大型高爐氣密箱故障分析及解決方案

趙 波，張振存，古 晉

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司煉鐵部，河北唐山 063200）

0 引言

首鋼京唐公司煉鐵廠一期2 座高爐爐頂采用水冷氣密箱，于2009年開始試車投產運行。高爐爐頂氣密箱作為上料的關鍵設備，其運行狀態直接影響高爐爐內的正常運行，因此，氣密箱運行管理作為設備管理的重中之重。結合10年生產運行和維護檢修實踐，對高爐氣密箱故障原因進行分析歸納，總結減少和消除故障的方法、措施，提高設備維護水平和應急處理能力，進一步降低設備故障率。

1 設備結構及工作原理

1.1 氣密箱工作概況

水冷氣密箱安裝在爐頂鋼圈上，位于高爐爐頂裝料設備的最下部，其內部懸掛的布料溜槽在電機的驅動下通過一系列齒輪傳動來實現旋轉和傾動。水冷氣密箱直接受高爐爐溫的高熱影響，正常情況爐頂溫度200～350，事故狀態下達到600甚至更高。為了保護本設備的正常工作，在其內部布置有水冷裝置，冷卻水從設備受熱表面流過，通過熱交換將設備受熱面的熱量帶走，保障水冷氣密箱內的溫度在允許范圍（70以下）。

1.2 氣密箱構成及工作原理

水冷氣密箱由內部齒輪傳動結構、水冷氣密箱本體、傾動減速機三大部件組成。其中，水冷氣密箱上部的行星差動減速機，是水冷氣密箱內部齒輪傳動系統的輸入端，驅動布料溜槽的旋轉和傾動。

（1）行星差動減速器連接在水冷氣密箱殼體的上面，它帶有兩個電機，即旋轉電機和傾動電機，布料溜槽運動的動力就來自行星差動減速器。行星差動減速器輸出端兩個小齒輪與水冷氣密箱本體內的兩個回轉支承互相嚙合，兩個回轉支承的內圈與水冷氣密箱殼體固定，外圈可轉動。氣密箱內部所有旋轉體均連接在上回轉支承的外圈上。在下回轉支承的下部連接有一大齒圈，大齒圈與下回轉支承的外圈連接在一起。這樣，旋轉電機和傾動電機可分別或同時將運動和動力通過行星差動減速器傳至水冷氣密箱本體內的兩個回轉支承。

（2）傾動減速機左右各一個安裝在水冷氣密箱內部的旋轉圓筒上，傾動減速機上的小齒輪與水冷氣密箱內部大齒圈嚙合，傾動減速機的輸出軸上懸掛布料溜槽動臂，最終實現布料溜槽的傾動。

2 主要故障原因分析

2.1 主要故障原因及處理措施

造成氣密箱卡阻故障的主要原因包括以下5 個方面。

（1）爐頂溫度過高，導致固定體（下水槽）與旋轉體之間的間隙脹死，氣密箱旋轉出現卡頓甚至卡死，電機電流異常。處理措施：控制智能潤滑裝置，連續供潤滑油；檢查水冷系統（進出水流量、進出水溫度等）。進出水溫差大于25時即為異常情況，需采取增加氣密箱冷卻水量、氮氣量或爐頂打水等降溫措施。

（2）回轉支承故障。氣密箱回轉支承出現異常聲音，需要檢查回轉支承的緊固情況，如果緊固無問題，則應是軸承部件有損壞。一般的處理措施：視故障嚴重情況，安排高爐停風檢修更換氣密箱，或將故障氣密箱返廠檢修。

（3）行星差動減速器故障。對于這類故障的處理措施是：檢查并調節電磁制動；檢查潤滑油，加熱或換油。現場無法檢修時應送專業廠檢修。

（4）高爐內爐料過高。這一問題處理措施就是，嚴格按規程進行爐內降料面操作。

（5）電氣自動化故障。故障原因是電機損壞或電氣自動化控制元件、線路老化損壞；相應的處理措施就是更換損壞的電氣自動化控制元件、線路。

2.2 故障統計分析

氣密箱設備的故障主要有旋轉或傾動困難、卡阻，相關歷史數據統計見表1。

由表1 可以看出，造成氣密箱旋轉或傾動困難、卡阻故障，爐頂溫度過高是主要原因，電氣自動化故障是次要原因。為了解決爐頂溫度過高引發的問題，需要從兩方面著手：一是優化爐內操作，嚴格控制頂溫和減少異常氣流次數；二是加強氣密箱自身冷卻系統調節能力。

3 氣密箱冷卻水流量不足案例分析及解決方案

2018年，2#高爐多次發生的角運行堵轉、卡阻現象，檢查甘油潤滑、稀油潤滑都處于正常狀態，分析判斷與氣密箱水量過小有直接關系。目前氣密箱用水量低于設計值，主要是考慮水量加大后，擔心氣密箱向爐內漏水。進一步判斷，氣密箱本體漏水的可能性不大，漏水應該是回水管路堵塞，造成供水量大于回水量，造成在U 形密封部位溢出、漏入爐內。

無料鐘爐頂設備氣密箱采用開路高壓凈環工業水系統，在實際使用的過程中，無法增大冷卻水量，提高冷卻強度。目前實際運行時，最高水量約8 t/h，繼續增加水量則容易出現類似水封“擊穿”的現象，從管道頂部設置的排氣管向外噴濺。為了應對爐頂溫度較高的生產問題，提出加強無料鐘爐頂布料器冷卻能力的要求，解決增加水量而不發生噴濺問題。

3.1 原因分析

通過無料鐘爐頂出廠前的通水試驗得知，當冷卻水量達到30 t/h 時，設備的出水口才會出現滿管現象，因此可知在8 t/h的情況下，DN100 排水管內部的介質為氣—水混合流。由于爐頂設備安裝位置較高，管內流體在重力的作用下加速向下流動，從而形成攜帶大量氣泡的水流。由于在DN100 的排水管內無法將攜帶的氣體“回流”至爐頂設備，而是順流經過位于地面的煤氣水封底部，進入水封段水管，造成水封的有效高度降低。同時，隨著壓力降低，攜帶的氣體形成間斷的氣塞，經頂部的排氣管向外噴濺。

由以上分析可知，問題的主要原因是在水流下降的過程中無法將攜帶的氣體“回流”爐頂，因此改造方案要解決氣體的回流問題，從而保障水封的有效高度、減少水流攜帶的氣體，避免噴濺現象。

3.2 解決方案

基于上述原因的分析，提出以下改造解決方案（圖1）。

（1）將排水環管、排水管的直徑由DN100 修改為DN150，提高水流在下降過程中的氣—水分離效果，促進氣體“回流”。

（2）流量計的位置改到水流的上升段，從而確保管道內部為滿管水流，提高測量精度，相應熱電阻的位置也移動到此位置。

（3）將爐臺上的排水斗移至+42.800 m 平臺，減少管道豎直段的長度，從而降低“虹吸”現象，確保排水連續、順暢。

經過上述改造，可以減少水流攜帶的氣體，保障水封有效高度，并且改善排水斗部位水流間斷的現象。

3.3 實施效果

2018年底，結合檢修，完成對2#高爐的改造工作。經過試驗，原最高供水量約為8 t/h，繼續增加水量則容易出現類似水封“擊穿”的現象，從管道頂部設置的排氣管向外噴濺。改造后，最高供水量提升到11 t/h，未出現過水封“擊穿”的現象，表明還有一定向上調節空間。改造后運行至今未再出現卡阻現象，氣密箱傾動及旋轉電機電流峰值下降30%左右。氮氣用量明顯降低，得益于水流在改造后的回水管道下降過程中氣體“回流”效果加強，減少了氮氣的外排消耗。

4 故障處理及應急措施

（1）如果氣密箱為新換備件，運行初期，生產利用非布料時間對角、角反復動作，重點對卡頓角度進行設備磨合。

（2）保證氣密箱冷卻水流量；關注氣密箱水封，水封擊穿及時處理；對氣密箱氮氣壓力進行調整，提高氮氣壓力。

（4）增加備用驅動電機，應急卡阻狀況進行雙電機驅動。

（6）設備維護單位進行爐頂特護，故障狀態及時處理，縮短反映時間。

（7）爐內控制頂溫，盡量避免管道及爐頂長時間高溫。

（8）關注氣密箱供回水管路堵塞情況，在檢修時對供回水管道進行定期清洗。

（9）根據不同季節、爐頂溫度、氣密箱溫度、高爐停送風情況，調整供水與氮氣用量，在保證冷卻、密封效果的同時，避免氣密箱向爐內漏水。

5 結束語

通過長期生產實踐和維護檢修摸索，積累了豐富操作和設備維護檢修經驗，針對氣密箱傾動（角）及旋轉（角）動作卡阻問題，提前采取有效措施，減少卡阻故障發生次數或將故障時間壓縮至最短，保障高爐正常生產。