溫差自力式調節閥在攀鋼高爐冷卻系統的應用

     溫差自力式調節閥是一種根據高爐冷卻壁進出水溫差變化來自動調節冷卻水流量，從而達到保護冷卻壁的裝置。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出水溫差控制在一個合理的范圍內。為達到這一目的，攀鋼1號高爐大修時銅冷卻壁系統安裝了溫差自力式調節閥，現已取得了初步效果。在此之前，為了給攀鋼1號高爐銅冷卻壁系統應用溫差自力式調節閥提供可靠依據，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節試驗。本文著重對溫差自力式調節閥的工作原理及在攀鋼3號高爐的試驗情況和在1號高爐的應用情況進行闡述。

      2 工作原理及特點

      2.1 工作原理

     溫差自力式調節就是根據冷卻壁進出水溫差來調節冷卻水流量。溫差自力式調節閥的工作原理是：使冷卻壁的進、出水分別流經溫差自力式調節閥的上水腔和下水腔，調節閥將進出水溫差轉換為推力，直接控制閥門開度，從而達到自動調節冷卻水量的目的。

      2.2 安裝方法及特點

     溫差自力式調節閥的安裝方法如圖1所示。冷卻壁出水流經溫差自力式調節閥的下水腔之后再進入排水系統，另外，用一根通徑較小的水管從供水管網上引出冷卻水，使之流經各調節閥的上水腔。這樣，上下水腔的溫差即為冷卻壁進出水溫差，調節閥將溫差轉換為推力，直接控制閥門開度，達到根據冷卻壁進出水溫差自動調節冷卻水流量的目的。

     這種調節方式具有系統簡單、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節試驗

      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節閥（以下也稱調節閥）由漯河中貫冶金設備制造有限公司制造。

      3.2 試驗結果

     試驗從2001年12月11日開始，至今已連續運行15個月，5臺溫差自力式調節閥性能正常，有關試驗結果見表1。

      表13號高爐冷卻水自動調節試驗結果

      *進水溫度26℃。

      3.3 結果分析

    （1）未采用調節閥的冷卻壁，實行的是恒流量供水冷卻，熱負荷波動時，完全反應為水溫差的波動，其*大水溫差高達52℃。采用調節閥的冷卻壁，其熱負荷波動時，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℃，這說明調節閥的調節性能是靈敏、及時和可靠的。

    （2）從耗水情況來看，調節閥具有顯著的節水效果。從水溫差的平均值對比看，采用調節閥的冷卻壁平均水溫差為10.5℃，而未采用調節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）采用調節閥后冷卻水*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垢是十分重要的。

    （4）若允許的*大水溫差為20℃，對于未采用調節閥的冷卻壁（*大水量7m³/h），其*大冷卻強度為125kW/m²，為熱負荷峰值（350kW/m²）的36%，在這種狀態下出現“汽塞”的機會較大。對于采用調節閥的冷卻壁（*大水量16m³/h），其*大冷卻強度可達286kW/m²，達到熱負荷峰值的82%，因而可基本上杜絕“汽塞”現象。

    （5）采用調節閥后，水溫差穩定，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的應用

      4.1 兩種冷卻條件下銅冷卻壁傳熱狀態的數模計算

     為了定量地研究恒流量供水冷卻和調節狀態下冷卻時銅冷卻壁的傳熱狀態，我們按照1號高爐銅冷卻壁及其參數，并根據傳熱原理和水力學公式進行了有關計算。

      （1）冷卻條件。①恒流量冷卻方式：通道流速2m/s，進水溫度t₀=20℃；②自動調節方式：供水環管水壓0.25MPa，進水溫度t₀=20℃。溫差自力式調節閥特性見表2。

      表2溫差自力式調節問特性

     （2）冷卻壁尺寸及參數。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：n=4；通道內徑：d=0.05m；通道長度：L=1.9m；通道中心距：D=0.24m；銅的導熱系數：λ=390W/（m?k）

     （3）基本參數計算。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計算結果見表3。采用溫差式自力調節閥調時冷卻壁傳熱參數計算結果見表4

      表3恒流量供水冷卻時冷卻璧傳熱參數計算結果

      表4采用溫差自力調節閥調節時冷卻壁傳熱參數計算結果

     根據上述計算結果，得出兩種冷卻方式下熱負荷M與進出水溫差Δt以及熱負荷M與鑲磚層底面溫度的關系如圖3、4所示。

     （6）計算結果分析。這里將恒流量供水和冷卻水自動調節兩種冷卻方式的計算結果（見表3和表4）進行分析比較如下：

      ①恒流量供水時，水量恒定，進出水溫差與熱負荷成正比，當熱負荷達到峰值時，進出水溫差可達到40℃。若進水溫度較高時，水溫容易達到產生兩相流的極限溫度。采用調節閥時，水量隨冷卻壁熱負荷的增大而增大，減緩了水溫差的增大速率，當熱負荷達到峰值時，進出水溫差僅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荷成正比，當熱負荷達到峰值（350kW/m²）時溫差達到80℃。采用調節閥時，水量與水速隨熱負荷的增大而增大，管壁傳熱系數可由4.7kW/（m²?K）增大到17kW/（m²?K），當熱負荷達封峰值時，管壁與水之問的溫差控制在36℃。

      ③采用恒流量供水時，當熱負荷達到350 kw/m²時，熱面溫度（鑲磚層底面溫度）達到215℃；采用冷卻水自動調節時，熱面溫度被控制在150℃以內。

      ④冷卻壁的平均熱負荷若按29kw/m²考慮，恒流量供水時，每塊銅冷卻壁耗水14m³/h，冷卻壁平均進出水溫差僅為3℃，冷卻水冷卻能力利用率較低。采用調節閥調節時，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，可節水42%。

      ⑤恒流量供水時，熱負荷從平均值（29 kW/m²）到峰值（350KW/m²）波動時，鑲磚層底面溫度波動值178.69℃。而在調節閥調節狀態下，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節閥對冷卻水量進行自動調節。冷卻壁全部采用單聯，在每一塊冷卻壁出口均安裝1臺溫差自力式調節閥，調節閥的主要參數按表2選擇，安裝方法與3號高爐相同。

     試用初期冷卻壁進出水溫差控制在4℃以內，兩段銅冷卻壁總耗水量低于600m²/h。由于1號高爐大修投產僅2個月，冷卻壁內磚襯較完好，冷卻壁熱負荷波動很小，調節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，達到預期效果是必然的。

     5 結論

     根據溫差自力式調節閥在攀鋼3號高爐的試驗情況及1號高爐銅冷卻壁冷卻的初步應用情況，可得到如下結論：

     （1）溫差自力式調節閥在攀鋼3號高爐的試驗是成功的，它能實現根據冷卻壁熱負荷自動調節冷卻強度的目的。每塊冷卻壁平均耗水約為2.7m²/h，進出水溫差控制在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，當熱負荷達到峰值時，冷卻壁熱面溫度將達到215℃，進出水溫差將達到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的機會。而在冷卻水自動調節的條件下，當熱負荷達到峰值時，冷卻壁熱面溫度低于150℃，進出水溫差為20℃。

     （3）溫差自力式調節閥在1號高爐使用期間，工作穩定、正常。