特制冷却柱研究及应用效果

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摘要：酒钢6号高炉炉身冷却壁损坏严重，通过分析冷却壁损坏特点、冷却柱使用效果、冷却柱相关参数，研制了适合于6号高炉的特制冷却柱，其特点是大幅度减少冷却柱有效长度和降低冷却水压。该冷却柱在酒钢6号高炉应用以后，高炉指标得到改善，炉皮安全得到保障，并为今后安装冷却柱提供参考。

关键词：高炉护炉特制冷却柱冷却柱参数

1 前言

酒钢6号450m³高炉于2005年3月投产。炉腹设置第4段冷却壁，炉腰设置第5段冷却壁，炉身自下而上设置第6、7、8、9、10、11段冷却壁，其中第4～8段冷却壁内为4进4出的直水管，直水管伸出冷却壁外部与上部冷却壁水管分别焊接，形成了从4段至8段上下串联的连接方式，冷却水从第4段冷却壁的4根水管分别流入，经过5、6、7、8段冷却壁对应水管流出。2005年9月13日当天，第7、8段冷却壁水管损坏5根(每1根限于1块冷却壁范围)，其中，第7段11号冷却壁水管损坏1根，第8段11号损坏1根，第8段12号损坏3根，此后，冷却壁水管逐步损坏，至2007年9月30日，第4～8段冷却壁水管损坏共292根，损坏率61％。面对6号高炉冷却壁损坏严重的情况，如果更换冷却壁，需要停炉约20天，高炉产量损失约3万吨；如果降低冶炼强度，不仅影响高炉产量，而且不能解决冷却壁损坏的根本问题。为了兼顾高炉产量和高炉护炉，欲在6号高炉使用冷却柱技术。

冷却柱技术虽然是成熟技术，但是，国内高炉应用冷却柱技术的效果不同，有的效果良好，有的效果甚微，有的甚至于出现高炉结瘤现象。使用效果不同的原因主要是对冷却柱相关因素分析的深度不同。我们认为，冷却柱护炉原理是可靠的，只要认真分析，深入研究，就能使冷却柱的护炉效果充分发挥。为此，由技术中心炼铁研究所、炼铁二工序和指挥中心组成项目组研究适宜于6号高炉的冷却柱。

通过对冷却壁损坏位置、残存冷却壁状态、冷却柱相关参数、冷却柱安装位置、冷却柱使用效果的综合分析，确定了6号高炉冷却柱的合理参数。还考察了其它高炉冷却柱的施工情况，制订周密的施工计划，并利用高炉检修机会成功安装。经实践验证，高炉利用系数提高，综合焦比降低，经济效益显著：冷却柱水温差稳定，对应位置炉皮温度降低，护炉效果明显，并为其它高炉冷却柱应用提供参考。由于该冷却柱的水通道、材质、尺寸以及水压控制与常用冷却柱差别很大，使许多相关人员难以接受，所以称之为特制冷却柱。

2 冷却壁损坏分析

2．1第6段冷却壁损坏最严重

2005年9月13日至2007年9月30日期间，6号高炉第4～8段冷却壁水管损坏292根，损蚜率60．8％，其中，第4段冷却壁水管损坏42柢损坏率43．8％；第5段损坏66根，损坏率68．8％；6段损坏90根，损坏率93．8％：7段损坏89根，损坏率92．7％；8段损坏75根，损坏率78．1％。可以看出，第6段冷却壁水管损坏最严重，其次为7段。因此，应重点关注第6、7段冷却壁。

2．2第4～8段冷却壁损水管坏速度较快

如图1所示，2005年11月份，第4～8段冷却壁水管损坏26根／月为第一个高峰，此后其损坏速度有所减缓。从2006年8月开始，每月的损坏数量逐步增加，到2007年5月达到最高5l根，月，相当于冷却壁整体损坏12．8块，平均每2天冷却壁整体损坏1块，这个速度远远超过酒钢其它高炉以往规定“每月冷却壁损坏不超过2块”的正常水平，以这样的损坏快速发展下去，将会导水管大量损坏。

2．3第4—6段冷却壁整体损坏速度加剧

进一步分析第4～6段整体冷却壁(4根水管全部损坏的的冷却壁)损坏情况，2005年第4～6冷却壁整体损坏所涉及的水管损坏12根，损坏率为4．2％；2006年损坏37根，损坏率为12．8％，是2005年的3．1倍；2007年损坏99根，损坏率为34．4％，是2006年的3．7倍。这样的损坏速度，将会导致整体冷却壁大量损坏。

2．4冷却壁整体损坏后很快脱落

从其他高炉停炉观察的情况看，完全断水的冷却壁往往不复存在。有关专家认为，冷却壁一旦失去冷却水，将在数月内烧损、断裂、脱落。由于6号高炉第4～8段冷却壁内部的4根水管是独立设置，往往在最后一根水管损坏之前其余3根水管早已损坏，因此，一旦冷却壁整体损坏，冷却壁将很快脱落，冷却壁整体损坏至冷却壁脱落的日期比一般冷却壁(内部水管为蛇型)更短。第6段冷却壁整体损坏16块，损坏率66．7％，可以判断，这16块冷却壁几乎全部脱落。如图2所示。

2．5冷却壁脱落后炉皮处于危险状态

第6段冷却壁位置是软熔带，该位置的周边区域有渣铁液与固体料交替出现的现象，是固体料和液态渣铁的分界处，对应温度在800～1100℃大致范围。第6段冷却壁位置以上周遍区域是固体炉料，几乎没有液态渣铁，但是有煤气携带的低熔点的炉料成分在此出现，冷却壁在此位置主要作用有二：一是在开炉初期保护炉衬，二是炉衬脱落后直接抵挡热负荷保护炉皮。6段冷却壁位置以下炉内几乎全部是液态渣铁，冷却壁在此位置主要作用有二：一是在开炉初期保护炉衬，二是在炉衬脱落后通过形成固态渣皮再造“新炉衬”来抵挡热负荷。当冷却壁脱落时，高温炉料与炉皮直接接触，在6段或以上位置因难以形成渣皮会经常出现炉皮发红的现象，进而出现炉皮，严重时会出现炉皮开裂、炉料喷出事故。在6段或以下位置若冷却强度不足就会直接烧穿炉皮、渣液喷出，造成较大事故。

第6段冷却壁，水管或整体冷却壁的损坏数量多、速度快，第6段冷却壁位置在炉身最下部与炉腰相连，起着承上启下的作用，对炉体支撑作用重要。因此，首先在第6段冷却壁位置安装冷却柱。

3冷却柱分析

3．1冷却柱护炉原理

把冷却柱焊接在高炉炉皮上并接通冷却水，炉内液态渣与冷却柱接触后，在冷却柱外表面形成导热系数很低的固态渣皮，从而阻止炉内热量传出，降低冷却柱和炉皮的温度，使冷却柱和炉皮在安全范围工作。如果不能在冷却柱周围形成渣皮，那么冷却柱仅仅与炉皮直接传热来降低炉皮温度，其作用类似于炉皮定点打水，效果非常有限。

3．2冷却柱使用效果分析

上世纪80年代，冷却柱技术开始使用，因为有一定的效果而普遍使用。此后，在冷却柱水通道、材质、尺寸等方面不断改进，使冷却柱技术不断完善。冷却柱也叫冷却棒或冷却筒，各种称呼有所不同，其作用都是恢复已经损坏冷却壁的冷却功能，是高炉的一种补充冷却设备。

日本鹿岛3号5050m³高炉，1988年在炉身上部安装冷却柱并在炉内实施喷涂来修复炉身上部炉墙，在炉腹位置安装冷却柱(直径110mm×长500mm)并压入硬化泥浆。他们认为冷却柱有一定护炉效果。

武钢2号1536m³高炉，1988年在炉腹4段安装冷却柱，开孔深度300mm，冷却柱直径110mm，长度300mm，材质为纯铜。在1块冷却壁上安装8只冷却柱花费24～32小时，寿命超过2年。

太钢3号1200m³高炉，1995年3月发现某风口漏水，判断该风口区冷却壁损坏，当年4月，在该冷却壁处安装冷却柱5只，次年2月又在风口区安装冷却柱4只。冷却柱直径为150～65mm五种型号，冷却柱水压大于1．0MPa，冷却柱水温差在0．3～0．4℃。至1997年5月中修时，安装冷却壁位置的炉皮没有损坏，没有安装冷却柱位置的炉皮多出开裂。中修拆炉发现冷却柱表面形成坚硬的渣皮，冷却柱无一损坏。本高炉原计划1995年底中修，但由于安装了冷却柱到1997年5月才中修，延长高炉寿命1年半。

宝钢3号4350m³高炉，1997年底开始安装冷却柱，到1999年7月，共安装冷却柱320只。冷却柱材质为纯铜并表面硬化处理(硬度比纯铜提高3倍)。随着安装冷却柱的数量不断增多，临近冷却壁水管损坏数量明显减少。

马钢2500m³高炉，1998年在第6、7段冷却壁位置安装冷却柱26只，1999年在风口位置、6～8段冷却壁位置分别安装冷却柱8只、90只，2000年在风口位置、6～7段冷却壁位置分别安装冷却柱14只、180只，在2年半时间累计安装冷却柱330只。调查发现第9～8段冷却柱表面有一层较薄的粘结物，第7段东北方向11号冷却壁渣皮脱落，仅有冷却柱向下弯曲被炉壳支撑，第7段西南完好冷却柱端头有一层较薄渣皮，第7段西南烧损冷却柱与渣皮黏结在一起。6段冷却柱前端渣皮厚度20～40mm，周围及根部渣皮厚度150～300mm。他们认为，有残存冷却壁的冷却柱效果较好，冷却壁脱落位置的冷却柱效果较差。

八钢1号350m³高炉，1999年9月份在炉身下部安装冷却柱6只，同年11月份在炉身下部安装冷却柱15只，冷却柱材质为铜质。水温差控制在1～5℃，使用8个月后效果良好。

广钢4号350m³高炉，2002年7月，在炉腹第2层冷却壁位置安装冷却柱5只，炉身第1层冷却壁位置安装7只。安装后实测水温差0．5'C左右，炉皮温度明显下降，基本控制在100"C以下，煤气泄露明显减少，由于效果好，2002年8月在炉腹和炉身下部冷却柱28只，2003年4月在炉腹安装2只，2003年11月在炉腹安装2只，累计安装冷却柱44只。冷却柱水温差控制在水温差0．5℃左右，比临近冷却壁水温差低2～5℃，水压控制在0．3～0．4MPa。安装冷却柱位置炉皮温度为90~C(休风时)，比同一位置安装冷却柱之前炉皮温度420℃降低了330℃，基本杜绝了炉皮发红现象，减少了炉皮开焊。拆炉后发现，冷却柱周围有渣皮并且冷却柱完好。

水钢2号1200m³高炉，2003年2月在炉身7、8、9段冷却壁位置安装冷却柱525只并炉内喷涂150～350ram。高炉利用系数从1．7t，(m³·d)提高到2．0 t，(m³·d)，综合焦比从520kg／t降低到490kg／t。

除此之外，国内其它高炉有冷却柱经常损坏的现象，还有因冷安装冷却柱导致高炉结瘤的现象，也有冷却柱被炉料砸断的情况。总体来看，多数高炉应用冷却柱后都有一定效果，其效果不同，同时冷却柱相关参数也是不同的。

3．3冷却柱结构分析

目前，国内典型冷却柱示意图如图3所示，外型如照片1所示。螺旋型。水管型的冷却效果不好，隔板型次之，螺旋型的冷却效果最好。螺旋型冷却柱依靠螺旋通道提高水速来，以消除冷却水与冷却柱接触面的气体薄膜，提高冷却强度，防止主体损坏，它与贯流式风口的冷却机理相同。

冷却柱的有效长度(主体长度)是根据炉内砖衬厚度、冷却壁厚度或冷却壁是否存以及冷却柱安装位置来确定。早期的冷却柱有效长度约在400～500 mm，以后逐步缩短。目前的有效长度在230～350mm者较多。由于过去对炉衬残存厚度和残存冷却壁的状态估计不足，使冷却在炉内暴露太长，容易损坏，更有甚者不仅长度太长，而且水量过大，从而导致高炉结瘤。随着冷却柱的大量使用，积累经验越来越多，冷却柱的尺寸逐步合理、适宜。冷却柱的直径一般在80～130 mm的范围，100～110mm者比较多，冷却柱的直径太大会影响炉皮强度，太小会增加安装密度。冷却水管的直径一般在38～76mm的范围，40mm者较多，水管直径需要依据热流强度等因数确定。各个高炉应根据实际情况确定冷却柱设计参数。

3．4冷却柱材质分析

冷却柱主体的材质有钢质、铜质等。铜的导热系数为钢的8倍左右，因此，铜冷却柱的冷却能力远大于钢冷却柱。但是铜的抗拉强度和耐磨性不及钢冷却柱。因此，要根据冷却柱的安装位置选择冷却柱的材质，以发挥铜的高导热性和钢的抗拉、耐磨性。为了提高铜的强度和耐磨性，在铜冷却柱的母材中添加了特殊元素并表面热处理。

3．5冷却柱安装密度

冷却柱安装密度，是指单位面积安装冷却柱的多少。由于多数高炉冷却壁的面积悬殊不大，通常以每块冷却壁上所安装冷却柱的数量1乍为冷却柱密度(少数冷却壁除外)。国内冷却柱的密度最多为8只／块，一般为4～6只／块。冷却柱的密度要保证其冷却强度与原高炉设计的冷却强度相匹配。铜冷却柱与钢冷却柱的密度有所不同，不同安装高度的密度也有所区别，对于有、无液态渣铁的情况，由于冷却柱作用有不同其密度也是不同的。在冷却柱热流强度计算中，其有效面积为有效长度侧面积与截面积之合。

3．6冷却柱的工作环境

安装冷却柱应当考虑是否能形成渣皮的问题。在第4、5段冷却壁位置安装冷却柱能很好的形成渣皮(酒钢6号高炉)，在第7段冷却壁或以上位置仅仅安装以点状分布为特征冷却柱，不能形成理想渣皮(有薄层黏结物)，难以对炉皮起到有效保护，还应当与喷涂相结合。在6段冷却壁位置安装冷却柱，成形成渣皮的机会多，但需要合适的冷却强度和适宜的冷却柱参数，当然，施炉内喷涂效果更好(有一定代价)。

在软熔带以上位置，炉内炉墙附近没有熔融渣铁，冷却柱表面不能形成理想渣皮(约50mm)，只能形成很薄的黏结层(以低熔点物质为主，一般为约10mm以下)。这种很薄的黏结层，降低热流密度幅度较小，不能减缓温度波动对冷却柱的热冲击，冷却柱容易被磨损、烧坏。铜质冷却柱不宜于安装在软熔带以上部位，钢质冷却柱安装在软熔带以上位置比铜冷却柱更抗磨。即就是钢冷却柱，其耐磨也是有限的，因此在软熔带以上位置应安装钢冷却柱并需要在炉内喷涂，炉内喷涂在保护冷却柱的同时，冷却柱又使喷涂层更加牢靠。在软熔带以下，最好使用铜冷却柱，以便于形成稳定渣皮。

4 特制冷却柱参数及其效果

通过以上分析，针对6号高炉第6段冷却壁脱落严重的情况，如果冷却柱有效长度太长，极其容易损坏，因此，设计有效长度为120mm，为了提高其冷却强度，加大了水管直径，优化了螺旋水通道的参数。冷却柱直径采用常用的100mm。这种有效长度较短、冷却强度较高的冷却柱，比常规冷却柱更贴近炉皮，受炉料磨损、碰撞程度减轻(有时存在)，容易自我保护，它形成的粘结层更平缀对高炉操作炉型影响很小。冷却柱材质为铜合金并进行了热处理，以提高耐磨性和抗拉强度。考虑到炉皮打水的情况，控制冷却柱水压为0．15MPa。根据计算冷却柱的最高温差不超过6℃，最佳使用范围为l～4℃(连接方式等因素)。

为了保证冷却柱安装顺利，对其它高炉的冷却柱施工技术进行考察，计算各个安装环节的时间，制订详细的安装计划，最终以钻机开孔方式，在6段6、7、8、14、15、19、20号冷却壁位置，用20小时安装该冷却柱18只。

冷却柱运行后，实测水温差稳定在1．2℃或3．5℃的水平(两种连接方式)，保证了冷却柱本身的安伞。实测炉皮温度从原来的70～80℃降低到现在的40～50℃，降低了30℃，减缓了高温对炉皮强度的威胁，提高了高炉安全性。冷却柱运行2个月的平均利用系数提高了0．25t／(m³·d)，入炉焦比降低了22 Kg／t，综合焦比降低了10Kg／t。因此，该冷却柱运行参数适宜，使用效果良好。铜冷却柱投用前、后高炉技术指标，如表1所示。

5 结语

(1)酒钢6号高炉第4～8段冷却壁水管大量损坏，同时，整体冷却壁脱落严重。最严重的6段冷却壁水管损坏率达93．8％，整体冷却壁脱落66．7％。这种情况很容易造成炉皮烧穿事故，必须采取护炉措施，为了兼顾高炉产量，欲安装冷却柱。

(2)各个高炉应用冷却柱效果差异明显，冷却柱相关参数也有较大区别，如何更好地应用冷却柱技术，有探讨的价值。

(3)酒钢6号高炉6段冷却壁位置安装的特制冷却柱，材质为经过热处理的铜合金，水通道为改制型螺旋型，有效长度为120mm，直径为100mm，水压为0．15MPa，进水、出水水管直径做变径处理，最高水温差不超过6℃，最佳使用范围为1～4℃，实测两种连接方式的水温差稳定在1．2℃或3．0℃。以钻机开孔方式，在第6段6、7、8、14、15、19、20号冷却壁位置，用20小时安装该冷却柱18只。

(4)安装冷却柱位置的炉皮温度从原来的70～80℃降低到现在的40～50℃，降低了30℃，未安装冷却位置炉皮温度仍然为70～80℃，提高了高炉安全性。冷却柱运行2个月，高炉平均利用系数提高了0．25t／(m³·d)，入炉焦比降低了22 Kg／t，综合焦比降低了10 Kg／t。从护炉和高炉指标两方面看，该冷却柱使用效果理想。

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