1 前言

转炉炉体一般由炉帽、炉壳(炉身)、炉底三部分组成。为延长炉帽的金属壳和炉衬的使用寿命，一般在炉帽顶部设有圆形炉口，以方便工作时加料、插入氧枪、排出炉气和倒渣。为保护炉口，普遍采用循环水强制冷却的炉口水箱，其优点是可以减少炉口上的黏结物，可以提高炉口刚性，减少炉口的变形，改善应力状态，延长炉壳、炉衬的寿命; 缺点是一旦损坏易造成大量漏水，漏水时设备维修量大。

萍乡钢铁公司转炉炼钢厂目前有4座30 t转炉，年产量可达200万t，其中1号、2号、3号转炉采用的是水箱隔板式炉口水箱，近年来这3座转炉的炉口水箱使用寿命非常短，维修人员劳动强度大，维修成本高，影响炼钢的生产节奏。针对30 t转炉水箱式炉口水箱的应用状况，从设备维护角度出发，对其使用状况、制作工艺、受损原因、维护方式及改善手段等方面进行分析。

2 水箱式炉口水箱的结构及工作原理

水冷炉口有两种基本结构，即水箱式和铸铁埋管式。1号、2号、3号转炉采用辐射状隔板水箱式炉口水箱。水箱式炉口水箱由钢板焊接而成，它的冷却强度大，工作效果好，容易制作。漏水时可以补焊，便于维护。其结构如图 1所示。

工作原理:进水口伸向与炉口围管相通的水盒内，水先充满围管，由围管开口处流向隔板腔内注水填充，最后在完全阻隔腔内流至出水口，以达到周身水冷循环。隔板既有导流又有连接上下钢板抗击外力的作用。

为提高水箱式炉口水箱的寿命，选用了厚度为20 mm的Q235A钢板作为水冷炉板，选用Φ 159 mm × 20 mm的低中压锅炉用无缝钢管作为环形管。

3 炉口水箱受损原因分析

炉口水箱最常见的受损现象是环形管本体开裂漏水，具体原因分析如下:

1) 炉口水箱顺线使用时，不断地产生来自内部冷却水流冲刷带来的冲击载荷。在经过千百万次冲击后，钢件强度降低时效增大的部位会产生冲击疲劳，当钢件所受的最大交变应力σ_max＞冲击疲劳抗力α_k时，在重复应力的作用下产生疲劳裂纹。随着应力的循环周次增加，疲劳裂纹不断扩展，使钢件承受载荷的有效面积不断减少，当不能承受外加载荷的作用时，钢件即发生开裂。

2) 在操作过程中，加废钢的斗子与炉口围管接触摩擦，不可避免地产生废钢斗等外部冲击炉口表面形成的冲击载荷，由于其冲击能量高，加速了疲劳的产生，冲击疲劳抗力的下降，进一步导致钢件的开裂。

3) 炉口水箱长期在温度反复变化状态下工作，会产生热应力循环变化，引起热疲劳。当热应力超过钢件材料在高温下的弹性极限时，钢件将发生局部塑性变形，经过一定的循环周次，这种局部应变的循环变化就可能产生疲劳破坏，炉口会发生塑性开裂。

4) 生产人员操作不当或失误、个别炉口制作时回水隔板分布不当、回水部位异物阻塞等原因，也易使炉口面板变形加速，从而造成开裂。

5) 水箱环形管的制作以前采用360°整体环形弯管，制作困难，且弯管后局部应力容易集中，在温度循环变化的情况下容易导致环形管开裂。

6) 水箱回水管不畅通易造成回水堵塞，环管受热过高而开裂。

4 改进措施

1) 选用强度、塑性和韧性等综合力学性能高的中低压锅炉管(20g)制作炉口件。

2) 改变环形管的制作工艺，将整体弯管制作环形管改成半环弯管制作，中间采用焊接的形式拼接起来，同时将环管直径由1.5 m扩大到1.62 m，这样在制作环管时，弯管过程中形成的应力减小，可以有效地提高环管的使用寿命。

3) 改变水箱回水管的回水路径，将3座转炉的炉口水箱回水管就近布置到回水槽，缩短回水管的回水路径，减少回水路径的弯道，确保水箱回水管道的畅通。

4) 定期监测进、出水温度，保证充分的供水流量，当供水压力和流量低于规定值时，立即检查进出水管的畅通情况，同时对3座转炉的炉口水箱主供水管加装过滤器，保证水路的畅通，防止因水流不足或者管网阻塞造成环管开裂。

5) 要求炉前工定时清除炉口表面的附结物，禁止用废钢斗直接冲击炉口表面。当附结物人工难以清除时，可使用钢丝绳，借助行车提升强力，清除挂渣。

6) 维护保养过程中焊接材料的选用。环管由于长期受骤热及扒渣等外力影响，导致使用后期环管焊缝漏水、渗水现象频繁发生。因停炉处理时间短，炉口处温度过高，人不能靠近，处理起来相当困难。起初，采用J422焊条边加热边焊接，虽然J422焊条电弧稳定，但在炉口突然供水冷却温度骤降时发生脆性变化，易导致补焊处再次开裂，给生产带来影响。根据母材(20g)的抗拉强度选用J5016低氢钾型焊条，焊条直径Ф 4.0 mm，此焊条的特点是:具有良好的力学性能和抗裂性能，可以全方位焊接，适用于(20g)的焊接。使用时，先将电焊条烘热，排去水分，再使用中、高电流对补焊处进行快速焊接，同时采用湿度保养法进行补焊，对炉口周体进行连续打水降温，保证焊缝金属塑性、韧性及抗裂性能不发生变化。

7) 增加出水管伸入管口高度。适当加高出水管伸入炉口的高度，提高炉口回水腔注水高度，扩大炉口壳体的冷却面积，如图 2所示。

假设F_回腔为水冷炉口顶板至出水管口高度的垂直面积，F_出水管为出水管口横截面积。

理论认为:当F_回腔＞F_出水管时，回水腔内的出水流速才能和进水流速保持一致，顺利流向出水管，避免在出水管口阻隔，导致炉口回水腔憋压，发生爆裂。

通过对炉口制作使用的参数分析，除了增加回水管的高度，提高回水腔注水充满的空间以外，同时还要保证回水畅通，为此将回水管回水口的设计角度由50°缩小至45°，增加回水管口的回水面积，从而改善炉口壳体冷却效果。

5 延长炉口水箱使用周期的技术分析

根据目前炉口水箱使用状况，进一步延长水冷炉口使用周期，或许还有潜力。对炉口冷却水量及进、出水管直径进行计算，提供数据支持。

1) 主要参数的计算。炉口承受炉气的高温作用，对其吸热强度的比较见表 1。

受热面积可按炉口内侧面积和顶侧面积之和计算。由于水冷炉口受热面不仅是内侧面和顶面，外侧面及下侧面均有热量传导及辐射，因此，还需乘上1.2 ~ 1.5倍的安全系数。

根据目前30 t转炉炉口的制作结构，计算出炉口理论传热面积F = 3.75m²(计算过程略)。

炉口冷却水用量计算:

炉口水箱每小时受到热辐射量:

(1)

式中，ε—水冷炉口材料的辐射黑度，钢板取0.8;

q —水冷炉口吸热强度，kJ /(m²·h) (现取3.3 × 10⁸ kJ /(m²·h));

F —水冷炉口传热面积，为3.75 m²。

计算得: Q₁ = 9.9 × 10⁸(kJ)

(2)

式中，c —水的比热容，4.2 × 10³ kJ /(kg·℃);

T_j、T_ch—冷却水进、出水温度。平均进水温度为25.5 ℃，平均出水温度为36.5 ℃;

m —每小时冷却水的质量，kg。

(3)

计算得: m = 21 429(kg)

进水管直径计算:

(4)

式中，m —水冷炉口需要的水量，kg /h;

k —安全系数，取1.2;

π —圆周率，取3.14;

ρ —冷却水密度，取875 kg /m³;

υ —冷却水流速，按水压力P = 0.3 MPa，取流速为2.5 m /s。

计算得: d = 64.5 mm。

理论管径与实际管径效果对比:按照选管要求，只有选择管内径大于计划直径的无缝管时，通过的冷却水流量才可将炉内烟气产生的热量完全带走。故应当选取Φ 73 mm × 3.5 mm(内径66 mm)的无缝管作进水管，而出水管直径则按“进细出粗”的原则，选大于Φ 73 mm × 3.5 mm的无缝管做出水管，才可以满足要求。但实际安装的无缝管管径为:进水管Φ 60 mm × 4.5 mm (内径51 mm)，出水管Φ 76 mm × 4.5 mm(内径67 mm)。根据此进水管径，可计算出实际冷却水流量Q为12 879 kg /h，仅为理论流量的65%，不能满足水冷炉口冷却需求。

2)改进方法。①增大炉口围管的管径及窝卷尺寸，相应缩小炉口面板尺寸，补偿供水量不足的缺陷; ②增加回水管伸入长度; ③适当减少炉口内腔阻隔板数量，调整和扩大阻隔板间距，避免因涡流、淤气等过多地出现在隔板焊接部位，导致炉口面板开裂。

6 结语

对3座转炉的炉口水箱分步实施以上的改进措施，到目前为止，3座转炉的水箱平均使用寿命均突破7 000炉，其中3号转炉的炉口水箱已有9 038炉。据统计2010年(改造前) 3座转炉使用炉口水箱12个，炉口水箱焊补107次; 2011年(改造后)使用炉口水箱8个，焊补88次; 2012年(剔除产量增加部分)使用炉口水箱9个，焊补92次。两年来节约炉口水箱费用35万元，减少焊补次数34次，按每次焊补1小时计算，两年可增加34小时转炉作业时间，由此可见带来的效益是非常可观的。

因此，认真研究、分析和解决水冷炉口应用中出现的问题，对于延长其在线使用周期，降低人力及生产成本都有非常重要的意义。