杜屏 雷鳴 張勇 高天路 郭子昱 張建良 焦克新

（1：沙鋼集團有限公司煉鐵作業(yè)部 江蘇 張家港 215625；2：北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院 北京 100083）

1 前言

高爐內(nèi)部高溫高壓的冶煉環(huán)境給高爐安全長壽帶來嚴峻的考驗，特別是熱負荷較大的爐身下部、爐腰、爐腹區(qū)域及溫度波動大的爐缸區(qū)域，已成為高爐安全長壽的主要限制性環(huán)節(jié)［1］。冷卻器的優(yōu)化選型對保障爐身下部、爐腰、爐腹及爐缸區(qū)域的安全穩(wěn)定尤為重要，選擇合適的冷卻器能夠大大延長高爐的壽命，減少中修次數(shù)，延長大修時間，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

目前，高爐爐身上部一般采用鑄鐵冷卻壁，爐身下部及爐腰、爐腹部位一般采用銅冷卻壁，有部分高爐整體采用鑄鐵冷卻壁。爐缸部位一般采用鑄鐵冷卻壁，但也有部分高爐在爐缸“象腳區(qū)域”采用一段銅冷卻壁，以加強該部位的冷卻。對于高爐關(guān)鍵部位的冷卻器選型目前仍存在許多爭議，需要進一步明確不同種類冷卻壁的破損形式，對比冷卻器的優(yōu)缺點，提出更加合理的冷卻器選擇方案。

本文結(jié)合部分國內(nèi)案例，旨在明晰高爐上下部冷卻壁的工作條件及使用條件，對比分析不同冷卻器的使用效果及破損機理，提出合理得冷卻器配置對策，最終為高爐爐身下部、爐腰、爐腹及爐缸的長壽提供指導。

2 原因分析

冷卻壁為高爐提供有效的冷卻，是最重要的高爐冷卻設備之一，起到支撐耐火材料內(nèi)襯、降低內(nèi)襯溫度和保持內(nèi)襯完整性的作用，從而維持高爐合理的操作內(nèi)型，同時在耐火材料消失之后，冷卻壁依靠冷卻作用能夠生成保護性渣皮，形成“永久性”內(nèi)襯。總體來說，冷卻壁的工作狀態(tài)對延長高爐壽命具有重要的作用和意義。而我國高爐現(xiàn)階段常用的鑄鐵冷卻壁和銅冷卻壁在使用中存在著一定的問題，破損現(xiàn)象時有發(fā)生。

鑄鐵冷卻壁傳熱性能較較弱、壽命較低，熱應力的直接影響、煤氣流及爐料的沖刷磨損、滲透作用的發(fā)生均會導致鑄鐵冷卻壁破損［2］。當溫度升高至400℃以上時，由于鑄鐵冷卻壁內(nèi)端溫度高、外端溫度低的工作條件，熱應力作用明顯，機械強度明顯下降，在煤氣及爐料的直接沖刷作用下，冷卻壁鑲磚逐漸減??；同時CO通過滲透作用進入冷卻壁基體，在400℃～600℃下，發(fā)生2CO→CO2＋C反應，碳元素不斷沉積，造成冷卻壁變脆、力學性能降低，最終冷卻壁表面產(chǎn)生裂紋。

圖1 鑄鐵冷卻壁破損機理圖

銅冷卻壁在化學侵蝕、機械摩擦和熱應力作用下，會出現(xiàn)燒損、磨損、冷卻水管暴露和彎曲變形等破損現(xiàn)象［3，4］?；瘜W侵蝕即為“氫病”現(xiàn)象，銅冷卻壁中含有的O與銅基體結(jié)合生成的Cu2O，在與H接觸反應后，發(fā)生還原反應，生成水蒸氣，導致基體膨脹易出現(xiàn)裂紋，而這種侵蝕在150℃以下會明顯緩解。

機械磨損是導致銅冷卻壁破損的主要原因，爐料因溫度上升而膨脹，冷卻壁與之接觸，產(chǎn)生較大正壓力；同時壁體因與高溫煤氣流直接接觸，溫度上升超過銅冷卻壁最高承受溫度，高溫下銅冷卻壁的力學性能下降，在爐料的沖刷作用下，使得銅冷卻壁破壞嚴重。壁體溫度升高后會產(chǎn)生較大的熱應力，應力的長期積累使銅冷卻壁熱面形成微小裂紋，使銅的力學性能進一步下降，變得更軟，更易產(chǎn)生彎曲變形。若銅冷卻壁固定方式的不合理或者定位銷螺栓損壞，銅冷卻壁水管周圍則會產(chǎn)生裂紋［5，6］，進而導致冷卻壁漏水。

圖2 銅冷卻壁破損機理圖

3 冷卻壁優(yōu)化分析

3.1 材質(zhì)選擇依據(jù)分析

高爐爐腰、爐腹及爐身下部工作環(huán)境惡劣，既承受著高溫的煤氣流和熔融渣鐵流的沖刷，又承受著高強度的熱沖擊，特別是隨著近年我國高爐大噴煤工藝不斷發(fā)展，導致熱流強度進一步提高。因此，對高爐爐體冷卻壁的抗熱、抗磨性能提出更高的要求，選擇合理的冷卻壁材質(zhì)和結(jié)構(gòu)顯得尤為必要。

圖3 高熱負荷區(qū)熱流密度圖［7］

在20世紀末球墨鑄鐵冷卻壁因其機械強度可達400MPa～450MPa，伸長率可達18% ～20%，常用于高爐爐腹、爐腰及爐身下部等高熱負荷區(qū)域［8，9］。隨著冷卻壁制造技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)大部分高爐高熱負荷區(qū)逐漸采用銅冷卻壁結(jié)構(gòu)。

表1 冷卻壁基體材料熱力學性能及物理性能表

對比我國高爐高熱負荷區(qū)常用的鑄鐵冷卻壁與銅冷卻壁來看，銅冷卻壁正常承受熱流強度為75.47kW／m2，30min內(nèi)可承受最大熱流強度為384.33kW／m2，而鑄鐵冷卻壁僅為70kW／m2。銅冷卻壁允許工作溫度為150℃，雖然鑄鐵冷卻壁的允許工作溫度為600℃，但銅冷卻壁短時峰值熱流強度可達300kW／m2以上甚至更高，因此其壁體實際最高溫度與允許最高溫度之比不超過0.65，而鑄鐵冷卻壁為0.8～0.9，因此銅冷卻壁能承受較高的熱流沖擊。雖然鑄鐵冷卻壁在無渣皮保護時耐磨性能更加優(yōu)異，但對于高熱負荷區(qū)而言，冷卻壁抗高熱負荷能力更為重要，因此綜合考慮在該區(qū)域采用銅冷卻壁更為適用。

目前，新型銅鋼復合冷卻壁在高爐高熱負荷區(qū)域得到了應用。銅鋼復合冷卻壁采用爆炸焊接工藝將TU2純銅板和Q235鋼板焊接在一起，冷卻壁熱面的銅和冷卻壁冷面的鋼分別保證了冷卻壁的高導熱性和高溫環(huán)境不易撓度變形的特性。就銅鋼復合冷卻壁導熱性能和力學性能來說，可應用于高爐高熱負荷區(qū)。對比銅冷卻壁與銅鋼復合冷卻壁，銅冷卻壁抗拉強度為200MPa～250MPa，熱傳效率為78400W，在部分銅被鋼代替后，冷卻壁的抗拉強度提升至311MPa，傳熱效率變?yōu)?7486W，因此銅鋼復合冷卻壁可以在保證傳熱效率的同時，大幅提升抗拉強度。因此綜合考慮抗拉能力與傳熱能力，銅鋼復合冷卻壁較之銅冷卻壁表現(xiàn)更為優(yōu)異。

另外，一些高爐沒有采用傳統(tǒng)的全冷卻壁方案，而是采用冷卻板與冷卻壁結(jié)合的方案。板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)就單純的冷卻壁結(jié)構(gòu)而言，不僅彌補了冷卻壁不宜更換的缺點，而且起到了強化耐火材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與穩(wěn)定渣皮的作用，較適用于高熱負荷區(qū)。韓國現(xiàn)代唐津1＃、2＃高爐風口區(qū)以上至爐腹下部采用銅冷卻板，爐腹上部、爐腰和爐身下部采用銅冷卻壁，有效解決了風口與爐腹交界連接問題；國內(nèi)柳鋼在爐腰和爐身下部采用板壁結(jié)合方式，亦取得了良好的應用效果。

綜上，高熱負荷區(qū)冷卻壁優(yōu)先選取銅鋼復合冷卻壁或板壁結(jié)合方式，其次選取銅冷卻壁。

3.2 設計優(yōu)化

銅冷卻壁是我國現(xiàn)階段高熱負荷區(qū)應用最多的冷卻壁類型，在不進行更換成銅鋼復合冷卻壁和板壁結(jié)合方式時，可采用以下措施進行爐體冷卻壁優(yōu)化。

（1）制備安裝優(yōu)化

冷卻壁的質(zhì)量是決定其使用性能的先天性因素，因此嚴格控制冷卻壁的生產(chǎn)制造及安裝過程是高爐高效長壽運行的基礎。

銅冷卻壁制作應嚴格依據(jù)相應的制作標準。銅冷卻壁一般以高純度、高致密度的TU2無氧銅軋制銅板為原料，控制含氧量在0.003%以內(nèi)，防止富余的氧與銅結(jié)合，減少“氫病”現(xiàn)象的發(fā)生。同時在制作過程中可適當使用熱噴涂表面處理工藝，提高銅冷卻壁的耐高溫、耐磨和耐腐蝕性能，減少磨損。

在安裝冷卻壁時考慮采用固定銷固定，螺栓留有一定余量，并將掛螺栓孔改成長方型或橢圓形，同時控制安裝過程中固定點、浮動點及滑動點的分布，保護套管與爐殼及冷卻壁間的孔隙分別用硅橡膠圈壓實和快干密封膠填充，上下層水管用軟連接方式進行連接［10］。

（2）設計優(yōu)化

式中：Y—均勻分布載荷下簡支梁最大撓度，mm；

q—均勻分布載荷值，N／mm；

l—簡支梁長度，mm；

E—簡支梁材料的彈性模量，N／mm2；

I—簡支梁材料的截面慣性距，mm4。

根據(jù)上述公式可知冷卻壁長度較長、撓度越大，受高溫熱應力就越明顯，冷卻壁兩端翹曲變形問題也會隨著嚴重［11］。參考馬鋼2＃高爐2016年冷卻壁破損狀況［12］，在設計冷卻壁時，可適當減短冷卻壁長度，如沙鋼5800m3高爐爐腹部位長度為3.4m 的冷卻壁可以改為兩段設計，每段長1.7m。

燕尾槽角度及縫隙大小等會明顯影響冷卻壁的受熱膨脹，參考梅鋼4號高爐2016年冷卻壁破損狀況［13］，可以將冷卻壁燕尾槽向上傾斜14°，銅冷卻壁縫隙改為30mm，并用背部壓漿方式填充縫隙。

如圖5所示，為改善爐型拐點處冷卻壁極易受到上升煤氣流和下降渣鐵流的沖刷問題，位于爐腹和風口帶銜接處的冷卻壁可采用凸臺設計，控制凸臺高度不超過350mm，將進水管包覆在內(nèi)，同時在凸臺部位和本體過渡區(qū)域增加圓角過渡［14］，從而有效阻止高溫煤氣流燒損水管。

圖5 凸臺設計冷卻壁示意圖［15］

為應對我國高爐不斷向薄壁爐型轉(zhuǎn)變的趨勢，可以通過減少燕尾槽深度和冷卻通道的加工偏差，將冷卻壁的厚度減薄到105mm，同時將冷卻壁設計為復合孔型，較之常用的圓孔型，這種孔型冷卻壁既提供了更強的冷卻能力，又減少了冷卻壁的制作費用［16，17］。

4 爐缸冷卻壁優(yōu)化分析

4.1 材質(zhì)選擇依據(jù)分析

高爐爐缸熱流密度相對高熱負荷區(qū)來說較小，高爐爐況順行時，熱流密度保持在12kW／m2左右，故爐缸冷卻壁抗熱能力較爐體冷卻壁要求相對較低。

本次計算假設涂層厚度為0，且忽略碳磚、搗打料、冷卻壁、氣隙、涂層、爐殼相互之間的接觸熱阻、磚縫熱阻、冷卻水管內(nèi)表面與水對流換熱熱阻、水垢熱阻、水管管壁導熱熱阻及爐殼與外界對流換熱熱阻。

圖6 爐缸傳熱示意圖

式中：q—爐缸熱流密度，W／m2；

T1、T2—爐缸側(cè)壁碳磚與高爐鐵水分界線溫度、爐殼溫度，℃；

δ1、δ2、δ3、δ4、δ5—分別為碳磚厚度、搗打料厚度、冷卻壁厚度、氣隙厚度及爐殼厚度，m；

λ1、λ2、λ3、λ4、λ5—分別為碳磚導熱系數(shù)、搗打料導熱系數(shù)、冷卻壁導熱系數(shù)、氣隙導熱系數(shù)及爐殼導熱系數(shù)，W／（m·K）。

表3 公式計算相關(guān)數(shù)據(jù)表

將表2數(shù)據(jù)代入上述公式，得出冷卻壁導熱系數(shù)λ3為35.1W／（m·K）。因鑄鐵冷卻壁和銅冷卻壁導熱系數(shù)分別為40W／（m·K）和380W／（m·K），故鑄鐵冷卻壁即可滿足爐缸傳熱過程中的冷卻需求。

表2 不同冷卻結(jié)構(gòu)特點

在爐缸炭磚完整時，鑄鐵冷卻壁和銅冷卻壁對溫度場影響較??；當炭磚被侵蝕到一定厚度時，影響逐步明顯，但炭磚熱面凝結(jié)層厚度兩者相差不大［18］。并且，爐缸區(qū)域采用冷卻壁的主要目的是為了形成“自保護”渣鐵殼，防止爐缸內(nèi)襯的“過熱”［19］，綜合考慮以上因素，一般選取鑄鐵冷卻壁即可。但由于出鐵過程鐵口區(qū)域熱負荷最大，故鐵口四周可考慮選取銅冷卻壁，起到加強冷卻的作用。

4.2 制備

鑄鐵冷卻壁是我國現(xiàn)階段爐缸區(qū)域應用最多且最適宜的冷卻壁。為取得較好的冷卻效果，鑄鐵冷卻壁表面積需達到1.0以上，因此在設計圓形水管冷卻壁時，盡可能使鑄鐵冷卻壁的水管尺寸達到Φ76×6mm和Φ80×6mm，水管間距達到238mm和251mm［20］，這兩種規(guī)格的水管與常見的Φ60×6mm和Φ70×6mm水管相比，水頭數(shù)量和阻損要?。辉谠O計橢圓形水管冷卻壁時（冷卻壁鑄體之外的水管為圓形水管，僅在鑄入壁體部分為橢圓形），需控制短長軸之比在0.4～0.5之間［18］，用以保證合理的冷卻水進出口壓力差、流動阻力以及壁面熱應力，從而保證更好的冷卻效果。

鑄鐵冷卻壁邊緣位置因無冷卻水流過，冷卻能力要弱于中心位置，若爐缸部位冷卻能力不足，會造成或加劇象腳型侵蝕。因此在進行冷卻壁安裝時，應避免兩塊冷卻壁交界位置處于象腳區(qū)域，使整塊冷卻壁的中心對準象腳區(qū)域；同時可加大象腳區(qū)域冷卻壁尺寸，從而起到加強冷卻的效果。

圖7 象腳區(qū)域冷卻壁優(yōu)化示意圖

5 結(jié)論

通過比較分析冷卻壁材質(zhì)、結(jié)構(gòu)差異及高爐各區(qū)域的熱流載荷，結(jié)合我國高爐冷卻壁現(xiàn)存問題及傳熱計算模型，得出以下結(jié)論：

（1）為提高冷卻器在爐腰、爐腹及爐身下部的使用壽命，優(yōu)先選取銅鋼復合冷卻壁或板壁結(jié)合方式冷卻結(jié)構(gòu)，其次選取銅冷卻壁。鑄鐵冷卻壁用于較高熱負荷區(qū)域?qū)ΜF(xiàn)場操作提出更高的要求時。

（2）兩塊冷卻壁交界處冷卻能力較差，保證爐缸“象腳”區(qū)域?qū)暾囊粔K冷卻壁，有利于該區(qū)域的均勻冷卻。

（3）爐缸部位鑄鐵冷卻壁比表面積應保持在1.0以上。經(jīng)計算，爐缸區(qū)域使用鑄鐵冷卻壁已經(jīng)能夠滿足爐缸部位的正常冷卻。