300 t转炉裙罩技改浅谈

赵英春

(烟台国冶冶金水冷设备有限公司,山东 烟台 265500)

转炉余热锅炉,即汽化冷却型烟道式余热锅炉[1-3],是我国长流程炼钢环节中进行炼钢余热回收的主要装置。其不仅用来输送含尘的高温烟气,同时位于转炉冶炼生产流程中,承上启下,其使用情况的好坏,决定了炼钢转炉能否正常生产,在炼钢厂中占有主导地位。当转炉吹氧炼钢时,含CO的约1 450 ℃的大量高温烟气,快速通过汽化冷却烟道并进行冷却,导致烟道内的热负荷急剧增加,受热管壁温、循环水温度随之升高;当吹炼终止时,烟道热负荷快速降低,裙罩入口烟温降至约120 ℃左右,受热管壁温、冷却水温度随之下降。一般每炉钢的炼制时长约36 min,在正常生产的情况下,该温度将持续周期性的变化。现场工况如此恶劣,必会影响转炉余热锅炉的使用寿命[4]。

裙罩作为锅炉系统的烟气入口,布置在转炉炉口正上方,由液压升降机构吊挂在固定框架上,在生产过程中,需要随炼钢周期频繁升降约800 mm,以便捕集从转炉炉口溢出的烟尘,同时防止空气混入余热锅炉系统内。因此也被称为活动烟罩。其使用寿命短主要体现在过早地出现裂纹漏水甚至是爆管,扰乱正常的生产节奏,也容易引发次生事故。研究探讨影响转炉裙罩使用寿命的各种因素[5-9],延长裙罩的使用寿命具有一定的现实意义。

1 技改前裙罩的情况

某炼钢厂现有300 t转炉三座,原裙罩为20世纪80年代日本OG煤气回收技术装备,曾于2011年配合OG回收系统进行过技术升级改造,主要由下集箱、水冷壁、上集箱、水封槽系统、配水集箱、配水管、吊耳装置等组成。下集箱的中径是6 020 mm,上集箱的中径是5 325 mm,高度为1 720 mm,水冷壁由272根直径48 mm的钢管竖排在上下集箱之间组成(见图1),最窄处距离下部烟罩外壁的间距为62 mm。裙罩上部设有水封槽,采用了水封插板配合水封槽的密封样式来保证其与下部烟罩的密封,阻止煤气外泄。其使用工况十分恶劣还体现在如下方面:

图1 原裙罩

(1) 安装位置离炉口近,转炉冶炼时炉内温度最高达1 450 ℃,裙罩内表面被高温火焰和含尘烟气直接冲刷,造成受热面温度过高,冲刷磨损严重;

(2) 受冶炼炉料影响,高温烟气中可能含有SO2等酸性腐蚀性物质和水蒸气等,使裙罩受到酸性气体的高温腐蚀和水蒸气的氧化;

(3)为了保护炉体,转炉在炼钢过程中会生成大量的泡沫渣,泡沫渣在高压氧的吹射下会四处喷溅,易在裙罩内表面堆积附着。

这种裙罩不能较好满足转炉吹炼的高温、喷溅大的恶劣工况,导致故障易发、寿命短,为了满足激烈的市场竞争,提高裙罩使用寿命显得至关重要。

2 影响裙罩使用寿命的因素

2.1 设计方面的影响

2.1.1 受热管布置方式的影响

在正常生产及足够冷却水的条件下,设计方面的影响主要与设备结构相关。

原裙罩水路安排是分组下降,再分组上升,如图2所示,即整个水冷工艺流程是循环水由配水集箱的进水管流入配水集箱,再经配水管,流进下集箱,再由下集箱进一步分组分配给各水冷管,然后流到上集箱,由出水管引出。如此循环往复,使裙罩得到冷却。这样的循环方式,每组管组里的单支受热管,易存在受热强度偏差,有进一步优化的空间。

图2 原裙罩水路及布管示意

2.1.2 密封方式的影响

原裙罩为了灵活升降,与下部烟罩之间单边间距62 mm,通过水封槽密封,因裙罩所处的环境恶劣,温度高、粉末粉尘量大。当粉尘飞溅到水槽中后,易被水吸附,随之粘连结块落入水封槽底,当沉淀物在槽内堆积到一定高度后,即可造成下部烟罩上的水封插板行程不够,导致裙罩出现提升不到位或卡死,在过载的情况下,使设备过早出现损伤。

传统的烟罩密封方式,还有砂封形式(见图3),砂封主要缺点是密封不够严密、易跑烟冒火,密封砂子易被吹走,但砂封一般不存在密封槽中堆积灰渣的问题。

图3 砂封及砂封泄露示意

为了解决水封及砂封存在的问题,兴起一种干式密封技术,即所谓的“气封”技术[10]。一般通过加装密封装置(见图4),利用氮气幕或蒸汽幕来进行密封。在裙罩上部加装氮封装置较常见,利用圆周分布的大量喷嘴喷出气幕,达到了密封效果。

图4 气封设备示意

干式气封技术,解决了水封、砂封存在的问题,存在的缺点主要是工作中噪声较大,消耗了一定量的氮气或蒸汽资源,而且气封喷嘴因处于高温环境中,上线几个月后,易被烧损,局部会丧失了密封功能。

2.2 制造过程的影响

设备制造过程中主要应注意对设备内部清洁度的监控。受热管机械坡口后应一管一清,不要后期统一清理铁屑,预防铁屑意外进入管道内部,受热管在组装前要对所有管路进行高压空气彻底吹扫,确保残渣吹净后停止。产品制造过程中,对暴露的开孔采取封闭措施,防止异物进入系统内部,导致循环水路堵塞。

为保证裙罩与下部烟罩之间的相对运动,组焊后裙罩及下部烟罩的圆度均应控制在椭圆度0～5mm,同轴度0～2mm。

2.3 安装方面的影响

裙罩安装不正,升降时,会和下部烟罩发生剐蹭,加大了裙罩内壁的磨损。

2.4 运行维护的影响

转炉裙罩的长期稳定运行是保证转炉生产计划顺利完成的重要因素之一,在钢厂冶炼过程中,意外漏水,导致出现热停炉的情况频发,影响了钢厂的生产效率。

2.4.1 水质影响

当裙罩循环水水质不达标时,设备内部容易结垢,导致设备传热效率下降。日积月累之下,冷却不好的部位在热应力等交变载荷作用下漏水。

2.4.2 清渣造成的机械撞击

当转炉烟道停机维修时,从安全方面考虑,需对裙罩内壁黏渣进行清理。若清理不当,可能对裙罩造成损伤。

3 改进型裙罩结构

3.1 基本设计参数

改进型裙罩为横向水冷壁管围成圆台型结构,由进出口集箱连接(见图5),也设有吊点机构。具体参数如下:

图5 技改后裙罩

结构形式:水平排列水冷壁管,机械密封;

设计压力:1.2 MPa;

设计温度:200 ℃;

工作压力:0.9 MPa;

水冷壁管规格:Φ48 mm×5 mm

水冷壁管材质: 20G (GB/T5310—2017);

水冷壁直径:5 405 mm/5 080mm;

裙罩高度:1 620 mm;

裙罩行程:800 mm;

冷却方式:低压强制循环水冷。

3.2 设计改造特点

裙罩冷却水路改造是把冷却水路设计成27支环管水路,相当于27条支路水平并联于进出水集箱之间,这样同一时间的裙罩冷却强度得到加强。利用节流技术,保证每条冷却水循环管路路径基本相等,阻力大致相同,使得裙罩整体冷却均匀,避免因受热偏差而产生较大的热应力。

此次改造后用机械密封来代替水封,其结构简单,密封可靠(见图6、图7),节约密封用水量约50 t/h,不仅降低了能源的损耗,也降低了检修作业难度。

图6 机械密封示意图

图7 新裙罩安装图

因密封方式的更改,原水封槽取消,整个裙罩的荷载由改造前的25 t降低了约10 t,有利于液压提升系统的寿命提升。而且整个吊架系统采用有利于热膨胀释放的结构,有利于提高裙罩寿命。

4 结 论

经过长期的现场使用情况反馈和跟踪观察,对裙罩的技改,取得了较令人满意的效果。设备提升不到位等情况被杜绝,节约了资源,提高了裙罩设备服役周期,有力保障了转炉生产的顺利进行,为实现钢铁企业的效益提升创造了有利条件。