1 引言 溫差自力式調(diào)節(jié)閥是一種根據(jù)高爐冷卻壁進(jìn)出水溫差變化來自動調(diào)節(jié)冷卻水流量,從而達(dá)到保護(hù)冷卻壁的裝置。攀鋼1號高爐(1280m3)2002年7月大修時,爐腹和爐腰全部采用銅冷卻壁(共72塊)。為了充分利用冷卻水的冷卻能力,同時又確保銅冷卻壁長壽,必須將銅冷卻壁的進(jìn)出水溫差控制在一個合理的范圍內(nèi)。為達(dá)到這一目的,攀鋼1號高爐大修時銅冷卻壁系統(tǒng)安裝了溫差自力式調(diào)節(jié)閥,現(xiàn)已取得了初步效果。在此之前,為了給攀鋼1號高爐銅冷卻壁系統(tǒng)應(yīng)用溫差自力式調(diào)節(jié)閥提供可靠依據(jù),我們首先在攀鋼3號高爐(1200m3)鑄鐵冷卻壁上開展了冷卻水自動調(diào)節(jié)試驗。本文著重對溫差自力式調(diào)節(jié)閥的工作原理及在攀鋼3號高爐的試驗情況和在1號高爐的應(yīng)用情況進(jìn)行闡述。
2 工作原理及特點
2.1 工作原理
溫差自力式調(diào)節(jié)就是根據(jù)冷卻壁進(jìn)出水溫差來調(diào)節(jié)冷卻水流量。溫差自力式調(diào)節(jié)閥的工作原理是:使冷卻壁的進(jìn)、出水分別流經(jīng)溫差自力式調(diào)節(jié)閥的上水腔和下水腔,調(diào)節(jié)閥將進(jìn)出水溫差轉(zhuǎn)換為推力,直接控制閥門開度,從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)冷卻水量的目的。
2.2 安裝方法及特點
溫差自力式調(diào)節(jié)閥的安裝方法如圖1所示。冷卻壁出水流經(jīng)溫差自力式調(diào)節(jié)閥的下水腔之后再進(jìn)入排水系統(tǒng),另外,用一根通徑較小的水管從供水管網(wǎng)上引出冷卻水,使之流經(jīng)各調(diào)節(jié)閥的上水腔。這樣,上下水腔的溫差即為冷卻壁進(jìn)出水溫差,調(diào)節(jié)閥將溫差轉(zhuǎn)換為推力,直接控制閥門開度,達(dá)到根據(jù)冷卻壁進(jìn)出水溫差自動調(diào)節(jié)冷卻水流量的目的。

這種調(diào)節(jié)方式具有系統(tǒng)簡單、性能可靠、壽命長、不需外部動力(如電動、氣動、液動等),特別適合高爐工況。
3 3號高爐冷卻水自動調(diào)節(jié)試驗
3.1 試驗情況
試驗是在3號高爐第7段20~24號冷卻壁上進(jìn)行的,安裝情況如圖2所示,高爐供水總管水壓為0.35MPa。試驗中采用的溫差自力式調(diào)節(jié)閥(以下也稱調(diào)節(jié)閥)由漯河中貫冶金設(shè)備制造有限公司制造。

3.2 試驗結(jié)果
試驗從2001年12月11日開始,至今已連續(xù)運行15個月,5臺溫差自力式調(diào)節(jié)閥性能正常,有關(guān)試驗結(jié)果見表1。
表13號高爐冷卻水自動調(diào)節(jié)試驗結(jié)果
| 項目 | 未采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁 | 采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁 |
冷卻水*大溫差,℃ | 52 | 13 |
冷卻水平均溫差,℃ | 4- 5 | 10.5 |
*高出水高度,℃ | 78 | 39 |
單塊冷卻壁平均耗水量,m3/h | 6- 7 | 2.62 |
能達(dá)到的*小水量,m3/h | 6- 7 | 2.30 |
能達(dá)到的*大水量,m3/h | 6- 7 | 16.09 |
*進(jìn)水溫度26℃。
3.3 結(jié)果分析
(1)未采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁,實行的是恒流量供水冷卻,熱負(fù)荷波動時,完全反應(yīng)為水溫差的波動,其*大水溫差高達(dá)52℃。采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁,其熱負(fù)荷波動時,不僅引起水溫差的波動,而且更多地是引起冷卻水流量變化,因而*大水溫差僅為13℃,這說明調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能是靈敏、及時和可靠的。
(2)從耗水情況來看,調(diào)節(jié)閥具有顯著的節(jié)水效果。從水溫差的平均值對比看,采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁平均水溫差為10.5℃,而未采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁平均水溫差只有4~5℃,說明前者冷卻水冷卻能力利用率為后者的2倍以上。
(3)采用調(diào)節(jié)閥后冷卻水*大溫差下降了39℃,這也意味著冷卻水的*高溫度將下降39 ℃,這對減緩冷卻水管結(jié)垢是十分重要的。
(4)若允許的*大水溫差為20℃,對于未采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁(*大水量7m3/h),其*大冷卻強(qiáng)度為125kW/m2,為熱負(fù)荷峰值(350kW/m2)的36%,在這種狀態(tài)下出現(xiàn)“汽塞”的機(jī)會較大。對于采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁(*大水量16m3/h),其*大冷卻強(qiáng)度可達(dá)286kW/m2,達(dá)到熱負(fù)荷峰值的82%,因而可基本上杜絕“汽塞”現(xiàn)象。
(5)采用調(diào)節(jié)閥后,水溫差穩(wěn)定,有利于維持合理的高爐操作爐型。
4 在1號高爐銅冷卻壁系統(tǒng)的應(yīng)用
4.1 兩種冷卻條件下銅冷卻壁傳熱狀態(tài)的數(shù)模計算
為了定量地研究恒流量供水冷卻和調(diào)節(jié)狀態(tài)下冷卻時銅冷卻壁的傳熱狀態(tài),我們按照1號高爐銅冷卻壁及其參數(shù),并根據(jù)傳熱原理和水力學(xué)公式進(jìn)行了有關(guān)計算。
(1)冷卻條件。①恒流量冷卻方式:通道流速2m/s,進(jìn)水溫度t0=20℃;②自動調(diào)節(jié)方式:供水環(huán)管水壓0.25MPa,進(jìn)水溫度t0=20℃。溫差自力式調(diào)節(jié)閥特性見表2。
表2溫差自力式調(diào)節(jié)問特性
進(jìn)出水溫差,℃ | 〈6 | 7 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 |
| 流通能力,m3/h | 4.46 | 5.87 | 7.75 | 13.17 | 18.31 | 23.77 | 25.87 | 30.10 | 34.68 |
(2)冷卻壁尺寸及參數(shù)。冷卻壁尺寸(長×寬)a×b=2.10m×0.872m;鑲磚層底面到通道中心距:δ=0.055m;通道數(shù):n=4;通道內(nèi)徑:d=0.05m;通道長度:L=1.9m;通道中心距:D=0.24m;銅的導(dǎo)熱系數(shù):λ=390W/(m?k)
(3)基本參數(shù)計算。冷卻壁熱面積S1=a×b=1.83m2;通道壁面積S2=nπdL=1.1932m2;冷卻壁冷熱面積比i=S1/S2=0.652;鑲磚層底面至通道壁熱阻R=Dδ/(πλd)=0.00021547K/w。
(4)恒流量供水冷卻時參數(shù)計算結(jié)果見表3。采用溫差式自力調(diào)節(jié)閥調(diào)時冷卻壁傳熱參數(shù)計算結(jié)果見表4
表3恒流量供水冷卻時冷卻璧傳熱參數(shù)計算結(jié)果
項目 | 冷卻壁熱負(fù)荷M,kW/m2 |
29 | 50 | 170 | 240 | 300 | 350 |
冷卻水帶走的總熱量M總=S2M,kW | 53.1 | 91.5 | 311.1 | 439.2 | 549.0 | 640.5 |
冷卻水流量Q,m3/h | 14 | 14 | 14 | 14 | 14 | 14 |
管壁熱流密度q=M/i,kW/m2 | 44.5 | 76.7 | 260.7 | 368.1 | 460.11 | 536.8 |
進(jìn)出水溫差 Δt=0.86M總/Q,℃ | 3.26 | 5.62 | 19.11 | 26.98 | 33.72 | 39.35 |
出水溫度t=t0+ Δt,℃ | 23.26 | 25.62 | 39.11 | 46.98 | 53.70 | 59.35 |
管壁傳熱系數(shù)a,kW/(m2 ? K) | 6.00 | 6.01 | 6.26 | 6.91 | 6.53 | 6.64 |
管壁與平均水溫之差ΔT1,℃ | 7.4 | 12.76 | 41.65 | 53.27 | 70.46 | 80.84 |
管壁與鑲磚層底面溫差ΔT2,℃ | 6.25 | 10.78 | 36.63 | 51.71 | 64.64 | 75.4 |
鑲磚層底面溫度T, ℃ | 36.9 | 49.16 | 117.39 | 151.96 | 188.8 | 215.59 |
表4采用溫差自力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時冷卻壁傳熱參數(shù)計算結(jié)果
項目 | 冷卻壁熱負(fù)荷M,kW/m2 |
≤22.9 | 32.7 | 59.2 | 99.5 | 174.9 | 230.1 | 281.3 | 337.4 | 394.0 |
進(jìn)出水溫差Δt, ℃ | 6 | 7 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 |
冷卻水流量Q,m3/h | 6.92 | 9.01 | 11.65 | 18.21 | 22.94 | 25.87 | 27.67 | 29.50 | 31.00 |
冷卻水流速V,m/s | 1.00 | 1.27 | 1.65 | 2.58 | 3.25 | 3.66 | 3.91 | 4.17 | 4.38 |
管壁傳熱系數(shù)a,kW/(m2?K) | 4.764 | 5.895 | 7.309 | 10.565 | 12.016 | 14.281 | 15.217 | 16.191 | 17.016 |
管壁熱流密度q=M/i,kW/m2 | 35.1 | 49.3 | 90.5 | 152.6 | 268.2 | 325.9 | 431.4 | 517.5 | 604.9 |
管壁與平均水溫之差ΔT1, ℃ | 7.40 | 8.36 | 12.38 | 14.40 | 22.3 | 24.7 | 28.4 | 32.0 | 35.5 |
管壁與鑲磚層底面溫差ΔT2,℃ | 4.9 | 7.1 | 12.76 | 21.4 | 37.8 | 49.5 | 60.9 | 72.7 | 84.9 |
鑲磚層底面溫度T, ℃ | 38.3 | 42.5 | 53.1 | 65.8 | 92.1 | 108.2 | 125.3 | 142.7 | 160.4 |
根據(jù)上述計算結(jié)果,得出兩種冷卻方式下熱負(fù)荷M與進(jìn)出水溫差Δt以及熱負(fù)荷M與鑲磚層底面溫度的關(guān)系如圖3、4所示。
(6)計算結(jié)果分析。這里將恒流量供水和冷卻水自動調(diào)節(jié)兩種冷卻方式的計算結(jié)果(見表3和表4)進(jìn)行分析比較如下:
①恒流量供水時,水量恒定,進(jìn)出水溫差與熱負(fù)荷成正比,當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到峰值時,進(jìn)出水溫差可達(dá)到40℃。若進(jìn)水溫度較高時,水溫容易達(dá)到產(chǎn)生兩相流的極限溫度。采用調(diào)節(jié)閥時,水量隨冷卻壁熱負(fù)荷的增大而增大,減緩了水溫差的增大速率,當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到峰值時,進(jìn)出水溫差僅20℃。
②恒流量供水時,水速恒定,因而管壁傳熱系數(shù)也基本恒定,約為6kW/(m2?K),管壁與水之間的溫差與冷卻壁熱負(fù)荷成正比,當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到峰值(350kW/m2)時溫差達(dá)到80℃。采用調(diào)節(jié)閥時,水量與水速隨熱負(fù)荷的增大而增大,管壁傳熱系數(shù)可由4.7kW/(m2?K)增大到17kW/(m2?K),當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)封峰值時,管壁與水之問的溫差控制在36℃。

③采用恒流量供水時,當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到350 kw/m2時,熱面溫度(鑲磚層底面溫度)達(dá)到215℃;采用冷卻水自動調(diào)節(jié)時,熱面溫度被控制在150℃以內(nèi)。
④冷卻壁的平均熱負(fù)荷若按29kw/m2考慮,恒流量供水時,每塊銅冷卻壁耗水14m3/h,冷卻壁平均進(jìn)出水溫差僅為3℃,冷卻水冷卻能力利用率較低。采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時,每塊冷卻壁平均耗水約為8m3/h,平均水溫差約為6.5℃,冷卻水冷卻能力利用率提高1倍,可節(jié)水42%。
⑤恒流量供水時,熱負(fù)荷從平均值(29 kW/m2)到峰值(350KW/m2)波動時,鑲磚層底面溫度波動值178.69℃。而在調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)狀態(tài)下,鑲磚層底面溫度波動值僅為110℃,這對高爐操作是有利的。
4.2 安裝情況及初步效果
1號高爐72塊銅冷卻壁全部采用溫差自力式調(diào)節(jié)閥對冷卻水量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。冷卻壁全部采用單聯(lián),在每一塊冷卻壁出口均安裝1臺溫差自力式調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)閥的主要參數(shù)按表2選擇,安裝方法與3號高爐相同。
試用初期冷卻壁進(jìn)出水溫差控制在4℃以內(nèi),兩段銅冷卻壁總耗水量低于600m2/h。由于1號高爐大修投產(chǎn)僅2個月,冷卻壁內(nèi)磚襯較完好,冷卻壁熱負(fù)荷波動很小,調(diào)節(jié)閥在控制溫差方面的作用尚未充分顯示出來,但從3號高爐試驗情況來看,達(dá)到預(yù)期效果是必然的。
5 結(jié)論
根據(jù)溫差自力式調(diào)節(jié)閥在攀鋼3號高爐的試驗情況及1號高爐銅冷卻壁冷卻的初步應(yīng)用情況,可得到如下結(jié)論:
(1)溫差自力式調(diào)節(jié)閥在攀鋼3號高爐的試驗是成功的,它能實現(xiàn)根據(jù)冷卻壁熱負(fù)荷自動調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度的目的。每塊冷卻壁平均耗水約為2.7m2/h,進(jìn)出水溫差控制在6~13℃。
(2)1號高爐銅冷卻壁兩種冷卻方式的傳熱計算表明:在恒流量供水冷卻條件下,當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到峰值時,冷卻壁熱面溫度將達(dá)到215℃,進(jìn)出水溫差將達(dá)到39℃,這將減弱銅冷卻壁的抗破損能力,加速水垢的形成,增大兩相流及汽塞出現(xiàn)的機(jī)會。而在冷卻水自動調(diào)節(jié)的條件下,當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到峰值時,冷卻壁熱面溫度低于150℃,進(jìn)出水溫差為20℃。
(3)溫差自力式調(diào)節(jié)閥在1號高爐使用期間,工作穩(wěn)定、正常。