1 引言

      溫差自力式調(diào)節(jié)閥是一種根據(jù)高爐冷卻壁進(jìn)出水溫差變化來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水流量，從而達(dá)到保護(hù)冷卻壁的裝置。攀鋼1號(hào)高爐（1280m³）2002年7月大修時(shí)，爐腹和爐腰全部采用銅冷卻壁（共72塊）。為了充分利用冷卻水的冷卻能力，同時(shí)又確保銅冷卻壁長(zhǎng)壽，必須將銅冷卻壁的進(jìn)出水溫差控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。為達(dá)到這一目的，攀鋼1號(hào)高爐大修時(shí)銅冷卻壁系統(tǒng)安裝了溫差自力式調(diào)節(jié)閥，現(xiàn)已取得了初步效果。在此之前，為了給攀鋼1號(hào)高爐銅冷卻壁系統(tǒng)應(yīng)用溫差自力式調(diào)節(jié)閥提供可靠依據(jù)，我們首先在攀鋼3號(hào)高爐（1200m³）鑄鐵冷卻壁上開(kāi)展了冷卻水自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)。本文著重對(duì)溫差自力式調(diào)節(jié)閥的工作原理及在攀鋼3號(hào)高爐的試驗(yàn)情況和在1號(hào)高爐的應(yīng)用情況進(jìn)行闡述。

      2 工作原理及特點(diǎn)

      2.1 工作原理

      溫差自力式調(diào)節(jié)就是根據(jù)冷卻壁進(jìn)出水溫差來(lái)調(diào)節(jié)冷卻水流量。溫差自力式調(diào)節(jié)閥的工作原理是：使冷卻壁的進(jìn)、出水分別流經(jīng)溫差自力式調(diào)節(jié)閥的上水腔和下水腔，調(diào)節(jié)閥將進(jìn)出水溫差轉(zhuǎn)換為推力，直接控制閥門開(kāi)度，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水量的目的。

      2.2 安裝方法及特點(diǎn)

      溫差自力式調(diào)節(jié)閥的安裝方法如圖1所示。冷卻壁出水流經(jīng)溫差自力式調(diào)節(jié)閥的下水腔之后再進(jìn)入排水系統(tǒng)，另外，用一根通徑較小的水管從供水管網(wǎng)上引出冷卻水，使之流經(jīng)各調(diào)節(jié)閥的上水腔。這樣，上下水腔的溫差即為冷卻壁進(jìn)出水溫差，調(diào)節(jié)閥將溫差轉(zhuǎn)換為推力，直接控制閥門開(kāi)度，達(dá)到根據(jù)冷卻壁進(jìn)出水溫差自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水流量的目的。

      這種調(diào)節(jié)方式具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、性能可靠、壽命長(zhǎng)、不需外部動(dòng)力（如電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)等），特別適合高爐工況。

      3 3號(hào)高爐冷卻水自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)

      3.1 試驗(yàn)情況

      試驗(yàn)是在3號(hào)高爐第7段20~24號(hào)冷卻壁上進(jìn)行的，安裝情況如圖2所示，高爐供水總管水壓為0.35 MPa。試驗(yàn)中采用的溫差自力式調(diào)節(jié)閥（以下也稱調(diào)節(jié)閥）由漯河中貫冶金設(shè)備制造有限公司制造。

      3.2 試驗(yàn)結(jié)果

      試驗(yàn)從2001年12月11日開(kāi)始，至今已連續(xù)運(yùn)行15個(gè)月，5臺(tái)溫差自力式調(diào)節(jié)閥性能正常，有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

      表1 3號(hào)高爐冷卻水自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果

       *進(jìn)水溫度26℃。

      3.3 結(jié)果分析

     （1）未采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁，實(shí)行的是恒流量供水冷卻，熱負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，完全反應(yīng)為水溫差的波動(dòng)，其水溫差高達(dá)52℃。采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁，其熱負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，不僅引起水溫差的波動(dòng)，而且更多地是引起冷卻水流量變化，因而水溫差僅為13℃，這說(shuō)明調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能是靈敏、及時(shí)和可靠的。

     （2）從耗水情況來(lái)看，調(diào)節(jié)閥具有顯著的節(jié)水效果。從水溫差的平均值對(duì)比看，采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁平均水溫差為10.5℃，而未采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁平均水溫差只有4~5℃，說(shuō)明前者冷卻水冷卻能力利用率為后者的2倍以上。

     （3）采用調(diào)節(jié)閥后冷卻水溫差下降了39 ℃，這也意味著冷卻水的溫度將下降39 ℃，這對(duì)減緩冷卻水管結(jié)垢是十分重要的。

     （4）若允許的水溫差為20℃，對(duì)于未采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁（水量7m³/h），其冷卻強(qiáng)度為125kW/m²，為熱負(fù)荷峰值（350 kW/m²）的36%，在這種狀態(tài)下出現(xiàn)“汽塞”的機(jī)會(huì)較大。對(duì)于采用調(diào)節(jié)閥的冷卻壁（水量16 m³/h），其冷卻強(qiáng)度可達(dá)286 kW/m²，達(dá)到熱負(fù)荷峰值的82%，因而可基本上杜絕“汽塞”現(xiàn)象。

     （5）采用調(diào)節(jié)閥后，水溫差穩(wěn)定，有利于維持合理的高爐操作爐型。

      4 在1號(hào)高爐銅冷卻壁系統(tǒng)的應(yīng)用

      4.1 兩種冷卻條件下銅冷卻壁傳熱狀態(tài)的數(shù)模計(jì)算

      為了定量地研究恒流量供水冷卻和調(diào)節(jié)狀態(tài)下冷卻時(shí)銅冷卻壁的傳熱狀態(tài)，我們按照1號(hào)高爐銅冷卻壁及其參數(shù)，并根據(jù)傳熱原理和水力學(xué)公式進(jìn)行了有關(guān)計(jì)算。

      （1）冷卻條件。① 恒流量冷卻方式：通道流速2m/s，進(jìn)水溫度t₀=20℃；② 自動(dòng)調(diào)節(jié)方式：供水環(huán)管水壓0.25MPa，進(jìn)水溫度t₀=20℃。溫差自力式調(diào)節(jié)閥特性見(jiàn)表2。

      表2 溫差自力式調(diào)節(jié)問(wèn)特性

      （2）冷卻壁尺寸及參數(shù)。冷卻壁尺寸（長(zhǎng)×寬）a×b=2.10m×0.872m；鑲磚層底面到通道中心距：δ=0.055m；通道數(shù)：n=4；通道內(nèi)徑：d=0.05m；通道長(zhǎng)度：L=1.9m；通道中心距：D=0.24m；銅的導(dǎo)熱系數(shù)：λ=390W/（m•k）

      （3）基本參數(shù)計(jì)算。冷卻壁熱面積S₁=a×b=1.83m²；通道壁面積S₂=nπdL=1.1932m²；冷卻壁冷熱面積比i=S₁/S₂=0.652；鑲磚層底面至通道壁熱阻R=Dδ/（πλd）=0.00021547 K/w。

      （4）恒流量供水冷卻時(shí)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。采用溫差式自力調(diào)節(jié)閥調(diào)時(shí)冷卻壁傳熱參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4

      表3 恒流量供水冷卻時(shí)冷卻璧傳熱參數(shù)計(jì)算結(jié)果

      表4 采用溫差自力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時(shí)冷卻壁傳熱參數(shù)計(jì)算結(jié)果

      根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，得出兩種冷卻方式下熱負(fù)荷M與進(jìn)出水溫差Δt以及熱負(fù)荷M與鑲磚層底面溫度的關(guān)系如圖3、4所示。

      （6）計(jì)算結(jié)果分析。這里將恒流量供水和冷卻水自動(dòng)調(diào)節(jié)兩種冷卻方式的計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表3和表4）進(jìn)行分析比較如下：

      ① 恒流量供水時(shí)，水量恒定，進(jìn)出水溫差與熱負(fù)荷成正比，當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到峰值時(shí)，進(jìn)出水溫差可達(dá)到40℃。若進(jìn)水溫度較高時(shí)，水溫容易達(dá)到產(chǎn)生兩相流的極限溫度。采用調(diào)節(jié)閥時(shí)，水量隨冷卻壁熱負(fù)荷的增大而增大，減緩了水溫差的增大速率，當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到峰值時(shí)，進(jìn)出水溫差僅20℃。

      ② 恒流量供水時(shí)，水速恒定，因而管壁傳熱系數(shù)也基本恒定，約為6kW/（m²•K），管壁與水之間的溫差與冷卻壁熱負(fù)荷成正比，當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到峰值（350kW/m²）時(shí)溫差達(dá)到80℃。采用調(diào)節(jié)閥時(shí)，水量與水速隨熱負(fù)荷的增大而增大，管壁傳熱系數(shù)可由4.7kW/（m²•K）增大到17kW/（m²•K），當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)封峰值時(shí)，管壁與水之問(wèn)的溫差控制在36℃。

      ③ 采用恒流量供水時(shí)，當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到350 kw/m²時(shí)，熱面溫度（鑲磚層底面溫度）達(dá)到215 ℃；采用冷卻水自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，熱面溫度被控制在150℃以內(nèi)。

      ④ 冷卻壁的平均熱負(fù)荷若按29 kw/m²考慮，恒流量供水時(shí)，每塊銅冷卻壁耗水14m³/h，冷卻壁平均進(jìn)出水溫差僅為3 ℃，冷卻水冷卻能力利用率較低。采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時(shí)，每塊冷卻壁平均耗水約為8m³/h，平均水溫差約為6.5 ℃，冷卻水冷卻能力利用率提高1倍，可節(jié)水42%。

      ⑤ 恒流量供水時(shí)，熱負(fù)荷從平均值（29 kW/m²）到峰值（350 KW/m²）波動(dòng)時(shí)，鑲磚層底面溫度波動(dòng)值178.69℃。而在調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)狀態(tài)下，鑲磚層底面溫度波動(dòng)值僅為110 ℃，這對(duì)高爐操作是有利的。

      4.2 安裝情況及初步效果

      1號(hào)高爐72塊銅冷卻壁全部采用溫差自力式調(diào)節(jié)閥對(duì)冷卻水量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。冷卻壁全部采用單聯(lián)，在每一塊冷卻壁出口均安裝1臺(tái)溫差自力式調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥的主要參數(shù)按表2選擇，安裝方法與3號(hào)高爐相同。

      試用初期冷卻壁進(jìn)出水溫差控制在4℃以內(nèi)，兩段銅冷卻壁總耗水量低于600m²/h。由于1號(hào)高爐大修投產(chǎn)僅2個(gè)月，冷卻壁內(nèi)磚襯較完好，冷卻壁熱負(fù)荷波動(dòng)很小，調(diào)節(jié)閥在控制溫差方面的作用尚未充分顯示出來(lái)，但從3號(hào)高爐試驗(yàn)情況來(lái)看，達(dá)到預(yù)期效果是必然的。

      5 結(jié)論

      根據(jù)溫差自力式調(diào)節(jié)閥在攀鋼3號(hào)高爐的試驗(yàn)情況及1號(hào)高爐銅冷卻壁冷卻的初步應(yīng)用情況，可得到如下結(jié)論：

      （1）溫差自力式調(diào)節(jié)閥在攀鋼3號(hào)高爐的試驗(yàn)是成功的，它能實(shí)現(xiàn)根據(jù)冷卻壁熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度的目的。每塊冷卻壁平均耗水約為2.7m²/h，進(jìn)出水溫差控制在6~13℃。

      （2）1號(hào)高爐銅冷卻壁兩種冷卻方式的傳熱計(jì)算表明：在恒流量供水冷卻條件下，當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到峰值時(shí)，冷卻壁熱面溫度將達(dá)到215℃，進(jìn)出水溫差將達(dá)到39℃，這將減弱銅冷卻壁的抗破損能力，加速水垢的形成，增大兩相流及汽塞出現(xiàn)的機(jī)會(huì)。而在冷卻水自動(dòng)調(diào)節(jié)的條件下，當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到峰值時(shí)，冷卻壁熱面溫度低于150℃，進(jìn)出水溫差為20℃。

      （3）溫差自力式調(diào)節(jié)閥在1號(hào)高爐使用期間，工作穩(wěn)定、正常。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司