轉(zhuǎn)爐汽化煙道末段漏水原因分析及改進(jìn)措施

宋君瑞

（河鋼樂亭鋼鐵有限公司，河北 唐山 063011）

在整個煉鋼工藝中，轉(zhuǎn)爐汽化系統(tǒng)主要通過將煙道內(nèi)冷卻軟水變?yōu)樗羝?，以達(dá)到吸收煙氣熱量及降低煙氣溫度的目的，并通過蓄熱器穩(wěn)壓后外送蒸汽發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。同時，作為轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的一部分，汽化煙道疏導(dǎo)吹煉時產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入除塵系統(tǒng)，直接參與煉鋼生產(chǎn)[1]，在冶金生產(chǎn)中占有十分重要的地位。

以唐鋼二鋼軋廠65t轉(zhuǎn)爐為例，汽化煙道共分五段，按煙氣流向依次為：活動煙罩、Ⅰ段煙道（爐口段）、Ⅱ段煙道、Ⅲ段煙道和末段煙道，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1?；顒訜熣植捎脧?qiáng)制循環(huán)冷卻，其余各段采用自然循環(huán)冷卻。在生產(chǎn)后期，轉(zhuǎn)爐末段煙道頻繁出現(xiàn)漏點，引發(fā)漏水事故。煙道漏水會產(chǎn)生以下影響：

圖1 煙道結(jié)構(gòu)示意圖

（1）煙道內(nèi)漏水會產(chǎn)生大量蒸汽，導(dǎo)致煙道內(nèi)過風(fēng)量增大，易造成煙氣外溢，引發(fā)環(huán)保事故。

（2）漏水處理不及時，爐坑內(nèi)出現(xiàn)積水時，熔融金屬遇水會引發(fā)爆炸，造成重大安全事故。

（3）造成軟水資源浪費(fèi)。

（4）影響煤氣收得率。

（5）影響煙氣余熱回收率。

1 漏水原因分析

考慮到生產(chǎn)節(jié)奏緊張，當(dāng)末段煙道出現(xiàn)漏水時，為了盡可能減少對正常生產(chǎn)運(yùn)行的影響，只能進(jìn)行臨時焊補(bǔ)，不僅耗費(fèi)大量人力物力，而且極易發(fā)生復(fù)漏，無法從根本上解決漏水問題。為了減少事故時間，保證生產(chǎn)順利運(yùn)行，我廠著手對煙道漏水問題進(jìn)行深入分析研究，找出問題根源并提出解決方案。

1.1 循環(huán)水水質(zhì)的影響

在汽化系統(tǒng)運(yùn)行過程中，受水質(zhì)影響，冷卻水不斷受熱蒸發(fā)濃縮，雜質(zhì)不斷沉降聚積。一方面，部分雜質(zhì)逐漸形成具有腐蝕性的沉積物，受該部分腐蝕性化合物影響，煙道受熱管管壁逐漸被侵蝕，直至破裂漏水；另一方面，水質(zhì)不良或除氧器滿足不了使用要求時，易形成硅酸鹽、碳酸鹽等水垢。長此以往，水垢厚度不斷增加，導(dǎo)致受熱管受熱不均，最終被燒穿。

通過對切割下來的破損受熱管進(jìn)行觀察研究，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁較為光滑，無腐蝕變薄及水垢堆積等痕跡。同時，通過定點抽樣化驗冷卻水水質(zhì)，多次測量取平均值后，發(fā)現(xiàn)其各項數(shù)值均符合《工業(yè)鍋爐水質(zhì)GB1576-2008》標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 汽化系統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)

通過以上分析可以確定，冷卻水的水質(zhì)并非造成煙道漏水的主要因素。

1.2 煙道結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)的影響

汽化煙道結(jié)構(gòu)形式不合理，達(dá)不到設(shè)計要求時，煙道受熱管會遭受過大的熱負(fù)荷、外應(yīng)力以及煙塵中微粒的沖刷，影響受熱管的使用壽命。同時，如果受熱管材質(zhì)滿足不了使用要求，也會造成管壁過早破損。

我廠汽化煙道的爐口段、Ⅲ段和末段均由高壓鍋爐管與扁鋼密排焊接而成，基本構(gòu)造相近，且均使用?51×5的20G管作為受熱管。同時，通過爐口段、Ⅲ段煙道的煙氣溫度和煙氣流速均大于末段煙道，但爐口段、Ⅲ段煙道的漏水頻率遠(yuǎn)小于末段煙道。由此可以確定，煙道的結(jié)構(gòu)形式和使用材質(zhì)并非造成煙道漏水的主要因素。

1.3 循環(huán)冷卻方式的影響

末段煙道采用自然循環(huán)冷卻方式，所謂自然循環(huán)，是指利用下降管中的水與水冷管中的汽水混合物之前的壓差，使下降管中的水自然下降，同時推動汽水混合物上升進(jìn)入汽包，形成一個整體循環(huán)[2]。由于該區(qū)域煙氣溫度僅有800℃～1000℃，熱循環(huán)效果較差，且該段煙道配水管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致受熱管內(nèi)冷卻水流動相對緩慢，甚至出現(xiàn)停滯。末段煙道冷卻水為低進(jìn)高出，煙氣流向為高進(jìn)低出。當(dāng)冷卻水進(jìn)入煙道后，受熱開始蒸發(fā)，當(dāng)水流至煙道頂部的平直段后，在重力作用下易形成汽水分離。加之末段煙道內(nèi)水動力不足，不足以將氣泡沖走，這樣就會造成煙道下弧段內(nèi)側(cè)受熱管冷卻不足。長此以往，最終致使該部位煙道燒穿漏水，具體位置見圖2。因此，末段煙道冷卻水動力不足是造成煙道漏水的主要原因。

圖2漏水位置

2 改進(jìn)對策

通過分析研究，可以確定冷卻水動力不足是造成末段煙道漏水的主要原因。解決這一問題的關(guān)鍵在于如何增加冷卻水流速，抑制汽水分離層的形成。對此，我們提出以下幾種改進(jìn)方案。

2.1 方案一：增加汽包高度，優(yōu)化汽包供水

通過分析計算，在不改變煙道結(jié)構(gòu)及滿足各段煙道冷卻水循環(huán)的基礎(chǔ)上，可以將汽包高度增加2m，從而增加汽包內(nèi)水的重力勢能，提高末段煙道受熱管內(nèi)冷卻水的流速。同時，采用一種模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)，優(yōu)化汽包的供水，準(zhǔn)確控制汽包內(nèi)水位高度，實現(xiàn)汽包水位的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，消除補(bǔ)水對末段煙道循環(huán)的影響[3]。

2.2 方案二：加裝擾動設(shè)備，消除汽水分離

末段煙道冷卻水低進(jìn)高出，冷卻水進(jìn)入煙道后受煙氣溫度影響，在流動的過程中逐漸產(chǎn)生水蒸氣。通過分析研究，發(fā)現(xiàn)可以在煙道沿進(jìn)水方向2/3左右位置的管道內(nèi)部加裝不銹鋼螺旋板，通過螺旋板的影響，增大流動中的循環(huán)水?dāng)_動，可以有效地避免汽包在煙道頂部平直段聚集，從而解決煙道下弧段內(nèi)側(cè)受熱管內(nèi)汽水混合物產(chǎn)生分層的問題。

2.3 方案三：加裝循環(huán)泵，提高水動力

在汽包與煙道之間管道上加裝循環(huán)泵，改自然循環(huán)為強(qiáng)制循環(huán)，保證管內(nèi)冷卻水的流速和流量，使煙道下弧段內(nèi)側(cè)受熱管處無法形成汽水分離區(qū)域，避免受熱管燒穿漏水。

我廠轉(zhuǎn)爐冶煉周期為26-28分鐘，吹氧時間為12分鐘左右。由于汽化煙道僅在氧槍吹氧時間段內(nèi)承受熱負(fù)荷較大，其余時間內(nèi)基本不受熱，故在該段時間內(nèi)循環(huán)泵作用較小，長此以往，只能白白浪費(fèi)大量電能。

國內(nèi)大部分鋼廠汽化系統(tǒng)的活動煙罩和爐口段一般采用強(qiáng)制循環(huán)，其余各段煙道采用自然循環(huán)的方式。為此，特提出如下備選方案，供有類似情況的鋼廠進(jìn)行參考。

為使?fàn)t口段循環(huán)泵發(fā)揮充分作用，可以將爐口段強(qiáng)制循環(huán)下降管與煙道末段自然循環(huán)下降管相連通，利用循環(huán)泵為末段煙道循環(huán)水提供部分動力，具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 循環(huán)系統(tǒng)改造示意圖

從圖中可以看出，爐口段下降管及連通管上均裝有流量計，通過調(diào)節(jié)連通管上兩個截止閥的開度，控制通過連通管的循環(huán)水流量，使其保持在爐口段循環(huán)水量的10%左右。同時，連通管上的止回閥可以防止在故障時末段煙道內(nèi)循環(huán)水倒流至爐口段下降管。當(dāng)連通管損壞需要更換時，將連通管上兩個截止閥關(guān)閉，即可進(jìn)行施工。

2.4 方案四：使用新型焊條，提升管道壽命

考慮到以上三種方案工程量大，耗費(fèi)時間過長，實施起來嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏，故而提供一種臨時解決方案：使用耐高溫耐腐蝕堆焊耐磨焊條[4]，在管壁漏點表面及臨近區(qū)域進(jìn)行堆焊。同時，采用熱噴涂技術(shù)與焊補(bǔ)工藝相結(jié)合的汽化煙道裂紋修復(fù)工藝[5]，在堆焊結(jié)束后噴涂FeCrAl涂層、NiCrBSi涂層，進(jìn)一步增加受熱管的耐高溫、耐腐蝕和耐沖刷等性能。

3 分析評價

對于方案一，要想提高汽包高度，需要在廠房頂搭設(shè)承重平臺、進(jìn)行汽包抬升及管道焊接等作業(yè)，不僅要使用專業(yè)起重設(shè)備，施工難度也非常大。綜合來看，不建議采納此方案。

對于方案二，在煙道受熱管內(nèi)加裝螺旋擾動裝置，由于安裝地點位置特殊，不利于檢修人員作業(yè)，同時該項作業(yè)工作量大、工序繁瑣且工作環(huán)境惡劣，不適宜在線上進(jìn)行操作，只適用于在煙道安裝前進(jìn)行改造。

對于方案三，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，如果僅在末段煙道加裝循環(huán)泵，循環(huán)泵利用率不高且施工難度大，故不考慮此方案。對于備選方案，一方面可以充分利用爐口段循環(huán)泵，減少能源浪費(fèi)，另一方面也可以有效緩解末端煙道循環(huán)水的汽水分離現(xiàn)象，具有一定的參考價值。

對于方案四，使用耐高溫耐腐蝕堆焊耐磨焊條進(jìn)行堆焊，并輔以耐磨耐腐蝕涂層，將熱噴涂技術(shù)與恰當(dāng)?shù)暮秆a(bǔ)工藝相結(jié)合進(jìn)行有效結(jié)合，工作量小且工作相對簡單。經(jīng)過修復(fù)后，煙道漏水頻率大幅度下降，滿足正常生產(chǎn)需求。

由于我廠面臨搬遷，不宜進(jìn)行大規(guī)模的改造工作，但前三種方案可以為新廠汽化系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。綜上所述，可以采用方案四，對漏點區(qū)域進(jìn)行相對簡單的處理，確保該部位長時間內(nèi)不再漏水，保證搬遷之前鋼廠的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文以唐鋼二鋼軋廠65t轉(zhuǎn)爐汽化系統(tǒng)末段煙道為研究對象，從水質(zhì)、材質(zhì)、煙道結(jié)構(gòu)及循環(huán)方式等方面綜合分析末段煙道漏水的原因，經(jīng)過分析研究后給出相應(yīng)的對策，以保證末段煙道可以在停產(chǎn)前的使用年限內(nèi)不發(fā)生或極少次數(shù)發(fā)生漏水事故。