水冷煙罩

轉爐煙罩是煙氣回收、冷卻的重要設備。寶鋼、武鋼、萊鋼等國內大型鋼鐵企業廣泛使用水冷煙罩，經常出現移動煙罩在尚未達到設計壽命時提前失效，冷卻水管局部破裂，進而引發大面積漏水問題，導致出鋼鋼包發生嚴重爆炸，為生產帶來巨大安全隱患，同時由於水管失效的不可預見性，使企業不得不提前進行更換移動煙罩的非計畫性檢修停產，造成重大的直接和間接的經濟損失，為此，必須有效解決移動煙罩漏水問題，使其達到設計的使用壽命。

基本介紹

• 中文名：水冷煙罩
• 外文名：Water cooling hood
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 作用：煙氣回收、冷卻
• 缺點：大面積漏水等問題

簡介

轉爐OG系統是將吹氧冶煉過程中產生的煙氣進行冷卻、洗滌、淨化和回收的綜合系統，對鋼鐵企業的節能減排發揮著重要作用。轉爐煙罩作為OG系統的第一環節，是煙氣回收、冷卻的重要設備。寶鋼、武鋼、萊鋼等國內大型鋼鐵企業廣泛使用水冷煙罩，經常出現移動煙罩在尚未達到設計壽命時提前失效，冷卻水管局部破裂，進而引發大面積漏水問題，導致出鋼鋼包發生嚴重爆炸，為生產帶來巨大安全隱患，同時由於水管失效的不可預見性，使企業不得不提前進行更換移動煙罩的非計畫性檢修停產，造成重大的直接和間接的經濟損失，為此，必須有效解決移動煙罩漏水問題，使其達到設計的使用壽命。

移動煙罩水管失效機理

國內對移動煙罩冷卻水管失效機理的研究較為全面，綜合起來有以下幾種原因:

1)水管在交變熱應力作用下產生的熱疲勞破壞。對失效部位進行了金相顯微鏡和電子探針檢查。通過分析發現:由於轉爐冶煉工藝的周期性，吹煉時，管壁外表面溫度迅速升高，而內表面溫度上升較慢，因管徑溫差使管外表面產生軸向壓應力;停吹時，管壁外表面溫度迅速降低，產生了軸向拉應力;這種周期性交變熱應力的存在，最終使冷卻水管產生熱疲勞破壞。但由於生產周期性無法改變，尚無根本辦法有效防止交變熱應力的產生。

2)水管在煙氣和冷卻水共同作用下產生腐蝕疲勞破壞。對失效部位進行的斷口分析和金相組織分析發現:由於爐氣中含有大量的氧化鐵粉塵，爐氣在煙罩中流動時，粉塵對外管壁沖刷而使管面磨損;同時管內冷卻水長時間使用必然對管壁產生腐蝕。裂紋就是由表面蝕坑產生並發展而來的，屬於腐蝕疲勞破壞。針對這種失效機理，文獻採用高溫噴塗合金鍍層的方法，提高水管的耐磨、耐腐蝕性，並套用於寶鋼一煉鋼3座轉爐。但從實際使用效果來看，雖然一定程度上延緩了水管失效發生的時間，但並沒有使其達到設計壽命。

3)水循環不均勻使水管局部過熱破裂。工質流動的不均勻性同樣是移動煙罩失效的主要原因，但是由於移動煙罩工況惡劣，且結構複雜，水管數量繁多，無法對各管內水循環情況進行線上檢測，且由於計算手段的局限性，以前的研究僅進行了定性的分析說明，並沒有定量給出各水管流量、流速的分布情況，從而不能準確找到過熱部位，更不能提出有針對性的改造方案。針對這種情況，採用FLUENT軟體對移動煙罩冷卻水進行流場分析，得出水循環分布情況，確定可能發生局部過熱的危險部位，並提出改造方案。

現場條件

某煉鋼廠1號轉爐水冷煙罩由裙罩、固定煙罩、移動煙罩、末端煙罩及主氧槍水套、副槍水套、散裝料溜槽水套組成，移動煙罩由318.5 mmX 10 mm上聯箱、165 mmX 11 mm下聯箱、16根89 mm X 5 . 5 mm引入管、16根89 mmX 5. 5 mm引出管和膜式水冷壁焊接而成。膜式水冷壁由220根38 mmX 5 mm的20G鋼管與12 mmX 6mm的20G鰭片焊接而成。 煙罩各組成部分均採用強制循環冷卻方式，裙罩採用2套水冷迴路1,2，固定煙罩、移動煙罩、末端煙罩通過集水聯箱組成一套水冷迴路3, 3個水套採用1套水冷迴路4，迴路3進口流量1 057 m3/h，壓強08 MPa，進口溫度32℃，出口溫度61℃。

移動煙罩冷卻水管外表面高溫噴塗NiGrSi塗層，煙罩設計壽命10000在2006-2007的兩年內，一般在使用到6000爐時就發生大面積漏水，嚴重影響生產的正常進行。

Fluent移動煙罩流場分析

FLUENT軟體是用於模擬和分析在複雜幾何區域內流動與熱交換問題的專用CFD軟體。在使用它進行分析計算前，首先採用Gambit前處理軟體參照結構圖紙對移動煙罩進行三維建模，由於移動煙罩結構複雜、尺寸龐大，冷卻水管平均長度為6.8 m，因此在不影響分析正確性與精度的前提下對模型進行如下簡化:

1)由於煙罩為中心對稱結構，故對一半煙罩進行建模分析。

2)將氧槍附近的環形水管簡化為直管，有效減少格線數量且同實際區別不大。

3)忽略膜式冷卻壁與集水箱的彎形過渡連線，採用直連法。

對建立好的模型進行格線劃分，其質量是影響有限容積法分析計算的重要因素。由於冷卻水管的軸向和徑向相差100多倍，冷卻水管與引入引出管相交，在格線處理方面經反覆實驗摸索。

將計算格線輸入FLUENT求解器，在檢查確認沒有負格線後求解模型。由於冷卻水在移動煙罩水管內流動狀態是三維不可壓縮的粘性湍流流動，同時考慮到計算精度和準確性，故在計算時採用重整化群湍流模型，遵循傅立葉定律，聯立連續性方程、動量方程以及能量方程共同積分求解，同時考慮到計算機能力和時間限制選用單精度、分離解算器。

結果與分析

當分析疊代計算350次時，冷卻水的速度、湍動能和湍流耗散率已在0.001範圍內，達到足夠的分析精度。

為了更加清晰直觀的分析冷卻水流場的變化情況，將110根水管由短到長依次命名為1-110號，採集並計算各管冷卻水的平均速度發現:110根水管中冷卻水的平均流速分布並不均勻，並具有一定的規律性。從最短管到最長管，平均速度總體上按由大到小的趨勢分布，且在總平均速度2.11 m/s左右波動分布。最大平均流速為2.74m/s，最小平均流速為0.86 m/s。其中第1-39號的大部分水管的平均流速較高，基本在2.30-2.74 m/s範圍內波動，換熱能力和效果較好;第75 -110號的大部分水管的平均流速較低，基本在1.1-1.9 m/s範圍內波動，換熱能力明顯不足，同時這些冷卻水管通常分布在氧槍附近，正對轉爐，是接受熱輻射、熱對流和煙氣沖刷最強烈的地方，冷卻水流速較低，必然使管壁局部過熱而引發失效漏水，這與現場失效通常發生在70號管之後的實際情況是相符合的。

改進方案和套用效果

分析冷卻水分布不均勻產生的原因，有以下幾點:

1.水冷壁的結構折彎及主氧槍、副槍、散裝料溜槽處的冷卻水管彎曲造成各水管管程不同，從而產生流速差異，但由於工藝需要，其結構特點無法更改。

2.聯箱的空間位置使出水管管程不同，從而產生流速差異，但出水聯箱與末端煙罩相聯，對他的修改必然引起末端煙罩的修改，投入大、周期長。

3.管在入水集箱圓周上分布不合理，可能使各水管產生流速差異，對引入管位置的修改方便、投入小，因此可以通過模擬計算，找出引入管的合理位置，從而使各冷卻水管的流速大體均衡。

通過調整引入管沿圓周方向的分布，使爐前側(即長管側)分布變密，中間分布變疏，同時兼顧與引出管的相對位置。經三維建模後，採用FLUENT求解計算得到的流場發現:各管水速大體均衡，長管側水速大體分布在1. 9-2 . 45 m/ s範圍內，較之前有較大提高，短管側水速大體分布在2.1-2.5 m/s，較之前有所降低，這樣使整個煙罩的換熱能力大體均衡，避免了局部過熱點的出現，該方案於2008年4月套用於某煉鋼廠150 t轉爐移動煙罩的改造，經1年多的生產實踐，冶煉12 180爐尚未發現煙罩的明顯漏水，證明了該方案的可行性。

總結

通過對轉爐移動煙罩的流場分析，定量指出了移動煙罩流場分布規律，找出流場分布不均衡是移動煙罩失效的主要原因。並提出了調整引入管沿圓周方向的分布進而均衡各管流速的方法，經生產實踐表明，有效改善了轉爐移動煙罩頻繁失效的狀況。本文所採用的思路和方法可推廣套用到汽化冷卻煙罩和相關領域的分析研究中去。