板式换热器在中小高炉炉体冷却中的应用探讨
日期：2008-10-30 0:04:29 来源：中国自动化网
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1 前言
国内中小高炉炉体软水冷却大多采用空冷器，由于空冷器以空气为冷媒，受季节影响大，进高炉软水温度随季节变化而波动。济南钢铁集团总公司（简称济钢）2#355m3高炉炉体软水冷却即采用空冷器，在夏天时最高进高炉水温达到70℃以上，远高于最佳供水温度35～40℃。空冷器管束易腐蚀、漏水，而对腐蚀管束采用“盲死”措施后，空冷器换热面积减少，更使进入高炉的软水温度升高。随着炼铁工艺的完善及高炉利用系数的提高，空冷器冷却能力不足的矛盾日益突出，已严重影响高炉的安全高产和使用寿命。
2 板式换热器的选用
2.1 板式换热器的特点
板式换热器是以波纹板为传热面的新型、高效换热器，具有以下特点：
（1）传热系数高。由于波纹板片相互倒置，在流道中形成网状触点，流道交叉变化，流体方向多变，在临界雷诺数约为200时就能达到湍流，使膜传导系数大大提高，增强了传热。同时由于板片组合时形成许多支撑点，可以减少板片受压时的变形，可以使用较薄的板片，减少了热阻。因流体在板间湍流发达，总传热系数最高可达7000Ｗ/m2.℃。
（2）体积小，占地面积小，重量轻。板式换热器结构紧凑，体积小，每立方米体积内可布置250m2以上的换热面积，占地面积仅为列管换热器的1/5～1/10，重量不到列管换热器的一半，检修空间也比列管换热器小得多。
（3）组装灵活，拆装清洗方便。板式换热器可以随时用增减板片来变换换热面积，以适应热负荷的变化。
2.2 板式换热器的型式
由于中小高炉炉体冷却软水系统的特点为大流量、小温差，由此决定了板式换热器的结构特点为矮胖型，即宽高比较大。这样的结构，既保证了良好的换热效果，又可使压力损失降到最小。
2.3 板式换热器技术参数
2.3.1 板式换热器数量 根据中小高炉的特点，其炉体冷却软水系统采用板式换热器的数量宜为3台并联，每台流量为最大流量的50％，正常运行开二备一。软水系统除停开空冷器，并入板式换热器外，其它部分不变，这样适应性好，并易于检修。
2.3.2 流量 根据水在冷却壁的合理流速，并重点考虑高炉后期内壁耐热层减薄、传热量急剧增加的情况，按后期最大传热量来确定软化水流量。
2.3.3 软化水进出换热器温度 根据现有高炉软水供应的经验，软水供应温度在35～40℃之间时，对高炉稳产高产、安全生产最有利，同时考虑到夏季冷媒水及冷却塔的冷却能力，软化水进高炉温度在夏季最不利工况时宜小于40℃，软化水出高炉温度宜小于45℃，即软化水进换热器温度宜为45℃，出换热器温度宜为40℃。
2.3.4 换热器软水侧压力损失 由于软水系统除停开空冷器、并入板式换热器外，其它部分不变，因此，板式换热器软水侧压力损失须小于原有空冷器软水侧压力损失。原有空冷器软水侧压力损失小于0.05MPa，因此板式换热器软水侧压力损失必须小于0.05MPa。
2.3.5 换热器板片材质 板式换热器板片材质基本上采用不锈钢、钛合金两种。由于钛材料价格为不锈钢的4～6倍，且高炉冷却系统板式换热器板片材质采用不锈钢即可满足要求，为此板式换热器板片材质选用不锈钢。
不锈钢腐蚀的方式主要为氯离子腐蚀，在不锈钢系列中，316或316L型号不锈钢抗氯离子腐蚀性能最好，能够适应冶金企业的软水水质，且价格适中，因此板式换热器板片材质宜采用不锈钢316或316L。
2.3.6 换热器板片厚度 换热器板片厚度与传热系数成反比关系,板片厚度越小,传热效果越好，但同时也容易腐蚀泄漏。现国内板式换热器板片厚度一般为0.5～1.0mm，考虑到厂家制造工艺、现场操作水平及腐蚀、除垢等因素，换热器板片厚度宜选择0.7～0.9mm。
2.3.7 密封垫材质 考虑现场实际情况及板式换热器工作温度、软化水成分等诸多因素,密封垫材质宜选用三元乙丙橡胶。
2.3.8 换热器正常工作压力 根据软水系统闭路循环的特点，换热器正常工作压力最小值应为软水系统循环水泵出口压力与高炉高位膨胀水箱水位高度之和。
2.3.9 冷却水进、出换热器温度 根据夏季冷却水供水温度及冷却塔工作能力，冷却水进换热器温度宜小于32℃，出换热器温度宜小于37℃。
2.3.10 进出口管径进出口管径的大小以介质在管道内的流动速度小于3m/s为宜来确定，最大流速宜小于4 m/s。
3 板式换热器选型计算
济钢2#高炉冷却系统运行参数、板式换热器选型及结构参数的确定见表1。
4 应用效果
济钢2#高炉在2000年7月用板式换热器替代空冷器，经过3年来的运行，效果良好。已在济钢其它5座380m3高炉上陆续应用。板式换热器使用前后高炉进水温度统计数据对比情况见表2。
采用板式换热器后，在软水流量及冷却水均稳定在960～1200m3/h的情况下，软化水进高炉温度全年基本稳定在34～39℃之间，远远低于在2000年7月份以前采用空冷器的进水温度。
5 结语
高炉炉体冷却软水系统采用水-水板式换热器，可使高炉进水温度保持在最佳温度35～40℃之间，水温波动小，彻底解决了制约高炉高产、稳产、安全生产和影响高炉使用寿命的冷却能力不足问题，满足日益提高的高炉冶炼强度要求，延长高炉使用寿命。
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国内中小高炉炉体软水冷却大多采用空冷器，由于空冷器以空气为冷媒，受季节影响大，进高炉软水温度随季节变化而波动。济南钢铁集团总公司（简称济钢）2#355m3高炉炉体软水冷却即采用空冷器，在夏天时最高进高炉水温达到70℃以上，远高于最佳供水温度35～40℃。空冷器管束易腐蚀、漏水，而对腐蚀管束采用“盲死”措施后，空冷器换热面积减少，更使进入高炉的软水温度升高。随着炼铁工艺的完善及高炉利用系数的提高，空冷器冷却能力不足的矛盾日益突出，已严重影响高炉的安全高产和使用寿命。
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2 板式换热器的选用
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2.1 板式换热器的特点
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板式换热器是以波纹板为传热面的新型、高效换热器，具有以下特点：
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（1）传热系数高。由于波纹板片相互倒置，在流道中形成网状触点，流道交叉变化，流体方向多变，在临界雷诺数约为200时就能达到湍流，使膜传导系数大大提高，增强了传热。同时由于板片组合时形成许多支撑点，可以减少板片受压时的变形，可以使用较薄的板片，减少了热阻。因流体在板间湍流发达，总传热系数最高可达7000Ｗ/m2.℃。
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（2）体积小，占地面积小，重量轻。板式换热器结构紧凑，体积小，每立方米体积内可布置250m2以上的换热面积，占地面积仅为列管换热器的1/5～1/10，重量不到列管换热器的一半，检修空间也比列管换热器小得多。
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2.2 板式换热器的型式
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由于中小高炉炉体冷却软水系统的特点为大流量、小温差，由此决定了板式换热器的结构特点为矮胖型，即宽高比较大。这样的结构，既保证了良好的换热效果，又可使压力损失降到最小。
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2.3.1 板式换热器数量 根据中小高炉的特点，其炉体冷却软水系统采用板式换热器的数量宜为3台并联，每台流量为最大流量的50％，正常运行开二备一。软水系统除停开空冷器，并入板式换热器外，其它部分不变，这样适应性好，并易于检修。
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2.3.2 流量 根据水在冷却壁的合理流速，并重点考虑高炉后期内壁耐热层减薄、传热量急剧增加的情况，按后期最大传热量来确定软化水流量。
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2.3.3 软化水进出换热器温度 根据现有高炉软水供应的经验，软水供应温度在35～40℃之间时，对高炉稳产高产、安全生产最有利，同时考虑到夏季冷媒水及冷却塔的冷却能力，软化水进高炉温度在夏季最不利工况时宜小于40℃，软化水出高炉温度宜小于45℃，即软化水进换热器温度宜为45℃，出换热器温度宜为40℃。
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2.3.4 换热器软水侧压力损失 由于软水系统除停开空冷器、并入板式换热器外，其它部分不变，因此，板式换热器软水侧压力损失须小于原有空冷器软水侧压力损失。原有空冷器软水侧压力损失小于0.05MPa，因此板式换热器软水侧压力损失必须小于0.05MPa。
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2.3.5 换热器板片材质 板式换热器板片材质基本上采用不锈钢、钛合金两种。由于钛材料价格为不锈钢的4～6倍，且高炉冷却系统板式换热器板片材质采用不锈钢即可满足要求，为此板式换热器板片材质选用不锈钢。
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不锈钢腐蚀的方式主要为氯离子腐蚀，在不锈钢系列中，316或316L型号不锈钢抗氯离子腐蚀性能最好，能够适应冶金企业的软水水质，且价格适中，因此板式换热器板片材质宜采用不锈钢316或316L。
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2.3.6 换热器板片厚度 换热器板片厚度与传热系数成反比关系,板片厚度越小,传热效果越好，但同时也容易腐蚀泄漏。现国内板式换热器板片厚度一般为0.5～1.0mm，考虑到厂家制造工艺、现场操作水平及腐蚀、除垢等因素，换热器板片厚度宜选择0.7～0.9mm。
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2.3.9 冷却水进、出换热器温度 根据夏季冷却水供水温度及冷却塔工作能力，冷却水进换热器温度宜小于32℃，出换热器温度宜小于37℃。
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2.3.10 进出口管径进出口管径的大小以介质在管道内的流动速度小于3m/s为宜来确定，最大流速宜小于4 m/s。
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济钢2#高炉冷却系统运行参数、板式换热器选型及结构参数的确定见表1。
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济钢2#高炉在2000年7月用板式换热器替代空冷器，经过3年来的运行，效果良好。已在济钢其它5座380m3高炉上陆续应用。板式换热器使用前后高炉进水温度统计数据对比情况见表2。
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采用板式换热器后，在软水流量及冷却水均稳定在960～1200m3/h的情况下，软化水进高炉温度全年基本稳定在34～39℃之间，远远低于在2000年7月份以前采用空冷器的进水温度。
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5 结语
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高炉炉体冷却软水系统采用水-水板式换热器，可使高炉进水温度保持在最佳温度35～40℃之间，水温波动小，彻底解决了制约高炉高产、稳产、安全生产和影响高炉使用寿命的冷却能力不足问题，满足日益提高的高炉冶炼强度要求，延长高炉使用寿命。
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