步进梁式加热炉水冷系统的改造与应用

覃永国，赵子祥，万 喜，韦华兴

（柳州钢铁股份有限公司，广西柳州545002）

20 世纪90 年代，步进梁式加热炉汽化冷却技术开始在国内运用，随着技术的不断成熟，凭借技术优势，目前步进梁式加热炉汽化冷却已得到普遍应用[1-2]。某企业一步进梁式加热炉，建于2001 年，水梁采用水冷技术，该技术现已被列入高耗水工艺、技术和装备淘汰目录，为贯彻落实限时淘汰要求，以及企业自身节能降耗的需要，对该炉的水冷系统进行汽化冷却改造。

1 加热炉主要参数

该步进梁式加热炉的用途是高线轧前钢坯加热，装、出料方式是侧进侧出，侧面和端部布置有调焰烧嘴12 个，顶部有平焰烧嘴30 个，采用换热器预热助燃空气，纵梁和立柱均采用水冷，固定梁和活动梁管径为Φ114 mm×20 mm。其主要参数如下：

加热能力：110 t/h

有效炉底尺寸：10.7 m×21 m

坯料断面尺寸：165 mm×165 mm

燃料种类：焦炉煤气

加热温度：1 050～1 150 ℃

水梁冷却方式：水冷

冷却水流量：360～600 m3/h

2 改造方案及内容

2.1 改造内容

新增汽化冷却系统，包括新建钢结构汽包平台，设备基础，铺设连接汽化冷却系统到工厂之间的软水管和蒸汽管，增加设备包括软水箱、软水泵、除氧器和除氧水箱、给水泵、加药装置、汽包、循环泵、汽化冷却系统管道、上下联箱，电器自动化设备，包括操作箱、检测仪表、电动阀、上位机、PLC 系统等，以及新增汽化冷却控制系统。

对原加热炉水冷系统进行改造。原水梁水冷系统管道全部拆除、更换，炉内水梁及立柱全部拆除，重新设计、制作、安装，水梁双立柱位置重新设计、调整。因双立柱位置调整，加热炉下部钢结构、水封槽、以及步进机械均需要进行对应的修改或重新开孔，相应部位的耐火材料也需要拆除重砌。

2.2 水循环可靠性计算

炉底管中水循环流动是否正常是决定炉底水梁安全的关键，若炉底管中发生流动倒流、停滞、汽水分层或脉动，常会导致炉底管烧坏、出现裂纹。设计中最主要的是应防止出现汽水分层[3]，各回路实际循环流速W应大于临界循环流速Wlj[4]。

式中：P—汽包蒸汽绝对压力，kg/cm2

qn—按炉底管内径计算的热强度，×4.18 kJ/（m2·h）

d—炉底管内径，mm

炉底水梁管径均为Φ114 mm×20 mm，汽包压力范围0.8～1.2 MPa,其中，活动梁两组循环回路流量一致，固定梁3 组循环回路流量也都一样。由式（1）可知，汽包压力越大，热强度越大，对应的临界循环流速越大，因此，选择温度高的回路Ⅱ和回路Ⅲ、汽包压力1.2 MPa、水梁包扎脱落严重、以及循环回路流量在下限时的工况条件下进行计算。该工况是系统最差的运行状态，若该条件下，回路实际循环流速大于临界循环流速，那么其他工况下也就不存在此问题。计算结果见表1。

表1 循环可靠性计算结果

从表1 看出，两组循环回路的实际循环流速均大于临界循环流速，因此水梁中不会出现汽水分层危险，水循环是安全可靠的。

汽化冷却系统中循环泵的选择，必须满足克服水循环系统的阻力和每个回路流速要求。该加热炉汽化冷却共5 个循环回路，考虑一定的富余量，循环泵选择单台流量320 m3/h，扬程0.55 MPa。

2.3 水梁及立柱设计

纵梁采用上下双管结构，水梁立柱有双立柱和单立柱两种形式。

纵水梁由立柱支撑，单立柱的设计可有效减少立柱表面积，同时减少炉底开孔面积，实现节能。单立柱采用巧妙的套管设计, 在中间套管顶端开斜剖口，剖口迎着汽水混合物的来流方向，如图1 所示。立柱内套管热负荷较小，温度低，因此冷却介质密度较大，而外管在高温炉气中受热，温度高，冷却介质的密度较小，使内外套管间冷却介质形成密度差而自然循环流动，达到冷却立柱目的。

图1 单立柱结构示意图

2.4 水梁错位布置

沿加热炉长度方向，在加热段与均热段交界处，将固定梁和活动梁分段，分段后，纵梁在炉宽方向上错开布置，这样，钢坯在加热段形成水梁“黑印”。在进入均热段后，之前形成的黑印经梁错位后逐渐减轻，而进入均热段后的水梁“黑印”则是刚形成，还不严重，因此可最大程度减少钢坯水梁“黑印”，一般“黑印”温差可减少15～20 ℃[5]。实测165 mm×165 mm方坯加热出炉后采用错位梁，钢坯的水梁黑印相对直线梁降低了16 ℃。

2.5 安全措施

炉底水管承受着炉内钢坯的全部重量，工作于炉内高温环境中，其热负荷较大，若得不到冷却，将很快被压塌。加热炉炉内温度高达1 250 ℃，故障时，即使立即关闭烧嘴停炉，炉内温度也不会很快降下来，因此，汽化冷却系统可靠的安全措施非常重要。

（1）备用泵。电动软水泵、汽包给水泵及循环水泵均设备用泵，当其中一台故障时，另一台电动泵立即启动。

（2）停电应急措施。汽包给水泵、循环水泵分别备了柴油泵，若出现停电，电动汽包给水泵、循环水泵无法运行或两台电动泵同时有故障，此时柴油泵启动，确保汽化冷却系统维持运行。

（3）停水应急措施。软水箱接入保安工业水作为紧急补水，当停电或软水停供时，向软水箱紧急补水。

（4）超压保护。当汽包压力超高，汽包上的安全阀自动开启泄压。

3 强制循环汽化冷却系统组成

3.1 汽化冷却系统工作过程

加热炉汽化冷却系统构成如图2 所示。汽化冷却系统使用软水作为冷却介质，软水由工厂管网提供，经软水管接入软水箱，经软水泵送入除氧器，在除氧器内经热力除氧后在给水泵前由加药系统加入磷酸三钠，再经给水泵加压送入汽包。汽包中的饱和水经两根下降集管，由循环水泵加压后分成两路，一路接至固定梁入口联箱，另一路接至活动梁入口联箱。

图2 加热炉汽化冷却系统构成示意图

固定梁循环系统：固定梁入口联箱出来的饱和水分成3 路，分别接入固定梁立柱，依次流经3 根固定梁后从最后一根立柱进入上升支管，3 个循环回路汇合至出口联箱，经上升集管最后返回汽包。

活动梁循环系统：活动梁入口联箱出来的饱和水分成两路，分别接入活动梁立柱，依次流经4 根活动梁后从最后一根立柱进入上升支管，两个循环回路汇合至出口联箱，经上升集管最后返回汽包。

正常运行过程中，返回汽包的汽水混合物，在汽包内进行汽水分离后，上方是饱和蒸汽，下方是饱和水，蒸汽外送公司蒸汽管网，回收利用。

3.2 汽化冷却系统组成

3.2.1 除氧、给水系统

该系统主要包括：一个软水箱、两台电动软水泵、一个除氧器和除氧水箱、一套加药装置、两台电动给水泵、一台柴油机给水泵及控制阀组。

对汽化冷却的给水进行除氧，以防止水梁内表面受水中气体的腐蚀。从汽包引入蒸汽至除氧器加热给水，当给水通过喷嘴喷洒下落，与上升的蒸汽流相遇，被迅速加热到沸腾温度，溶解于水中的气体全部逸出排除。

软水箱的容积VS应考虑停水故障水梁安全，其计算由下式表示：

式中：Dmax—汽化冷却装置每小时的最大蒸发量，t/h

本次改造的加热炉汽化冷却最大蒸发量为6.7 t/h，选择软水箱容积为15 m3，软水箱容积为最大蒸发量的2.2 倍。

3.2.2 汽包

汽包的作用是储存一定水量，与管道连接构成闭路循环，并将返回汽包的汽水混合物加以分离，获得一定品质的蒸汽。

正常运行时，汽包内水位以上部分称为蒸汽空间，以下部分称为水空间，水空间的容积（水容积）应能满足发生事故情况下，紧急操作时间内的耗水量。

水容积V2计算由下式表示：

式中：t—存水时间，一般≥30～40 min，min

D—蒸发量，t/h

v′—水的比容，m3/t

本次改造的加热炉汽化冷却蒸发量为3～5 t/h，汽包尺寸为DN1 600 mm，L=5 m，运行时正常按中水位控制，则水容积为5 m3，存水时间为60～100 min。

3.2.3 循环水泵

配置三台循环水泵，其中两台循环水泵是电机驱动，另一台是柴油机驱动，作为停电事故备用。

3.2.4 水梁循环回路

加热炉水梁沿长度方案在中间断开，如图1 所示，装料端设有4 根固定梁+4 根活动梁，出料端设有5 根固定梁+4 根活动梁，每3 根固定梁及其立柱串联形成一个循环回路，每4 根活动梁及其立柱串联形成一个循环回路，共5 个循环回路。

3.2.5 取样系统

为了检查水质，系统设置有除氧水取样冷却器、汽包水取样冷却器、给水泵出口取样点接口等。

3.2.6 排污系统汽包内水在不断的循环和蒸汽蒸发过程中，水中的碱度会有所提高，为了保证汽包水质，需进行排污。汽化冷却系统中的排污水进入排污扩容器，扩容减压二次蒸发后，进入排水系统。

3.3 控制系统

3.3.1 汽包控制

汽包的蒸汽主管设有流量计、压力调节阀，汽包水位和汽包压力均为自动控制。汽包水位采用蒸汽流量、给水流量和汽包水位三个信号组成的三冲量调节；汽包压力由双调节阀控制，运行中使汽包压力保持稳定。汽包设有一套双色玻璃板就地水位计及一套磁翻板就地水位计，同时设有两套独立的远传水位信号指示。

3.3.2 除氧器水位、压力控制

蒸汽管网来的蒸汽经过减压阀降压后，经过除氧器压力调节阀通入除氧器，系统通过调节压力调节阀开度以调节除氧器压力。除氧水箱设置一台磁翻板液位计测量除氧水箱液位，除氧水箱的水位和除氧器的压力均采用自动调节阀控制。

3.3.3 水梁冷却回路调节

在每一循环回路的进水管上均设置了流量测量及手动调节阀，调节每一回路循环流量。运行中，当某一回路的循环水流量低于设定值时发出报警，通过调整手动调节阀的开度，使该回路的流量恢复正常。

4 应用效果分析

（1）减少热损失，降低煤气消耗。水冷却时，冷却水出口温度要控制在50 ℃以下，而汽化冷却冷却介质温度可达170～190 ℃。汽化冷却热负荷大，冷却介质温度高，水梁温度也有提高，水梁冷却热损失减少。相比于改造前，改造后吨钢煤气耗降低3.6 m3，下降了5.8%，每年可创效350 万元。

（2）余热回收利用。水冷却产生的50 ℃的热水，没有利用价值，还得经冷却塔冷却，而汽化冷却可把冷却水梁的热损失以饱和蒸汽的形式外送公司蒸汽管网加以利用。该加热炉采用汽化冷却后，外送蒸汽量为2.8 t/h，每生产一吨钢可外送蒸汽32 kg，每年可创效180 万元。

（3）用水节电。汽化冷却是利用水汽化潜热来带走水梁热量，理论上，在炉底热负荷相同的情况下，汽化冷却的耗水量仅为水冷的1/30 左右[4]。汽化冷却在安全的循环倍率下运行，系统的循环流量为水冷却时的0.5～0.7 倍，节水的同时，还降低了系统运行电耗成本。

（4）减轻水梁“黑印”，提高加热质量。采用汽化冷却，水梁表面温度比水冷却时高，因此，水梁“黑印”相对较轻，钢温均匀性更好。

（5）冷却效果可靠，减少炉底水管故障。水冷时容易产生结垢现象，导致水梁故障，被迫停炉处理。汽化冷却使用软水作为冷却介质，并经除氧处理，对水梁的腐蚀极小，不会造成结垢，因此，不易出现故障。

（6）有助于提高加热炉产量。因水梁“黑印”减轻，减少了使钢坯温度均匀需要的在炉时间，可适当提高出钢节奏，提高产量。

5 结论

（1）步进梁式加热炉水梁由水冷却改汽化冷却，主要改造内容包括新增汽化冷却系统，对原加热炉水冷系统进行改造，炉内水梁及立柱全部拆除，重新设计、制作、安装。

（2）汽化冷却系统相对于水冷却，通过降低煤气消耗、蒸汽回收利用，本次改造加热炉工序能耗降低了4.95 kgce/t，下降14%。节能减排效果显著，推广应用价值高。