高爐爐頂氮氣降耗過程分析★

趙 炯，李良士

（1.山西工程職業學院，山西 太原 030000；2.山西通才工貿有限公司煉鐵廠，山西 臨汾 043400）

0 引言

鋼鐵工業是我國重要的支柱產業，盡管高爐煉鐵工藝存在著污染環境與能耗高的問題，但與其他煉鐵工藝相比，高爐煉鐵工藝相對簡單、產量大、勞動生產率高、相對能耗低，故到目前為止仍是現代煉鐵的主要方法。隨著高爐煉鐵技術的發展以及新發展理念的深入，在研究高爐煉鐵工藝時，不僅要保證高爐高效、穩定生產，還應保證鋼鐵工業的可持續發展，實現節能環保，這就需要鋼鐵企業真正做到降耗增效。氮氣是在高爐使用過程中消耗最大的輔助氣體，氮氣消耗主要集中在爐頂氮氣系統[1]，如何實現爐頂氮氣降耗也是各個鋼鐵公司都在積極探討的問題。

1 高爐爐頂氣密箱結構分析

高爐采用的是無料鐘爐頂，主要包括固定受料漏斗、料罐、閥箱、氣密箱和溜槽五個主要部分，其主要功能是把原燃料按照設定的工藝要求和布料方式向高爐內布料。其中，氣密箱（齒輪箱）是煉鐵高爐爐頂裝料設備的關鍵部件，同時也是最貴重的設備，負責管理布料溜槽的旋轉和傾動，其下部與高爐相通。氣密箱的采購和維修費用高達百萬元甚至幾百萬元，屬企業A 級設備，如果發生故障往往會使企業被迫停產。氣密箱位于高爐爐頂裝料設備的最下部，直接受高爐爐溫的高熱影響[2]，為了保持設備的正常使用，采用水冷氣封內潤滑的維保模式運轉。

氣密箱冷卻系統如圖1 所示，水冷是指在氣密箱內通水冷卻，在氣密箱內為開式水冷，高溫爐氣接觸的部件和底盤全部以流動的水覆蓋，以進行冷卻，冷卻強度高，可使氣密箱適應爐頂高溫，保護機械傳動機構。冷卻水從上水槽進入，下水槽環管流出，隨后經過30 m 落差高度的U 型水封管將氣密箱冷卻出水引至蓄水池。氣封是指氣密箱內以氮氣密封，即用氮氣對氣密箱內與爐內的通道——兩條環縫進行密封，氮氣壓力隨爐內壓力自動調節，使氣密箱內壓力與爐頂壓力差值保持一定，防止爐頂高溫荒煤氣進入氣密箱內部而損害氣密箱構件，同時也起到一定的降溫作用，使氣密箱溫度保持在適宜范圍內。

圖1 氣密箱冷卻系統示意圖

一般情況下，為防止設備事故發生，設備管理操作人員對氣密箱的氮氣使用原則多數是“寧多不缺”，因此造成了部分浪費。氮氣是一種消耗性能源，過多的消耗會大大增加制造成本。

通過對氣密箱結構、功能分析，氮氣主要作用是密封、冷卻，要想降低氮氣消耗要從這兩個方面入手。研究發現，氮氣在對氣密箱吹掃過程中會從環縫泄露到爐內，同時，水冷卻效果的不足也會導致氮氣用量的增大。針對該高爐爐頂氣密箱，從減小氮氣泄漏和增加水冷卻效果兩個方面進行分析研究，并對存在的風險點進行補救，找到可靠的解決辦法，將氮氣的使用量控制在一定范圍內，從而實現氮氣的降耗，同時降低企業的生產成本。

2 高爐爐頂氮氣降耗分析

2.1 氮氣泄漏方面

環縫位于高爐爐頂與氣密箱底部之間，向氣密箱內通入氮氣對爐內荒煤氣進行密封，在高爐使用過程中，隨著密封件磨損逐漸加劇，氮氣泄漏也逐漸增多。

利用中修期對氣密箱底盤環縫進行檢查，若密封件磨損嚴重，氮氣吹掃過程中會通過該縫隙進入高爐，造成浪費。需對環縫進行密封件更新，加強密封。

2.2 水冷卻效果方面

冷卻水從泵房蓄水池進入氣密箱，在氣密箱內為開式水冷，氣密箱內的高溫接觸部件全部用流動水覆蓋進行冷卻。冷卻水經U 型管排出爐外，在U 型管中形成液面差，出水口的高壓面平衡了爐內高壓，將爐氣密封在爐內，U 型水管只出水不出氣，水將爐氣封住。

U 型水管底部設計有排污口，正常工作時截止閥A、D 關閉，截止閥B、C 打開，冷卻水經U 型管底部通道后流回蓄水池。隨著使用時間加長，冷卻水中雜質沉淀在U型管底部，若不能及時排污會影響冷卻水流量。

當高爐U 型水封排污口無法正常排污時，截止閥B、C、D 關閉，截止閥A 打開，U 型管中冷卻水經截止閥A 后返回泵房蓄水池，如圖2 所示。該狀態下，U 型水管可密封的爐氣壓力降低，容易發生水封擊穿事故。

圖2 無法正常排污時冷卻系統示意圖

增強水冷卻效果主要考慮增強冷卻水散熱效果及加大冷卻水流量，而隨著冷卻水流量的加大，水封擊穿事故的發生概率也會隨之增大。

當發生水封擊穿事故時，需要工作人員背著呼吸器去往現場關閉回水閥門重新蓄水。若水封擊穿事故處理存在延遲，會造成荒煤氣和氮氣的泄漏，損壞氣密箱驅動部件，同時工作人員存在煤氣中毒的風險。這也是在完成上述優化后需考慮的問題。

從增強冷卻水散熱效果和加大冷卻水流量兩個方面進行分析，并對水封擊穿事故進行預防和處理。

2.2.1 增強冷卻水散熱效果

研究發現，當氣密箱內存在廢油脂或冷卻水回水管內存在污垢時，不僅會導致冷卻水散熱效果不佳，也會存在冷卻水漏入爐內的風險。針對該情況，可對氣密箱及回水管污垢進行處理，提高氣密箱冷卻水散熱效果，并保證在冷卻水流量加大時不會出現爐內漏水的情況。

2.2.2 加大冷卻水流量

通過上述分析可知，冷卻水流量增大后，更易發生水封擊穿事故，降低水封擊穿事故發生率及水封擊穿發生后的快速處理主要從以下兩個方面著手：

1）檢查U 型水管排污口，排掉多余污垢，增加水封高度。在截止閥D 處安裝排污管道，將污垢引流至水渣溝。污垢排盡后，關閉截止閥A、D，打開截止閥B、C，恢復U 型水管的工作高度，增大U 型水管可承受的爐氣壓力，減小水封擊穿發生的風險。

2）當水封擊穿事故發生時，若依靠工作人員現場處理時間太長，且存在人員煤氣中毒風險，為了快速處理水封擊穿事件，此處考慮增加1 個電磁閥，通過遠程控制實現快速、安全處理事故。

氣密箱內一般安裝有溫度計[3]，可實時監控氣密箱溫度，同時，氣密箱冷卻系統中的入口處和出口處分別安裝了電磁流量計，同樣可實時監控冷卻水入口流量及出口流量。

選擇一款可遠程控制的電磁閥，將其安裝在冷卻水出口處，安裝位置如圖3 所示。

圖3 遠程控制電磁閥安裝

當氣密箱溫度大于設定溫度，且冷卻水出口處流量大于設定值時，工作人員遠程關閉電磁閥，重新蓄水。蓄水一般需要20～30 min 左右，從爐內成像觀察到滴水后打開電磁閥，氣密箱冷卻系統恢復正常。整個過程中不需要人員爬到爐頂處理，也不會影響高爐正常工作。

3 降耗分析總結

通過對高爐爐頂氮氣功能及氣密箱結構分析，從氮氣的功能密封爐氣及降溫出發，分析了氮氣密封及降溫過程中可能出現的不必要的氮氣消耗，找出了應對方法。最終從減少氮氣泄漏及增強冷卻水冷卻效果兩個方面實現了氮氣降耗。整個降耗思路如圖4 所示。

根據上述氮氣降耗分析思路對某鋼廠高爐爐頂氣密箱進行檢查，并針對存在的問題點進行修復，將氮氣消耗量降低了40%左右，節約了能耗的同時為企業節省了制造成本。

圖4 爐頂氮氣降耗分析流程圖