水，因之應(yīng)該選用機(jī)械蜜蜂水泵。另外，水泵進(jìn)口處又回水余壓和較高的系統(tǒng)工作壓力，所以整個泵殼強(qiáng)度要高。
1.6　補(bǔ)水設(shè)施與加藥設(shè)施
　　補(bǔ)水設(shè)施包括補(bǔ)水箱、補(bǔ)水泵等。要求補(bǔ)水泵的出水壓力高于循環(huán)水系統(tǒng)的工作壓力。加藥設(shè)施包括溶藥槽、溶液槽與計量泵等，用以將緩蝕劑加入循環(huán)水系統(tǒng)中。

2　高爐密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計中需注意的幾個方面

2.1　循環(huán)水泵的選擇
　　選擇水泵的依據(jù)
　?、? 流量：根據(jù)高爐各冷卻部件所需冷卻水量的統(tǒng)計數(shù)字，各冷卻元件的水量往往按避免水在冷卻元件內(nèi)汽化所要求的流速與過水?dāng)嗝娉叽绱_定。例如冷卻壁，如流速為1.3m／s，鑄入的水管為直徑70mm×6.3mm，流量為12.1m³／h，每塊冷卻壁鑄4根水管，如有34塊冷卻壁，即12.1m×34m×4m＝1645m³／h。
　?、? 揚(yáng)程：密閉系統(tǒng)與敞開系統(tǒng)不同，系統(tǒng)內(nèi)冷卻水不與大氣接觸，因此可以保持系統(tǒng)內(nèi)的壓力。當(dāng)系統(tǒng)靜止時，最高一個冷卻不見的工作壓力如為1×10⁵Pa，其與地面高差為40m，即當(dāng)膨脹罐設(shè)于地面時，罐內(nèi)的氮壓力為5×10⁵Pa，此時水泵的前后壓力都是5×10⁵Pa。但為了使水在環(huán)路內(nèi)循環(huán)流動，則需利用水泵給水以流速水頭，克服系統(tǒng)全部阻力損失。系統(tǒng)的水頭△P是可以估算的。一般系統(tǒng)的△P為2×10⁵Pa～4×10⁵Pa。系統(tǒng)總的阻力損失△P就是選擇水泵揚(yáng)程的依據(jù)。工作水泵一般為2臺，備用水泵往往是1臺，占總水量50％。另設(shè)有柴油機(jī)驅(qū)動的水泵1或2臺，作為事故備用水泵。
2.2　補(bǔ)充水泵
　　補(bǔ)充水一般由鍋爐房軟化水直接輸送注入膨脹罐中，壓力略高于膨脹罐壓力即可。此管管徑一般設(shè)計成φ100mm。這是考慮系統(tǒng)開始運(yùn)行時充水的需要，用4～6h就能充滿系統(tǒng)。
　　如果沒有這樣的條件，就要設(shè)軟水箱和補(bǔ)充水泵。補(bǔ)充水泵可設(shè)2臺，能力按充水時流量考慮。出口壓力略高于膨脹罐或系統(tǒng)的壓力。
2.3　安全供水
2.3.1　循環(huán)水泵的電源
　　水泵站要由兩路電源供電，常常是由兩個電網(wǎng)供電。當(dāng)一路供電發(fā)生故障，則自動轉(zhuǎn)換到另一路電源繼續(xù)工作。
2.3.2　柴油機(jī)驅(qū)動水泵
　　在兩路電源發(fā)生故障時，雖然高爐休風(fēng)，為了保證高爐不致燒毀，仍要不間斷供水。對于密閉系統(tǒng)適于設(shè)置柴油機(jī)水泉，在兩路電源停止供電時立即啟動，繼續(xù)供水。
　　直接連接于水泵的柴油機(jī)沒有減速裝置，啟動迅速，能在1s內(nèi)立即啟動，在10s內(nèi)可使水泵出水管水壓正常。柴油機(jī)應(yīng)處于良好的備用狀態(tài)。
2.4　換熱設(shè)備
2.4.1　空冷器
　　空冷器管束一般為鋼管。高爐使用的空冷器通常為鋼翅片。鋼翅片的優(yōu)點(diǎn)在于其剛度好，當(dāng)用高壓水沖洗時不致變形。
　　空冷器要定期清洗，清洗的方式是用高壓水沖洗。在沖洗問題上垂直式的管束布置優(yōu)點(diǎn)較為顯著。
　　空冷器的設(shè)計按最高熱負(fù)荷和夏季環(huán)境氣溫。
2.4.2　水／水熱交換器
　　只在下列條件下推薦使用水／水熱交換器；有足夠的水源，二次水能實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)，最好不搞二次循環(huán)水設(shè)施，水源水質(zhì)含泥砂不多，無需處理。
　　板式熱交換器的特點(diǎn)是熱交換效率高，體積小，而且清理方便，與空冷器相比，造價便宜。
2.5　膨脹罐
　　膨脹罐的工作壓力與容積按以下公式確定。
　　① 膨脹罐的工作壓力
　　靜態(tài)時：P_g＝P₁＋P_h　　　　　　　　　?(1)?
　　式中：P_g — 膨脹罐的工作壓力
　　　　　P₁ — 最高水冷構(gòu)件所需工作壓力；
　　　　　P_h — 最高水冷構(gòu)件至膨脹罐的高差。當(dāng)膨脹罐設(shè)于爐頂時，Ph為負(fù)值；
　　當(dāng)膨脹罐設(shè)于地面時，P_h為正值。
　　動態(tài)時，除按式(1)計算外，還要考慮系統(tǒng)的水頭損失。
　?、?膨脹罐的容積
　　系統(tǒng)內(nèi)水的膨脹容積是根據(jù)系統(tǒng)總的水容積和最高水溫確定的。
　　△V＝V(αt₂－αt₁)?　　　　　　　　　　?(2)?
　　式中：△V — 系統(tǒng)內(nèi)水的膨脹容積；
　　　　　V — 系統(tǒng)總的水容積；
　　　　　αt₂ — 水在最高工作水溫時的比容；
　　　　　αt₁ — 水在4℃時的比容。

3　某高爐密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)簡介

　　工程地處華北。
3.1　爐體冷卻系統(tǒng)的流程

3.2　水冷設(shè)備的選擇
　　水冷卻設(shè)備選用了空冷器。這是由于水/水熱交換器要設(shè)有敞開式二次循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，工程不允許設(shè)二次冷卻系統(tǒng)的構(gòu)筑物，如冷卻塔、水池、循環(huán)泵等。另外當(dāng)?shù)毓┧o張，需盡可能節(jié)約用水。
3.3　高爐爐體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)
　　循環(huán)水量：　　　　　　2200 m³／h
　　冷卻水供水水溫：　　　55℃
　　冷卻水回水水溫：　　　65℃
　　水泵揚(yáng)程：　　　　　　45m
3.4　補(bǔ)充水設(shè)施
　?、?補(bǔ)充水量
　　在正常情況下，補(bǔ)充水量可按系統(tǒng)容積的0.1％考慮。設(shè)計中我們還考慮了事故補(bǔ)水量與向系統(tǒng)充水的時間，因此補(bǔ)水設(shè)備的能力應(yīng)適當(dāng)加大，設(shè)定在4～6 h內(nèi)充滿系統(tǒng)。
　?、?補(bǔ)充水水質(zhì)
　　密閉循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)充水系軟化水。補(bǔ)充水不脫氧。
　?、?補(bǔ)充水設(shè)備
　　由2臺40m³軟化水箱，機(jī)械密封補(bǔ)水泵(4DA－8×9)及壓力補(bǔ)水罐(ZS1400－10)組成。當(dāng)膨脹罐中水位因循環(huán)系統(tǒng)的泄漏而下降到低位廟宇點(diǎn)時會發(fā)出信號，這時找開處于高爐下部的補(bǔ)水閥門，補(bǔ)充水即注入循環(huán)系統(tǒng)。
3.4.1　空冷器的設(shè)備選型
　　按照提出的要求，選擇立式管束空冷器。管束高9m，置于泵房屋頂，面積38m×12m。為了能適應(yīng)水力沖洗管束上的積塵，提高翅片的剛度，設(shè)計采用了鋼翅片，并考慮了防腐措施，將翅片管進(jìn)行整體浸鋅。
3.4.2　空冷器的設(shè)計參數(shù)
　　冷卻水量：　　　　　　 2200m³／h
　　冷卻水系統(tǒng)工作壓力：　 12×10⁵Pa
　　空冷器進(jìn)水溫度： 平均63.6℃最高65.6℃
　　空冷器出水溫度：　　　　≤55℃
　　冷卻水水質(zhì)：中壓鍋爐軟化水加緩蝕劑
3.4.3　空冷器的性能
　　高爐密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)所用空冷器是國內(nèi)首次采用的新型立式空冷器。投產(chǎn)運(yùn)行幾年來，冷卻效果良好，空冷器的主要性能為：
　　管束：立式，高9000mm，寬2700mm，型號9×2.7-4-130-16-15.6／R，數(shù)量24片，設(shè)計壓力16×10⁵Pa，試驗(yàn)壓力24×10⁵Pa。
　　風(fēng)機(jī)：風(fēng)量450000m³／h，風(fēng)壓17×9.8Pa，電機(jī)45kW共12臺。
　　清洗裝置：大車運(yùn)行速度：0.2m／s
　　　　　　 小車運(yùn)行速度：0.05m／s
　　　　　　 加壓水泵：Ｄ12－50×6型
3.5 快速啟動柴油機(jī)驅(qū)動事故應(yīng)急水泵機(jī)組的開發(fā)
3.5.1　快速啟動柴油機(jī)
　　所謂“快速啟動”實(shí)際上是由柴油機(jī)與水泵之間的離合器實(shí)現(xiàn)的。對于發(fā)動機(jī)本身，要求輸出功率與水泵匹配，而且靈敏可靠，易于維修保養(yǎng)。經(jīng)過多方面比較，最后采用柴油機(jī)型號為TBD234V8。
3.5.2　事故應(yīng)急水泵
　　事故應(yīng)急水泵與常規(guī)水泵有所區(qū)別。常規(guī)水泵在啟動時出口閥門關(guān)閉，當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，才開啟閥門，帶上負(fù)荷。而事故應(yīng)急水泵，在失電的情況下，不易做到隨時啟閉閥門，所以機(jī)組一經(jīng)啟動，就可能帶上負(fù)荷。因此要求泵的葉輪和軸應(yīng)能適應(yīng)較大的扭矩。本工程采用的應(yīng)急泵采用了高強(qiáng)度材料的軸。同時為了適應(yīng)泵殼內(nèi)壓增大，加強(qiáng)了泵殼的強(qiáng)度。實(shí)際運(yùn)行與測試結(jié)果表明，此機(jī)組的開發(fā)是成功的。柴油機(jī)可以10s內(nèi)達(dá)到全負(fù)荷運(yùn)行，且在停電或人為保養(yǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)啟動時，靈敏可靠。此項技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

作者簡介：王大中：（1933-），男，教授級高級工程師
　　　　　馬維國：（1953-），男，高級工程師，室付主任
　　　　　趙銳銳：（1959-），女，高級工程師，室付主任