加热炉汽化冷却水管开裂的原因及改进措施_韩增余

第33卷第2期2005年4月江苏冶金JiangsuMetallurgyVol.33No.2Apr.2005加热炉汽化冷却水管开裂的原因及改进措施韩增余(南京钢铁联合有限公司棒材厂南京,210035)收稿日期:2005-01-13作者简介:韩增余男,1968年生,助理工程师。摘要:从加热炉汽化冷却的原理,汽化正常循环运行的要求,水管强度大小变化入手,结合操作及滑块焊接本身存在的缺陷,分析加热炉的纵水管高温段“鼓包”、破裂等现象,找出了开裂漏水的原因,提出了宜采取的预防措施。关键词:加热炉;汽化冷却;开裂;水垢;热阻中图分类号:TF066.7引言加热炉汽化冷却是在一般工业冷却的基础上发展起来的,具有节约用水,可获取蒸汽,延长炉底水管使用寿命等多种优点。棒材厂现有两座高效蓄热式推钢连续加热炉,加热能力为80t/h左右,炉底水管均为汽化冷却,自然循环,全连轧线为自启动方式;脱头连轧线为蒸汽引射的启动方式。加热炉纵水管均为133×18mm,全连轧线采用炉尾进水、炉头出水的方式;脱头连轧线采用炉头进水、炉尾出水的方式。横水管均采用立管支撑,管径为133×18mm。这两座加热炉汽化冷却并未起到延长炉底水管使用寿命的作用,反而多次出现纵水管开裂漏水的现象,尤其是全连轧线加热炉。主要表现在:(1)其开裂点主要集中在高温段,离实心炉炕100～300mm处,水管上部、两滑块之间。(2)生产期间、点火烘炉、停炉降温时都出现过。(3)开裂漏水周期越来越短。(4)生产时耗水量降低,点火升温时汽包升压慢、水位波动大。1汽化冷却系统运行分析1.1汽化冷却基本原理汽化冷却系统按其中水循环动力的不同,分为自然循环和强制循环,如图1所示。其中炉底水管为被冷却体,它与下降管、上升管、汽包组成一个回路,在回路中,炉底水管受热后产生蒸汽,于是在上升管和部分炉底水管中充满汽水混合物。在下降管中则是从汽包里流出的水。由于水的重度大于汽水混合物的重度,因而水在回路中克服阻力,自然循环。进入炉底水管和上升管的水,通常只是一小部分变成蒸汽,其余的水回到汽包后再次与水循环。图1自然循环汽化冷却系统图1.2流速和循环倍率分析在汽化冷却的管路中,以沸点为界,有两种冷却制度。在沸点以前是未饱和水,为水段;在始沸点以后为汽水混合物,为含汽段。在含汽段,由于水的沸42江苏冶金第33卷腾,在近壁层产生强烈的扰动,冷却效果优于水段。为防止局部水过热沸腾,从而造成管子上部过热,可控制水的循环流速高于临界流速1.2m/s,就不会在管子上部形成蒸汽层。为防止汽水分层流动或管内壁水膜被破坏的情况,从而造成管壁过热,只要炉内水管内汽水混合物的循环倍率控制在合理的范围内(一般为12～20,循环倍率=G/D,G为循环回路中的水流量,D为循环回路中的蒸发量)。以上要求在设计中都会给予充分考虑,不会出现重大设计失误,之所以发生运行失效,主要是其它因素所致。2开裂原因分析2.1水管结垢在检修中,汽包清理出大量杂物,其实就是水垢;同时也发现一立柱管结垢堵塞严重。其它管道未检查,从而造成点火生产后不久就发生水管开裂事故。2.1.1水垢产生的原因如下(1)给水的杂质进入汽包、水管后,经过不断蒸发和浓缩,使汽包给水中盐类的浓度不断增大,达到饱和和过饱和程度,即离子积大于浓度积,就会在汽包和水管内壁析出固相的沉淀物。(2)随着汽包、水管内水温的升高,某些容易结水垢的盐,它们溶解度与温度成反比,如硫酸钙、硫酸镁、硅酸钙在温度升高时,其溶解度急剧下降。(3)不同的盐类相互作用或受热分解,生成难溶的化合物,如碳酸钠和氯化钙的相互作用生成碳酸钙的沉淀;碳酸氢钙和碳酸氢镁遇热分解成难溶的碳酸钙和氢氧化镁的沉淀物。2.1.2水垢的危害性(1)水垢的导热性能很低,最低相当于金属导热系数的1/1000,不同的水垢,其导热系数在0.05～5.8W/(m℃)之间,和温度变化关系不大。(2)缩短水管的使用寿命。钢材的机械强度随着温度的升高而下降。水管内壁结垢后,由于水垢处于水管受热面的水或蒸汽侧,使该侧的热阻增加,这样会造成两个方面的影响:其一,由于金属壁与水或蒸汽的热阻增大,金属壁得不到管内水的很好冷却,而金属壁外的烟气温度往往处于1000℃以上的高温加热状态,这样使得金属处在高温下,加速了金属的腐蚀过程,使金属管壁加快变薄;其二,在高温条件下,金属强度加快降低,当低碳钢钢材温度超过315℃时,其机械应力达到屈服点,如果超过450℃,钢材即产生蠕变,导致钢材的局部过热,变型、鼓泡、破裂,甚至爆破。(3)影响汽化运行中的水动力特性。水管受热面结垢后,一方面使水管内的流通截面变小,甚至堵塞;另一方面,水管受热面结垢具有不均匀性的特点,同时水垢表面的粗糙度较大,流动的阻力也较大,因此对水管内水或蒸汽的流动将会产生一定的影响,严重时将严重偏离设计时的水