步进梁式加热炉汽化冷却步进装置立式结构.pdf

第 3 O卷第 6 期 2 0 0 8 年 1 2月 四川冶金 S i c h u a n Me t a ll u r g y V0 J 3 0 No 6 De c 2 0 08 步进梁式加热炉汽化冷却步进装置立式结构 程 链 中冶赛迪工程技术股份有限公司 重庆4 0 0 0 1 3 摘要 本文介绍了步进梁式加热炉汽化冷却系统中的步进装置采用立式结构的技术方案 论述了立式 结构的具体形式 旋转式球 形接 头的运行轨迹和 受力分析 并通过 试验 对理论研 究进行 了验证 为在 国内冶金行 业 大型步进梁式加热炉汽化冷却系统 步进装置采用立式结构提供了理论上的保证 关键词 汽化冷却装置 步进装置球体转动接头 VERTI CAL S TRUCTURE oF EVAPoRATI oN CooLI NG DEVI CE US ED I N W ALK G BEAM HEAT G FURNACE Ch e n g L i a n C I S D I E n g i n e e r i n g C O L T D C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 3 A b s t r a c t I n t h i s p a p e r th e t e c h n i c a l s c h e me o f v e r t i c a l s t e p p i n g d e v i c e u s e d i n w a l k i n g b e a m h e a t i n g f u r n a c e w a s d i s c u s s e d T h e v e r t i c a l s t e p p i n g d e v i c e s t r u c t u r e t y p e a n d s p h e ri c a l r o t a t e j o i n t mo v i n g t r a c e a n d s t r e s s wa s d i s c u s s e d a l s o t he a n a l y t i c a l r e s u l t wa s v e r i fie d b y e x p e rime n t a l r e s u l t s Th e r e s e a r c h c o u l d b e a t h e o r e t i c a l p r o o f f o r t h e a d o p t i o n o f v e rti c a l s t e e p i n g d e v i c e i n wa l k i n g b e a m h e a t i ng f u m a c e Ke y w o r d s e v a p o r a t i o n c o o l i n g d e v i c e s t e p p i n g d e v i c e s p h e ri c a l r o t a t e j o i n t 1 概 述 1 9 7 1年德国波鸿厂 3 0 0 t h板坯步进梁式加热 炉 下称步进炉 汽化冷却装置 下称汽冷装置 投 运后 各国竞相采用 至 1 9 9 8年国外 已有 6 0余座 1 9 9 3年 1月上钢二厂 1 4 0 t h步进炉首次成功 采用汽冷装置 到 2 0 0 5年国内建成投产的步进炉汽 冷装置几十座 全部设备 国产化 的 2 5 0 t h板 坯步 进炉汽冷装置于 2 0 0 0年 7月在本钢建成投产 标志 着我国具备 了设计 制造和施工大型步进炉汽冷装 置的能力 部分 国内步进炉汽冷装置见表 1 中冶 塞迪工程技术股份有限公司 持有该技术的发 明专 利 Z L 9 3 1 1 7 1 7 4 1 表 1 国内步进炉汽冷装置 第 6期 S i c h u a n M e t a l l u r g y 3 9 2 步进炉冷却方式及 比较 步进炉冷却方式及比较 见表 2 表 2步进炉冷却方式 比较 表 2 5 0 t h炉 3 汽冷装置循环冷却原理 汽冷装置 回路水循环 是依靠循环水泵压头和 循环 回路下降管中欠饱和水 与上升管 中汽水混合 物的密度差产生的流动压头 克服 回路总阻力而形 成 立柱管由带芯管 的套管组成 外管受热 芯管不 受热 立柱管是靠芯管内外介质的密度差产生的流 动压头 克服芯管内外阻力形成 自然循环 循环流动 中利用水变为蒸汽吸收大量的热 而 冷却水梁及立柱 循环冷却原理图如图 1 所示 回路总循 环压头与总阻力 的关系如式 1 表 示 s H y 一 o 0 9 8 A P 口 f 1 f f f 1 加 热 h e a t ing 图 1 循环冷却原理 示意 图 P P 0 1 式中 s 总循环压头 MP a 一 回路高度 m 下降管中水平均重度 k g m 循环水泵压头 MP a 上升管中汽水混合 物平均重度 k g n o3 P 循环回路总阻力损失 M P a A P 下降管阻力损失 M P a A P 炉底管阻力损失 M P a A P 上升管阻力损失 MP a 四川冶金 第3 O卷 4 汽冷装置系统组成 主要设备及功能 汽冷装置由循环水 软水制备 给水及除氧 排 污和取样系统组成 循环水系统 由汽包 下降管 热水循环泵 水分 配联箱 固定梁和活动梁及立柱 活动梁进 口及出口 步进装置 上升管组成 系统流程如图 2所示 M A一汽 包 B一补给 水 C F 降 霄 D一循 环 泉 E一水 分 联 箱 f 一 进 口步进装置 G一出口步进装置 H一固定 梁及立柱 I 一活动 梁及立柱 J 一平移框架K一液压 步机机构 L一步进炉体 M一上 升管 N一蒸汽 图 2 步进炉汽冷装置水循环系统示意图 主要设备及功能 汽包 储存水 分离汽水 昆 合物 电动循环泵 主工作泵 提供循环动力 柴油机循环泵 停电或主工作泵事故时启动 维 持水循环保证安全停炉 水分配联箱 将循环水按设定值分配给各回路 固定梁及立柱 吸收热量及支撑钢坯 活动梁及立柱 吸收热量 支托钢坯步进移动 活动梁进 口及出 口步进装置 连接下降管与活 动梁 并与活动梁 同步运动 5 汽冷装置主要技术 5 1 回路 组 合 采用 串并联 的方式组合 固定梁与活动梁分开 组合 组合后每个 回路的热负荷及水力特性尽量趋 于一致 水梁及立柱共组回路 回路上设节流孔板限 流 5 2 步进装置结构 步进装置由上 下联箱 及联箱之间的柔性组件 组成 步进装置有 卧 立两 种结构 卧式结构特点 上 下联箱不在同一垂面上 占地较大 适应摆动度 较差 立式结构特点 上 下联箱在同一垂面上 占 地较小 适应摆动度好 卧式结构示意图见图 3 图 3 卧式结构步进装置不意图 柔性组件 由三个球体转动接头及连接管道组成 三维空间管系 利用球体转动接头旋转及偏转机能 来实现设定的运动要求 球体转动接头常用规格为 P N 2 5 M P a P N 4 0 MP a D N 8 0 D N 1 0 0 管 系 中还 设有防振 导向装置 运动轨迹如图 4所示 图 4柔性组件运动轨迹 图 5 3水梁及 立柱 结构 水梁及立柱的工作条件十分恶劣 外受火焰 高 温烟气冲刷并承受灼热钢坯重载 内承受较高压力 及温度 它关系到汽化冷却的 回路组合 热负荷 阻 力 水力特性 循环流速等要素 水梁有双管梁及单管梁两种结构 它们 由双立 柱管及单立柱管支撑 通过特制的三通和弯头连接 双立柱管是循环水 的进 出 口 单立柱 管为套管结 构 芯管顶部为倾斜面并伸进水梁中 第 6期 S i c h u a n Me t a l l u r g y 5 4水 粱及 立 柱的热 负荷 分配 加热炉内固定梁 活动梁及立柱所处的工作状 况及炉温区不同 吸收的热量不同 必须进行不同回 路水梁及立柱的热负荷计算及分配 5 5水循环 计 算 水循环计算任务 确定 回路结构尺寸 流量 产 汽量及循环倍率 阻力及节流圈直径 确定循环水泵 流量 压头 功率及 台数 校验水冷构件及循环水泵 的可靠性 计算结果满足 水冷构件壁温 允许值 不产生 流量脉动 汽水分层 倒流 循环停止 水动力多值 性 循环流速 临界流速 循环水泵不汽化 6 汽冷装置的可靠性分析 6 1 设计保 证 回路组合合理 热负荷及水循环计算正确 水泵 选型正确 步进装置与步进梁同步 灵活 平稳运动 水梁及立柱同时满足步进炉工艺及汽化冷却的要 求 检测 自控项 目齐全 参照锅炉及压力容器规范 设计 6 2 冷却水温及水压升高对水梁强度无影响 2 0碳钢水梁在设计压力 2 7 M P a 对应的饱 和温度加上计算附加温度 6 0 条件下 的计算应力 小于该温度下的许用应力 计算所需 的水梁壁厚远 小于按支撑钢坯重量确定 的水梁壁厚 水梁壁厚只 取决于钢坯荷载及工艺条件 6 3停 电保 护 当停电或电泵事故状态 柴油机水泵可在 l O秒 内自动启动并达额定工况持续运行 6 8小时 还 设有汽动给水泵向汽包供水 汽冷装置 中存有供停 电后 2 3小时用水量 可确保步进炉安全停炉 6 4球 体转动接 头 采用国内生产的双密封球体转动接头 年运转 5 O 6 O万次 转 动灵 活 无渗漏 寿命 3年以上 为 汽化冷却安全运行提供 了可靠保证 6 5 大型步进炉汽冷装置的可靠性 大小步进炉其炉温状况基本一致 在相 同内压 力及温度下水梁的壁厚和强度基本一致 水梁壁厚 取决于钢坯荷载和工艺条件 不取决于循环水压力 及温度 都采用强制循环 都采用同压力 同直径球 体转动接头 保护措施相同 大型步进炉汽冷装置回 路数量 比小型步进炉多 但单一 回路组成 吸收热量 及循环水量与炉子大小基本上无关 因此大型步进 炉汽冷装置是可靠的 6 6 汽冷装置的制造 施工 运行管理参照锅炉及 压力容器相关规范执行 因此更安全可靠 7国内外汽冷装置比较 国内外汽冷装置比较 见表 3 表 3 国内外汽冷装置比较 表 项 目 单位 国外 国内 备注 工作压力M P a 工作温度 系统组成 循环方式 步进 装置 接头寿命年 停电保护 装置投资 水梁寿命年 9 4 饱和 相似 强制 相似 1 相同 3 7 8 2 5 饱和 相似 强制 相似 3 相 同 柴油机水泵 1 国内的汽冷装置从技术 系统组成 循环方式 设备性能 可靠性诸方面都达到国外水平 全部设备 国产 投资少 汽冷装置的主要作用为保护水梁 蒸汽为余热 利用副产物 影响产汽量因素很多 产汽量不作为 评价汽冷装置的指标 国外提高汽冷装置压力是为发电所需 国内不 用于发 电 故压力取低 影响水梁寿命因素很多 如 水质 运行工况 操 作管理 材质等 相对而言国外条件较好 故水梁寿 命长些 8 步进炉汽化冷却技术推广 汽冷装置有效保护水梁 延长寿命 减少事故 提高轧机作业率 节电 节水及 回收蒸汽利用 降低 加热炉吨钢单耗 据上钢二厂步进炉汽冷装置实测 数据 热 效 率 提 高 每 1 1 3 5 平 均 单 耗 下 降 7 3 7 7 冷却水温提高 钢坯黑印 比工业水