摘  要：介绍了华菱集团涟源钢铁公司型材厂蓄热式加热炉的事故现象，分析了事故发生的原因是汽化冷却循环不正常。针对汽化冷却循环不正常的两种观点逐一进行了分析，最后得出纵水管汽化冷却脉动是导致冷却循环不正常的原因，从而提出了相应措施。

关键词：加热炉；汽化冷却；脉动；事故

1  加热炉事故现象

    华菱集团涟源钢铁公司型材厂建于2002年6月，以生产中小型槽钢和角钢为主，其加热炉为蓄热式加热炉，有关参数见表1。

    涟钢型材厂加热炉经异地改造投产半年内，生产能力一直处于较低水平，而且，加热炉连续发生了3次纵水管损坏事故：

    第1次事故，纵水管向炉尾延伸，将过钢台架顶弯，靠近出钢平台约7m范围内纵水管部分严重弯曲，并有轻微“鼓肚”现象。

    第2次事故，发生在第1次事故处理完继而投产后约1个月。在整个使用期间，炉外看不出纵水管有明显的膨胀，事发前突然发现炉头的纵水管向炉内收缩；停炉后发现，靠近出钢平台附近的纵水管部分严重弯曲。

    第2次抢修后不到2周时间，炉头2根纵水管出现周期性地伸缩。这表明，汽化冷却循环不正常是引发事故的主要原因，水管间断性的冷却不良，导致水管疲劳损坏。

    第3次事故，一根纵水管上升管温度在5h内持续下降，随后局部纵水管弯’曲严重。抢修采取了加大管径的方法，并对汽包中的汽水粗分离器及配水槽进行整改，改进下降管。投产后除上升管震动较大外，未再出现水管弯曲问题。

2   事故原因分析

    汽化冷却循环不正常是事故发生的主要原因，而对于汽化冷却循环不正常有两种截然不同的观点，一种观点认为，循环阻力过大，纵水管内流速过低，造成冷却不良。第3次抢修中，加大纵水管直径既提高了水管强度，又降低了纵水管的阻力，而且效果明显；另一种观点认为，循环阻力偏小，因出现循环脉动而引发了事故。

2．1  对第1种观点的分析

    循环阻力过大，纵水管内流速过低时，汽水混合物易发生汽水分层。在受热的水平管内，管子上部是汽流，下部是水流，由于管子上部的水膜破坏，蒸汽传热性能较差，使管壁温度急剧升高；此外，下面的水珠溅到上部管壁，盐分析出附着在管壁上，更加剧了上部管壁温度的升高，管壁过热导致管子产生裂纹或汽水腐蚀以至管子破裂。

    试验证明，当循环流速超过某一数值时，沿管子周围的传热就会由不均匀传热转变为均匀传热，使管壁过热的现象得以避免，此时的循环流速称为临界循环流速，其计算公式如下：

 W = 0.000102×P^0.25  q^0.42  d^0.76

式中，w为临界循环流速，m／s；P为汽包绝对压力，kg／cm²；q为水管热强度，kcal／m²·h；d为水管内径，mm。

    通过计算发现，在加热炉满负荷生产且水管包扎完好时，临界循环流速约为1．1m／s，而此时纵水管内的实际流速约为1．7m／s；在低热负荷时，临界循环流速还要小，而同时，由于阻力减小，纵水管内的实际流速还会增加。因此，在加热炉低负荷生产时发生汽水分层的可能性很小；另外，从以下事故现象分析也可得出同样结论：

    (1)如果循环阻力过大，其是一种客观存在而不会消逝，事故一旦出现，一般不可能自行恢复，只会加速恶化，直到水管损坏，这无法解释水管多次伸缩的现象。

    (2)加热炉第2次抢修后，2周内就发现有2根纵水管在事故部位明显弯曲，但生产仍能维持2周以上，这说明水管的过热不是持续的，而是间断性的，是在一定条件下产生的。

    (3)纵水管管径加大至中Φ127mm后，其流通面积增加了38％，但同时，热负荷也增加了11％，再考虑纵水管的阻力在整个系统中所占的比率，以及少量的富余量，水管的热负荷只要增加10％以上，系统就将面临同样的问题，而实际上，系统能适应的最大热负荷是初始热负荷的3倍以上，其显著差别说明：或是该加热炉采用汽化冷却根本不可行，或是由于循环阻力过大而引起事故的推断是错误的。而多年来的应用实践证明，加热炉采用汽化冷却是一项传统、成熟的技术。

    (4)每次水管破坏前都经历一个炉温降到很低后升温到一定程度的变化，出现异常的初期，汽化冷却一个班的耗水量约为24～25t，当一个班的耗水量达到30～32t时，汽化冷却反而运行得非常稳定，这时冷却水管内的流速比出现循环异常时的流速高出25％，也就意味着当循环阻力增大50％后，循环系统反而更稳定。

    (5)汽包操作压力由0．6MPa提高到1．0MPa后，系统的稳定性明显提高。

    由以上分析说明，第1种观点对汽化冷却循环不正常的解释不成立。

2．2对第2种观点的分析

    有关文献说明，加热炉汽化冷却系统的汽包高度大于17m时，属于高位汽包，应注意防止发生循环脉动。

    在汽化冷却系统中，某些回路出现循环流量、含汽率和汽化点位置发生周期性变化的情况，这种现象称为脉动。有些脉动甚至表现为周期性的循环停滞，有时表现为剧烈的水击现象，使焊缝破裂；脉动可能引起炉底水管的温度发生周期性的变化，从而产生热应力的正负变动和塑性变形，以致水管出现疲劳裂纹。

    目前，对脉动还缺乏简单有效的计算方法，一般认为：当汽化点位置在炉底管范同内时，水循环是稳定的。在某些操作条件下，因热负荷偏小，导致循环流量过大，使汽化点移到了纵水管的受热区以外，以致系统出现循环脉动而引发事故。

    计算结果表明：纵水管采用Φ114mm管，当产汽量减小到一定程度时，纵水管内的汽化点就接近了出钢平台，此时，加热炉预热段、加热段、均热段对应的炉温分别是550、700、900℃。

    炉温一旦低于上述情况，汽化冷却系统就可能进入到不稳定的脉动运行状态，特别是型材厂投产初期产量不高，很容易具备产生脉动的条件，从事故发生过程的一些现象也能说明这一点：

    (1)产量越低，汽化冷却系统越不稳定，表现为汽包水位波动大，上升管震动等。

    (2)纵水管只是间断性的出现异常，第3次异常情况出现后，采取“炉温不超高，也不偏低”操作策略时，系统正常运行了2周；遇到一次总管停煤气4h事件后，恢复生产时就发现水管损坏。

    (3)纵水管的进水管为2根一组，伸出炉尾后的下弯高度在300～500mm(第3次整改时改为2000mm)不等；这样的结构客观上隐藏着纵水管下弯高度严重不足的隐患，为周期性的循环停滞或倒流提供了可能，对脉动事故的恶化提供了条件。事故发生时，都是每组水管中有一根表现更明显，并先损坏。

    (5)最后一次整改并没有根除汽化冷却系统存在的问题，上升管仍然存在频繁震动(比改造前正常时的震动大)，由于脉动事故恶化的条件已消除，因此经过固定后，汽化系统基本能正常运行。

3  结语

    轧钢加热炉炉底冷却水管采用汽化冷却，是一项传统而成熟的节能技术。加热炉汽化冷却装置发生的故障，多为炉底管烧坏，其次是循环管道产生震动。这些故障的产生是由于炉底管中的流体发生倒流、停滞、汽水分层或脉动。对自启动性能较好或引射能力充足的系统，不会发生倒流和停滞现象，因此，通常情况下，主要应防止汽水分层和脉动。通过对涟钢型材厂加热炉纵水管脉动事故原因的分析和处理，提出以下建议：

    (1)汽化冷却系统设计时热力计算很必要，采取经验值的前提是必须充分考虑外部条件的变化，汽包较高时，一定要做脉动的条件校核。

    对高位汽包系统，在低负荷条件下，适当提高加热炉低温区的温度，可以有效地将纵水管内的汽化点前移，保证系统的稳定性，但这只是权宜之计，加热炉的温度控制只能根据钢坯加热的需要，汽化冷却设计必须满足从零到最大设计热负荷条件下任何可能的操作。

    (2)蓄热式加热炉的汽化冷系统，更应考虑系统的稳定性，因为烟气流向与常规加热炉不同，在加热炉低产量时，热负荷可能比常规加热炉更低。

    (3)蓄热式加热炉燃烧系统的特点，可使一种极端的操作方式有可能实现：保持均热段正常生产要求的温度，以满足少量生产要求，其他区域都不供热。总的热负荷偏低，而局部有较高的热负荷，这种操作其实就是脉动事故恶化的催化剂。

    (4)操作者必须正确认识汽化冷却系统中产汽量下限的含义，实际产汽量低于下限时，必须采取相应措施。

    系统的设计压力也是操作者应该重视的重要参数，在设计范围内提高操作压力，对提高有脉动迹象的汽化冷却系统的稳定性有明显效果，降低压力运行，有可能导致汽化冷却系统不稳定。