關于首鋼冶煉高爐冷卻循環水系統的分析及建議

侯志廣

（北京首鋼股份有限公司能源部，河北 遷安 064404）

無論在地面施工還是鐵路施工中，鋼材都是不可缺少的重要材料。生鐵生產是煉鋼的一個重要過程[1]。目前，高爐煉鐵是一種常見的煉鐵工藝[2，3]，近年來，中國的高爐煉鐵技術以低成本、低消耗、低污染為目標，不斷向自動化、大型化、高效化方向發展，但相較于國外先進的高爐煉鐵技術卻有著一些不良因素。

（1）高爐煉鐵工業已接近飽和。高爐煉鐵雖然產量居世界第一，但生產成本和經濟效益均低于世界水平，導致其在世界市場上的競爭力不足，阻礙了高爐煉鐵的可持續發展。

（2）先進的高爐煉鐵廠與落后的高爐煉鐵廠并存，中小高爐煉鐵廠過多，不符合規定。它們無法在生產中實現低成本、低消耗、低污染，最終導致成品供過于求、低成本。由于這種惡劣的市場環境，我國高爐煉鐵在環保和能源方面存在缺陷[4,5]。為了減少過剩產能，政府出臺了各種政策和計劃，大力推進供給側結構性改革，導致鋼材價格小幅上漲。但是，生產過剩問題沒有得到解決，經濟效益略有提高，但根本問題依然存在。

冶煉過程作為鋼鐵冶煉重要的一部分，循環水系統的流程和操作級別與鋼鐵生產工藝有很大的關系,技術裝備水平和供水和排水系統設置,也就是說,水處理的程度越高,閉合循環率越高,自動化水平越高,越穩定水系統操作,降低水的消耗,降低了鐵冶煉成本。

本文對高爐循環水系統的組成和運行進行了分析，并提出了相應的合理改進建議。

1 高爐循環水系統介紹

1.1 高爐循環冷卻水的目的

高爐冷卻旨在增加爐襯內部的溫度梯度,超過1150℃等溫表面遠離高爐殼,從而保護某些金屬結構和混凝土構件,不要失去力量。

爐襯可固化成渣皮保護甚至替代爐襯工作，從而獲得合理的爐種，延長爐襯的工作能力和高爐的使用壽命。高爐冷卻是形成保護渣皮、鐵殼和石墨層的重要條件。高爐常用的冷卻介質是水、風、堿的混合物。

條件下的各個部分高爐的爐底和爐底冷卻的目的主要是使1150℃等溫凝固的鐵水表面遠離高爐殼,防止爐底和爐缸渣鐵水燃燒泄漏。冷卻爐體的目的是保持爐體的合理運行，保護爐殼。

1.2 首鋼股份3#高爐循環冷卻水系統組成

首鋼股份公司遷鋼3#高爐于2010年1月8日開爐投產，是首鋼獨資最大的高爐，有效容積4000m3，設有4個出鐵口，36個風口,采用全冷卻爐體結構，工藝流程如圖1所示：主供水泵組將冷卻后的軟水送至冷卻壁上的供水管。一部分水冷卻冷卻壁的直管。

一部分水通過爐底，然后冷卻冷卻壁的蛇管。部分回水由高壓增壓泵組風口內的小夾套冷卻，部分由中壓增壓泵組第二套壓力風口、直接鼓風機管和熱風閥冷卻。其余的回水被繞過。脫氣后，回水的三部分全部進入脫氣槽，通過回水總管進入板式換熱器，冷卻后循環使用。

圖1 流程圖

高爐冷卻水循環系統。首鋼鋼鐵有限公司3號高爐由常壓水、低壓潔凈環水、風口高壓水、制冷劑水、爐體上部脫鹽、爐體下部脫鹽、高爐熱熔脫鹽和自動脫鹽等幾個系統組成,見工藝圖2、圖3，具體情況如下。

（1）常壓水系統

常壓凈環水通過兩根Ф630×10mm管道經▽31m管橋后分成兩路：一路向下進入▽26.048m第一層常壓供水環管，供風口大套、水冷直吹管使用；另一路向上進入▽39.3m第二層常壓供水環管，供18段水箱、爐喉上下部鋼磚、常壓備用包使用。

（2）風口高壓水系統

高壓凈環水由一根Ф720×10mm管道輸送，從地下管廊出來后變為兩根Ф530×10mm管道，在通過▽31m管橋后分為兩路：一路向下方進入▽26.048m第一層高壓供水環管，供風口小套、中缸及高壓事故包使用；另一路向上方進入▽39.1445m第二層高壓供水環管，供爐喉十字測溫、爐頂打水使用。

圖2 遷鋼3#高爐工業水系統工藝流程

圖3 遷鋼3#高爐爐體除鹽水系統工藝流程

（3）冷媒水系統

冷卻水循環容積5500m3/h(最大6200m3/h)，出水壓力0.30mpa。主要用于閉式冷卻塔制冷劑水的供給，上開式冷卻塔制冷劑水的冷卻。三個600 s32水泵,3100m3/h,32米,400千瓦,一個泵柴油機事故,雙重使用和一個備份,DN1200管單挑出,從熱池的回歸水上面的三個系統,通過關閉塔吸收的熱鹽水,冷卻塔冷卻到冷池的水上面的三個系統。

（4）爐體上部除鹽水系統

上部除鹽循環水量為5300m3/h,水壓1.1MPa。前排管3770m3/h，上凸臺780m3/h，下凸臺750m3/h。泵站共安裝有5臺循環水泵，3開2備。設有進口柴油機事故泵一臺，事故水量2650m3/h。上部除鹽水從地下管廊經兩根Ф820×10mm的供水總管送至▽32.8m平臺，通過前排管供水環管（DN500）和凸臺管供水環管（DN350）供給高爐冷卻壁使用。

（5）爐體下部除鹽水系統

下部除鹽水循環水量為4800m3/h,水壓1.1MPa。其中爐缸4300m3/h，爐底水冷500m3/h。

泵站共安裝有4臺循環水泵，2開2備。設有進口柴油機事故泵一臺，事故水量2400m3/h。

下部除鹽水從地下管廊經兩根Ф720×10mm的供水總管送至高爐爐基，通過爐底供水半環管（DN300）和爐缸供水環管（DN700）供高爐冷卻。

1.3 存在的問題

（1）冷媒水量問題

制冷劑水循環水體積5500m3/h(最大6200m3/h)，出水壓力0.30mpa。制冷劑水主要供給閉式冷卻塔，上開式冷卻塔用于上述三種水工業用水的冷卻。冷媒水所在高爐回水井與冷水井之間有高位聯通擋墻標高6米，熱水井溢流液位為8米，熱水井冷水井之間有0-2米的溢流區域，經過實踐研究分析，上塔泵組只開一臺上塔泵，供水流量3000m3/h、出水壓力0.30Mpa時完全滿足冷媒上塔的冷卻水量，其余熱水井的高爐回水經過擋墻溢流直冷水井直接降溫。

按照上述分析，節省一臺功率400KW的上塔泵，節能效益明顯。

（2）工業水水壓問題

在正常情況下，高爐冷卻系統的供水壓力應滿足以下要求:冷卻設備(最后一套冷卻設備)中的水壓應高于其所在爐內的氣體壓力0.03-0.05mpa;風口和渣口的水壓應比所在位置的氣體壓力高0.08-0.1mpa。發生事故時，應保證高爐爐體最高、最后冷卻裝置進口水壓不低于0.08-0.12mpa。見表1、表2。

表1 一些大型高爐要求的給水壓力

水的飽和蒸汽壓，即在一定水溫下防止液體汽化的最小壓力，與水溫有關。水蒸發與壓降,增加水的上升,水蒸發伴隨著原始溶解在水中的氣體自動轉義,滿是蒸汽和氣體的溢出氣泡的形成,如周圍的空氣被破碎的液壓,高速水流由于慣性中心泡沫,泡沫封閉在該地區產生強大的當地水錘,瞬時局部壓力可以達到幾十個Mpa,即蒸汽孔現象。金屬表面在當地的水錘效應,頻率高達每秒20000-30000倍,就像水楔、濃度效應在小面積平方微米,一段時間后,金屬會產生疲勞,開始了蜂窩金屬表面,因此,更多的集中應力,金屬表面裂紋和剝落,與此同時,在水和間歇細胞表面接觸,在孔壁與孔底之間產生電位差，引起電偶腐蝕，裂縫加寬，最后幾道裂縫相互貫通，達到日全食的不良程度，從而產生空化，危害極大。事實上，一些高爐水冷系統的損壞主要是由這個原因造成的。

表2 對應不同溫度水的飽和蒸汽壓力表

高爐風口前部熱負荷大，當冷卻水流量過小，水壓不夠時，不但不能帶走所產生的熱量，而且容易形成局部過熱和汽化，甚至發生重大事故。

因此，風口冷卻水的供水壓力應達到1.5mpa以上。一般情況下，風口冷卻需單獨供水，以滿足壓力要求。

（3）除鹽水水壓問題

3#高爐爐體上部除鹽循環水量為5300m3/h,水壓1.1MPa；下部除鹽水循環水量為4800m3/h,水壓1.1MPa。由此可見，爐體上部及下部的供水水壓一致，只是高爐本體的冷卻部位不同。爐體上部主要為第7～17段冷卻壁前排管及第11～17段冷卻壁凸臺管冷卻使用，爐體下部主要為爐底、第1～6段冷卻壁冷卻使用。

由上可見，爐體上部及爐體下部除鹽水系統基本具備系統互備條件，若將兩個系統的供回水主管分別聯通、并加裝相應隔斷閥門，在單個系統出現問題時，互相作為事故水使用，除鹽水系統安全性大大提高。

2 結論與建議

高爐冷卻水循環系統的水壓與循環水量同樣重要。循環水量對冷卻有重要意義，因此有必要對水壓進行闡述，綜合考慮，確定最低供水壓力，優化相關運行參數。擬采用以下改進措施。

（1）減開一臺上塔供水泵，其余熱水井的高爐回水經過擋墻溢流直冷水井直接降溫,節省一臺功率400KW的上塔泵，目前已經實施，系統運行正常，節能效益明顯。

（2）確保高爐爐體高溫區不產生水的汽化,從而避免汽蝕而引起重大事故的發生。

（3）將爐體上部及下部兩個系統的供回水主管分別聯通、并加裝相應隔斷閥門，進行適當改造，流量、壓力等參數均能匹配。安全效益巨大，需要進一步深入研究探討后在實施。