步进梁式加热炉汽化冷却装置的设计探讨
摘要：重点介绍了南钢新中棒180t/h步进梁式加热炉汽化冷却装置的组成、基本原理、结构及使用效果。
对同类加热炉的设计具有一定的指导作用。
关键词：步进梁式；加热炉；汽化冷却；
中图分类号：tg155.1+2
1引言
步进梁式加热炉具有加热速度快、加热均匀、烧损少，可调节装钢量、减少和防止钢坯脱碳、可防止拱钢和粘钢，易出空炉料、可缩短凉炉检修和开炉升温周期、易于采用计算机对钢坯跟踪等优点。
轧钢加热炉冷却构件的冷却有工业水冷却和汽化冷却两种方式。
工业水冷却存在以下问题：水中含钙镁离子、溶解氧和杂物、影响轧机生产；为防结垢，水温控制在小于等于55度，致使循环水量大，能耗高；有室外冷却水系统，占地大；水温低致使钢坯黑印加重。
余热不回收，不能直接回收投资。
步进梁式加热炉的水梁和立柱采用汽化冷却的优点：
1.在水梁和立柱中循环流动的水是软水，能延长水梁和立柱的使用寿命，减少停炉维修时间，增加了轧制产量。
2.由于在水梁和立柱中的循环水温度比较高，能减轻钢坯的黑印，提高了待轧坯料的加热质量。
3.汽化冷却装置能产蒸汽，回收热能，降低能耗，节能效益显著。
4.较之水冷却，布置紧凑，补充水量少，有效回收热能。
5.汽化冷却装置的一次性投资虽然比较大，但能回收蒸汽，节约用水，投资回收约需2年～2年6个月。
目前国内大部分轧钢加热炉已采取汽化冷却技术。
2.南钢步进梁加热炉汽化冷却装置
2.1、加热炉主要参数
以南京钢铁厂新中棒180t/h步进梁式加热炉工程为例，本工程设步进梁式加热炉一座，加热炉额定生产能力为180t/h（冷坯），有效炉长为42.96m、炉宽13.1m、炉底有效面积600m2；加热钢种为优质碳结钢、合金结构钢、冷镦钢、齿轮钢、弹簧钢、轴承钢、易切钢和锚链钢等。
加热炉设两套液压步进机构、两套提升和平移框架；按其功能分：均热段炉温：1200～1220℃，加热段炉温：1240～1260℃；预热段炉温：1000～1150℃。
加热炉水梁采用汽化冷却，以冷却加热炉的水梁和立柱，系统为强制循环。
2.2、设计条件
汽化冷却系统按照全加热炉水梁和立柱的绝热层完好程度：最大100 %，最小 90 %进行设计。
汽化冷却运行参数：汽包额定工作压力：1.27mpa。
水梁绝热层完好程度为100 % 时，产汽量约～7 t/h 。
水梁绝热层完好程度为90 % 时，产汽量约～15t/h 。
连续排污率 10 %。
汽包补给水量最小～11.5 t/h ，最大～24.5t/h 。
加热炉需汽化冷却的水梁：钢坯在炉内单排、双排布置
加热炉共有6根固定梁，φ127×20（纵梁，双管）
加热炉共有4根步进梁，φ127×20（纵梁，双管）
2.3、汽化冷却系统描述
汽化冷却系统包括软水供应系统、除氧系统、磷酸盐加药系统、汽包、循环水泵、以及水梁的水循环回路等。
（1）软水供应系统
软水由厂方送至软水箱处，软水箱的水位控制由浮球液位计将水位信号传到控制供水的电动阀，通过控制电动阀的开闭达到控制软水水位的目的。
软水的水质应符合> gb1576-2008的规定要求。
悬浮物：≤5 mg/l；ph（25℃）：≥7
总硬度：≤0.03 mmol/l （以1/2 ca2+，1/2 mg2+计）
含油量：≤2 mg/l；溶解氧：≤0.1mg/l
软水箱中的软水由两台电动加压泵（一用一备）输送到除氧器中进行热力除氧。
（2）除氧系统
除氧系统采用大气式除氧，除氧后的水由两台电动给水泵（一用一备）及一台柴油机给水泵（紧急情况备用）加压后打到汽包内。
（3）磷酸盐加药系统
加热炉的汽化冷却系统设1套磷酸盐加药系统，全自动控制。
磷酸盐加药系统，采用1罐2泵成套加药装置，加药泵1用1备。
磷酸盐加药装置，设有1个电动搅拌溶液箱，经过过滤的药液经加药泵直接供入加热炉汽化冷却汽包。
（4）汽包
各水循环回路的循环水在水梁中吸热，成为汽水混合物，经上升管回到汽包，在汽包中进行汽水分离，蒸汽经调压阀并入外网。
在主蒸汽管上设有蒸汽流量计、蒸汽压力调节阀。
在汽包给水管上设有给水流量调节阀，以调节汽包水位。
汽包有就地水位计和二次远方水位计、高低水位报警等。
汽包内经汽水分离的循环水进入循环泵进水集管，投入下一轮水循环。
（5）循环水泵
汽包有一根下降管（φ273×7）接至循环水泵的进水集管（φ273×7），循环泵房中共有3台循环泵。
其中有两台电动循环泵，平时一台运行，一台备用。
另有一台柴油机循环泵，作为停电或事故时备用。
每台循环泵出水管均接至循环水泵出水集管（φ273×7），出水集管接至分配集箱（φ426×12）。
从分配集箱接至水梁进水口（对步进梁要经过进口步进装置）的下降管（φ108×5）上，均设有手动调节阀和涡街流量计，以使每根水梁的循环水量做到基本均衡。
（6）水循环回路
加热炉汽化冷却共分5个回路。
加热炉共有6根固定梁（φ127×20），每2根组成一个回路，共有3个回路；加热炉共有4根步
进梁（φ127×20），每2根组成一个回路，共有2个回路。
在每个回路的进水管（φ108×5）上均设置有调节阀和流量计，调节每根水梁的循环水流量，以保证水梁中的循环水流速。
当某一根水梁进水流量低于设定值时，即报警。
经过调整，使其达到所设定的正常值。
（7）排污系统
加热炉汽化冷却系统设置集中排污系统，主要设备是1台定期排污扩容器。
汽包设有连续排污和定期排污接管，连续排污、定期排污均接至定期排污扩容器。
汽化冷却系统的高温疏放水，均排至定期排污扩容器。
定期排污扩容器污水直接排入集中排水系统。
定期排污扩容器的乏汽排空。
（8）取样冷却系统
取样冷却系统主要用于汽化冷却装置中检测汽水介质的指标是
否达到汽水标准要求。
主要对炉水及除氧水（给水）进行取样检测。
每座加热炉各设置取样冷却系统。
（9）分汽缸
汽包内的蒸汽输送到分汽缸中，保持压力稳定，并向外网送汽。
2.4、设计原则与安全措施
为汽化冷却系统能安全可靠地运行，设计中采取以下措施：
1）由于步进梁加热炉结构上的限制，汽化冷却只能采用强制循环。
设置两台电动循环泵，一台运行，一台备用。
另设有一台柴油
机循环泵，供停电时用，保证系统的安全。
2）由于采用较高的循环倍率，增大了水梁中的循环流速，避免循环水的汽水分层，降低了循环管路中含汽率，保证了冷却的可靠性。
3）在每根水梁的进水管上均设置了调节阀和流量计。
直观的调节手段，使每根水梁得到需要的循环流量，保证了循环流速（循环流速1.4m/s以上），在循环泵出水总管上也设置流量计，用于与各水梁进水管上的流量印证、校核。
保证安全性。
4）在进口步进装置和出口步进装置的结构中，中间都设置有备用柔性管道。
当任一条柔性管道中的球体旋转接头出故障时，均可在不停炉的情况下加以维修，而汽化冷却系统可以照常运行。
5）汽包的水容积较大，有8m3，汽包的存水可以维持汽化冷却系统运行，获得事故处理时间。
汽包内的水可以维持汽化系统正常运行20～30min。
6）向汽包补水，有3台给水泵，其中2台电动给水泵，平时一台运行，一台备用；另有一台柴油机给水泵，停电事故时可正常补水。
7）软水箱容积有30 m3，当软水供应中断时，能够维持较长一段时间，做到正常停炉。
2.5、汽化冷却系统主要设备及功能
汽包一台，规格：dn1600x8000mm，工作压力1.3mpa；工作温度194℃，贮存水、分离汽水混合物、稳压。
电动热水循环泵：2台（一台运行，一台备用），流量400m3/h；扬程0.65mpa，主工作泵，增加循环压头。
柴油机热水循环泵：1台，流量400m3/h；扬程0.65mpa，事故备用泵、当停电或主工作泵事故时快速起动维持水循环，保证安全停炉。
分配联箱：1个，工作压力2.5mpa，将水分配给固定梁和活动梁各自组成的循环回路。
电动给水泵：2台（一台运行，一台备用），流量25m3/h；扬程2.1mpa，为主工作泵。
柴油机给水泵：1台，流量25m3/h；扬程2.1mpa，事故备用泵、当停电或主工作泵事故时快速起动维持汽包给水。
电动软水泵：2台（一台运行，一台备用），流量30m3/h；扬程0.3mpa，为除氧器给水用。
软水箱：1个，容积：30 m3。
活动梁进口步进装置：2套，使用的球体旋转接头dn100，工作压力4.0mpa，每套3个柔性管道，连接下降管与活动梁回路的入水口，与活动梁同步运行。
活动梁出口步进装置：2套，使用的球体旋转接头dn100，工作压力4.0mpa，每套3个柔性管道，连接上升管与活动梁回路汽水混合物出口，与活动梁同步运行。
除氧器1台，能力q=20t/h（带内置换热器），除氧水箱（一只）容积 25 m3
一箱两泵组合式加药装置：1套，配套计量泵和搅拌器
定期排污扩容器数量：1个，容积3.5m3，工作压力：0.15mpa 取样冷却器：2台，φ245x825，工作压力p=2.45mpa；工作温度t=225℃。
排汽消声器：1台，排汽量：6～15t/h ，消音量：20～25db（a）；分汽缸：1台，dn500×3000，维持接外网蒸汽压力稳定。
2.6、汽化冷却装置布置
汽化冷却汽包布置在厂房内。
汽包中心标高+11.050m，汽包平台分层布置，+9.5m和+5m平台， +5.0m为操作层，除氧器布置在6.00m 层，底层±0.00m为循环泵房。
汽化冷却仪表控制室与加热炉仪表控制室合建。
2.7、循环水检测项目及自动控制设置
（1）检测项目：汽包压力，汽包水位，循环水泵进出口压力，各循环回路节流阀前压力，循环泵出口流量，各循环回路流量，汽包送出蒸汽流量、汽包给水流量。
（2）自动控制：汽包水位、压力；除氧器水位、压力。
（3）声光报警：汽包水位过高或过低，汽包压力过高，循环水总管压力过低，各循环回路压力过低。
（4）联锁：两台电动循环泵联锁，电动循环泵与柴油机循环泵联锁；柴油机循环泵与总电源联锁。
2.8、大型步进炉采用汽化冷却装置的重要环节
2.8.1水梁和立柱
水梁及立柱对于步进炉而言承受着钢坯的重量，受火焰及高温烟气冲刷。
在汽化冷却中又是极重要的冷却构件，冷却水温提高后沿长度及垂直方向的热膨胀增大。
水梁及立柱处于十分恶劣的状态，特别是步进梁及立柱还要做矩形运动，它们既要满足工艺条件，又要满足汽化冷却要求。
水梁是决定汽化冷却成败的关键之一。
2.8.2步进装置
步进装置也是决定汽化冷却成败的关键设备。
其结构必须能配合活动梁同步运动，不得有任何阻碍，由于活动梁运动的特殊要求及冷却水压力和温度高，它与上升管、下降管之间的连接不能用胶管或金属转管，只能用金属结构的柔性组件连接，柔性组件的空间结构尺寸必须保证各组都在不相同的运动轨迹下同步运动。
步进梁每年要做50-60万次的矩形运动，球体转动跟随运转相同次数，转动十分频繁。
内部流动的是约2.0mpa、195度的水或汽水混合物，因此对他的加工质量、强度、密封性能、转动灵活平稳性要求很高，而且还要求寿命长。
2.8.3停电保护
汽化冷却装置的停电保护实质是保证停电后水循环不停止，确保加热炉安全停炉，保护水梁，所以是一项至关重要的安全措施。
运行中虽然切断了炉子的燃烧系统，但炉内仍处于高温状态，水梁上还载有灼热的钢坯，所以水循环不能停止。
汽化冷却装置没有高位水塔，而且高温下的水梁也不允许冷水突然进入，较高压力下的汽化冷却系统未泄压前低压水也送不进去。
必须采用可靠的停电
保护措施，即柴油机循环水泵，停电后10s内快速启动保证循环继续进行。
2.9结束语
南钢新中棒180t/h步进梁式加热炉汽化冷却的成功应用，充分显示了步进炉汽化冷却的强大生命力和经济效益，它将逐步代替步进炉工业水冷却，为节能降耗发挥出更大的作用。
