大型高炉气密箱故障分析及解决方案

赵 波，张振存，古 晋

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼铁部，河北唐山 063200）

0 引言

首钢京唐公司炼铁厂一期2 座高炉炉顶采用水冷气密箱，于2009年开始试车投产运行。高炉炉顶气密箱作为上料的关键设备，其运行状态直接影响高炉炉内的正常运行，因此，气密箱运行管理作为设备管理的重中之重。结合10年生产运行和维护检修实践，对高炉气密箱故障原因进行分析归纳，总结减少和消除故障的方法、措施，提高设备维护水平和应急处理能力，进一步降低设备故障率。

1 设备结构及工作原理

1.1 气密箱工作概况

水冷气密箱安装在炉顶钢圈上，位于高炉炉顶装料设备的最下部，其内部悬挂的布料溜槽在电机的驱动下通过一系列齿轮传动来实现旋转和倾动。水冷气密箱直接受高炉炉温的高热影响，正常情况炉顶温度200～350，事故状态下达到600甚至更高。为了保护本设备的正常工作，在其内部布置有水冷装置，冷却水从设备受热表面流过，通过热交换将设备受热面的热量带走，保障水冷气密箱内的温度在允许范围（70以下）。

1.2 气密箱构成及工作原理

水冷气密箱由内部齿轮传动结构、水冷气密箱本体、倾动减速机三大部件组成。其中，水冷气密箱上部的行星差动减速机，是水冷气密箱内部齿轮传动系统的输入端，驱动布料溜槽的旋转和倾动。

（1）行星差动减速器连接在水冷气密箱壳体的上面，它带有两个电机，即旋转电机和倾动电机，布料溜槽运动的动力就来自行星差动减速器。行星差动减速器输出端两个小齿轮与水冷气密箱本体内的两个回转支承互相啮合，两个回转支承的内圈与水冷气密箱壳体固定，外圈可转动。气密箱内部所有旋转体均连接在上回转支承的外圈上。在下回转支承的下部连接有一大齿圈，大齿圈与下回转支承的外圈连接在一起。这样，旋转电机和倾动电机可分别或同时将运动和动力通过行星差动减速器传至水冷气密箱本体内的两个回转支承。

（2）倾动减速机左右各一个安装在水冷气密箱内部的旋转圆筒上，倾动减速机上的小齿轮与水冷气密箱内部大齿圈啮合，倾动减速机的输出轴上悬挂布料溜槽动臂，最终实现布料溜槽的倾动。

2 主要故障原因分析

2.1 主要故障原因及处理措施

造成气密箱卡阻故障的主要原因包括以下5 个方面。

（1）炉顶温度过高，导致固定体（下水槽）与旋转体之间的间隙胀死，气密箱旋转出现卡顿甚至卡死，电机电流异常。处理措施：控制智能润滑装置，连续供润滑油；检查水冷系统（进出水流量、进出水温度等）。进出水温差大于25时即为异常情况，需采取增加气密箱冷却水量、氮气量或炉顶打水等降温措施。

（2）回转支承故障。气密箱回转支承出现异常声音，需要检查回转支承的紧固情况，如果紧固无问题，则应是轴承部件有损坏。一般的处理措施：视故障严重情况，安排高炉停风检修更换气密箱，或将故障气密箱返厂检修。

（3）行星差动减速器故障。对于这类故障的处理措施是：检查并调节电磁制动；检查润滑油，加热或换油。现场无法检修时应送专业厂检修。

（4）高炉内炉料过高。这一问题处理措施就是，严格按规程进行炉内降料面操作。

（5）电气自动化故障。故障原因是电机损坏或电气自动化控制元件、线路老化损坏；相应的处理措施就是更换损坏的电气自动化控制元件、线路。

2.2 故障统计分析

气密箱设备的故障主要有旋转或倾动困难、卡阻，相关历史数据统计见表1。

由表1 可以看出，造成气密箱旋转或倾动困难、卡阻故障，炉顶温度过高是主要原因，电气自动化故障是次要原因。为了解决炉顶温度过高引发的问题，需要从两方面着手：一是优化炉内操作，严格控制顶温和减少异常气流次数；二是加强气密箱自身冷却系统调节能力。

3 气密箱冷却水流量不足案例分析及解决方案

2018年，2#高炉多次发生的角运行堵转、卡阻现象，检查甘油润滑、稀油润滑都处于正常状态，分析判断与气密箱水量过小有直接关系。目前气密箱用水量低于设计值，主要是考虑水量加大后，担心气密箱向炉内漏水。进一步判断，气密箱本体漏水的可能性不大，漏水应该是回水管路堵塞，造成供水量大于回水量，造成在U 形密封部位溢出、漏入炉内。

无料钟炉顶设备气密箱采用开路高压净环工业水系统，在实际使用的过程中，无法增大冷却水量，提高冷却强度。目前实际运行时，最高水量约8 t/h，继续增加水量则容易出现类似水封“击穿”的现象，从管道顶部设置的排气管向外喷溅。为了应对炉顶温度较高的生产问题，提出加强无料钟炉顶布料器冷却能力的要求，解决增加水量而不发生喷溅问题。

3.1 原因分析

通过无料钟炉顶出厂前的通水试验得知，当冷却水量达到30 t/h 时，设备的出水口才会出现满管现象，因此可知在8 t/h的情况下，DN100 排水管内部的介质为气—水混合流。由于炉顶设备安装位置较高，管内流体在重力的作用下加速向下流动，从而形成携带大量气泡的水流。由于在DN100 的排水管内无法将携带的气体“回流”至炉顶设备，而是顺流经过位于地面的煤气水封底部，进入水封段水管，造成水封的有效高度降低。同时，随着压力降低，携带的气体形成间断的气塞，经顶部的排气管向外喷溅。

由以上分析可知，问题的主要原因是在水流下降的过程中无法将携带的气体“回流”炉顶，因此改造方案要解决气体的回流问题，从而保障水封的有效高度、减少水流携带的气体，避免喷溅现象。

3.2 解决方案

基于上述原因的分析，提出以下改造解决方案（图1）。

（1）将排水环管、排水管的直径由DN100 修改为DN150，提高水流在下降过程中的气—水分离效果，促进气体“回流”。

（2）流量计的位置改到水流的上升段，从而确保管道内部为满管水流，提高测量精度，相应热电阻的位置也移动到此位置。

（3）将炉台上的排水斗移至+42.800 m 平台，减少管道竖直段的长度，从而降低“虹吸”现象，确保排水连续、顺畅。

经过上述改造，可以减少水流携带的气体，保障水封有效高度，并且改善排水斗部位水流间断的现象。

3.3 实施效果

2018年底，结合检修，完成对2#高炉的改造工作。经过试验，原最高供水量约为8 t/h，继续增加水量则容易出现类似水封“击穿”的现象，从管道顶部设置的排气管向外喷溅。改造后，最高供水量提升到11 t/h，未出现过水封“击穿”的现象，表明还有一定向上调节空间。改造后运行至今未再出现卡阻现象，气密箱倾动及旋转电机电流峰值下降30%左右。氮气用量明显降低，得益于水流在改造后的回水管道下降过程中气体“回流”效果加强，减少了氮气的外排消耗。

4 故障处理及应急措施

（1）如果气密箱为新换备件，运行初期，生产利用非布料时间对角、角反复动作，重点对卡顿角度进行设备磨合。

（2）保证气密箱冷却水流量；关注气密箱水封，水封击穿及时处理；对气密箱氮气压力进行调整，提高氮气压力。

（4）增加备用驱动电机，应急卡阻状况进行双电机驱动。

（6）设备维护单位进行炉顶特护，故障状态及时处理，缩短反映时间。

（7）炉内控制顶温，尽量避免管道及炉顶长时间高温。

（8）关注气密箱供回水管路堵塞情况，在检修时对供回水管道进行定期清洗。

（9）根据不同季节、炉顶温度、气密箱温度、高炉停送风情况，调整供水与氮气用量，在保证冷却、密封效果的同时，避免气密箱向炉内漏水。

5 结束语

通过长期生产实践和维护检修摸索，积累了丰富操作和设备维护检修经验，针对气密箱倾动（角）及旋转（角）动作卡阻问题，提前采取有效措施，减少卡阻故障发生次数或将故障时间压缩至最短，保障高炉正常生产。