冶金厂汽化冷却装置设计       (design of evaporative cooling device in metallurgical works)

利用软化水或除盐水以汽化的方式冷却冶金炉的构件并吸收热量产生蒸汽的装置设计。汽化冷却是冶金厂生产过程中，对钢坯加热炉、平炉、电炉、高炉及有色金属冶炼鼓风炉、反射炉、烟化炉、焦结炉、沸腾焙烧炉、铅锌冷却流槽等冷却构件用软化水或除盐水取代工业水进行冷却的一项重要节能技术，它可以回收余热、降低水耗、消除原工业水冷却时沉积水垢从而提高冷却构件的使用寿命。汽化冷却装置设计的主要内容包括：热负荷计算、系统选择、结构设计和布置。

简史         20世纪40年代前，各种冶金炉构件均采用工业水冷却。1950年前后联邦德国和苏联分别在推钢式钢坯加热炉及平炉的冷却构件上首先采用了汽化冷却，1960年前后苏联开始在高炉冷却构件上采用汽化冷却，1971年联邦德国兰林公司(Reining AG)首次对步进梁式钢坯加热炉采用汽化冷却。中国于1954年首先在鞍山钢铁公司的平炉上采用汽化冷却，1961年在新沪钢厂的推钢式钢坯加热炉上采用了汽包高位布置的汽化冷却装置，1966年在济南铁厂首先实现了高炉汽化冷却；20世纪60年代前期，上海冶炼厂在铜鼓风炉上使用了汽化冷却炉壁，60年代后期沈阳冶炼厂在铜、铅鼓风炉上也使用汽化冷却炉壁；1980年在重庆钢铁公司推钢式钢坯加热炉上首先采用汽包高度由过去的15～20m降为4．1m的低位布置，实现了不受停电威胁的自然循环、不用外供蒸汽引射或起动泵的自启动方式以及全部炉体冷却构件采用汽化冷却的技术。1993年初又在上海第二钢铁厂步进梁式钢坯加热炉上采用了汽化冷却技术。

20世纪60年代后，由于氧气转炉替代了平炉炼钢，使平炉汽化冷却装置也相应减少。70年代后，西欧、日本、中国的高炉已开始用软化水密闭循环冷却技术代替高炉汽化冷却技术以延长炉龄。70年代后各国冶金炉冷却构件已逐步由箱型、槽型向管式结构改进，以提高汽化冷却装置的产汽压力和温度，并扩大其余热利用途径。

热负荷计算         汽化冷却设计时需先确定每个循环回路冷却构件的热负荷，以计算各回路的蒸汽产量、汽水混合物中含汽率、上升管内介质密度及汽水混合物阻力损失等，汇总各回路产汽量即为汽化冷却装置概略的总产汽量(t／h)。

将炉内各冷却构件受热面积(m² )乘以各构件所在不同炉温区的热流强度(MJ／(m² •h))即为每个构件的热负荷(MJ／h)，当几个构件组成一个循环回路时，汇总这几个构件的汽化冷却热负荷即为此回路的热负荷，各回路热负荷之和为全炉总热负荷。一般情况下，2600MJ／h热负荷每小时约可产生1t 蒸汽。钢坯加热炉或平炉冷却构件在汽化冷却时所吸收的热量，也可按经验估算其产汽量，当炉子每小时生产1t 钢(坯)时，每小时约可产生汽化冷却蒸汽0．04～0．08t (炉子投产初期取较小值)。

受热面积可按冷却构件外形几何尺寸计算，但热流强度与冶金炉工作温度以及冷却构件绝热层包扎材料的导热性能、绝热层厚度以及绝热层在炉内高温下长期工作后的脱落程度有密切关系。

汽化冷却设计应考虑在投产初期绝热层完好，热负荷最小时。即上升管内含汽量甚少时自然循环的可靠性；又要考虑冶金炉生产末期或绝热层在重新修复前的最大脱落工况，即热负荷最大、汽水混合物中含汽率高、回路阻损大、循环流量较小时的工况，设计仍应保证各冷却构件不致烧损。例如钢坯加热炉，在投产初期时，其全部冷却构件的汽化冷却总热负荷仅占炉子所耗燃料总热量的7．75％，而在绝热层全部脱落时可达燃料总热量的30．9％。冶金工厂为节约燃料，常在绝热层脱落25％左右时便重新包扎新的绝热层，设计即按此种脱落工况作为全部冷却构件的最大热负荷，此时汽化冷却装置总热负荷约占炉子燃料总热量的13．5％。其他冶金炉的热负荷或热流强度可参照已投产类似炉型的数值，新炉型的热负荷数值宜通过相似工况下的试验测定或以理论计算后再以投产后的测定值修正。

获得热负荷后应按供汽用途要求及冷却构件承压能力，确定汽化冷却装置的蒸汽压力与温度。有色金属冶炼炉内的烟气常含有较高浓度的二氧化硫，当汽化冷却构件与烟气相接触的金属表面温度低于二氧化硫露点时就会在接触面上结露而造成冷却构件低温腐蚀及损坏，此时应提高汽化冷却装置的蒸汽压力和饱和温度，使冷却件金属表面温度高于二氧化硫的露点温度，烟气中二氧化硫的浓度越高时，选用的蒸汽压力、温度也应越高。

系统选择        汽化冷却装置的系统主要由炉内各冷却构件、汽包、上升管及下降管组成。汽化冷却有自然循环及强制循环两种系统。自然循环原理见图1，它是依靠下降管中水的密度与上升管中汽水混合物密度之差造成系统的推动力，使工作介质在循环回路中连续循环并使炉内构件获得可靠冷却，可用流动压头S(MPa)表示此项推动力，即：S=9．81×10^-6 H  (γ_下 - γ_上)，式中H为循环回路高度，m； γ_下及 γ_上分别为下降管及上升管内工作介质密度，kg／m³ 。强制循环原理见图2，它是依靠安装在下降集管的循环泵产生推动力，使工作介质在回路内连续循环，以充分冷却炉内各构件。

一般情况应尽量选用自然循环系统，以保证停电时仍可冷却冶金炉各构件并确保安全生产。当冷却构件形状复杂、汽包无法布置在冶金炉近旁以及循环回路阻力损失甚大时，只能采用强制循环。但强制循环要消耗动力，且为防止循环泵停电后烧损炉体冷却构件需增设用柴油机驱动并能紧急启动的备用循环泵或设置大容量高位水塔。由循环泵出口集管分组向每个循环回路供水时，在各分支管处尚应按照各回路不同的阻损及所需合适的分配流量增加调节流量用的孔板。

汽化冷却循环回路的组合形式，按照上升管及下降管的分组情况一般有五种典型系统，即集中下降单独上升、集中下降分组上升、分组下降分组上升、分组下降单独上升和单独下降单独上升系统。钢坯加热炉汽化冷却常采用集中下降单独上升系统(图3)。平炉汽化冷却一般采用集中下降分组上升系统。高炉汽化冷却多采用分组下降分组上升系统。

在汽化冷却系统设计时，还应确定由一个或几个冷却构件合理地组成一个循环回路。如果串接后回路的热负荷太高，会使冷却构件内循环流量太少而烧损冷却构件；如果串接后回路的热负荷太低，则采用自然循环时会使上升管中工质含汽量过少造成循环停滞脉动，也会降低冷却构件使用寿命。

结构设计         合理的结构设计可保证汽化冷却各回路的良好循环、降低系统阻力损失、提高系统产汽的压力和温度、扩大余热利用途径。按冷却构件形状一般可分为管式结构和箱式结构两种类型。冷却构件包括：钢坯加热炉的炉底水管、炉头炉尾处支承炉体拱墙用的水梁、出钢坯处滑坡水冷槽；平炉与反射炉的炉门框；平炉拱脚梁及其炉头水套；铅锌冷却流槽的槽型件；高炉的炉体冷却壁，风、渣口，热风阀夹套；电炉的炉盖、炉壁、电极活套；铜、铅鼓风炉的冷却壁；沸腾焙烧炉的插入式冷却管等。其中钢坯加热炉的圆形或矩形炉底水管及沸腾焙烧炉的插入式管等为管式结构；平炉及反射炉的炉门框、高炉风口小套、鼓风炉炉壁则为箱式结构。为使冷却构件能承受更高的汽水混合物压力，有时将一些承压低的箱式结构改造为管式结构，例如将加热炉出钢坯处水冷槽及高炉冷却炉壁改成管式结构。

以钢坯加热炉汽化冷却为例，其循环回路的管径选择要点是：炉底水管的管径不宜过大，以节约加热炉燃料；但其内径也不宜过小，以便降低阻损、增大循环流量和获得可靠的冷却。每个循环回路入口的下降支管内径宜等于或略小于炉底水管内径；每个回路出口的上升支管内径应大于炉底水管内径；分组上升、分组下降总管或集中下降总管的内截面积应为相连结各分支管流通截面积总和的1．5～2倍，以保证各支管内流量的合理分配。钢坯加热炉的纵向炉底水管常长达30余米、管内介质又呈水平流动易产生汽水分层而烧损，当采用自然循环且汽包低位布置其流动压头较小时，可将纵向炉底水管在炉体中部区域分成两段即分隔成两个单独回路，以保证构件的可靠冷却。设计其它冶金炉汽化冷却的循环回路时，同样应取上升支管内径大于下降支管内径，分组上升下降总管及集中下降总管内截面积也应符合上述原则。一个自然循环汽化冷却装置各个回路中的阻力损失应大致相同，以保证各回路都能同时正常循环。

汽包用于贮存一定水容积，由上升管进入汽包的介质经汽包内部挡板及多孔板后完成汽水分离过程并产生干燥蒸汽供应用户。汽包还设有补充软水的接口，安全阀排汽口及除去水中杂物的排污管接口。汽包内部空间由水容积及蒸汽容积组成，水容积按30min左右需补充的软水体积流量计算，汽容积按每立方米空间每小时分离出干汽约700m³ 体积流量考虑。汽包、冷却构件及分配联箱等应参照《蒸汽锅炉安全技术监察规程》设计制造和验收。

布置         主要是确定汽包位置及其高度、汽化冷却装置的操作室位置。冶金炉汽化冷却的汽包一般布置在厂房内外炉体附近，以便尽量缩短上升下降管长度、减少弯头等阻损，汽包还应尽可能靠近炉体各冷却构件的适中位置。采用自然循环时，汽包与冷却构件之间应保持必要的高度，以保证足够的流动压头，但自然循环时汽包过高会使热负荷较小的循环回路的上升管介质密度接近下降管内水的密度，造成循环脉动停滞，也会使构件不能达到稳定可靠的冷却效果。汽化冷却系统应设置便于监视汽包水位压力的操作室，此操作室及其辅助间内还设有给水泵、软水箱、调节汽包水位用的给水阀及操作仪表。当检测仪表采用集中布置且具有遥控自动化调节功能时，汽化冷却系统的操作室也可与冶金炉本身的控制室合并在同一室内。