XZ-IV齿轮箱水冷系统的设计

2020-12-23杨立江惠展王岗

冶金设备 2020年5期

杨立江惠展王岗

(中钢集团西安重机有限公司陕西西安 710201)

1 前言

目前国内制造水冷传动齿轮箱厂家较多，因各家水冷传动齿轮箱结构原理不同，水冷系统原理也各不相同。但基本有两种原理：一种为“闭式带压水冷系统”；另一种为“开式水冷系统”。“闭式带压水冷系统”是齿轮箱外部水冷系统与齿轮箱内部水冷管直接相连，整个水冷系统在带压的状态下工作。“开式水冷系统”是齿轮箱外部水冷系统与齿轮箱内部水冷板没有直接相连，冷却水通过外部系统进入上水槽，水流因重力从齿轮箱中的上水槽经冷却蛇形管流到下水槽中，然后排到箱外水冷系统，或冷却水直接通过喷淋的方式进入下水槽中，然后排到箱外水冷系统。相比较，“闭式水冷系统”具有冷却水流量大、冷却效果好、维护方便、运行成本低的特点。

XZ-IV齿轮箱水冷系统采用闭式水冷系统原理，适合750～1800m3高炉工艺要求。

2 水冷系统的目的

水冷系统作用是通过热交换原理降低水冷传动齿轮箱内部的温度，使水冷传动齿轮箱在正常的温度下工作。水冷传动齿轮箱安装在炉顶法兰上，炉顶法兰焊接在炼铁高炉最上部的炉喉锥段，即水冷齿轮箱位于高炉炉顶装料设备的最下部，直接受高炉炉温的高热影响，正常情况下炉顶温度约150～250℃，事故状态下达600℃甚至更高。

为了保护水冷传动齿轮箱并使其正常工作，在水冷传动齿轮箱内部布置有水冷板，水冷板内盘有蛇形管，水冷齿轮箱外部水冷系统与水冷板联接，循环的冷却水从管内流过，通过热交换原理降低水冷传动齿轮箱内部的温度，以保证水冷齿轮箱内部的温度在允许范围55℃以下工作。

3 水冷系统的组成

XZ-IV齿轮箱水冷系统如图1所示，由水冷传动齿轮箱外部进水系统和水冷传动齿轮箱内部水冷系统组成。XZ-IV齿轮箱水冷系统的水从进水管经过过滤器到水冷传动齿轮箱内部，然后水流再经过水冷传动齿轮箱的蛇形管到回水管路，整个过程为闭式、带压操作。

图1 齿轮箱外部进水和回水系统原理

图2 齿轮箱外部进水和回水系统的元件

3.1 水冷传动齿轮箱外部水冷系统

XZ-IV齿轮箱如图1所示，由进水和回水系统原理组成。由热电阻1.1～1.6、双金属温度计2.1～2.4、压力表3.1～3.4、蝶阀4.1～4.8、止回阀5.1～5.3、过滤器6.1和6.2、带限位开关的手动球阀7.1～7.2、流量变送器8.1、手动流量控制阀9.1、流量孔板10.1～10.4、排气阀11.1及管道组成。

3.1.1 进水系统

齿轮箱外部进水系统如图1所示，冷却水通过DN50的主水管，经过止回阀、蝶阀、过滤器、热电阻、双金属温度计、压力表后分别流进两个DN32的水管然后进入水冷传动齿轮箱。一根DN32的水管接到水冷传动齿轮箱下部；另一根DN32的水管接到水冷传动齿轮箱上部。

在水冷系统进水管路上安装两个手动过滤器6.1和6.2(一用一备)以防止颗粒堵塞管道。过滤器采用手摇刷式排污过滤器，检修时摇动过滤筒盖上手柄，使不锈钢刷对过滤器网上的杂质颗粒进行刷除清洗，并由排污网排出，刷洗过程中水流不能中断。手摇刷式排污过滤器是在全自动清洗过滤器的基础上简化而成的，其特点是结构简单、操作可靠。

紧急冷却：在DN50主水管上有一根DN15管子和接到水冷传动齿轮箱底部的DN25的氮气管连接，由止回阀5.2、流量孔板10.1、带限位开关的手动球阀7.1组成。紧急冷却为水冷传动齿轮箱温度过高时DN15管子向水冷传动齿轮箱底部喷水，通过手动完成紧急冷却，正常情况下处于关闭状态。

3.1.2 回水系统

齿轮箱外部回水系统如图1所示，齿轮箱上部和下部冷却水经过齿轮箱DN20出水口后，分别通过DN32的回水管连接到一根DN50回水总管上。该回路由止蝶阀、流量变送器、手动流量控制阀、排气阀、热电阻、双金属温度计、压力表组成。

在底部DN32回水管路上安装了一个流量孔板10.4，以补偿水平冷却管路与垂直冷却管路之间由于管子长度不同造成的压差。

两根DN32的回水管子连接到一根DN50的总管上。在DN50的总管上安装了流量变送器8.1及手动流量调节阀9.1，用来调节控制流量。当流量降低20%时，冷却效果降低，发出报警信号。

3.2 水冷传动齿轮箱内部水冷系统

XZ-IV齿轮箱内部水冷结构如图3所示。水冷管固定在水冷传动齿轮箱的箱体上，水冷管之间填充导热浇注料便于热量传递，水冷管外部安装隔热浇注料，阻挡热量传递到水冷管。水冷传动齿轮箱上部中心部分有3根垂直布置的蛇形管，底部有4根水平布置的蛇形管，冷却水通过齿轮箱外部进水水冷系统分别进入上部垂直蛇形管的3个进水口和底部冷却4个进水口，通过热交换后冷却水从上部垂直蛇形管的3个出水口和底部冷却4个出水口进入齿轮箱外部回水水冷系统，达到冷却齿轮箱内部温度的作用。

3.3 补水系统

XZ-IV齿轮箱水冷系统采用闭式循环冷却，回水管路最终流向回水槽，自然冷却或通过循环冷却系统冷却后再进入水冷系统，补充水系统用来补充水系统中的自然损失、泄露损失。补水系统采用工业软水，水质与整个水冷系统要求一致。

图3 齿轮箱内部水冷结构1-上部进出水接口;2-垂直冷却管路;3-下部进出水接口;4-水平冷却管路;5-底部密封氮气口

4 水冷系统的控制

如图1所示XZ-IV齿轮箱水冷系统中安装有温度计、热电阻用来检测水冷系统是否正常，水冷系统中共安装6个铂电阻温度计、4个双金属温度计。铂电阻温度计和双金属温度计检测位置如表1、表2。

表1 铂电阻温度计

表2 双金属温度计

4.1 热电阻报警温度及处理措施

为保证设备的正常运行，当热电阻发出警报时，需按照以下措施处理。

如果检测水冷传动齿轮箱进出口的热电阻温度计1.5和1.6温差高于5℃则发出报警信号，在这种情况下，冷却效果会下降，检查水流量和高炉炉顶煤气温度。当水冷传动齿轮箱进水温度1.5超过50℃时发出报警信号，进水温度太高，达不到冷却效果，检查水冷系统。

表3 齿轮箱水冷系统报警温度及采取措施

4.2 水和氮气的雾化组合冷却

水冷传动齿轮箱底板上的温度计1.4，温度达120℃时，必须通过图2中的齿轮箱底部密封氮气口5向齿轮箱底板喷雾化的水和氮气。氮气管路上，手动打开氮气管路上的靠近水冷传动齿轮箱的DN25带限位开关的手动球阀7.2。水冷管路上，手动打开水管路上靠近水冷传动齿轮箱的的DN25带限位开关的手动球阀7.1。氮气管路上和水冷管路上分别安装流量孔板10.3和10.1，控制氮气流量和水流量，确保达到理想的水雾效果。氮气管路上的球阀DN25和水管路上的球阀DN15必须同时打开，否则达不到水雾效果。当温度降低后，停止紧急冷却水和氮气的雾化组合冷却。

4.3 事故氮气紧急冷却

除非检修水冷系统，正常情况下水冷系统应连续的运转，如果水冷系统发生故障，必须开启事故氮气冷却。通过手动打开水冷传动齿轮箱事故氮气管道上的DN100碟阀4.8，将500Nm3/h氮气喷到水冷传动齿轮箱上紧急冷却，最长时间不能超过2个小时。

5 水冷系统的调试

5.1 水质要求

为防止沉淀物堆积在水冷传动齿轮箱的蛇形管内，避免水的酸度提高，整个系统的水为过滤的、软化的、被阻蚀剂处理过的工业水。阻蚀剂的原理是在管子和冷却设备的里面形成一层保护层，防护管子及冷却设备。用阻蚀剂处理过的工业软水应符合表4的要求。

表4 水冷系统水质要求

5.2 水冷系统的清洗

水冷系统管路安装时必须有1%的斜度，以便于排空空气。水冷系统安装完后需对管道进行清洗，所有阀门均处于正常的工作位置，关闭进水管路上的DN50手动碟阀4.1和回水管路上的手动流量控制阀9.1，打开回水管路上的排气阀11.1。慢慢打开进水管路上的手动碟阀4.1，当回水管道充满水时，排气阀11.1溢有出水时，关闭回水管路上的排气阀11.1。然后清洗安装在进水管路的过滤器。

水冷管道安装完后应进行酸洗处理，酸洗的目的是通过化学作用将管道的所有残余物质、铁片、焊渣、炉渣、二氧化硅、油漆及安装过程中进入循环系统的杂质去除。

管道钝化的目的是为了在光滑的管道内表面形成一层均匀的氧化膜，抵抗水对管道表面的腐蚀。

也可避免在使用之前被空气的物质快速重新氧化。

5.3 闭式水冷系统的注满及压力调节

水冷系统完成清洗、酸洗和钝化后，按照5.1方法把水注入整个系统。在整个系统被注满且清洗后，打开DN50手动流量控制阀9.1，关闭DN50碟阀4.1和4.7。打开排气阀11.1，在排气阀11.1处通氮气来增压，将整个循环系统压力置于1.25倍正常设计压力，保压20分钟没有泄露，关闭氮气增压，将循环系统的压力调节到系统设定的压力。