磷炉渣口小套结构分析与改进方法(终).doc

浅谈磷炉渣口小套结构分析与改进方法 保存学 摘要： 通过对磷炉两种小套的结构分析，来确定水道的改进措施和方法，改进了另外一种水道结构的小套，以保证冷却水能充分带走热量，起到了保护小套的作用，达到延长小套使用寿命的目的。关键词： 小套 结构 水道 分析 改进1 前言我公司从俄罗斯引进的两台PK3-80型年产3万吨大型黄磷生产炉，所产生的高温熔融炉渣从两渣口排出。渣口结构为：大套镶嵌在渣口碳砖里，小套装配在大套内孔的后部，小套后部160mm长的一段直接与炉内炉渣接触。磷炉大小套为T1铜所制的水冷夹套，套内通冷却循环软水进行冷却。磷炉大、小套主要功能是作为排除反应后炉内炉渣的通道，主要作用是保护渣口炭砖，延长渣口炭砖的使用寿命，即延长磷炉的使用寿命。黄磷生产过程中，炉内原料反应后产生温度为12001400左右的高温炉渣，通过安装在磷炉渣口砖内的大小套内孔流出炉外，每生产1吨黄磷要排出810吨炉渣。在磷炉正常负荷下，每小时排渣量约为3240吨。经往年统计：小套平均使用寿命约1520天，大套平均使用寿命约5个月。每换一次小套大约用时46小时，大套1214小时，且更换大小套时必须停炉，而磷炉重新合闸升温的时间约为停炉时间的一半。从2012年的黄磷车间磷炉大小套运行情况统计来看，两台磷炉运行9个月，两台磷炉因大小套损坏而更换造成停炉时间共计286.36小时，其中更换小套的时间为184小时。全年共更换大套11个，更换小套64个。因此，大小套对黄磷生产影响较大，并且更换数量多，每个小套采购成本约1万元，生产费用较高。为了确保黄磷装置长周期稳定运行，满足生产要求，公司特成立了小套技术攻关组，笔者有幸为攻关组成员之一，重点就其小套结构特点，分析结构对磷炉小套使用寿命延长的措施方案，寻求解决的办法。2 小套结构特点分析为延长磷炉小套使用寿命，解剖了两个生产厂家的小套，进一步研究其内部结构，以下对两种不同小套的结构进行分析：两种小套的外形尺寸（见下图）：长255 mm、小头直径165/50、大头直径：214/100，重量约45公斤，材质从取样分析来看组份都很接近，都是T1铜。但水道结构不相同，具体结构见图1和图2。图1的水道结构是冷却水从入口直接到底部，转90度进入底部环道，然后沿着环形水道转180度进入下一环形水道，冷却水共经6道平行环形水道并在小套内转了5个180度的弯（水道宽度21mm，深18mm）流出。图2的水道结构是双螺旋的，冷却水沿着任意螺旋水道（因螺旋水道进、螺旋水道出，任一水道进出，效果一样）进入底部环形水道，经底部环形水道再转入另一螺旋水道（水道宽度22mm，深18mm）流出，共绕6环。从小套的水道上看，图1小套的优点是：冷却水直接进到小套底部（最热端），冷却较充分，换热由内至外，能保证小套底部的冷却效果，水道中无“死水”，总换热面积比图2小套大；加工较为简单。缺点是：因水道是平行的，水流到每个折流槽的端部都需要转90度的弯流入上一水道。因此，回水阻力较大，流速较慢，压力损失较大。图2小套的优点是：水流平滑，流速较快，压力损失较小。缺点是：水道中存在局部“死水”，热量带不出去；当小套浸泡在渣中时，冷却进水在螺旋进入的过程中已被加热，不能保证小套底部（最热端）的冷却效果，容易在渣温高且连续出渣的过程中因换热不及时损坏；加工难度相比较大。从几何尺寸上看，图1和图2小套的外形几何尺寸基本一致，内部水道宽度相差1mm。尺寸相差最大的是小套底部厚度和小套内壁的最小壁厚。图2小套底部厚度为30mm，因此换热效果较好，但耐炉渣腐蚀性相对差。图1小套底部厚度为50mm，因此换热效果较差，但耐炉渣腐蚀性相对好。图2和图1小套的最小壁厚相差5mm，图2小套的最小壁厚 22 mm，图1小套的最小壁厚17 mm，由于此部份是吹氧管最容易烧到的位置，所以图2小套的最小壁厚尺寸更为合理。 在实际使用过程中，因无统一的验证标准，两种类型的小套使用寿命有长有短，比较两种水道结构特点，各有优缺点，难以定论哪种结构更合理。因此，取长补短，综合考虑，研究改变小套水道结构，使小套能够充分得到冷却，就显得尤为重要。 改造前 图1水道图片 改造前 图 2水道图片改造后 图3水道图片 3 改进措施小套壁厚、水道的冷却效果设计得是否合理是决定小套使用寿命的重要因素之一。因此，对以上两种结构及优缺点进行比较分析，对小套结构采取优化措施。3.1 采用图2小套底部厚度30mm，选取水道至小套的内孔的壁18-23mm。为了保证良好的换热效果和尽可能避免被吹氧管烧穿，小套底部厚度应为30mm，小套内壁（水道至小套内孔的尺寸）的壁厚尺寸应18-23mm，比较合理。与图2小套壁厚尺寸基本一致。 理论依据 按照导热传热公式：Q=（T1-T2）At/ 式中 Q受热面向放热面释放的热量。-导热系数。从机械设计手册中查得纯铜的导热系数为407。T1受热面温度()。T2放热面温度()。A接触面积（m2）。t时间（小时）。壁厚（m）。从上面的公式看出：导热量与温度、传热面积、受热时间成正比。即：减小这些参数任何一个指标，就能减少小套受到的热量。也就是说，不管是减小炉渣温度(T)，或者是减少小套接触热渣的面积（减少传热面积A），还是减少出渣时间（t），改变其中任何一个参数，都可以减少传导给小套的热量，就可以延长小套的使用寿命。但由于生产中的工艺条件和使用环境，这些指标都是不可能改变的。另外因纯铜导热系数（）为386.4W/(m.k)，导热率是碳钢的7-11倍，导热非常快，能把热量迅速传给冷却软水带走，小套的材料选择纯铜（T1）是正确的。因此，只有研究小套的壁厚，选取一个比较合适的厚度），减少对小套的损伤。从上面的导热传热公式看出：在相同的单位时间内，受热面向放热面释放的热量与厚度成反比。即：高温炉渣向小套传递的热量相同的情况下，小套传给冷却水的热量与壁厚成反比。因此小套的内壁尺寸和后端面的厚度越小，传递的热量就越快，整个小套的冷却效果就会越好。反之，壁厚增加传递的热量就越差。但是由于小套内壁和后端面不但受磷炉渣的高温熔融，还受化学腐蚀，炉渣的冲刷，吹氧管的烧损等影响，这些因素对壁厚的损坏程度较严重。按照2012年对全年烧损小套的检查情况看，90%的小套烧损位置在后端面和内孔后半部分，内孔壁烧损深度约515mm，后端面约为1020 mm。因此小套的壁厚也不是越薄越好，要根据烧损的程度和位置来选取。所以，水道至小套内孔的壁厚选取1823mm（内孔前半部分可以稍薄，内孔后半部分稍厚），小套底部厚度选取30mm（因小套底部在炉内，基本上都浸泡在融渣中，烧损的较严重，深度达到20 mm左右，因此厚度选取30mm），较为合理。3.2 改变小套冷却水道结构，减少冷却水在小套内的停留时间通过对小套内部结构的分析，图1和图2两种小套在结构方面各有所长，可根据磷炉使用条件进行优化，扬长避短。图1小套进水直接到小套底部，冷却优点较为突出，适合在连续出渣的情况下使用。因此，冷却方式采用图1小套的冷却方式，冷却水进水直接进到小套底部冷却，但水道结构形式作相应调整，把6道平行环形水道改为4道（图3）。改造思路主要是根据流量公式：流量=截面积X流速式中：截面积为水道截面积 水在管中流速在1-3米/秒，常取1.5米/秒。 小套的进、出水管是2根G1-120的螺纹连接管(387)，进、出水管管径相同。小套的进、出水管截面积= 3.14X （38-7X2）/22=452.16 mm2小套的进水流量=452.16mm2 X1.5米/秒=2.44m3/小时图1小套的水道截面积=宽度21mm X深18mm=378 mm2图2小套的水道截面积=宽度22mm X深18mm=396mm2通过计算可以看出：图1和图2小套的水道截面积小于小套的进水管截面积，而且，实际生产中小套进水压力较高（表压为0.4MPa），而回水接近常压，因此，图1和图2小套的水道产生截流现象。比如，阀门的开度小，通过的水量就少，阀门全开，过水量就大。因此，在流量一定的条件下，水道截面积要大于小套的进水管截面积，不存在截流现象，才能平衡进、出水两端的压力，增加小套过水量，充分把热量带走。在确保水道至小套的内孔的壁厚18-23 mm的前提下，只有扩大水道的宽度，才能要保证环形水道的截面积大于小套的进水管截面积，因为小套的内孔是1:5的椎体，因此，小套内孔尺寸小的部分可以加工的深一些，而小套内孔尺寸大的部分加工深度却受到限制，只能增加水道的宽度。根据内套外形寸和和内孔椎度直径，小套内孔尺寸小的部分的加工深度约为22mm,水道宽度为21mm。过水面积（截面积）=22mm X21 mm =462mm2；小套内孔尺寸大的部分深度约为12mm，水道宽度为82mm。过水面积（截面积）1066mm2，因此，改造后的小套水道截面积都大于进水管截面积，水流是非常畅通的，高温熔渣传给小套的热量就能被冷却水快速带走。环形水道改为4道，减少冷却水在小套内的路径，增加了水冷壁的换热面积。另外，因为水道之间壁厚无强度要求，把原来水道的壁厚9mm改为6mm，同样也增加了水冷壁的换热面积。3.3 改造后的效果通过改造，增加了水冷壁的面积，能把热量充分带走；水道缩短，减少了冷却水在小套内的停留时间；进口温度较低的冷却水直接通到小套最高温度的底部，较好的起到了冷却底部效果。从今年对改造后的小套使用情况看，1#炉的左、右两个小套使用时间都超过了40天，超过往年小套使用寿命1520天，取得了较好的效果。据统计冷却水回水温记录得知，原来不出渣时平均温度为400C-500C,出渣时为550C-650C，而改水道后不出渣时平均温度为400C-450C,出渣时为500C-550C，从此看出水道改变后，小套热量能及时随水带走，起到保护小套的作用。图3 改造后4 进一步探索思路4.1小套铜材质的优化选择。无氧铜TU1（GB/T 13808-1992）特性及适用范围：纯度高，导电、导热性极好，加工性能和焊接、耐腐蚀性能均较好，适用于化工行业。因此小套材质改进可选用脱氧铜或无氧铜。4.2使用特种耐高温合金涂料材料。很多资料显示现在这项技术已经在很多领域得到推广，尤其在军工业普遍使用。本文中的小套在12000C14500C高温环境中，如果能有一种合金材料耐高温在此温度以上，考虑这种较贵，一般采用涂或镀一层在小套表面，起保护铜材小套作用，这样就可以延长其使用寿命。耐高温隔热合金涂料，熔点在15000C以上，附着力强，重量轻、施工方便、使用寿命长。5 结束语通过对小套水道改造，增加小套冷却效果，从使用情况上看取得了较好的效果，是延长小套使用寿命实践过程的第一步。小套的技术攻关，延长磷炉小套使