步进梁式加热炉汽化冷却系统的设计及应用

黄遵运，刘家弢，陈　扬（天津钢铁集团有限公司中厚板厂，天津300301）



步进梁式加热炉汽化冷却系统的设计及应用

黄遵运，刘家弢，陈扬
（天津钢铁集团有限公司中厚板厂，天津300301）

[摘要]为了实现降本增效，将汽化冷却系统应用于天津钢铁集团有限公司中厚板150 t/h步进梁式加热炉上。实际应用表明，该系统节省了能源、延长了被冷却构件寿命，取得了较好的经济效益。

[关键词]加热炉；汽化冷却；节能；设计；应用

1　引言

我国是钢铁产量大国，钢铁生产企业是能源消耗和排放大户，节约减排不仅是社会可持续性发展的必然要求，而且对企业降低成本，提高效益有明显的作用。从20世纪60年代开始，我国钢铁厂推钢式加热炉就开始采用汽化冷却技术，90年代中后期，步进梁式加热炉汽化冷却技术开始运用，目前这项技术已经趋于成熟。随着各大钢铁企业综合管线改造的完成和我国低参数蒸汽利用技术的逐步完善，汽化冷却相对水冷的优势将更加显现，也将改变我国部分地区钢铁厂还在采用水冷方式的局面，成为钢铁企业响应国家节能降耗的产业政策，走发展循环经济，改善环境持续发展道路的重要措施。

2　汽化冷却系统概述

2.1汽化冷却基本原理

汽化冷却装置水梁中水的循环是依靠循环水泵压头和循环回路下降管中欠饱和水，与上升管中汽水混合物的密度差产生的流动压头，克服回路总阻力而形成的。水梁单立柱管是由带芯管的套管组成，外管受热，芯管不受热，立柱管是靠芯管内外介质的密度差产生的流动压头克服芯管内外的流动阻力，形成自然循环来冷却的。循环流动过程中利用水变为蒸汽吸收的大量热量来冷却水梁及立柱。

2.2汽化冷却的优点

汽化冷却与工业水冷相比有以下优点：

（1）耗水量少。同等热负荷的情况下，汽化冷却的耗水量比水冷的耗水量少得多。例如，采用水冷，假设进出口水的平均温差为25益，则1 kg水所带走的热量仅为104 kJ。而采用汽化冷却之后，假设设计压力在0.8 MPa，这时饱和水焓是742 kJ/kg，汽化潜热是2 030 kJ/kg，因此1 kg水所能带走的热量为2 772 kJ。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。

（2）能量损失少。采用水冷时，冷却水带走的热量基本全部损失，很难回收利用，而采用汽化冷却使，汽化系统中所产生的蒸汽则可以回收利用。

（3）延长炉底管的寿命。水冷时一般直接用硬度较高的工业水，很容易产生结垢现象，导致水管被烧坏，使用寿命较短。而汽化冷却的循环水则是软化水，不容易产生水垢，对延长炉底管寿命有很大帮助。

（4）提高被加热钢坯品质。采用汽化冷却的炉底支撑梁，其表面温度比水冷时高，这样能够减轻坯料加热时形成的黑印，改善钢坯温度的均匀性。

2.3汽化冷却系统的组成及流程

汽化冷却系统包括循环冷却系统及除氧给水系统。

汽化冷却介质为软水，厂区软水站来的软水送至炉区汽化冷却系统软水箱寅软水泵寅除氧器寅给水泵寅汽包寅循环泵组寅循环水总管寅进水旋转接头组（固定梁分配联箱）寅活动梁（固定梁）寅回水旋转接头组（固定梁回水联箱）寅集中上升总管寅汽包寅蒸汽在汽包中分离送至厂内蒸汽管网，水留在系统内继续参与循环。汽化冷却系统流程图见图1。

图1　汽化冷却系统流程图

2.4汽化冷却系统的主要技术措施

（1）整个强制水循环系统的设计。其中包括热水循环泵组扬程、流量及数量的选择，泵的扬程要能克服整个水循环系统的阻力并有一定裕量，泵的流量须保证每个冷却回路折合成流速时应大于临界流速，一般中型步进加热炉水梁的入口流速必须大于1.5 m/s，大型加热炉水梁的入口流速必须大于2.0 m/s。

（2）加热炉汽化冷却系统中步进装置的设计。加热炉汽化冷却系统一般设置2套步进装置，每一套步进装置由进水联箱、三或四组旋转接头组、回水联箱、导向和防震装置等组成，系统管路通过步进装置实现了与炉底水梁的同步运动。旋转接头组示意图见图2。

图2　旋转接头组

（3）安全措施。汽化冷却系统中循环泵组和给水泵组均设置了3台水泵，其中电动泵2台，柴油泵1台，正常运行时电动泵工作，一用一备。当出现停电事故时，柴油泵启动，确保水梁得到有效冷却。旋转接头组相互备用的设置保证在一组旋转接头出现泄漏的状况时，通过隔离阀将单组旋转接头隔离并在线更换，不需停炉处理。

3　汽化冷却系统设计的基本思路

汽化冷却系统的设计，一般按以下步骤进行：根据用户要求确定汽化冷却系统的额定蒸汽参数（蒸汽的压力和温度）；根据炉温计算出炉底水管的热强度，从而计算出炉底水管的热负荷；根据炉底水管的热负荷计算出各冷却回路所需的水量及产生的蒸汽量，以确定汽包的大小（汽包的直径和长度）和循环泵的流量。结合整个车间厂房的情况，确定汽包和泵站的位置；根据炉底水管的结构及汽包的位置，对循环回路进行组合，并结合工程特点详细布置管道，确定管道的走向、大小、附件等，利用管道数据计算系统阻力确定循环水泵的扬程，必要时做适当的调整；根据对水质的要求，对辅助系统进行设计，包括除氧系统、加药系统、排污系统及给水系统的设计。

4　汽化冷却系统应用分析

经过多年的实践及技术上的逐渐成熟，汽化冷却系统已经广泛应用于步进梁式加热炉的水梁冷却。现以笔者所参与改造的天津钢铁集团有限公司中厚板150 t/h步进梁式加热炉为例，介绍汽化冷却在步进式加热炉上的应用。

加热炉的基本参数如表1所示。

炉底水管结构为固定梁4个，管径为椎114×20；活动梁4个，管径为椎127×20。

表1　加热炉基本参数

根据以上这些基本条件及参数，对加热炉的水梁由水冷改成汽化冷却方式进行设计。

加热炉汽化冷却采用强制循环方式，根据蒸汽管网压力将汽化冷却系统工作压力定为1.2 MPa。对炉底水梁的总热负荷进行计算，得出相应的蒸发量，作为后面设计的依据。炉底水管外都包有保温材料，当保温材料最大脱落10%，求得蒸发量最大值约为10 t/h。由此确定汽包尺寸为椎1 600，长度为8 m。根据厂房平面的总体布置，将汽包泵房设置在加热炉侧面。

汽包外形尺寸及安装位置确定之后，根据工业炉专业资料结合步进式加热炉的结构特点，将循环系统分为8个冷却回路，4根固定梁组成4个回路，4根活动梁组成4个回路。整个系统采用集中下降，集中上升的方式。系统中各冷却回路的入口要求流速为2 m/s,系统计算循环阻力为0.35 MPa,为保障水梁安全运行并留有一定裕量，设计中将实际工作流速提高到3 m/s,扬程按0.5 MPa考虑，选定的热水循环泵的参数为：流量450 m3/h,扬程55 mH2O。

由于固定梁和活动梁各冷却回路的管路结构特性不一致，在每个回路入口设置了流量测量装置和手动调节阀，调整各回路的流量基本都维持在45 m3/h左右。运行中，当某一回路的循环水流量低于设定值时，控制系统发出报警，通过流量调节装置，使该回路的流量调至正常。

加热炉汽化冷却系统的最大产汽量为10 t/h，考虑系统的排污损失，除氧给水系统的最大出力按12 m3/h设计，为保证汽化冷却系统的软水水质，还设置了取样冷却器和加药装置，可对水质进行检测和调整。

改造前，加热炉整体水冷系统耗水量为900 m3/h。改造后，加热炉水梁系统耗水量6.5 t/h左右，蒸汽产量5.5 t/h左右，其它水冷系统耗水量170 m3/h，大大降低了循环水用量，产生蒸汽还能回收利用，充分发挥了节能降耗作用。

5　结论

步进梁式加热炉采用强制循环汽化冷却在节能降耗、提高产品质量和产量方面均有重要作用，且该技术经过多年的发展已成熟可靠，它将逐步取代步进梁式加热炉工业水冷却的方式。虽然步进梁式加热炉循环汽化冷却系统设计目前已经较为成熟，但还需设计人员进一步优化，变参照为精确计算，使整个系统在更加经济的条件下运行，使该项技术在节能减排方面发挥更重要的作用。

参考文献

[1]加热炉汽化冷却装置设计参考资料[M].北京：冶金工业出版社，1980.

[2]杨智勇，范乃春，姚群.步进梁式加热炉汽化冷却系统设计研究[J].冶金动力，2008（1）：57-58.等工艺的优化，改善了Q345qDZ25钢板的内部质量，提高了钢板的超声波探伤合格率。

（上接第60页）

修回日期：2015-04-10

Design and Application ofEvaporative Cooling System ofW alking Beam Type Reheating FurnaceHUANG Zun-yun,LIU Jia-taoand CHEN Yang

(Medium and Heavy Plate Rolling Mill,Tianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China) Abstract In orderto realize costreduction and benefitincrease,evaporative cooling system wasapplied to the 150 t/h walking beam type reheating furnace ofMedium and Heavy Plate Rolling Mill,Tianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.Practicalapplication presented the system saved energy,prolonged the service life of cooled componentand achieved good economicbenefit.

Key wordsreheatingfurnace;evaporativecooling;energysaving;design;application

收稿日期：2015-03-15

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.016

作者简介：黄遵运（1978—），男，河南商城人，本科，工程师，主要从事中厚板加热炉、热处理炉技术管理工作。