摘  要  從聯(lián)合軟水系統(tǒng)和獨立軟水系統(tǒng)的比較、風口小套是否單獨設(shè)置工業(yè)凈循環(huán)開路冷卻、冷卻壁分段調(diào)水、是否采用雙層水冷冷卻壁、若干冷卻參數(shù)的選取等方面對高爐軟水系統(tǒng)設(shè)計進行了分析和探討，并給出了自己的觀點和建議。

關(guān)鍵詞  高爐  聯(lián)合軟水  風口小套  冷卻壁

高爐冷卻系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到各種冷卻設(shè)備的壽命，從而影響整個高爐的壽命。軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)具有不結(jié)垢、無污染、冷卻效果好、余壓完全得到利用、能耗低、泄漏少、自動化程度高、運行安全可靠等諸多優(yōu)點，在國內(nèi)外大中型高爐上已得到了廣泛應(yīng)用。軟水密閉循環(huán)冷卻代替工業(yè)凈環(huán)水冷卻已是大勢所趨。

經(jīng)過不斷的改進和完善，軟水密閉循環(huán)冷卻工藝已日趨成熟，但是軟水冷卻系統(tǒng)設(shè)計在一些細節(jié)上尚有爭議。本文將從這些細節(jié)上對軟水系統(tǒng)設(shè)計進行探討。

1  聯(lián)合軟水系統(tǒng)和獨立軟水系統(tǒng)的比較

高爐軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要由供水泵組、供回水主管及支管、冷卻器、脫汽罐和膨脹罐、熱交換器及二次水系統(tǒng)、儀表檢測及自動控制系統(tǒng)、軟水補水系統(tǒng)組成。按系統(tǒng)的組成特點，可分為聯(lián)合軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)（以下簡稱聯(lián)合軟水）和獨立軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)（以下簡稱獨立軟水）兩種方案。

聯(lián)合軟水方案：通過串聯(lián)與并聯(lián)的方式，將爐底、冷卻壁、風口各套、直吹管、熱風閥等子系統(tǒng)合并成一個系統(tǒng)，系統(tǒng)由冷卻壁一級冷卻回路和風口、熱風閥二級冷卻回路組成，僅需設(shè)置一套膨脹罐、脫汽罐、換熱器及二次水系統(tǒng)。其典型工藝流程如圖1所示。

獨立軟水方案：各區(qū)域冷卻器單獨加壓供水，各系統(tǒng)相互獨立，有多套膨脹罐、脫汽罐、換熱器及二次水系統(tǒng)。其典型工藝流程如圖2所示。

下面從投資成本、運行能耗及可靠性等三個方面對上述兩種方案進行對比分析。

從投資成本角度來看，在保證相同冷卻效果的前提下，與獨立軟水相比，聯(lián)合軟水在柴油機泵數(shù)量、換熱器數(shù)量、二次冷卻泵組配置、管道材料量、脫氣罐和膨脹罐及其檢測元件的數(shù)量等方面的設(shè)備投資以及相應(yīng)的土建結(jié)構(gòu)投資均大大減少。經(jīng)核算，一座5000m3級別的高爐，聯(lián)合軟水系統(tǒng)的投資成本要比獨立軟水系統(tǒng)節(jié)省30%。聯(lián)合軟水與獨立軟水投資成本綜合比較表見表1。

從運行能耗角度來看，聯(lián)合軟水的總循環(huán)水量遠小于獨立軟水，相應(yīng)的，其換熱用的二次冷卻水量也遠小于獨立軟水，因此運行能耗大大減少。經(jīng)核算，一座5000m3級別的高爐，聯(lián)合軟水系統(tǒng)一年的運行費用比獨立軟水系統(tǒng)節(jié)省12%。聯(lián)合軟水與獨立軟水運行費用綜合比較表見表2。

從系統(tǒng)可靠性角度來看，聯(lián)合軟水中各子系統(tǒng)在事故狀態(tài)時可以互為備用。例如中壓和高壓加壓系統(tǒng)中任一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障且備用系統(tǒng)也無法啟動時，另一個系統(tǒng)的備用系統(tǒng)會自動啟動，充當其該系統(tǒng)備用角色。而當中壓和高壓加壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障且備用設(shè)施均無法啟動時，冷卻壁及爐底主冷卻系統(tǒng)可通過回水總管的氣動調(diào)節(jié)閥門自動調(diào)節(jié)，將一部分冷卻水調(diào)劑給中壓及高壓水系統(tǒng)，充當備用角色。這種相互備用的模式多達十幾種情況，較獨立軟水而言，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

綜上所述，與獨立軟水系統(tǒng)相比，聯(lián)合軟水系統(tǒng)在投資成本、運行能耗、可靠性等方面具有明顯優(yōu)勢，新建高爐應(yīng)采用聯(lián)合軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

2  風口小套是否單獨設(shè)置工業(yè)水開路循環(huán)冷卻

有些鋼廠將風口小套冷卻從聯(lián)合軟水系統(tǒng)中分離出來，單獨設(shè)置工業(yè)水開路循環(huán)冷卻，理由是聯(lián)合軟水系統(tǒng)中風口小套檢漏不方便，且風口小套更換頻繁，會影響到系統(tǒng)其它用戶的正常運行。事實上，聯(lián)合軟水系統(tǒng)中風口小套的檢漏并沒有想象中那么復雜和困難。與開路工業(yè)水相比，聯(lián)合軟水系統(tǒng)通過完善的自動化檢測手段一樣可以實現(xiàn)檢漏，甚至更快捷，更高效。聯(lián)合軟水系統(tǒng)在風口小套進出水支管上均設(shè)有高精度流量計，壓力計及溫度計，同時具備報警功能和歷史趨勢曲線，結(jié)合系統(tǒng)的水位監(jiān)控、自動補水、破損報警等功能，可以非常快捷高效地實現(xiàn)小套自動檢漏，大大減少人工檢漏的工作量。同時，風口小套還設(shè)置了事故水處理系統(tǒng)，當個別風口產(chǎn)生微漏時，微漏風口可通過專門設(shè)置的管路切換成工業(yè)水冷卻，不影響系統(tǒng)其它用戶的正常運行。

以武鋼為代表的部分采用聯(lián)合軟水系統(tǒng)的鋼廠，經(jīng)過不斷的實踐和摸索，已經(jīng)總結(jié)出一套行之有效的高爐檢漏方法，能夠熟練、快速地實現(xiàn)冷卻壁、風口中套、風口小套等用戶的檢漏，系統(tǒng)運行非常平穩(wěn)。

由于聯(lián)合軟水系統(tǒng)中風口小套能夠?qū)崿F(xiàn)快捷高效的自動化檢漏，不會影響到其他用戶的正常運行，加上聯(lián)合軟水系統(tǒng)固有的不結(jié)垢、無污染、能耗低、冷卻效果好、自動化程度高、運行安全可靠等優(yōu)點，對于新建高爐，建議風口小套冷卻并入聯(lián)合軟水系統(tǒng)，對于老高爐改造或技術(shù)水平稍弱的鋼廠，風口小套采用工業(yè)水開路循環(huán)冷卻也是可以的。

3  關(guān)于冷卻壁分段調(diào)水

目前采用軟水冷卻的高爐冷卻壁配管方式普遍采用一串到頂?shù)姆绞剑ㄈ鐖D3所示），也有少數(shù)廠家提出分段調(diào)水的方式（如圖4所示）。

分段調(diào)水方式通過在爐腹及爐身中部分別設(shè)置環(huán)管及旁通分水管，將高爐沿高度方向分為爐底爐缸區(qū)、爐腹至爐身下部高熱負荷區(qū)、爐身中上部區(qū)三個區(qū)域，各區(qū)域的水量獨立可調(diào)。其目的是為了解決生產(chǎn)過程中爐腹及以上區(qū)域冷卻強度與熱負荷不匹配的問題，在生產(chǎn)中出現(xiàn)爐墻結(jié)厚時可以通過減小該區(qū)域水量來減小爐墻厚度，或者在爐役后期爐缸水量增加時維持該區(qū)域水量不變，防止高爐結(jié)厚。

采用軟水冷卻的高爐，為及時帶走水管中的氣泡，避免氣塞，冷卻壁水速必須大于1.5m/s。根據(jù)傳熱學的研究，當水速超過1.5m/s后，水速的改變對冷卻器冷卻能力的影響非常有限，當水速超過2.0m/s后，這種影響已微乎其微。因此，想要通過小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)中部水量即所謂的“中部調(diào)劑”來解決高爐結(jié)厚問題，其作用是非常有限的。采用分段調(diào)水，不僅增加投資、配管復雜、排汽不暢、維護難度增大、汽化冷卻功能弱化，還會降低冷卻壁抵抗爐內(nèi)熱流沖擊的能力，從而加速冷卻壁的損壞。

因此，高爐應(yīng)采用一串到頂?shù)呐涔芊绞剑绻霈F(xiàn)爐墻結(jié)厚，應(yīng)通過有針對性的上、下部調(diào)劑，結(jié)合調(diào)整冷卻壁進水溫度來進行爐況調(diào)節(jié)。

4  關(guān)于是否采用雙層水冷冷卻壁

實踐表明，冷卻壁的損壞與熱震造成的熱應(yīng)力疲勞損壞有很大關(guān)系。生產(chǎn)過程中，冷卻壁在熱應(yīng)力作用下，壁體產(chǎn)生微裂紋，在溫度交變影響下，裂紋逐漸變深變大，最終拉裂水管，導致冷卻壁損壞。有研究表明[1]，冷卻壁熱面最高溫度及熱應(yīng)力跟壁體厚度有關(guān)，在壁體厚度小于180 mm時，隨著壁體厚度的增加，熱面最高溫度和熱應(yīng)力是下降的；當壁體厚度大于180 mm時，隨著壁體厚度的增加，熱面最高溫度和熱應(yīng)力卻快速上升。

因此，冷卻壁設(shè)計應(yīng)兼顧冷卻和厚度，在保證冷卻能力的前提下，冷卻壁應(yīng)盡量減小厚度。對于雙層水冷冷卻壁，由于其外層水管處于低溫區(qū)，冷卻能力有限，卻會大大增加冷卻壁厚度，因此應(yīng)盡量避免使用，如果非得使用，也應(yīng)盡量壓縮兩層水管的間距，并適當減小外層水管直徑，以減小冷卻壁厚度。

5  若干設(shè)計參數(shù)的選取

5.1  冷卻水量

軟水系統(tǒng)設(shè)計時，冷卻水量一般分為基準水量和最大水量，分別對應(yīng)開爐初期和爐役后期的爐況。高爐在不同的生產(chǎn)時期及不同的生產(chǎn)狀況下，對冷卻強度的需求是不一樣的。初期熱負荷相對穩(wěn)定，不需要太高的冷卻強度，維持基準水量即可。高爐生產(chǎn)到爐役中后期或異常侵蝕發(fā)生，需要提高冷卻強度時，通過提高冷卻水流速加大冷卻水量，來降低內(nèi)襯熱面溫度。

在一定范圍內(nèi)，冷卻器的冷卻能力隨著水速的增加而提高，當水速超過1.5m/s后，隨著水速增加，冷卻器冷卻能力提高非常緩慢，當水速超過2.0m/s后，增加水速對提高冷卻能力的作用已微乎其微。有些鋼廠一味追求冷卻強度，在設(shè)計基準水量時將流速取1.8m/s甚至2.0m/s，最大流速達到2.4m/s甚至更高。由于管道阻損與流速的平方成正比，因此流速過大必然帶來管道阻損增大，水泵揚程也相應(yīng)增加。在爐役初期，由于高爐不需要太高的冷卻強度，系統(tǒng)總水量應(yīng)調(diào)到基準水量甚至基準水量以下。這時，由于系統(tǒng)能力過大，需要通過大幅度減小系統(tǒng)末端閥門的開度來降低水量，一方面導致系統(tǒng)壓力大幅度增大，危害系統(tǒng)運行安全，另一方面泵組長期不在最佳工況點工作，相當一部分揚程消耗在系統(tǒng)末端閥門處，能耗浪費嚴重，系統(tǒng)運行非常不經(jīng)濟。

因此，基準設(shè)計流速和最大設(shè)計流速應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)，不應(yīng)過大。建議冷卻壁基準流速取1.6m/s，最大流速取2.0m/s，這樣既能保證爐役后期的冷卻強度，又不影響系統(tǒng)運行安全，避免能耗過度浪費。

5.2  冷卻比表面積

冷卻壁設(shè)計的是否合理，能不能適應(yīng)一代爐役不同階段冷卻強度的需要，冷卻比表面積的選取至關(guān)重要。冷卻比表面積是水管表面積與冷卻壁表面積之比，計算公式為：K=??D?L?n/S，式中D表示水管直徑，L表示一塊冷卻壁水管有效冷卻長度，n表示冷卻壁塊數(shù)，S表示該段冷卻壁總表面積。冷卻比表面積越大，說明冷卻強度越大，冷卻效果越好。通過對部分爐缸燒穿的高爐分析發(fā)現(xiàn)，冷卻比表面積過小是導致爐缸燒穿的一個重要因素。冷卻比表面積過小，冷卻強度低，熱量不能通過冷卻水及時傳導出去，炭磚前端不能形成有效凝鐵層，在鐵水環(huán)流沖刷、熱應(yīng)力、鐵水熔蝕等作用下象腳區(qū)炭磚侵蝕加劇，最終導致爐缸燒穿。實踐證明，合適的冷卻比表面積范圍在0.9~1.2之間，建議爐缸部位冷卻比表面積不小于1.0。

5.3  水泵揚程

聯(lián)合軟水系統(tǒng)為閉路循環(huán)，回水靜壓力能夠完全得到利用，水泵的揚程由系統(tǒng)的阻損決定。因此在選取水泵的揚程時，精確計算系統(tǒng)的阻損就顯得十分關(guān)鍵。阻損的計算與管徑、管長、閥門規(guī)格與數(shù)量、彎頭規(guī)格與數(shù)量、水量、摩擦阻力系數(shù)、局部阻損系數(shù)等有關(guān)，計算時應(yīng)精確統(tǒng)計管徑、管長等數(shù)據(jù)以及合理確定摩擦阻力系數(shù)、局部阻損系數(shù)等參數(shù)。筆者在多個調(diào)試多個高爐軟水系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)各區(qū)域的實際阻損均小于理論計算值，系統(tǒng)實際總阻損遠低于系統(tǒng)理論計算總阻損。這就意味著，根據(jù)理論阻損選取的水泵揚程要遠高于系統(tǒng)實際總阻損。在實際運行過程中，需要大幅度調(diào)節(jié)系統(tǒng)末端閥門的開度，使系統(tǒng)總阻損與水泵揚程相匹配，從而獲得設(shè)計水量值。人為增大系統(tǒng)阻損的結(jié)果就是水泵的揚程大量消耗在系統(tǒng)末端閥門上，能源浪費嚴重，另一方面，也使得系統(tǒng)壓力升高，危害系統(tǒng)運行安全。據(jù)統(tǒng)計，部分高爐軟水系統(tǒng)末端閥門處的阻損占系統(tǒng)總阻損的30~50%，造成運行能耗極大的浪費。

因此，高爐設(shè)計者在選取水泵的揚程時，應(yīng)精確統(tǒng)計軟水系統(tǒng)各部位的管徑、管長、閥門規(guī)格與數(shù)量等數(shù)據(jù)，同時合理取值摩擦阻力系數(shù)、局部阻損系數(shù)等參數(shù)，并根據(jù)以往高爐的運行情況對其進行不斷修正，避免簡單參考、照搬照套導致水泵揚程過大，系統(tǒng)運行能耗嚴重浪費。

6  結(jié)語

（1）與獨立軟水系統(tǒng)相比，聯(lián)合軟水系統(tǒng)在投資成本、運行能耗、維護管理等方面具有明顯優(yōu)勢，新建高爐應(yīng)采用聯(lián)合軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

（2）聯(lián)合軟水系統(tǒng)中風口小套能夠?qū)崿F(xiàn)快捷高效的自動化檢漏，不會影響到其他用戶的正常運行，加上聯(lián)合軟水系統(tǒng)固有的不結(jié)垢、無污染、能耗低、冷卻效果好、自動化程度高、運行安全可靠等優(yōu)點，建議風口小套冷卻并入聯(lián)合軟水系統(tǒng)，而不是單獨設(shè)置工業(yè)凈循環(huán)開路冷卻。

（3）分段調(diào)水量的方式對中部調(diào)節(jié)、防止結(jié)厚的作用非常有限，反而會降低冷卻壁抵抗爐內(nèi)熱流沖擊的能力，從而影響冷卻壁的使用壽命。高爐應(yīng)采用一串到頂?shù)呐涔芊绞剑绻霈F(xiàn)爐墻結(jié)厚，應(yīng)通過有針對性的上、下部調(diào)劑，結(jié)合調(diào)整冷卻壁進水溫度來進行爐況調(diào)節(jié)。

（4）冷卻壁設(shè)計應(yīng)兼顧冷卻和厚度，在保證冷卻能力的前提下，冷卻壁應(yīng)盡量減小厚度。

（5）軟水系統(tǒng)基準設(shè)計流速和最大設(shè)計流速應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，不應(yīng)過大。建議冷卻壁基準流速取1.6m/s，最大流速取2.0m/s。

（6）應(yīng)重視冷卻壁的冷卻比表面積的選取。合適的冷卻比表面積范圍在0.9~1.2之間，建議爐缸部位冷卻比表面積不小于1.0。

（7）高爐設(shè)計者在選取水泵的揚程時，應(yīng)精確統(tǒng)計軟水系統(tǒng)各部位的管徑、管長、閥門規(guī)格與數(shù)量等數(shù)據(jù)，同時合理取值摩擦阻力系數(shù)、局部阻損系數(shù)等參數(shù)，并根據(jù)以往高爐的運行情況對其進行不斷修正，避免簡單參考、照搬照套導致水泵揚程過大，系統(tǒng)運行能耗嚴重浪費。

7  參考文獻

[1] 鄧凱，程惠爾，吳俐俊，錢中.  結(jié)構(gòu)參數(shù)對高爐冷卻壁溫度場及熱應(yīng)力分度的影響. 鋼鐵研究學報[J]，2006，18（2）：4.