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转炉余热锅炉水冷壁管破损的原因分析及对策

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摘要：转炉余热锅炉作为炼钢转炉的配套设施，发挥着回收转炉余热及炼钢转炉煤气的作用。由于转炉余热锅炉的特殊工况，在生产运行过程中还会遇到诸多问题，其中水冷壁管的破裂漏水是该类锅炉在运行过程中常见的故障，直接影响到转炉余热锅炉的稳定运行和使用寿命。本文从工程生产和检验经验出发，阐述了转炉余热锅炉水冷壁管失效漏水的原因和失效机理如粉尘及烟气磨损、热疲劳、局部超温、低压运行、水质不达标等。在对壁管破损原因进行科学分析的基础上，提出了相应的预防措施和解决方案。以期提高在相对恶劣工况下的转炉余热锅炉的运行寿命。

关键词转炉余热锅炉;水冷壁管;漏水原因;预防措施

中图分类号：TQ051.5

福建三钢二炼钢转炉车间有3座120t转炉，每座转炉炼钢系统都配套有转炉烟道式余热锅炉。氧气顶吹转炉在冶炼钢水时，从炉口冒出大量的高温烟气，经余热锅炉汽化冷却系统换热冷却，烟气降为约850℃，转炉余热锅炉在回收转炉煤气、吸收烟气余热和控制炉口烟气污染外冒等环节中发挥着重要作用。此外，转炉余热锅炉系统的安全运行直接影响到转炉冶炼的正常生产。

三钢转炉余热锅爐的水汽循环系统采用强制循环和自然循环相结合的方式，

具体包括：低压热水强制循环（活动烟罩、下料口）、高压强制循环（转炉炉口固定段和可移动段）、自然循环（烟道斜一段、烟道斜二段、烟道末一段、烟道末二段），以上三个循环的流程如图1所示。

转炉余热锅炉作为炼钢转炉的配套设施，伴随着炼钢车间连续生产，在投用期间发生位于锅炉斜段的水冷壁管泄漏的问题，直接影响到转炉炼钢和余热锅炉系统的安全顺行。因此，充分分析余热锅炉漏水的原因并进行针对性的预防和检查是很有意义的。本文从检验检测工程实践和生产经验出发，分析转炉余热锅炉水冷壁管破裂漏水的原因并提出相应的措施和改进建议。

1斜段壁管漏水原因分析

（1）炉口外冒粉尘、烟气磨损。转炉在冶炼时，炉口冒出粉尘主要为铁屑、喷溅炉渣等，喷溅炉渣的主要成分为铁及其氧化物[1]。在冶炼期间随着转炉吹氧炼钢进程的推进，通过余热锅炉的粉尘浓度逐步达到高峰。在此过程中夹杂着粉尘的高温烟气穿过烟道时，烟罩壁管受到高温烟气和粉尘的冲刷磨损。此外，在两个转炉冶炼周期的间隙，进行转炉溅渣护炉操作过程中也对烟道壁管产生粉尘和烟气的冲刷磨损。

（2）转炉周期性生产环境下的交变热应力。三钢120t转炉冶炼工艺的吹氧时间为15min左右，冶炼周期约为40min。在冶炼吹氧过程中，随着冶炼过程的推进，余热锅炉烟道内烟气温度不断上升，烟气峰值温度约为1600℃。在这个过程中，由于热负荷的增加，余热锅炉的水冷壁管温度不断上升;当吹氧结束至一个冶炼周期停止时，烟道内的烟气量和温度会急剧下降，水冷壁管的温度也同步下降。此外，在转炉炼钢过程中的倒渣操作、出钢操作和溅渣操作过程中余热锅炉所受到的热负荷也不一样。可以看出，余热锅炉水冷壁管温度的变化与转炉冶炼周期和进程直接相关。这种周期性温度循环变化的过程使得水冷壁管产生交变热应力，其对应的损伤模式为热疲劳破坏[2]。在生产检修过程中发现的余热锅炉烟道壁管横向裂纹就是由于这种热疲劳破坏产生的。

（3）转炉烟罩斜管段部位。在对120t转炉烟罩壁管漏水部位进行生产检修过程中，发现壁管泄漏点主要位于斜管段的向火部位并集中发生于烟罩下沿管段（倾角约为52°），并且这种漏水事故在自然循环的管段和高压强制循环管段均有出现。通过气液两相流原理可知，蒸汽由于密度小于水，所以当蒸汽和水同时存在于倾斜的管段内时，蒸汽层存在于水层的上部，如图2。因此，位于环形烟道下沿的倾斜管段，转炉高温烟气向水冷壁管进行热量传输时，水冷壁管上沿由于蒸汽富集导致热传递差，由此容易引发传热恶化，造成该部位水冷壁管局部超温破裂。此外，在锅炉运行过程中，由于管内汽水液面的波动，气相空间的管壁也会交替地与蒸汽和水接触，造成金属温度的变化，也会产生热疲劳。

（4）局部超温引发的氢腐蚀。由上述分析可知，转炉余热锅炉由于热负荷的

周期性变化、客观存在的斜管段构造等所引发的汽水分层会使壁管局部温度升得比较高，严重的可能造成局部超温引发氢腐蚀。当锅水水质恶化、壁管内壁结垢较为严重时，发生如下反应过程：

在高温下，产生的H2向金属晶界扩散，进一步引发反应：

生成CH4。由于CH4在金属中的扩散能力较弱，在晶界上产生聚集，随着CH4的浓度升高在晶界局部产生压力，造成晶界断裂产生微裂纹。

（5）锅炉运行压力。

在锅炉水汽循环中，上升管和下降管发挥着传输水汽的中枢作用，它们的管径规格是与锅炉的设计压力相对应的[3]。如果锅炉长期低压运行，即汽包的压力大幅低于设计压力运行，水冷壁管和上升管中的汽水混合物体积流量将大大增加，由此使循环水系统的流动阻力增大[4]，减少了循环水量，使得锅炉正常的水循环特性遭到破坏，有可能造成水冷壁管局部过热。

（6）余热锅炉的水质不达标。

过去，钢铁冶炼行业中与转炉余热锅炉相关的煤气回收、余热回收、水处理

等环节作为转炉生产的辅助工艺设施，得到的重视程度往往不够。其中，与锅炉水处理相关的锅外水处理设施及工艺、水质化验工作及人员持证情况等是做好余热锅炉水质控制的关键环节。锅炉水质控制不良导致水冷壁管结垢严重进而破裂漏水是转炉余热锅炉常见的运行故障[5]。生产过程中发现，锅炉给水除氧控制不当、锅外水处理设施运行不达预期、锅炉加药控制不当是造成锅炉水质不合格的主要原因。

（7）其他因素的影响。

此外，转炉余热锅炉在设计、生产检修、及锅炉清洗养护等环节控制不当，也会对后期运行寿命产生影响。如在进行设计时，余热锅炉烟道各段的固定支座、活动支座以及水冷壁排管连接处的热膨胀[6-7]问题未予充分考虑，致使锅炉壁管在运行过程中受热膨胀不均匀，产生拉应力导致水冷壁管的局部破损泄漏。在锅炉检修过程中，违反操作规程带压带水焊接导致焊接质量不合格，使得锅炉壁管泄漏进一步扩大等。在余热锅炉煮炉清洗过程中，未将堆积在局部管内的水垢彻底清理，生产过程中发现由于工作疏忽导致局部水冷壁管堵塞、锅炉集箱的拉蒙管孔堵塞等，造成局部水冷壁管内水流量不足，甚至堵塞缺水最终造成破裂爆管等。

以上只是在理论上对转炉余热锅炉水冷壁管破裂漏水的原因及机理进行了阐述，而在实际生产实践中，转炉余热锅炉水冷壁管发生减薄、变形、泄漏失效等故障往往是多方面综合作用造成的[8]，如含尘烟气的冲刷磨损、局部含汽率过高及其循环的热交变应力的共同作用等。

2预防控制措施和解决方案

（1）合理控制转炉余热锅炉循环系统的工作压力，避免汽包长期在远低于设计压力的工况下运行。（2）在烟道下沿壁管的斜管段向火侧敷设耐火涂料，降低该处壁管斜管段向火侧的热量吸收，从而使得该处壁管的截面含汽率降低，避免壁管局部过热。（3）部分水冷壁管段采用内螺纹管。内螺纹管的设计有利于强化传热，特别是针对位于截面含汽率高的运行环境的水冷壁管，实践证明有比较好的效果。（4）设计上调整部分节流圈孔径。转炉余热锅炉水冷壁管位于烟道中的位置不同其受热负荷也不同，有些部位的管子受热强，有些则受热弱，如果在水流量相同的情况下，水冷壁出口就会有温差。如果通过调整节流圈的孔径，让受热强的水冷壁管流量多于受热差的水冷壁管流量，这样就有利于减小热偏差。在生产实践中，通过增大活动烟罩下沿节流圈的孔径，减小循环阻力，使该部位的工质流量增加，从而降低烟罩下沿管段的截面含汽率，避免传热恶化造成管壁超温。（5）科学制定并严格实施锅炉水处理工艺，做好锅炉给水的除氧、除盐工作，良好的锅炉水处理有利于防止蒸汽品质出现劣化引发氢腐蚀。定期对转炉余热锅炉进行清洗，做好锅炉清洗后的清渣除垢工作，可以采用内窥镜等辅助措施防止局部管孔堵塞。

3结语

转炉余热锅炉作为炼钢生产的辅助设施，当设备发生异常时也会影响到转炉的生产。炼钢转炉的生產特点决定了余热锅炉处于快速变化并相对恶劣的工况当中，固余热锅炉的使用寿命相对其他锅炉更短。通过科学的分析和实践经验的总结，应从多方面采取切实可行的措施来改进和完善。

本文从锅炉运行实践经验和检验经验出发，通过分析余热锅炉水冷壁管失效故障原因的基础上，提出了相应的解决和预防措施。

参考文献

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[3]柴君，梁修福. 炼钢转炉汽化冷却烟道使用寿命的研究[J]. 工业加热， 2018， 047（001）：34-36.

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[5] 刘松汉. 转炉余热锅炉的水质要求及控制建议[J]. 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术， 2016（6）：00290-00290.

[6] 朱凯歌. 浅述延长转炉汽化冷却烟道使用寿命的措施[J]. 科技资讯， 2017， 15（035）：85，87.

[7] 孙薇. 转炉余热锅炉上升管振动分析及治理[J]. 工程设备与材料， 2020， 13（013）：136，138.

[8] 徐先满，王志华，周蕾玲， et al. 转炉余热锅炉炉膛水冷壁泄漏案例分析[J]. 锅炉制造， 2015， 000（003）：16-18.

作者信息

作者：曾凌（1987-），男，汉族，福建三明人，硕士研究生，工程师，主要从事承压类特种设备的检验工作。

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