摘  要  從聯合軟水系統和獨立軟水系統的比較、風口小套是否單獨設置工業凈循環開路冷卻、冷卻壁分段調水、是否采用雙層水冷冷卻壁、若干冷卻參數的選取等方面對高爐軟水系統設計進行了分析和探討，并給出了自己的觀點和建議。

關鍵詞  高爐  聯合軟水  風口小套  冷卻壁

高爐冷卻系統的好壞直接關系到各種冷卻設備的壽命，從而影響整個高爐的壽命。軟水密閉循環冷卻系統具有不結垢、無污染、冷卻效果好、余壓完全得到利用、能耗低、泄漏少、自動化程度高、運行安全可靠等諸多優點，在國內外大中型高爐上已得到了廣泛應用。軟水密閉循環冷卻代替工業凈環水冷卻已是大勢所趨。

經過不斷的改進和完善，軟水密閉循環冷卻工藝已日趨成熟，但是軟水冷卻系統設計在一些細節上尚有爭議。本文將從這些細節上對軟水系統設計進行探討。

1  聯合軟水系統和獨立軟水系統的比較

高爐軟水密閉循環冷卻系統主要由供水泵組、供回水主管及支管、冷卻器、脫汽罐和膨脹罐、熱交換器及二次水系統、儀表檢測及自動控制系統、軟水補水系統組成。按系統的組成特點，可分為聯合軟水密閉循環冷卻系統（以下簡稱聯合軟水）和獨立軟水密閉循環冷卻系統（以下簡稱獨立軟水）兩種方案。

聯合軟水方案：通過串聯與并聯的方式，將爐底、冷卻壁、風口各套、直吹管、熱風閥等子系統合并成一個系統，系統由冷卻壁一級冷卻回路和風口、熱風閥二級冷卻回路組成，僅需設置一套膨脹罐、脫汽罐、換熱器及二次水系統。其典型工藝流程如圖1所示。

獨立軟水方案：各區域冷卻器單獨加壓供水，各系統相互獨立，有多套膨脹罐、脫汽罐、換熱器及二次水系統。其典型工藝流程如圖2所示。

下面從投資成本、運行能耗及可靠性等三個方面對上述兩種方案進行對比分析。

從投資成本角度來看，在保證相同冷卻效果的前提下，與獨立軟水相比，聯合軟水在柴油機泵數量、換熱器數量、二次冷卻泵組配置、管道材料量、脫氣罐和膨脹罐及其檢測元件的數量等方面的設備投資以及相應的土建結構投資均大大減少。經核算，一座5000m3級別的高爐，聯合軟水系統的投資成本要比獨立軟水系統節省30%。聯合軟水與獨立軟水投資成本綜合比較表見表1。

從運行能耗角度來看，聯合軟水的總循環水量遠小于獨立軟水，相應的，其換熱用的二次冷卻水量也遠小于獨立軟水，因此運行能耗大大減少。經核算，一座5000m3級別的高爐，聯合軟水系統一年的運行費用比獨立軟水系統節省12%。聯合軟水與獨立軟水運行費用綜合比較表見表2。

從系統可靠性角度來看，聯合軟水中各子系統在事故狀態時可以互為備用。例如中壓和高壓加壓系統中任一個系統出現故障且備用系統也無法啟動時，另一個系統的備用系統會自動啟動，充當其該系統備用角色。而當中壓和高壓加壓系統出現故障且備用設施均無法啟動時，冷卻壁及爐底主冷卻系統可通過回水總管的氣動調節閥門自動調節，將一部分冷卻水調劑給中壓及高壓水系統，充當備用角色。這種相互備用的模式多達十幾種情況，較獨立軟水而言，大大提高了系統運行的可靠性。

綜上所述，與獨立軟水系統相比，聯合軟水系統在投資成本、運行能耗、可靠性等方面具有明顯優勢，新建高爐應采用聯合軟水密閉循環冷卻系統。

2  風口小套是否單獨設置工業水開路循環冷卻

有些鋼廠將風口小套冷卻從聯合軟水系統中分離出來，單獨設置工業水開路循環冷卻，理由是聯合軟水系統中風口小套檢漏不方便，且風口小套更換頻繁，會影響到系統其它用戶的正常運行。事實上，聯合軟水系統中風口小套的檢漏并沒有想象中那么復雜和困難。與開路工業水相比，聯合軟水系統通過完善的自動化檢測手段一樣可以實現檢漏，甚至更快捷，更高效。聯合軟水系統在風口小套進出水支管上均設有高精度流量計，壓力計及溫度計，同時具備報警功能和歷史趨勢曲線，結合系統的水位監控、自動補水、破損報警等功能，可以非常快捷高效地實現小套自動檢漏，大大減少人工檢漏的工作量。同時，風口小套還設置了事故水處理系統，當個別風口產生微漏時，微漏風口可通過專門設置的管路切換成工業水冷卻，不影響系統其它用戶的正常運行。

以武鋼為代表的部分采用聯合軟水系統的鋼廠，經過不斷的實踐和摸索，已經總結出一套行之有效的高爐檢漏方法，能夠熟練、快速地實現冷卻壁、風口中套、風口小套等用戶的檢漏，系統運行非常平穩。

由于聯合軟水系統中風口小套能夠實現快捷高效的自動化檢漏，不會影響到其他用戶的正常運行，加上聯合軟水系統固有的不結垢、無污染、能耗低、冷卻效果好、自動化程度高、運行安全可靠等優點，對于新建高爐，建議風口小套冷卻并入聯合軟水系統，對于老高爐改造或技術水平稍弱的鋼廠，風口小套采用工業水開路循環冷卻也是可以的。

3  關于冷卻壁分段調水

目前采用軟水冷卻的高爐冷卻壁配管方式普遍采用一串到頂的方式（如圖3所示），也有少數廠家提出分段調水的方式（如圖4所示）。

分段調水方式通過在爐腹及爐身中部分別設置環管及旁通分水管，將高爐沿高度方向分為爐底爐缸區、爐腹至爐身下部高熱負荷區、爐身中上部區三個區域，各區域的水量獨立可調。其目的是為了解決生產過程中爐腹及以上區域冷卻強度與熱負荷不匹配的問題，在生產中出現爐墻結厚時可以通過減小該區域水量來減小爐墻厚度，或者在爐役后期爐缸水量增加時維持該區域水量不變，防止高爐結厚。

采用軟水冷卻的高爐，為及時帶走水管中的氣泡，避免氣塞，冷卻壁水速必須大于1.5m/s。根據傳熱學的研究，當水速超過1.5m/s后，水速的改變對冷卻器冷卻能力的影響非常有限，當水速超過2.0m/s后，這種影響已微乎其微。因此，想要通過小范圍內調節中部水量即所謂的“中部調劑”來解決高爐結厚問題，其作用是非常有限的。采用分段調水，不僅增加投資、配管復雜、排汽不暢、維護難度增大、汽化冷卻功能弱化，還會降低冷卻壁抵抗爐內熱流沖擊的能力，從而加速冷卻壁的損壞。

因此，高爐應采用一串到頂的配管方式，如果出現爐墻結厚，應通過有針對性的上、下部調劑，結合調整冷卻壁進水溫度來進行爐況調節。

4  關于是否采用雙層水冷冷卻壁

實踐表明，冷卻壁的損壞與熱震造成的熱應力疲勞損壞有很大關系。生產過程中，冷卻壁在熱應力作用下，壁體產生微裂紋，在溫度交變影響下，裂紋逐漸變深變大，最終拉裂水管，導致冷卻壁損壞。有研究表明[1]，冷卻壁熱面最高溫度及熱應力跟壁體厚度有關，在壁體厚度小于180 mm時，隨著壁體厚度的增加，熱面最高溫度和熱應力是下降的；當壁體厚度大于180 mm時，隨著壁體厚度的增加，熱面最高溫度和熱應力卻快速上升。

因此，冷卻壁設計應兼顧冷卻和厚度，在保證冷卻能力的前提下，冷卻壁應盡量減小厚度。對于雙層水冷冷卻壁，由于其外層水管處于低溫區，冷卻能力有限，卻會大大增加冷卻壁厚度，因此應盡量避免使用，如果非得使用，也應盡量壓縮兩層水管的間距，并適當減小外層水管直徑，以減小冷卻壁厚度。

5  若干設計參數的選取

5.1  冷卻水量

軟水系統設計時，冷卻水量一般分為基準水量和最大水量，分別對應開爐初期和爐役后期的爐況。高爐在不同的生產時期及不同的生產狀況下，對冷卻強度的需求是不一樣的。初期熱負荷相對穩定，不需要太高的冷卻強度，維持基準水量即可。高爐生產到爐役中后期或異常侵蝕發生，需要提高冷卻強度時，通過提高冷卻水流速加大冷卻水量，來降低內襯熱面溫度。

在一定范圍內，冷卻器的冷卻能力隨著水速的增加而提高，當水速超過1.5m/s后，隨著水速增加，冷卻器冷卻能力提高非常緩慢，當水速超過2.0m/s后，增加水速對提高冷卻能力的作用已微乎其微。有些鋼廠一味追求冷卻強度，在設計基準水量時將流速取1.8m/s甚至2.0m/s，最大流速達到2.4m/s甚至更高。由于管道阻損與流速的平方成正比，因此流速過大必然帶來管道阻損增大，水泵揚程也相應增加。在爐役初期，由于高爐不需要太高的冷卻強度，系統總水量應調到基準水量甚至基準水量以下。這時，由于系統能力過大，需要通過大幅度減小系統末端閥門的開度來降低水量，一方面導致系統壓力大幅度增大，危害系統運行安全，另一方面泵組長期不在最佳工況點工作，相當一部分揚程消耗在系統末端閥門處，能耗浪費嚴重，系統運行非常不經濟。

因此，基準設計流速和最大設計流速應控制在合理的范圍內，不應過大。建議冷卻壁基準流速取1.6m/s，最大流速取2.0m/s，這樣既能保證爐役后期的冷卻強度，又不影響系統運行安全，避免能耗過度浪費。

5.2  冷卻比表面積

冷卻壁設計的是否合理，能不能適應一代爐役不同階段冷卻強度的需要，冷卻比表面積的選取至關重要。冷卻比表面積是水管表面積與冷卻壁表面積之比，計算公式為：K=??D?L?n/S，式中D表示水管直徑，L表示一塊冷卻壁水管有效冷卻長度，n表示冷卻壁塊數，S表示該段冷卻壁總表面積。冷卻比表面積越大，說明冷卻強度越大，冷卻效果越好。通過對部分爐缸燒穿的高爐分析發現，冷卻比表面積過小是導致爐缸燒穿的一個重要因素。冷卻比表面積過小，冷卻強度低，熱量不能通過冷卻水及時傳導出去，炭磚前端不能形成有效凝鐵層，在鐵水環流沖刷、熱應力、鐵水熔蝕等作用下象腳區炭磚侵蝕加劇，最終導致爐缸燒穿。實踐證明，合適的冷卻比表面積范圍在0.9~1.2之間，建議爐缸部位冷卻比表面積不小于1.0。

5.3  水泵揚程

聯合軟水系統為閉路循環，回水靜壓力能夠完全得到利用，水泵的揚程由系統的阻損決定。因此在選取水泵的揚程時，精確計算系統的阻損就顯得十分關鍵。阻損的計算與管徑、管長、閥門規格與數量、彎頭規格與數量、水量、摩擦阻力系數、局部阻損系數等有關，計算時應精確統計管徑、管長等數據以及合理確定摩擦阻力系數、局部阻損系數等參數。筆者在多個調試多個高爐軟水系統時發現，系統各區域的實際阻損均小于理論計算值，系統實際總阻損遠低于系統理論計算總阻損。這就意味著，根據理論阻損選取的水泵揚程要遠高于系統實際總阻損。在實際運行過程中，需要大幅度調節系統末端閥門的開度，使系統總阻損與水泵揚程相匹配，從而獲得設計水量值。人為增大系統阻損的結果就是水泵的揚程大量消耗在系統末端閥門上，能源浪費嚴重，另一方面，也使得系統壓力升高，危害系統運行安全。據統計，部分高爐軟水系統末端閥門處的阻損占系統總阻損的30~50%，造成運行能耗極大的浪費。

因此，高爐設計者在選取水泵的揚程時，應精確統計軟水系統各部位的管徑、管長、閥門規格與數量等數據，同時合理取值摩擦阻力系數、局部阻損系數等參數，并根據以往高爐的運行情況對其進行不斷修正，避免簡單參考、照搬照套導致水泵揚程過大，系統運行能耗嚴重浪費。

6  結語

（1）與獨立軟水系統相比，聯合軟水系統在投資成本、運行能耗、維護管理等方面具有明顯優勢，新建高爐應采用聯合軟水密閉循環冷卻系統。

（2）聯合軟水系統中風口小套能夠實現快捷高效的自動化檢漏，不會影響到其他用戶的正常運行，加上聯合軟水系統固有的不結垢、無污染、能耗低、冷卻效果好、自動化程度高、運行安全可靠等優點，建議風口小套冷卻并入聯合軟水系統，而不是單獨設置工業凈循環開路冷卻。

（3）分段調水量的方式對中部調節、防止結厚的作用非常有限，反而會降低冷卻壁抵抗爐內熱流沖擊的能力，從而影響冷卻壁的使用壽命。高爐應采用一串到頂的配管方式，如果出現爐墻結厚，應通過有針對性的上、下部調劑，結合調整冷卻壁進水溫度來進行爐況調節。

（4）冷卻壁設計應兼顧冷卻和厚度，在保證冷卻能力的前提下，冷卻壁應盡量減小厚度。

（5）軟水系統基準設計流速和最大設計流速應在合理的范圍內，不應過大。建議冷卻壁基準流速取1.6m/s，最大流速取2.0m/s。

（6）應重視冷卻壁的冷卻比表面積的選取。合適的冷卻比表面積范圍在0.9~1.2之間，建議爐缸部位冷卻比表面積不小于1.0。

（7）高爐設計者在選取水泵的揚程時，應精確統計軟水系統各部位的管徑、管長、閥門規格與數量等數據，同時合理取值摩擦阻力系數、局部阻損系數等參數，并根據以往高爐的運行情況對其進行不斷修正，避免簡單參考、照搬照套導致水泵揚程過大，系統運行能耗嚴重浪費。

7  參考文獻

[1] 鄧凱，程惠爾，吳俐俊，錢中.  結構參數對高爐冷卻壁溫度場及熱應力分度的影響. 鋼鐵研究學報[J]，2006，18（2）：4.