关于首钢冶炼高炉冷却循环水系统的分析及建议

侯志广

（北京首钢股份有限公司能源部，河北 迁安 064404）

无论在地面施工还是铁路施工中，钢材都是不可缺少的重要材料。生铁生产是炼钢的一个重要过程[1]。目前，高炉炼铁是一种常见的炼铁工艺[2，3]，近年来，中国的高炉炼铁技术以低成本、低消耗、低污染为目标，不断向自动化、大型化、高效化方向发展，但相较于国外先进的高炉炼铁技术却有着一些不良因素。

（1）高炉炼铁工业已接近饱和。高炉炼铁虽然产量居世界第一，但生产成本和经济效益均低于世界水平，导致其在世界市场上的竞争力不足，阻碍了高炉炼铁的可持续发展。

（2）先进的高炉炼铁厂与落后的高炉炼铁厂并存，中小高炉炼铁厂过多，不符合规定。它们无法在生产中实现低成本、低消耗、低污染，最终导致成品供过于求、低成本。由于这种恶劣的市场环境，我国高炉炼铁在环保和能源方面存在缺陷[4,5]。为了减少过剩产能，政府出台了各种政策和计划，大力推进供给侧结构性改革，导致钢材价格小幅上涨。但是，生产过剩问题没有得到解决，经济效益略有提高，但根本问题依然存在。

冶炼过程作为钢铁冶炼重要的一部分，循环水系统的流程和操作级别与钢铁生产工艺有很大的关系,技术装备水平和供水和排水系统设置,也就是说,水处理的程度越高,闭合循环率越高,自动化水平越高,越稳定水系统操作,降低水的消耗,降低了铁冶炼成本。

本文对高炉循环水系统的组成和运行进行了分析，并提出了相应的合理改进建议。

1 高炉循环水系统介绍

1.1 高炉循环冷却水的目的

高炉冷却旨在增加炉衬内部的温度梯度,超过1150℃等温表面远离高炉壳,从而保护某些金属结构和混凝土构件,不要失去力量。

炉衬可固化成渣皮保护甚至替代炉衬工作，从而获得合理的炉种，延长炉衬的工作能力和高炉的使用寿命。高炉冷却是形成保护渣皮、铁壳和石墨层的重要条件。高炉常用的冷却介质是水、风、碱的混合物。

条件下的各个部分高炉的炉底和炉底冷却的目的主要是使1150℃等温凝固的铁水表面远离高炉壳,防止炉底和炉缸渣铁水燃烧泄漏。冷却炉体的目的是保持炉体的合理运行，保护炉壳。

1.2 首钢股份3#高炉循环冷却水系统组成

首钢股份公司迁钢3#高炉于2010年1月8日开炉投产，是首钢独资最大的高炉，有效容积4000m³，设有4个出铁口，36个风口,采用全冷却炉体结构，工艺流程如图1所示：主供水泵组将冷却后的软水送至冷却壁上的供水管。一部分水冷却冷却壁的直管。

一部分水通过炉底，然后冷却冷却壁的蛇管。部分回水由高压增压泵组风口内的小夹套冷却，部分由中压增压泵组第二套压力风口、直接鼓风机管和热风阀冷却。其余的回水被绕过。脱气后，回水的三部分全部进入脱气槽，通过回水总管进入板式换热器，冷却后循环使用。

图1 流程图

高炉冷却水循环系统。首钢钢铁有限公司3号高炉由常压水、低压洁净环水、风口高压水、制冷剂水、炉体上部脱盐、炉体下部脱盐、高炉热熔脱盐和自动脱盐等几个系统组成,见工艺图2、图3，具体情况如下。

（1）常压水系统

常压净环水通过两根Ф630×10mm管道经▽31m管桥后分成两路：一路向下进入▽26.048m第一层常压供水环管，供风口大套、水冷直吹管使用；另一路向上进入▽39.3m第二层常压供水环管，供18段水箱、炉喉上下部钢砖、常压备用包使用。

（2）风口高压水系统

高压净环水由一根Ф720×10mm管道输送，从地下管廊出来后变为两根Ф530×10mm管道，在通过▽31m管桥后分为两路：一路向下方进入▽26.048m第一层高压供水环管，供风口小套、中缸及高压事故包使用；另一路向上方进入▽39.1445m第二层高压供水环管，供炉喉十字测温、炉顶打水使用。

图2 迁钢3#高炉工业水系统工艺流程

图3 迁钢3#高炉炉体除盐水系统工艺流程

（3）冷媒水系统

冷却水循环容积5500m3/h(最大6200m3/h)，出水压力0.30mpa。主要用于闭式冷却塔制冷剂水的供给，上开式冷却塔制冷剂水的冷却。三个600 s32水泵,3100m3/h,32米,400千瓦,一个泵柴油机事故,双重使用和一个备份,DN1200管单挑出,从热池的回归水上面的三个系统,通过关闭塔吸收的热盐水,冷却塔冷却到冷池的水上面的三个系统。

（4）炉体上部除盐水系统

上部除盐循环水量为5300m³/h,水压1.1MPa。前排管3770m³/h，上凸台780m³/h，下凸台750m³/h。泵站共安装有5台循环水泵，3开2备。设有进口柴油机事故泵一台，事故水量2650m³/h。上部除盐水从地下管廊经两根Ф820×10mm的供水总管送至▽32.8m平台，通过前排管供水环管（DN500）和凸台管供水环管（DN350）供给高炉冷却壁使用。

（5）炉体下部除盐水系统

下部除盐水循环水量为4800m³/h,水压1.1MPa。其中炉缸4300m³/h，炉底水冷500m³/h。

泵站共安装有4台循环水泵，2开2备。设有进口柴油机事故泵一台，事故水量2400m³/h。

下部除盐水从地下管廊经两根Ф720×10mm的供水总管送至高炉炉基，通过炉底供水半环管（DN300）和炉缸供水环管（DN700）供高炉冷却。

1.3 存在的问题

（1）冷媒水量问题

制冷剂水循环水体积5500m3/h(最大6200m3/h)，出水压力0.30mpa。制冷剂水主要供给闭式冷却塔，上开式冷却塔用于上述三种水工业用水的冷却。冷媒水所在高炉回水井与冷水井之间有高位联通挡墙标高6米，热水井溢流液位为8米，热水井冷水井之间有0-2米的溢流区域，经过实践研究分析，上塔泵组只开一台上塔泵，供水流量3000m3/h、出水压力0.30Mpa时完全满足冷媒上塔的冷却水量，其余热水井的高炉回水经过挡墙溢流直冷水井直接降温。

按照上述分析，节省一台功率400KW的上塔泵，节能效益明显。

（2）工业水水压问题

在正常情况下，高炉冷却系统的供水压力应满足以下要求:冷却设备(最后一套冷却设备)中的水压应高于其所在炉内的气体压力0.03-0.05mpa;风口和渣口的水压应比所在位置的气体压力高0.08-0.1mpa。发生事故时，应保证高炉炉体最高、最后冷却装置进口水压不低于0.08-0.12mpa。见表1、表2。

表1 一些大型高炉要求的给水压力

水的饱和蒸汽压，即在一定水温下防止液体汽化的最小压力，与水温有关。水蒸发与压降,增加水的上升,水蒸发伴随着原始溶解在水中的气体自动转义,满是蒸汽和气体的溢出气泡的形成,如周围的空气被破碎的液压,高速水流由于惯性中心泡沫,泡沫封闭在该地区产生强大的当地水锤,瞬时局部压力可以达到几十个Mpa,即蒸汽孔现象。金属表面在当地的水锤效应,频率高达每秒20000-30000倍,就像水楔、浓度效应在小面积平方微米,一段时间后,金属会产生疲劳,开始了蜂窝金属表面,因此,更多的集中应力,金属表面裂纹和剥落,与此同时,在水和间歇细胞表面接触,在孔壁与孔底之间产生电位差，引起电偶腐蚀，裂缝加宽，最后几道裂缝相互贯通，达到日全食的不良程度，从而产生空化，危害极大。事实上，一些高炉水冷系统的损坏主要是由这个原因造成的。

表2 对应不同温度水的饱和蒸汽压力表

高炉风口前部热负荷大，当冷却水流量过小，水压不够时，不但不能带走所产生的热量，而且容易形成局部过热和汽化，甚至发生重大事故。

因此，风口冷却水的供水压力应达到1.5mpa以上。一般情况下，风口冷却需单独供水，以满足压力要求。

（3）除盐水水压问题

3#高炉炉体上部除盐循环水量为5300m³/h,水压1.1MPa；下部除盐水循环水量为4800m³/h,水压1.1MPa。由此可见，炉体上部及下部的供水水压一致，只是高炉本体的冷却部位不同。炉体上部主要为第7～17段冷却壁前排管及第11～17段冷却壁凸台管冷却使用，炉体下部主要为炉底、第1～6段冷却壁冷却使用。

由上可见，炉体上部及炉体下部除盐水系统基本具备系统互备条件，若将两个系统的供回水主管分别联通、并加装相应隔断阀门，在单个系统出现问题时，互相作为事故水使用，除盐水系统安全性大大提高。

2 结论与建议

高炉冷却水循环系统的水压与循环水量同样重要。循环水量对冷却有重要意义，因此有必要对水压进行阐述，综合考虑，确定最低供水压力，优化相关运行参数。拟采用以下改进措施。

（1）减开一台上塔供水泵，其余热水井的高炉回水经过挡墙溢流直冷水井直接降温,节省一台功率400KW的上塔泵，目前已经实施，系统运行正常，节能效益明显。

（2）确保高炉炉体高温区不产生水的汽化,从而避免汽蚀而引起重大事故的发生。

（3）将炉体上部及下部两个系统的供回水主管分别联通、并加装相应隔断阀门，进行适当改造，流量、压力等参数均能匹配。安全效益巨大，需要进一步深入研究探讨后在实施。